预应力混凝土结构1(1).ppt

第十章 预应力混凝土结构,本章重点,混凝土结构设计基本原理,第十章,预应力混凝土的概念及其优点；,预应力混凝土构件的截面设计。,预应力损失的原因及其计算和组合；,预应力混凝土构件的受力性能分析；,施加预应力的方法及预应力混凝土材料的要求；,混凝土结构设计基本原理,第十章,一、预应力混凝土结构的基本概念,1、普通钢筋砼结构的缺点：,在使用荷载下带裂缝工作；影响使用功能，耐久、刚度和抗疲劳性。,不能充分利用高强度钢筋。,难以应用于大开间、大跨度结构。,采用预应力是改善普通钢筋混凝土构件抗裂性能的有效途径。,挠度增加,混凝土结构设计基本原理,第十章,一、预应力混凝土结构的基本概念,2、预应力砼的基本原理,预应力：在砼结构承受使用荷载之前的制作阶段预先对砼施加永久性的内应力；其目的是为了改善结构或构件的工作性能、提高强度。,预应力的日常应用,混凝土结构设计基本原理,第十章,提高梁的抗裂性能；减小梁的挠度；改善结构的受力状态。,预应力砼结构：按照需要预先引入某种量值与分布的内应力，以局部或全部抵消使用荷载产生的应力的一种混凝土结构。,混凝土结构设计基本原理,第十章,二、预应力砼结构的优缺点,抗裂性好；结构刚度大，挠度小；结构自重轻；耐久性好；抗剪能力强；疲劳性能好。,施工机械设备要求高；施工工序多；设计计算复杂。,优点：,缺点：,混凝土结构设计基本原理,第十章,一、预应力混凝土构件的分类,根据设计理论、施工方法和受力特征的不同，预应力混凝土有多种不同的分类方式：,混凝土结构设计基本原理,第十章,2、有限预应力砼,3.按预应力度大小,1、全截面受压全预应力砼,3、部分预应力砼,4、普通钢筋砼,混凝土结构设计基本原理,第十章,1.先张法预应力砼构件,钢筋就位 张拉钢筋 支模、浇砼 砼达到一定强度 剪丝 钢筋回缩 砼产生预应力,图10-2 先张法,应用于成批生产的中、小预应力构件。,混凝土结构设计基本原理,第十章,2.后张法预应力砼构件,制作构件，预留孔道 达到强度，穿筋 张拉钢筋，锚固 产生预应力 孔道灌浆,图10-3 后张法,适用于大、中型构件。,混凝土结构设计基本原理,第十章,先张法与后张法的区别：,1、施加预应力的途径不同；先张法：预应力钢筋和砼之间的黏结力；后张法：锚具。,2、相同的张拉控制应力，建立的预压应力不同；先张法：低；（预应力筋回弹引起砼弹性压缩，使预应力筋缩短，应力降低）后张法：高。（张拉时砼完成弹性压缩）,无粘结预应力砼结构通常与后张法结合。,混凝土结构设计基本原理,第十章,二、预应力砼构件对材料的要求钢筋,1、高强，低松驰；2、与混凝土间有足够的粘结力；3、良好的加工性能和一定的塑性。,要求,纤维增强塑料（FRP）：玻璃纤维增强塑料（GFRP）、碳纤维增强塑料（CFRP）,钢筋：预应力钢筋宜采用预应力钢铰线、钢丝，也可采用热处理钢筋。（GB500102002）预应力钢筋应选用钢铰线、钢丝；中、小型构件或竖、横向预应力钢筋，也可选用精轧螺纹钢筋。（JTG D622004）,钢铰线：两股钢绞线、三股钢绞线和七股钢绞线三种规格，其抗拉强度标准值为（14701860）MPa，并依松弛性能不同分成普通钢绞线和低松弛钢绞线两种,钢筋,精轧螺纹钢筋：强度设计值和强度标准值的规定如附表3-5、3-7；预应力钢筋的弹性模量见附表3-8。,高强度钢丝：光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝。,混凝土结构设计基本原理,第十章,混凝土：一般要求不应低于C30。采用钢丝，钢铰线，热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于 C40。预应力混凝土构件不应低于C40。