一、预应力混凝土的基本原理
1.为什么使用预应力混凝土
由于混凝土的抗拉性能很差,使钢筋混凝土存在两个无法解决的问题:一是在使用荷载作用下,钢筋混凝土受拉,受弯等构件通常是带裂缝工作的.二是从保证结构耐久性出发,必须限制裂缝宽度.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.
理论上讲,提高材料强度可以提高构件的承载力,从而达到节省材料和减轻构件自重的目的.但在普通钢筋混凝土构件中,提高钢筋强度却难以收到预期的效果.这是因为,对配置高强度钢筋的钢筋混凝土构件而言,承载力可能已不是控制条件,起控制作用的因素可能是裂缝宽度或构件的挠度.当钢筋应力达到 500~1000N/mm2时,裂缝宽度将很大,无法满足使用要求.因而,钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥其作用的.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极其有限.
混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低.其抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/18,极限拉应变仅为0.0001～0.00015,即每米只能拉长 0.1~0.15mm,超过后就会出现裂缝.而钢筋达到屈服强度时的应变却要大得多,约为0.0005～0.0015,如HPB235级钢筋就达1×10 -3.对使用上不允许开裂的构件,受拉钢筋的应力只能用到20~30N/mm2,不能充分利用其强度.对于允许开裂的构件,当受拉钢筋应力达到 250N/mm2时,裂缝宽度已达0.2~0.3mm..
2. 预应力混凝土的基本原理
为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现,充分利用高强度钢筋及高强度混凝土,可以设法在结构构件承受使用荷载前,预先对受拉区的混凝土施加压力,使它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力,从而将结构构件的拉应力控制在较小范围,甚至处于受压状态,以推迟混凝土裂缝的出现和开展,从而提高构件的抗裂性能和刚度.
二、预应力混凝土的分类
根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同分类
1.全预应力混凝土
在使用荷载作用下,不允许截面上混凝土出现拉应力的构件.属严格要求不出现裂缝的构件.
2.部份预应力混凝土
允许出现裂缝,但最大裂缝宽度不超过允许值的构件.属允许出现裂缝的构件.
3.无粘结预应力钢筋
将预应力钢筋的外表面涂以沥清,油脂或其他润滑防锈材料,以减小摩擦力并防锈蚀,并用塑料套管或以纸带,塑料带包裹,以防止施工中碰坏涂层,并使之与周围混凝土隔离,而在张拉时可沿纵向发生相对滑移的后张预应力钢筋.
特点:不需要预留孔道,也不必灌浆,施工简便,快速,造价
较低,易于推广应用.
三、预应力混凝土的特点
与钢筋混凝土相比,预应力混凝土具有以下特点:
1.构件的抗裂性能较好.
2.构件的刚度较大.由于预应力混凝土能延迟裂缝的出现和开展,并且受弯构件要产生反拱,因而可以减小受弯构件在荷载作用下的挠度.
3.构件的耐久性较好.由于预应力混凝土能使构件不出现裂缝或减小裂缝宽度,因而可以减少大气或侵蚀性介质对钢筋的侵蚀,从而延长构件的使用期限.
4.施工要求高.工序较多,施工较复杂,且需要张拉设备和锚具等设施.
注意:预应力混凝土不能提高构件的承载能力.也就是说,当截面和材料相同时,预应力混凝土与普通钢筋混凝土受弯构件的承载能力相同,与受拉区钢筋是否施加预应力无关.
四、施加预应力的方法
按照张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系,施加预应力的方法可分为先张法和后张法两类.
1.先张法
定义:先张拉预应力钢筋,然后浇筑混凝土的施工方法,称为先张法.
张拉设备与工艺:
主要工艺过程是:穿钢筋→张拉钢筋→浇筑混凝土并进行养护→切断钢筋.
主要优点:生产工艺简单,工序少,效率高,质量易于保证,同时由于省去了锚具和减少了预埋件,构件成本较低.
适用范围:主要用于工厂化大量生产,尤其适宜用于长线法生产中,小型构件.
2.后张法
定义:先浇筑混凝土,待混凝土硬化后,在构件上直接张拉预应力钢筋,这种施工方法称为后张法.
张拉设备与工艺:
主要工艺过程:浇筑混凝土构件(在构件中预留孔道)并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→往孔道内压力灌浆.
主要优点:预应力钢筋直接在构件上张拉,不需要张拉台座,所以后张法构件既可以在预制厂生产,也可在施工现场生产.大型构件在现场生产可以避免长途搬运,故我国大型预应力混凝土构件主要采用后张法.
主要缺点:生产周期较长;需要利用工作锚锚固钢筋,钢材消耗较多,成本较高;工序多,操作较复杂,造价一般高于先张法.
