预应力纵向钢筋的布置课件.ppt

结构设计原理,王爱兰山东交通职业学院公路系2013年12月,第十章 预应力混凝土,10.1 预应力混凝土的概念一、钢筋混凝土的缺点,第十章 预应力混凝土构件,（1）抗裂性能差 通常带裂缝工作，构件刚度小，耐久性差。（2）不能使用高强钢筋。,第十章 预应力混凝土构件,第一：砼的极限拉应变一般为（0.10.15）10-3，故砼开裂时，钢筋的应力只有2030MPa；第二：对应于裂缝宽度为(0.2 0.3)mm时的钢筋应力 约为250MPa。可见，普通砼中采用高强钢筋，不能发挥高强钢筋的 强度优势。,第十章 预应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,先张法,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,后张法,第十章 预应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,后张法,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土构件的基本分析方法,利用材料力学公式计算截面应力,认为开裂前材料是线弹性的，截面应力=预加力Np产生的应力+外力矩M产生的应力,第十章 预应力混凝土构件,10.4 预应力混凝土的材料及锚夹具,（1）强度高：第一要在钢筋中建立起高应力；第二预应力混凝土会产生各种预应力损失（2）一定的塑性：避免超载、低温、冲击及地震时 的脆性断裂。（3）良好的加工性能：以满足焊接、镦粗等的加工要求。（4）低松弛性：以减小由于松弛而产生的预应力损失。（5）与混凝土良好的粘结性能：采用刻痕、压波等方法 来提高粘结强度。,一、预应力钢筋,1.对预应力钢筋的性能要求,第十章 预应力混凝土构件,2.预应力钢筋的种类,是用3或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。,无粘结预应力束,（1）钢绞线,第十章 预应力混凝土构件,是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的强度为8001200MPa，高强钢丝的强度为15701770MPa。为增加与混凝土的粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或 压波，也可制成螺旋肋。,（2）中高强钢丝,第十章 预应力混凝土构件,消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。,第十章 预应力混凝土构件,用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋。直径为610mm，抗拉强度为1470MPa。,除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点，取残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。,（3）热处理钢筋,第十章 预应力混凝土构件,（1）高强度：一是可施加较大的预压应力；二是可减小截面尺寸、自重，实现大跨度。（2）具有较高的弹性模量：可提高截面抗弯刚度；可减少预压时的弹性回缩，减少预应力损失。（3）收缩、徐变小：可减少预应力损失。（4）与钢筋有较大粘结强度：可减少先张法预应力筋的应力传递长度。,二、混凝土,1、对预应力“混凝土”的性能要求,第十章 预应力混凝土构件,（5）快硬、早强：有利于较早施加预应力，加快施工进度，提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用。,2.对预应力“混凝土”强度等级要求 不应低于C40；,第十章 预应力混凝土构件,三、锚具和夹具,第十章 预应力混凝土构件,组成及组装,1、单孔夹片锚,单孔夹片锚及相应锚垫板,组成,2、多孔夹片锚,多孔夹片锚、锚垫板及螺旋筋,扁锚,扁锚施工现场,第十章 预应力混凝土构件,挤压锚具锚杯及异形钢丝环,4、挤压锚,第十章 预应力混凝土构件,挤压机,镦头锚及镦头器,5、镦头锚,镦头锚具高强钢丝组装件,压花锚及压花机,6、压花锚,拉索锚具及其结构组成,7、拉索锚具,拉索锚具应用,钢筋长度不足时，可通过连接器来接长。