（JTG D622004）,二、预应力砼构件对材料的要求混凝土,高强度、高弹模；快硬、早强；自重轻；收缩、徐变小。,要求,长期荷载作用下混凝土的变形性能徐变,变形性能,结硬过程中混凝土体积缩小的性质收缩,使预应力混凝土构件缩短，从而引起预应力钢筋中的预拉应力的下降,预应力损失,混凝土结构设计基本原理,第十章,三、锚 具,锚具：用于固定钢筋,不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时所固定预应力筋不同，锚具则不同，回缩量也不同，尺寸外形对构件的影响也不同。,混凝土结构设计基本原理,第十章,1.摩擦型锚具,利用预应力钢筋与夹片或锚塞间的摩擦力将预应力钢筋的预拉力传给夹片或锚环，然后锚环再通过承压力或粘结力将预拉力传给混凝土构件。,钢铰线,QM体系；XM体系；YM体系；OVM体系。,混凝土结构设计基本原理,第十章,摩擦型锚具夹片式锚具,混凝土结构设计基本原理,第十章,2.承压型锚具,利用螺帽、垫板等承压作用将预应力钢筋锚固在构件端部。,螺丝端杆锚具单根预应力粗钢筋,混凝土结构设计基本原理,第十章,镦 头 锚 具高强钢丝（束）,3.黏结型锚具,利用构件端部预留锥形自锚孔，后浇混凝土锚固预应力钢筋，无特制锚具。,混凝土结构设计基本原理,第十章,四、张拉控制应力,con：张拉钢筋时，张拉设备上的测力计所指示的总张拉力/预应力钢筋面积。,con的确定原则：与预应力的施加方法、钢筋的强度标准值fptk有关。,con 不能过高。可能引起张拉时个别钢丝拉断，也只能适当；或Pcr 与 Pu 过于接近。,con 过高，施工阶段可能引起构件某些部分受拉开裂或局部受压破坏。,确定con时考虑的因素：,con 不应太低。con，产生的预应力大，抗裂性好。con 0.4 fptk,混凝土结构设计基本原理,第十章,混凝土结构设计基本原理,第十章,五、预应力损失l,预应力筋按张拉后，由于各种原因会下降到一定的程度，这一现象称为预应力损失。引起预应力损失的原因有六大类。先分别找出这些损失出现的原因，再根据先张法和后张法的施工特点，了解不同预应力损失的组合。,混凝土结构设计基本原理,第十章,1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,混凝土结构设计基本原理,第十章,1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,rc 曲线的曲率半径（m）,k 预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数及局部偏差的磨擦系数。,x 张拉端至计算截面的距离 x lf,lf 反向摩擦影响长度(m),式中：,a张拉端锚具变形和钢筋回缩量,混凝土结构设计基本原理,第十章,2.预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失l2,混凝土结构设计基本原理,第十章,3.预应力筋与台座间温差引起的预应力损失l3,加热养护：此时砼未结硬。钢筋自由伸长，而台座不动。钢筋松了 产生温差损失。,混凝土结构设计基本原理,第十章,4.预应力钢筋的应力松弛引起的损失l4,应力松弛现象：指钢筋在高应力状态下，由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的增长而降低的现象。,钢筋长度不变，应力随时间增长而降低。,与时间有关，先快后慢。第一小时为50%，24小时完成80%。,应力松弛损失的特点：,与钢种有关。软钢小，硬钢大。,与初始应力有关。初应力 0.7fptk，松弛显著增大。,混凝土结构设计基本原理,第十章,利用超张拉工序可以减少l4,原理：超张拉的持荷2min，已将部分的松 弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少l4的目的。