06ch6.铁路预应力混凝土简支梁的设计.ppt

Ch6 铁路预应力砼简支梁设计 § 6.1 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：1/10~1/15 。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受拉力，并控制裂缝的开展。 这就是钢筋混凝土结构。 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（εhl=1.0~1.5*10-4），若要构件不出现裂缝，则钢筋的拉应度就不能大于εht，此时钢筋中的拉应力仅为21~31.5Mpa。 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能很低的矛盾。 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。 下面以矩形截面说明预加应力的基本概念。 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 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。 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σ，且弯起的预应力筋产生反向剪力τ，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。 综上所述，预应力混凝土主要有以下优点： 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。 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。 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。 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。 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。 预应力方法更有利于装配式混凝土结构的推广，例如：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。 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24~32M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。 § 6.2 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 § 6.2.1预应力混凝土材料 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。 2. 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 　 单根钢丝直径在2.5~7.0mm，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24Φ5的高强钢丝束，钢丝束有时多达50~60根一束。Φ5的高强度钢丝抗拉极限强度为1600Mpa，弹性模量为2.0＊105Mpa。 （2）钢绞