普通钢筋的连接：,8、连接器,单孔连接器,预应力筋的连接器：,多孔连接器,扁型锚具连接器,多孔连接器及配套护筒,随时间，预应力钢筋中的应力从 scon 逐步减少，这种应力的降低现象称为“预应力损失”。,二、预应力损失,1、预应力损失的概念,只有稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键问题。,第十章 预应力混凝土构件,（1）锚固损失：由“锚具变形”引起。（2）摩擦损失：在“张拉过程”中发生。后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦；先张法预应力钢筋与锚具之间以及折点处的摩擦（3）混凝土的收缩和徐变引起的损失。（4）松弛损失：在高应力的长期作用下，预应力钢筋的松弛，引起的“预应力损失”。,（能使“预应力钢筋”产生缩短的一切因素）,2、引起预应力损失的因素,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,（6）混凝土的局部挤压损失 直径3m的环形构件中的螺旋式预应力钢筋。（7）弹性压缩损失“后”张拉钢筋对“先”张拉钢筋造成的压缩等。,（5）温差损失 先张法构件加热养护时，由“预应力钢筋与 台座之间的温差”引起。,第十章 预应力混凝土构件,1、各特征阶段受力性能的分析-先张法构件,（1）为突出重点，以下分析中均没有给出非预应力钢筋的应力。（2）非预应力钢筋的应力变化量s（除混凝土收缩、徐变引起的应力l5外），均为混凝土应力变化量c的E倍。,注：,由平衡条件X=0得,放张前,放张后,完成第二批损失,由平衡条件X=0得,消零状态,也可由X=0得,-砼的有效预压应力,-钢筋的有效预应力,记,-预应力钢筋合力,完成第二批损失（续）,承载力极限状态,由X=0得,开裂临界状态,也可由X=0得,第十章 预应力混凝土构件,2、以上分析的要点说明（也适于后张法）,（1）基本假定,（a）认为截面开裂以前，材料是弹性的；,（b）认为截面开裂以前，预应力钢筋和砼的变形相等。,第十章 预应力混凝土构件,（2）每阶段分析的基本步骤,（a）对于施工阶段第一：根据该阶段的应力特点，确定p的表达式（先张法p的表达式中含有未知数pc）；第二：根据隔离体平衡，求得pc；再求得p。,（b）对于使用阶段,第一：根据该阶段的应力特点，求得p；第二：根据隔离体平衡，求得外荷载N0、Ncr或Nu。,第十章 预应力混凝土构件,3、重要公式回顾-先张法构件,（1）完成l时,（2）消零状态,（4）承载力极限状态,（3）开裂临界状态,第十章 预应力混凝土构件,二、后张法构件,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,二、后张法构件,分析构件从开始受力至破坏整个过程各特征阶段的受力性能。经历施工和使用两个阶段。,由平衡条件X=0得,张拉完毕,由平衡条件X=0得,由X=0得,也可由平衡条件X=0得,第十章 预应力混凝土构件,由平衡条件X=0得,开裂临界状态,Ncr,也可由平衡条件X=0得,第十章 预应力混凝土构件,2、重要公式回顾后张法构件,（1）完成l时,（2）消零状态,（4）承载力极限状态,（3）开裂临界状态,第十章 预应力混凝土构件,三、先张法与后张法计算公式的比较,极限,有效应力,先张法,后张法,第十章 预应力混凝土构件,1、通过比较发现的一些规律,（1）在施工阶段：混凝土应力pc的计算公式 先后张法的形式相同，但先张法用A0（A0=Ac+E As+E Ap）而后张法用An（An=Ac+E As）,第十章 预应力混凝土构件,导致后张法的pc比 先张法大,（2）开裂前的各阶段：预应力钢筋的应力p 先张法总比后张法滞后E pc，导致后张法的p比先张法大。（3）在使用阶段：两者的受力过程是相同的。开始加荷消压截面开裂承载力极限状态。,（4）在使用阶段：N0、Ncr的计算公式 后张法比先张法多一项E pc Ap，导致后张法的N0、Ncr比先张法大。（5）在使用阶段：Nu的计算公式 两者相同，因此后张法的Nu与先张法相同。,第十章 预应力混凝土构件,10.7 预应力混凝土轴心受拉构件的设计,设计的主要内容-为规范强制性条款,对于“预应力混凝土结构构件”：1、应根据使用条件（使用阶段）（1）进行承载力计算;（2）进行变形、抗裂、裂缝宽度和应力的验算；2、应按具体情况对“制作、运输及安装”等施工阶段进行验算。,第十章 预应力混凝土构件,对预应力砼“轴心受拉构件设计”的内容有：（1）使用阶段：正截面强度计算；裂缝控制验算；（2）施工阶段：正截面强度验算（一般不必验算）；裂缝控制验算；（3）后张法锚具下混凝土局部承压计算。