交通运输06CH6铁路预应力混凝土简支梁设计.pptx
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1、10:3110:31第第1 1页页Ch6 铁路预应力砼简支梁设计 6.1 预应力概念预应力概念 6.2 预应力混凝土简支梁构造预应力混凝土简支梁构造 6.3 后张法预应力砼简支梁设计计算后张法预应力砼简支梁设计计算10:3110:31第第2 2页页 6.1 预应力概念预应力概念众所周知,混凝土的抗拉强度很低,只有抗压强度的:1/101/15。而且混凝土的收缩和温差等影响也要使混凝土梁中产生拉应力,所以素混凝土梁在没有外载的情况下,也可能发生断裂。混凝土抗拉强度的可靠性很低,素混凝土梁破坏时抗压强度的利用率又很小,它的最大纤维拉应力还不到抗压强度值的1/10,因而在梁的受拉区混凝土中埋设钢筋来承
2、受拉力,并控制裂缝的开展。这就是钢筋混凝土结构。10:3110:31第第3 3页页在钢筋混凝土梁中,钢筋和混凝土是粘结在一起的,在荷载作用下,钢筋和邻近的混凝土具有同样的变形。而混凝土的极限拉伸率很低(hl=1.01.5*10-4),若要构件不出现裂缝,则钢筋的拉应度就不能大于ht,此时钢筋中的拉应力仅为2131.5Mpa。因此片面地压低钢筋的应力来限制裂缝的出现是不合理的。但也不能容许裂缝无限地扩大:裂缝开展过大,将使钢筋锈蚀,影响结构耐久性,并降低刚度。限制裂缝开展宽度,也就是限制了钢筋的使用应力,使得高强度的钢筋无法得到充分的利用。由此可见,用钢筋代替混凝土受拉并没有彻底解决混凝土抗拉性
3、能很低的矛盾。10:3110:31第第4 4页页为了改善混凝土的抗拉性能,可以对荷载作用下的受拉区,预先给预压应力,以抵消随后产生的拉应力,这就使混凝土抗拉性能低的矛盾得到缓和。在预应力混凝土构件中,钢筋由被动地替代混凝土受拉,改变成为主动地给混凝土施加地压应力,其作用有了质的变化,它是混凝土结构发展中的飞跃。10:3110:31第第5 5页页下面以矩形截面说明预加应力的基本概念。当钢筋上有Ny的张拉力时10:3110:31第第6 6页页A、设上面矩形梁上的作用荷载为M,截面为。则在荷载和预应力的作用下上、下缘应力为:若设计不容许下边缘出现拉应力,即 则有 而此时有 10:3110:31第第7
4、 7页页B、若将预应力钢筋向下移至距梁底h/3处,此时由预应力及M产生的上、下缘的应力为:在同样不容许下缘出现拉应力的情况下此时要求 而因此可见,预应力钢筋偏心布置(e=h/3)比中心布置可以提高梁的抗弯能力一倍。10:3110:31第第8 8页页C、钢筋混凝土梁中:常作为确定腹板厚度的条件。预应力混凝土梁中,因梁全截面参加工作,由材力主拉应力计算式得:预应力的作用不仅使梁在荷载作用下的受拉区有压应力,且弯起的预应力筋产生反向剪力,又将使降低,因而大大减小了主拉应力。因此预应力混凝土梁的腹板可以做得很薄,梁的截面高度可以降低,箍筋用量可以减少。10:3110:31第第9 9页页综上所述,预应力
5、混凝土主要有以下优点:1.预应力提高了构件的抗裂性能,在使用荷载作用下几乎没有裂缝,保证了钢筋免受锈蚀,大大地增强了构件的耐久性。2.预应力使高强材料得到合理使用,从而节约大量钢材,约20%40%,减轻了结构自重。3.预应力改善了构件在荷载下受拉区的工作状态,全截面受力,提高了构件刚度。在梁高和容许应力相同条件下,预应力混凝土梁的挠度约为普通混凝土梁的1/4。4.预应力可以使构件的裂缝重新闭合,故预应力混凝土构件具有较高的超载能力。5.预应力使构件受拉钢筋在重量荷载作用下的应力变化范围很小,提高了疲劳强度,故特别有利于承受动力荷载的铁路桥梁。6.预应力方法更有利于装配式混凝土结构的推广,例如:
