结构设计原理预应力混凝土的基本概念及其材料.ppt

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1、,预应力混凝土结构,提纲(syllabus)：9.1 概 述9.2 预加应力的方法和设备9.3 预应力混凝土结构的材料 9.4预应力混凝土结构的三种概念,预应力混凝土结构,预应力混凝土的基本概念及其材料,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1 概 述,钢筋混凝土构件由于混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低，所以在使用荷载作用下，通常是带裂缝工作。因而对使用上不允许开裂的构件，不能充分利用受拉钢筋的强度。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济

2、。,钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能发挥其作用的。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也不大。,9.1概 述,产生上述问题原因主要是因为混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低。钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。,预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1 概 述,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,预应力混凝土的概念,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1 概 述,9.1.1 预应力混凝土的基本原

3、理,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,图示，跨度为L截面为bh，承受均部荷载，跨中最大弯矩为M的简支梁,9.1.1 预应力混凝土的基本原理,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,图示，跨度为L的简支梁,12.1.1 预应力混凝土的基本原理,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,由于预加应力spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；,受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；,受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,第9章 预

4、应力混凝土结构的原理及计算规定,预应力在日常生活中的应用,木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力。当桶中盛水后，水压引起的拉应力小于预加压应力时，桶就不会漏水。,从书架上取下一叠书，由于受到双手施加的压力，这一叠书就如同一横梁，可以承担全部书的重量。,1）国外配筋混凝土结构的分类,II级：有限预应力混凝土 有限预应力混凝土是按在短期荷载作用下，容许混凝土承受某一规定拉应力值，但在长期荷载作用下，混凝土不得受拉的要求设计。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.2 配筋混凝土结构的分类,I级：全预应力混凝土 全预应力混全凝土是指在各种荷载组合下构件截面上均不允许出现拉应力的预应力

5、混凝土构件。,配筋混凝土结构预应力、部分预应力、普通钢筋混凝土结构,III级：部分预应力混凝土 部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许出现裂缝，但最大裂宽不超过允许值的要求设计。,IV级：普通钢筋混凝土 部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许出现裂缝，但最大裂宽不超过允许值的要求设计。,1）国外配筋混凝土结构的分类,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.2 配筋混凝土结构的分类,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.2 配筋混凝土结构的分类,2）国内配筋混凝土结构的分类,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.2 配筋混凝土结构的分类,我国按照工

6、程习惯，根据预应力度将配筋混凝土分为全部预应力混凝土、部分预应力混凝土和普通钢筋混凝土。,（1）预应力度的定义公路桥规将受弯构件的的预应力度()定义为：由预应力大小确定的消压弯矩M0与外荷载产生的弯矩M的比值。,2）国内配筋混凝土结构的分类,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.2 配筋混凝土结构的分类,（3）部分预应力混凝土构件的分类 公路桥规将作用（荷载）在短期效应组合下控制的正截面受拉边缘出现拉应力的部分预应力混凝土构件分为两类：A类：对构件控制截面受拉边缘的拉应力加以限制时；B类：当构件控制截面受拉边缘的拉应力超过限值或出现不超过宽度限值的裂缝时。,（2）配筋混凝土构件的

7、分类 全部预应力混凝土(1)部分预应力混凝土(10)普通钢筋混凝土(=0),第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.3 预应力混凝土结构的优缺点,预应力混凝土的优点改善结构的使用性能：延缓裂缝的出现，减小裂缝宽度；截面刚度显著提高，挠度减小，可建造大跨度结构。受剪承载力提高：施加纵向预应力可延缓斜裂缝的形成，使受剪承载力得到提高。卸载后的结构变形或裂缝可得到恢复：由于预应力的作用，使用活荷载移去后，裂缝会闭合，结构变形也会得到复位。提高构件的疲劳承载力：预应力可降低钢筋的疲劳应力比，增加钢筋的疲劳强度。使高强钢材和高强混凝土得到应用：有利于减轻结构自重，节约材料，取得经济效益。,预

8、应力混凝土结构与普通混凝土结构相比,其主要优点是：提高构件的抗裂度，改善了构件的受力性能。因此适用于对裂缝要求严格的结构；由于采用了高强度混凝土和钢筋，从而节省材料和减轻结构自重，因此适用于跨度大或承受重型荷载的构件；提高了构件的刚度，减少构件的变形，因此适用于对构件的刚度和变形控制较高的结构构件；提高了结构或构件的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.3 预应力混凝土结构的优缺点,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.1.3 预应力混凝土结构的优缺点,预应力混凝土的缺点工艺复杂，对施工质量要求较高。需要有专门的设备。预应力上拱度不易控制。

9、预应力混凝土结构的开工费较大。,12.2,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2 预加应力的方法与设备,9.2.1 预应加力的主要方法,施加预应力的方法分为两类先张法和后张法,先张法：先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递。但是这种力的传递：过程，需要经过一段传递长度 ltr才能完成。,先张法,先张法预应力混凝土构件，预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2.1 预应加力的主要方法,将预应力钢筋用夹具固定于台座或钢模上,支模、帮扎非预应力钢筋、浇注混凝土,待混凝土达

10、到预定强度后，切断或放松钢筋，使混凝土产生预压应力。,先张法的工序,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2 预加应力的方法与设备,9.2.1 预应加力的主要方法,后张法：后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递。,后张法,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2.1 预应加力的主要方法,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2.1 预应加力的主要方法,后张法的工序,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,后张法Post-tension,第9章 预应力混凝土结构的原理