,混凝土结构设计基本原理,第十章,预应力钢丝、钢铰线：,热处理钢筋：,低松驰：,当con 0.5 fptk,l4=0。应力不高，其松弛不明显。,混凝土结构设计基本原理,第十章,5.由于砼收缩、徐变引起的预应力损失l5,收缩、徐变将引起构件缩短，钢筋回缩，引起l5。,此时预应力损失值的大小，与纵筋含钢率、混凝土预压应力的大小pc及混凝土抗压强度f cu有关。,混凝土结构设计基本原理,第十章,、受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋的配筋率。,pc、pc 受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处砼的法向压应力。,混凝土结构设计基本原理,第十章,6.预应力筋局部挤压混凝土所引起的预应力损失l6,后张法中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件：电杆、水池、压力管道等，直接在混凝土上进行预应力钢筋的张拉。这时钢筋对构件产生外壁的径向压力，使砼局部挤压，构件的直径局部减小，带来一圈内钢筋周长的减小，因而钢筋松驰，引起l6。,混凝土结构设计基本原理,第十章,7.混凝土弹性压缩引起的预应力损失l7,后张法构件分批张拉时，后张拉的预应力产生的弹性压缩将影响先张拉的预应力筋的有效预压应力。弹性压缩引起的预应力损失l7。,混凝土结构设计基本原理,第十章,总损失：l=lI+lII,（三）预应力损失值的组合,混凝土结构设计基本原理,第十章,针对引起不同预应力损失的原因，寻找措施:,l1：小变形锚具，减少垫板，增加台座长度。,l2：减少摩擦，两端张拉。超张拉。,l3：采用二次升温养护：t 020 C使砼达到一定强度，再升温。,l4：超张拉，减少l4，让l4先部分完成。,l5：控制pc(完成第一批损失后的砼预应力)，pc 0.5fcu，fcu不太小。减小收缩徐变的一些措施。,（四）减少预应力损失的措施,混凝土结构设计基本原理,第十章,（一）先张法轴心受拉构件,1.施工阶段,混凝土结构设计基本原理,第十章,混凝土结构设计基本原理,第十章,由截面平衡条件：pI Ap=pcI Ac+sI As,(conlI EPpcI)Ap=pcI Ac+sI As,混凝土结构设计基本原理,第十章,（3）完成第二批损失之后,预应力筋：pII=con l EPpcII,非预应力筋：sII=ESpcII+l5（压）,混凝土：pc=pcII（压）,同理由截面平衡条件得：先张法混凝土有效预压应力,混凝土结构设计基本原理,第十章,2.使用阶段,受力过程的三个特征点：,混凝土结构设计基本原理,第十章,(1)截面消压（加载至砼应力为零）,由截面平衡条件得：,式中 N0 消压轴力，抵消截面上混凝土有效预压应力所需的轴向力。,混凝土结构设计基本原理,第十章,(2)截面开裂（加载构件即将开裂）,由截面平衡条件得：,混凝土结构设计基本原理,第十章,(3)加载至构件破坏,由截面平衡条件得：,混凝土结构设计基本原理,第十章,（二）后张法轴心受拉构件,1.施工阶段,(1)预应力钢筋张拉锚固后：(完成lI),由截面平衡条件得：,混凝土结构设计基本原理,第十章,(2)完成第二批预应力损伤后,由截面平衡条件得：,混凝土结构设计基本原理,第十章,2.使用阶段,(1)截面消压（加载至砼应力为零）,由截面平衡条件得：,式中 N0 消压轴力，抵消截面上混凝土有效预压应力所需的轴向力。,与先张法公式形式完全相同。,混凝土结构设计基本原理,第十章,(2)截面开裂（加载构件即将开裂）,由截面平衡条件得：,式中 Ncr 开裂轴力，预应力轴拉构件即 将开裂所能承受的轴向力。,(预应力存在可以提高抗裂度),与先张法公式形式完全相同。