6、预应力钢筋串联梁、大跨度预应力混凝土桥梁的悬臂法和顶推法施工等等。10:3110:31第第1010页页预应力混凝土的缺点是:施工工艺复杂、质量和技术要求较高,并需专门的设备等。由于预应力混凝土具有许多优点,目前国内外应用十分广泛。预应力混凝土应用在桥梁上,不但形式多,而且跨度大。铁路上跨度在2432M的桥,普遍采用预应力混凝土简支梁,且正向40M的跨度发展,并且有逐步取代钢筋混凝土及部分钢桥的趋势。10:3110:31第第1111页页 6.2 预应力混凝土简支梁的构造预应力混凝土简支梁的构造 6.2.1 预应力混凝土材料 6.2.2 预加应力工艺 6.2.3 标准设计构造示例10:3110:3
7、1第第1212页页 6.2.1预应力混凝土材料预应力混凝土材料1.混凝土混凝土铁路桥规规定混凝土强度不得低于C40。这是因为:无论在受载前或受载后,预应力筋或混凝土都处在高应力状态下,故必须采用高强度材料;为了满足锚固要求,必须使用高标号混凝土。先张结构件主要靠粘结力锚固,高标号混凝土粘结力较高,可保证锚固牢固;后张法构件锚头附近混凝土的局部应力很高,也需高强度混凝土才能承受;预应力混凝土梁的各个部位均可能出现较大的压应力,高标号混凝土的抗压强度能得到充分发挥。10:3110:31第第1313页页2.预应力钢筋预应力钢筋 预应力钢筋常采用的型号:高强钢丝束、钢绞线、粗钢筋。(1)高强度钢丝束
8、单根钢丝直径在2.57.0mm,桥梁中采用多根钢丝组成的钢丝束;如叁标桥2019、2018的拉丝式体系预应力混凝土标准设计即采用245的高强钢丝束,钢丝束有时多达5060根一束。5的高强度钢丝抗拉极限强度为1600Mpa,弹性模量为2.0105Mpa。10:3110:31第第1414页页(2)钢绞线钢绞线是由多根平行的高强钢丝(2.55.0mm)顺同一方向捻制而成,常用的是7股钢绞线(75)。钢绞线比较柔软,易于盘弯,运送操作方便,其螺旋型的外形与混凝土粘结较好,长度不受限制,张拉锚固可靠等优点。但钢绞线的弹模比单根钢丝低,应力松弛损失较大,使用时先预拉,因而增加施工工序。75的钢绞线抗拉强度
9、为1500Mp,弹性模量为1.9105Mpa。10:3110:31第第1515页页 6.2.2 预加应力工艺预加应力工艺1、预加应力的方法 先张法、后张法10:3110:31第第1616页页(1)先张法是在灌注混凝土前凭借台座等设备张拉钢筋(钢丝或钢绞线),浇注混凝土,待混凝土达到足够强度后,放松预应力钢筋,但此时混凝土与钢筋已经黏着,钢筋不能自由缩短,于是造成钢筋受拉、混凝土受压的预应力状态。先张法的主要优点是:工艺简单,不需要用压注水泥浆来防护钢筋免遭锈蚀;预应力钢丝或钢绞线可不用特制的锚具,靠与混凝土的粘结作用传递预应力。而且先张梁的承载能力及抗裂性能均优于后张式预应力混凝土梁。主要缺点
10、:需要强大的张拉台座。放松钢筋时,构件缩短将引起较大的预应力损失。(弹性压缩损失)10:3110:31第第1717页页(2)后张法是我国目前桥梁建筑中使用最多的预加应力方法。其工艺特点:先灌注混凝土梁体,此时用制孔器预留管边,力筋待张拉时才穿入管边。待混凝土结硬达到一定程度后,将张拉千斤顶支于混凝土上张拉钢筋,并借特制的锚具将钢筋锚固在梁体上;最后压注水泥浆,以保护预应力钢筋免遭锈蚀,并使它和混凝土梁体结为整体。水泥浆还有阻止钢筋滑动的作用,提高了它的锚固性能。后张法的优点:梁体混凝土已经完成大部分吸缩后张拉钢筋,故由混凝土收缩引起的预应力损失比先张法低;梁中钢筋多分布为曲线,故提高了抗弯和抗