,第十章 预应力混凝土构件,预应力分项系数的取值-为规范强制性条款,当预应力作为荷载效应考虑时，1、对承载能力极限状态：当预应力效应对结构有利时，取1.0；不利时，取1.2。2、对正常使用极限状态：预应力分项系数取1.0。,第十章 预应力混凝土构件,二、使用阶段的裂缝控制验算,第十章 预应力混凝土构件,一、使用阶段的正截面强度计算,3、三级：允许出现裂缝的构件，应满足:,（1）wlim-预应力混凝土构件的wlim=0.2mm,（2）wmax的计算公式与钢筋混凝土构件的公式相同,第十章 预应力混凝土构件,三、施工阶段的正截面强度验算,四、施工阶段的裂缝控制验算,1、ct、cc的概念及计算（1）ct、cc的概念 预加力、自重标准值和施工荷载标准值作用下构件截面边缘混凝土的拉应力、压应力,后张法构件Npo改为Np,第十章 预应力混凝土构件,（2）ct、cc的计算,对于预压时全截面受压的构件，ct、cc应满足：,2、ct、cc应满足的条件,五、后张法锚具下混凝土的局部承压计算（以后介绍）,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,10.8 受弯构件受力性能分析,使用阶段的受拉区,使用阶段的受压区,一、先张法构件,1、放张前,第十章 预应力混凝土构件,预应力钢筋的合力,合力的偏心距,2、放张后（完成第一批预应力损失）,第十章 预应力混凝土构件,预应力钢筋的合力,合力的偏心距,3、完成全部预应力损失,第十章 预应力混凝土构件,+,=,M0=pc W0,M0产生的应力,M0,pc,4、消零状态（即受拉边缘混凝土应力为零）,第十章 预应力混凝土构件,+,=,Mcr=（pc+ftk）W0,ftk,5、开裂临界状态,原有的有效预压应力,pc,pc+ftk,第十章 预应力混凝土构件,6、承载能力极限状态,第十章 预应力混凝土构件,二、后张法构件,使用阶段的受拉区,使用阶段的受压区,第十章 预应力混凝土构件,预应力钢筋的合力,合力的偏心距,1、张拉完毕,第十章 预应力混凝土构件,预应力钢筋的合力,合力的偏心距,第十章 预应力混凝土构件,2、完成第一批预应力损失,预应力钢筋的合力,合力的偏心距,第十章 预应力混凝土构件,3、完成全部预应力损失,+,=,M0=pc W0,M0产生的应力,M0,pc,4、消零状态（即受拉边缘混凝土应力为零）,第十章 预应力混凝土构件,+,=,Mcr=（pc+ftk）W0,ftk,5、开裂临界状态,原有的有效预压应力,pc,pc+ftk,第十章 预应力混凝土构件,6、承载能力极限状态,第十章 预应力混凝土构件,三、先张法与后张法计算公式的比较已考虑非预应力钢筋的影响,1、由预加力产生的混凝土法向应力,（1）先张法构件,其中,第十章 预应力混凝土构件,（2）后张法构件,其中,第十章 预应力混凝土构件,2、预应力钢筋的有效预应力,（1）先张法构件,（2）后张法构件,第十章 预应力混凝土构件,4、开裂临界状态Mcr的计算,（先张法与后张法相同）,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,10.9 预应力混凝土受弯构件的设计,对预应力混凝土受弯构件设计的主要内容有：（1）使用阶段的正截面强度计算；（2）使用阶段的斜截面强度计算；（3）使用阶段的正截面、斜截面裂缝控制验算；（4）使用阶段的挠度验算；,（5）施工阶段的正截面、斜截面强度验算；（一般不必验算，且验算公式与使用阶段的相同）（6）施工阶段的裂缝控制验算；（7）后张法锚具下混凝土局部承压计算。,钢筋混凝土构件的计算简图,第十章 预应力混凝土构件,一、使用阶段的正截面强度计算,1、计算简图,2、计算公式矩形截面,第十章 预应力混凝土构件,4、x2a时的计算方法,（1）当，即为压应力时,取x=2a，并按下式计算,第十章 预应力混凝土构件,二、使用阶段的斜截面强度计算,1、计算公式适于矩形、T形和I形截面,（1）对于一般受弯构件,Np00.3 fc A0,+,第十章 预应力混凝土构件,2、截面限制条件与钢筋混凝土构件相同,bc-混凝土强度影响系数，当C50时，bc=1.0；当=C80时，bc=0.8；其间线性插值。