,混凝土结构设计基本原理,第十章,(3)加载至构件破坏,由截面平衡条件得：,与先张法公式形式完全相同。,先张法、后张法轴心受力构件各阶段的应力状态及公式的表达有什么共同点和差异。,想一想：,1.使用阶段计算：,正截面承载力计算：,正截面裂缝控制验算：,计算内容,2.施工阶段验算：,正截面承载力验算：,局压承载力验算：,混凝土结构设计基本原理,第十章,混凝土结构设计基本原理,第十章,（一）使用阶段正截面承载力计算,混凝土结构设计基本原理,第十章,（二）使用阶段裂缝控制验算,混凝土结构设计基本原理,第十章,一般要求不出现裂缝的构件(二级),上两式表明：在荷载效应标准组合下，允许出现拉应力，但一定有限值；在荷载效应准永久组合下，不允许出现拉应力。,混凝土结构设计基本原理,第十章,允许开裂，但要限制裂缝宽度(三级),混凝土结构设计基本原理,第十章,（三）施工阶段验算,混凝土结构设计基本原理,第十章,1.混凝土法向应力的限值,在施工阶段：要求：fcu 0.75 fcu,混凝土结构设计基本原理,第十章,2.局部受压承载力验算,局压应力增加导致拉应力 超过混凝土的实际抗拉强度时，混凝土开裂，形成纵向裂缝。,混凝土结构设计基本原理,第十章,a.防止局压传递段劈裂(抗裂)端部承压区的截面尺寸要求：,式中:局部受压面上作用的局部压力设计值,局部受压净面积，减去孔道，凹槽部分的面积。,砼局压强度提高系数，,局压面积；,局压时计算底面积，按同心、对称原则确定。,混凝土结构设计基本原理,第十章,式中 体积配筋率,b.局部受压承载力验算,为防止构件端部的局压破坏，配方格网式或螺旋式间接钢筋。,方格网配筋,螺旋式配筋,配置间距钢筋的砼局压强度提高系数，,混凝土结构设计基本原理,第十章,混凝土结构设计基本原理,第十章,后张法受弯构件,1.施工阶段,图10-26 预应力砼受弯构件施工阶段计算图式,混凝土结构设计基本原理,第十章,预应力筋、非预应力筋的内力合力,偏心距,作用下截面上任一点的砼法向应力为,混凝土结构设计基本原理,第十章,(1)预应力钢筋张拉锚固后：(完成第一批预应力损失),预应力筋的预应力损失为,预应力筋、非预应力筋的内力合力,偏心距,作用下截面上任一点的砼法向应力为,混凝土结构设计基本原理,第十章,(2)完成第二批预应力损失,预应力筋的预应力损失为,预应力筋、非预应力筋的内力合力,偏心距,作用下截面上任一点的砼法向应力为,混凝土结构设计基本原理,第十章,2.使用阶段,图10-27 预应力砼受弯构件使用阶段计算图式,混凝土结构设计基本原理,第十章,(1)减压状态：加载至截面受拉边缘砼应力为零,消压弯距,换算截面惯性矩、换算截面形心到计算纤维应力处的距离；,换算截面下边缘的弹性抵抗矩；,预应力筋的应力,混凝土结构设计基本原理,第十章,(2)加载至截面即将开裂,开裂弯距,受拉区预应力筋的应力,受拉区砼塑性影响系数；,受拉区砼表现出明显的弹塑性性质，采用弹塑性模量替代弹性模量，即,混凝土结构设计基本原理,第十章,(3)加载至构件破坏,受拉区预应力筋和非预应力筋屈服，受压区砼被压碎。,受压区非预应力筋屈服，受压区预应力筋应力？,当受压区高度 时，预应力筋重心处应变达到0.002,则压应力为0.002Es=400Mpa，一般,10100,a、受压区预应力钢筋应力？,混凝土结构设计基本原理,第十章,b、界限破坏时相对受压区高度？,有屈服点的钢筋：,无屈服点的钢筋：,受拉区预应力筋合力点处砼预压应力为零时预应力钢筋的应力。,混凝土结构设计基本原理,第十章,1.使用阶段计算：,承载力计算：,正截面,斜截面,裂缝控制验算：,计算内容,正截面,斜截面,变形验算：,2.