11、剪强度;不需专门的台座,适于现场制造;用于组合式构件,即将大型构件预先分块制作,运至工地后再拼装起来(悬臂拼装),这样预应力成为拼装手段。缺点是:工序繁、费工。10:3110:31第第1818页页2、锚 具锚具是保证预应力混凝土结构,特别是后张法预应力混凝土结构安全可靠的重要部分。制造锚具,夹具时应对零件尺寸的误差、钢材成分和热处理加工等均应严格控制,稍有疏忽就将造成滑丝、飞销或断丝等事故。锚足预应力钢筋的方法从力学作用来说主要有四种:1.靠摩阻力。如锥销锚、契形锚及片销锚等;2.利用螺纹锚固。车有螺纹的钢筋通过螺帽支撑在垫板上的螺纹锚;3.将钢筋端头镦粗直接支承在垫板上的镦头锚;或将环状钢丝
12、绕套在锚块上的环套锚;4.靠预应力钢丝与混凝土之间的粘结作用锚固的粘结锚,如先张梁。目前我国常用的锚具有:锥销锚、环销锚、传销锚、镦头锚,螺纹锚。10:3110:31第第1919页页3、张拉设备张拉设备按其作业方式一般有:机械式、液压式和电热式三种。1.机械式是螺杆或卷扬机等张拉钢筋,靠压簧压缩变形来控制张拉力;主要用于先张法;2.液压式是靠电动高压油泵供千斤顶,用油压表测定油压来控制张力。3.电热式则采用热源设备,按钢筋受热伸长值来控制张力。桥梁上常用后张法:环销锚双作用于千斤顶,锥销锚用的TD60型千斤顶及YC60型千斤顶。实现预应力的最终手段是通过张拉,故张拉设备首先有较高的张拉力,并较
13、准确地控制张拉力的数值。因此在张拉前,事先必须对千斤顶、油泵、油压表进行校验。10:3210:32第第2020页页4、预应力体系指张拉、锚固体系,各种体系基本原理不变,即使钢筋、锚头、千斤顶不变,而它们的组合方式不同造成各种体系。国内主要体系有:弗莱西奈体系(拉丝式体系),钢丝束或钢绞线,锥形或契性锚,三作用千斤顶。缺点:要布置锚具多。BBR体系,镦头锚或螺纹锚,单根钢丝张拉。迪维达克体系,张拉粗钢筋,单根张拉钢筋,锚具用螺丝锚。莱昂哈特体系,强大钢丝束连续围绕梁端锚固块,或张拉块,千斤顶在张拉块和梁体之间。拉锚式体系,钢丝束或钢绞线、环销锚。我国目前使用拉丝式体系;缺点:内缩量大和易于滑行;
14、优点:设备轻巧,劳动强度小。10:3210:32第第2121页页 6.2.3 标准设计构造示例标准设计构造示例 以1975年叁标桥2018、2019中32M预应力混凝土简支梁为例来说明。设计跨度l=32m,梁全长L32.6m。每片梁自重111.4t,梁高2.5m,腹板厚24cm,仅在距梁端1.7m范围内为了布置锚头逐渐增厚至78cm。上翼缘宽192cm,最小厚度12cm。最大厚度26cm,下翼缘宽78cm,外缘厚(高)25cm。每片梁梁中布置20束245的钢丝束,以曲线形分批弯起,每批两束。(9片横隔板),横截面尺寸如下图。10:3210:32第第2222页页10:3210:32第第2323页
15、页10:3210:32第第2424页页 6.3 后张法预应力混凝土简支梁设计计算后张法预应力混凝土简支梁设计计算 6.3.1 结构尺寸拟定 6.3.2 预应力筋估算及布置 6.3.3 预应力损失计算 6.3.4 弹性阶段中正应力的计算 6.3.5 正截面抗裂性计算 6.3.6 抗弯强度计算 6.3.7 抗剪强度计算 6.3.8 局部应力计算 6.3.9 变形计算10:3210:32第第2525页页 6.3.1 结构尺寸的拟定结构尺寸的拟定截面形式及分块方式:T型梁高:考虑经济、运输施工、使用等条件 (经济梁高跨度比1/101/11)腹板厚度:受力要求、构造要求、布置锚具 梁肋间距:横向刚度,稳