11、及计算规定,后张无粘结预应力,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,无粘结预应力混凝土,锚具的可靠性高强钢丝的可靠度,第9章 预应力混凝土结构的原理及计算规定,锚具,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2 预加应力的方法与设备,9.2.2 锚具,1）对锚具的要求,受力安全可靠、预应力损失小、构造简单、紧凑、制作方便、用钢量少、张拉锚固方便迅速，设备简单。锚具的自锚和自锁。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2.2 锚具,2）锚具的分类,锚具的分类很多，按其传力锚固的受力原理，可以分为：,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2.2 锚具,3）目前桥梁结构

12、中几种常用的锚具,（1）锥形锚具用于锚固钢丝束或钢绞线束锚具由带锥孔的锚环和锥形锚塞两部分组成张拉时采用专门的双作用或三作用弗氏千斤顶,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,12.2.2 锚具,3）目前桥梁结构中几种常用的锚具,（1）锥形锚具,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,3）目前桥梁结构中几种常用的锚具,（2）镦头锚具用于锚固钢丝束和单根粗钢筋张拉端采用锚杯，固定端采用锚板要求钢丝下料长度精度高，防止造成钢丝受力不均,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,3）目前桥梁结构中几种常用的锚具,（2）镦头锚具,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,3）目前桥梁结构中

13、几种常用的锚具,（3）钢筋螺纹锚具 主要用于预应力筋张拉端构造简单、滑移小，也便于再次张拉，注意焊接接头的质量，以防止发生脆断。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,3）目前桥梁结构中几种常用的锚具,（4）夹片锚具JM12型、QM型和XM型锚具,JM12型锚具用于锚固36根直径为12mm的钢筋束，或56根74的钢绞线，必需采用双作用千斤顶张拉缺点：钢筋内缩值较大,QM型和XM型锚具用于锚固单根或多根钢绞线每次张拉一根钢绞线锚环根据钢绞线的布置，采用单孔或多孔,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,3）目前桥梁结构中几种常用的锚具,（4）夹片锚具JM12型、QM型和XM型锚具,第9

14、章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,3）目前桥梁结构中几种常用的锚具,（4）夹片锚具JM12型、QM型和XM型锚具,夹片式锚具,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.2 预加应力的方法与设备,9.2.4 预应力的其他设备,制孔器 穿索机 灌孔水泥浆及压浆机张拉台座,12.3,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.3 预加应力结构的材料,9.3.1 混凝土,1）强度要求,用于预应力混凝土构件的混凝土强度要求比较高。公路桥规规定：预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。这样，可以充分发挥高强钢材的抗拉强度，有效地减小构件截面尺寸。,2）收缩、徐变的影响,第9章 预应

15、力混凝土结构的基本概念及其材料,9.3.1 混凝土,3）混凝土的配置要求与措施,配置要求高强度、低收缩、徐变小。措施控制水灰比、选用高标号水泥、控制水泥掺 入量、注意掺合料的选择、加强振捣和养护。,预应力混凝土要求采用高强混凝土可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩；徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、

16、模具、夹具的周转率，降低间接费用,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.3.1 混凝土,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.3.2 预应力钢材,预应力钢筋的强度越高越好。为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。要求与混凝土良好的粘结性能，通常采用刻痕或压波方法来提高与混凝土粘结强度。具有低松弛应力损失。预应力钢筋的要求高强度、粗直径、低松驰、耐腐蚀。,1）对预应力钢筋的要求,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,9.3.2 预应力钢材,2）预应力钢筋的种类,(1)、钢绞线 钢绞线是

17、用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.515.2 mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,2）预应力钢筋的种类,无粘结预应力束,(1)、钢绞线,高强度钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。高强钢丝的强度为14701860MPa。钢丝直径为39mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或压波，也可制成螺旋肋。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,(2)、高强度钢丝,（3）、精扎

18、螺纹钢筋 为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,补充 预应力混凝土结构的三种概念,预应力混凝土结构，按照钢筋于混凝土之间的粘结情况，分为有粘结预应力混凝土结构和无粘结预应力混凝土结构。,按照预应力钢筋是否布置在截面内将预应力钢筋混凝土结构分为体内预应力混凝土结构和体外预应力混凝土结构。,12.4预应力混凝土结构

19、的三种概念,第9章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料,预应力混凝土结构的三种概念,1）预加应力的目的，是将混凝土变成弹性材料。预加应力的目的，只是为了改变混凝土的性能，变脆性材料为弹性材料。,2）预加应力的目的，是使高强度钢筋和混凝土能够共同工作。,3）预加应力的目的，是实现荷载平衡。,林同炎世界著名桥梁和结构工程学家。世界上最早一个以中国人命名的科学奖，就是美国土木工程学会的林同炎奖。1925年，考取唐山交通大学土木工程系，每试必冠，是校长茅以升、教授孙宝琦的得意门生。1931年，到美国加州大学柏克莱分校工程研究院深造，获学士学位。他的毕业论文力矩分配法，轰动了美国建筑界。1956年他完成的力作预应力混凝土一书，被公认为预应力学术界的权威著作，被美国土木工程学会评选为大学最好教科书之一，翻译成日、俄、西班牙等多种文字出版。他是“美国预应力的功勋人”，被尊称为“预应力混凝土先生”。他首创的“荷载平衡法”设计理论，成为预应力混凝土设计三大基础理论之一，被尊为现代建筑的一代宗师。1954年，林同炎在美国创建了“预应力学会”和“林同炎国际公司”。“林同炎国际公司”在美国和世界各地设计、建造了百余座美轮美奂的桥梁及房屋建筑，举世闻名。,林同炎世界著名桥梁和结构工程学家,