施工阶段验算：,正截面承载力验算：,局压承载力验算：,混凝土结构设计基本原理,第十章,（一）使用阶段正截面承载力计算,（1）矩形截面及翼缘位于受拉区的倒T形截面：,混凝土结构设计基本原理,第十章,适用条件：,受压钢筋合力点至受压边缘的距离；,若，当 为负值（压），取,若，当 为正值（拉），,如按上两式计算的正截面承载力比不考虑非预应力钢筋还小，则应按不考虑非预应力受压钢筋来计算。,混凝土结构设计基本原理,第十章,（2）翼缘位于受压区的 T 形截面及 I 字形截面,截面设计判别条件,截面复核判别条件,混凝土结构设计基本原理,第十章,第1类T形截面,按宽度为 的矩形截面计算。,第2类T形截面,正截面承载力计算公式。,适用条件：,混凝土结构设计基本原理,第十章,（二）使用阶段斜截面承载力计算,（1）矩形、T形和I形截面一般受弯构件，仅配置箍筋时：,构件斜截面上的最大剪力设计值；,构件斜截面上砼和箍筋的抗剪承载力；,由预应力所提高的构件抗剪承载力；,计算截面上砼法向应力等于零时预应力钢筋及非预应力钢筋的合力；,混凝土结构设计基本原理,第十章,（2）同时配置箍筋、非预应力弯起钢筋、预应力弯起钢筋：,在配置弯起钢筋处的剪力设计值；,构件斜截面上砼和箍筋的抗剪承载力；,由预应力所提高的构件抗剪承载力；,同一弯起平面内非预应力弯起钢筋、预应力弯起钢筋面积；,斜截面上内非预应力弯起钢筋、预应力弯起钢筋切线与构件纵向轴线的夹角；,混凝土结构设计基本原理,第十章,（3）按构造要求配置箍筋：,对一般情况下的矩形、T形和I形截面梁,对受集中荷载作用为主的矩形、T形和I形截面梁,混凝土结构设计基本原理,第十章,（三）使用阶段正截面裂缝控制验算,ck 按荷载效应标准组合求得的砼的法向应力,1070,混凝土结构设计基本原理,第十章,一般要求不出现裂缝的构件(二级),cq 在荷载效应准永久组合下的砼法向应力。,混凝土结构设计基本原理,第十章,允许开裂，但要限制裂缝宽度(三级),按有效受拉砼截面面积计算的纵向钢筋配筋率；,混凝土结构设计基本原理,第十章,按荷载效应的标准组合计算的预应力砼受弯构件纵向钢筋的等效应力；,全部纵向受拉钢筋合力点至受压区合力点的距离：,混凝土结构设计基本原理,第十章,（四）使用阶段斜截面抗裂验算,（1）计算主拉应力 和主压应力：,主要措施是限制主拉应力和主压应力。,混凝土结构设计基本原理,第十章,（2）斜截面抗裂验算公式：,限制主拉应力,严格不裂 tp 0.85ftk,一般不裂 tp 0.95ftk,限制主压应力,（3）斜截面抗裂验算位置,a、最大剪力处、截面高度和宽度变化处；,b、换算截面重心处、翼缘与腹板交换处；,混凝土结构设计基本原理,第十章,（五）使用阶段的变形验算,（1）荷载作用下构件的挠度,预应力受弯构件由于预应力的作用产生反拱(向上的挠曲变形)，在使用荷载下产生的变形要抵消一部分反拱，所以预应力构件的变形将较普混凝土构件小一些。,按荷载效应标准组合计算并考虑荷载准永久组合影响的受弯构件的刚度,按最小刚度原则，根据荷载效应标准组合值用结构力学方法计算,荷载效应标准组合下受弯构件的短期刚度。,混凝土结构设计基本原理,第十章,预应力混凝土受弯构件的短期刚度Bs可按下式计算：,要求不出现裂缝,允许出现裂缝,式中：,混凝土结构设计基本原理,第十章,（2）预应力产生的反拱,按两端作用有弯距 的简支梁计算。,考虑长期作用的影响：,式中 Np0 完成第1批预应力损失后的情况计算。,（3）变形验算,混凝土结构设计基本原理,第十章,（六）施工阶段承载力验算,预拉区不允许出现裂缝的构件:,预拉区允许出现裂缝且预拉区不配置预应力钢筋的构件：,混凝土结构设计基本原理,第十章,构件自重及施工荷载效应的标准组合在计算截面产生的轴力、弯距值。当考虑动力效应时，应乘以动力系数1.5。,相应施工阶段计算截面边缘纤维的砼压应力、拉应力；,与各施工阶段砼立方体抗压强度 相应的抗拉、抗压强度标准值；,混凝土结构设计基本原理,第十章,