一、预应力混凝土的基本原理
1.为什么使用预应力混凝土
由于混凝土的抗拉性能很差,使钢筋混凝土存在两个无法解决的问题:一是在使用荷载作用下,钢筋混凝土受拉,受弯等构件通常是带裂缝工作的.二是从保证结构耐久性出发,必须限制裂缝宽度.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.
理论上讲,提高材料强度可以提高构件的承载力,从而达到节省材料和减轻构件自重的目的.但在普通钢筋混凝土构件中,提高钢筋强度却难以收到预期的效果.这是因为,对配置高强度钢筋的钢筋混凝土构件而言,承载力可能已不是控制条件,起控制作用的因素可能是裂缝宽度或构件的挠度.当钢筋应力达到 500~1000N/mm2时,裂缝宽度将很大,无法满足使用要求.因而,钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥其作用的.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极其有限.
混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低.其抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/18,极限拉应变仅为0.0001～0.00015,即每米只能拉长 0.1~0.15mm,超过后就会出现裂缝.而钢筋达到屈服强度时的应变却要大得多,约为0.0005～0.0015,如HPB235级钢筋就达1×10 -3.对使用上不允许开裂的构件,受拉钢筋的应力只能用到20~30N/mm2,不能充分利用其强度.对于允许开裂的构件,当受拉钢筋应力达到 250N/mm2时,裂缝宽度已达0.2~0.3mm..
2. 预应力混凝土的基本原理
为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现,充分利用高强度钢筋及高强度混凝土,可以设法在结构构件承受使用荷载前,预先对受拉区的混凝土施加压力,使它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力,从而将结构构件的拉应力控制在较小范围,甚至处于受压状态,以推迟混凝土裂缝的出现和开展,从而提高构件的抗裂性能和刚度.
二、预应力混凝土的分类
根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同分类
1.全预应力混凝土
在使用荷载作用下,不允许截面上混凝土出现拉应力的构件.属严格要求不出现裂缝的构件.
2.部份预应力混凝土
允许出现裂缝,但最大裂缝宽度不超过允许值的构件.属允许出现裂缝的构件.
3.无粘结预应力钢筋
将预应力钢筋的外表面涂以沥清,油脂或其他润滑防锈材料,以减小摩擦力并防锈蚀,并用塑料套管或以纸带,塑料带包裹,以防止施工中碰坏涂层,并使之与周围混凝土隔离,而在张拉时可沿纵向发生相对滑移的后张预应力钢筋.
特点:不需要预留孔道,也不必灌浆,施工简便,快速,造价
较低,易于推广应用.
三、预应力混凝土的特点
与钢筋混凝土相比,预应力混凝土具有以下特点:
1.构件的抗裂性能较好.
2.构件的刚度较大.由于预应力混凝土能延迟裂缝的出现和开展,并且受弯构件要产生反拱,因而可以减小受弯构件在荷载作用下的挠度.
3.构件的耐久性较好.由于预应力混凝土能使构件不出现裂缝或减小裂缝宽度,因而可以减少大气或侵蚀性介质对钢筋的侵蚀,从而延长构件的使用期限.
4.施工要求高.工序较多,施工较复杂,且需要张拉设备和锚具等设施.
注意:预应力混凝土不能提高构件的承载能力.也就是说,当截面和材料相同时,预应力混凝土与普通钢筋混凝土受弯构件的承载能力相同,与受拉区钢筋是否施加预应力无关.
四、施加预应力的方法
按照张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系,施加预应力的方法可分为先张法和后张法两类.
1.先张法
定义:先张拉预应力钢筋,然后浇筑混凝土的施工方法,称为先张法.
张拉设备与工艺:
主要工艺过程是:穿钢筋→张拉钢筋→浇筑混凝土并进行养护→切断钢筋.
主要优点:生产工艺简单,工序少,效率高,质量易于保证,同时由于省去了锚具和减少了预埋件,构件成本较低.
适用范围:主要用于工厂化大量生产,尤其适宜用于长线法生产中,小型构件.
2.后张法
定义:先浇筑混凝土,待混凝土硬化后,在构件上直接张拉预应力钢筋,这种施工方法称为后张法.
张拉设备与工艺:
主要工艺过程:浇筑混凝土构件(在构件中预留孔道)并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→往孔道内压力灌浆.
主要优点:预应力钢筋直接在构件上张拉,不需要张拉台座,所以后张法构件既可以在预制厂生产,也可在施工现场生产.大型构件在现场生产可以避免长途搬运,故我国大型预应力混凝土构件主要采用后张法.
主要缺点:生产周期较长;需要利用工作锚锚固钢筋,钢材消耗较多,成本较高;工序多,操作较复杂,造价一般高于先张法.