16、定性、桥面板受力,墩台顶尺寸上翼缘:作桥面板用下翼缘:布置预应力钢筋,使其获得最大的偏心距 横隔板:间距30倍腹板b或6m。10:3210:32第第2626页页 6.3.2 预应力筋的估算及布置预应力筋的估算及布置1.力筋估算采用“破坏阶段法”假设:在预应力筋接近或达到抗拉极限强度时,受压区混凝土达到极限抗压强度。破坏过程:混凝土受拉区出现裂缝并向上延伸,混凝土受压区减少并完全进入塑性状态,受拉钢筋应力也不断增加达到流限状态,地钢筋被拉断的赔同时混凝土被压碎。破坏形式分类:塑性破坏、脆性破坏10:3210:32第第2727页页截面破坏阶段的应力如图所示:根据静力平衡条件有:其中:M计算荷载(组
17、合)弯矩K安全系数强度,主力组合时取2.0 Ry受拉区预应力筋抗拉极限强度 h0截面有效高度,取0.9h hi T梁上翼缘板计算厚度 10:3210:32第第2828页页2、布筋原则钢丝束一般应尽量向下布置,即钢丝束重心应尽量向下,以充分发挥钢丝束的作用。为配合剪力和弯矩的变化,钢丝束在距离跨中一定距离后开始起弯,且尽量使锚固端受力均匀。10:3210:32第第2929页页3、布筋程序依据布筋原则及计算所得的钢丝束数,首先确定跨中截面预应力筋的排列,要求对称,注意净距。桥规规定:梁体管边直径5.5cm,净距4.0cm;管径 5.5cm,净距6.5cm或管径;保护层:结构底面5cm,结构侧面、顶
18、面管径5.5cm 时3.5cm,管径 5.5cm时4.5cm。确定梁端锚具的布置位置及尺寸,考虑端部截面受力均匀。选定弯起角度及弯起曲率半径R:=610度;R不小于钢丝束直径800倍,也不小于4M。计算钢丝束起弯各控制点的坐标及钢丝束长度,确定锚固点位置。10:3210:32第第3030页页4、钢丝束的位置计算已知:、R,跨中钢筋至梁底距,锚底中心至梁端水平距离,锚底中心至梁底距;如图。求算:全跨钢束长度及控制截面的弯筋坐标(位置)10:3210:32第第3131页页锚头抬高:(DE)切线交点至锚底中心水平距:(BE)切线交点至锚底中心距:切线长度(AB):钢束水平段长度:(FA)钢束曲线段长
19、度:钢束倾斜段长度:(CD)钢束总长度 10:3210:32第第3232页页求ya或 ya1.曲线段:(曲线水平长)2.斜线段:10:3310:33第第3333页页 6.3.3 预应力损失的计算(后张梁)预应力损失的计算(后张梁)(一)预应力损失分类:1.瞬时损失 s4钢筋与管边摩阻损失:I1 s3锚具变形,钢筋回缩引起的损失:l 2 s6混凝土弹性压缩引起的损失:l 42.长期损失 s1混凝土徐变、收缩引起的损失:l 6s2钢筋松弛引起的损失:l 510:3310:33第第3434页页(二)锚下控制应力限定 桥规,规定预加应力阶段,预应力筋锚下控制应力:或 式中:k锚下控制应力;y1预应力筋
20、中有效预应力。s预应力钢筋中的全部预应力损失值;k锚外控制应力即张拉力;对拉丝式体系,k0.8Ryj s锚圈口与钢筋的摩阻损失,试验值为0.007 k10:3310:33第第3535页页(三)预应力损失计算 1、s4力筋与管边的摩阻损失。s4来自于两个原因:曲线型钢筋张拉时对管边壁施以正压力而引起的摩擦,其值随钢筋弯起角的总和而增加;由于管边对其设计位置的偏差,致使接触面增加,从而引起摩阻力。(张拉端应力最多,间跨中逐渐减小)。计算式:(k力筋锚下控制应力)从张拉端至计算截面长度上,力筋弯起角之和,以弧度计算。从张拉端至计算截面的管边长度,一般可取在纵轴上的投影,以m计。管边壁摩擦系数,查桥规
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