,第十章 预应力混凝土构件,3、sv,min，箍筋直径、间距规定 与钢筋混凝土构件相同,当V0.7ftbh0+0.05Np0时,（1）sv,min,（2）箍筋直径,第十章 预应力混凝土构件,（2）箍筋间距,三、使用阶段的裂缝控制验算,第十章 预应力混凝土构件,1、一级：严格要求不出现裂缝的构件，应满足:,2、二级：一般要求不出现裂缝的构件，应满足：,其中ck=Mk W0,其中cq=Mq W0,3、三级：允许出现裂缝的构件，应满足:,（1）wlim-预应力混凝土构件的wlim=0.2mm,（2）wmax的计算公式与钢筋混凝土构件的公式相同,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,z,ep,e的概念见建工教材P293图,第十章 预应力混凝土构件,四、使用阶段的斜截面裂缝控制验算,stp-截面上混凝土的主拉应力 scp-主压应力,1、一级：严格要求不出现裂缝的构件，应满足,2、二级：一般要求不出现裂缝的构件，应满足,第十章 预应力混凝土构件,五、使用阶段的挠度验算,（2）f 的计算方法：应用最小刚度原则，并用结构力学方法求f。,（3）B的计算公式,1、与普通钢筋混凝土挠度验算 相同之处,（1）挠度应满足的条件,第十章 预应力混凝土构件,（1）=2,2、与普通钢筋混凝土挠度验算 不同之处,而普通砼：=时，=1.6；=0 时，=2.0,（2）反拱值计算-预加力作用下产生的,按刚度为EcI0，用结构力学方法计算，计算值乘以预压应力长期作用增大系数2.0，即为反拱值。,第十章 预应力混凝土构件,（b）允许出现裂缝的构件,六、施工阶段的裂缝控制验算（了解）,第十章 预应力混凝土构件,1、ct、cc的概念及计算（1）ct、cc的概念 预加力、自重标准值和施工荷载标准值作用下构件截面边缘混凝土的拉应力、压应力,后张法构件Npo改为Np,（2）ct、cc的计算,（1）对预拉区不允许出现裂缝 或预压时全截面受压的构件，ct、cc应满足,2、ct、cc应满足的条件,（2）对预拉区允许出现裂缝 而在预拉区不配置纵向预应力钢筋的构件，ct、cc应满足,10.10 预应力的传递长度和锚固区的局部受压,一、预应力的传递长度ltr,1、ltr的概念,先张法构件放张后,第十章 预应力混凝土构件,2、ltr的计算,pe-放张时预应力钢筋的有效预应力,-预应力钢筋的外形系数，与计算la时的取值相同。见建工教材P114,第十章 预应力混凝土构件,4、预应力钢筋的锚固长度la,（1）la的计算,（2）la在设计中的应用,计算先张法构件锚固区的正、斜截面受弯承载力时，la范围内的预应力钢筋抗拉强度设计值：,在锚固起点处取为零；在锚固终点处取为fpy；其间按线性插值。,第十章 预应力混凝土构件,二、锚固区的局部受压,1、锚固区的受力性能,后张法构件，张拉完毕时,当sy达ft时，,出现纵向裂缝，最后因局部压坏而破坏。,第十章 预应力混凝土构件,2、局部受压区的截面尺寸限制条件,Fl 1.35c l fc Al n,其中Fl=1.2scon Ap,c=,（1）限制条件,其中Al 局部受压面积；,（2）l-局部受压的强度提高系数,第十章 预应力混凝土构件,（3）Ab-局部受压计算底面积,可知：Ab是根据与Al同心、对称 的原则确定,第十章 预应力混凝土构件,3、局部受压承载力的计算,计算公式,Fl0.9(c l fc+2 v c or f y)Aln,其中=,v=,（方格网式配筋）,（螺旋式配筋）,c or=,Acor亦是根据与Al同心、对称 的原则确定，且Acor应 Ab,第十章 预应力混凝土构件的设计,10.11 预应力混凝土构件的构造要求,一、截面形式和尺寸,1、截面形式,对预应力轴心受拉构件，常采用正方形和矩形截面。,对预应力受弯构件，常采用T形、I形和箱形截面。,2、截面尺寸,对预应力受弯构件：截面高度h约为普通砼梁的70%，一般h=(1/201/14)l，最小可为1/35l；翼缘宽度bf可取(1/31/2)h；翼缘厚度hf可取(1/101/6)h；腹板宽度b可取(1/151/8)h。,第十章 预应力混凝土构件的设计,防止或减缓施工阶段预拉区的裂缝；防止施加预应力时，在构件端部 产生截面中部的纵向水平裂缝；有利于锚具的布置。提高构件端部斜截面的抗裂度和承载力；（2）适用性：荷载、跨度较大时采用，一般用后张法施工。,第十章 预应力混凝土构件的设计,二、预应力纵向钢筋的布置,1、直线布置,适用于荷载、跨度不大，先张法和后张法施工均可。,2、曲线、折线布置,（1）采用曲线布置的原因,第十章 预应力混凝土构件的设计,三、Ap的设置,2、Ap的配置量,Ap一般可取（1/71/4）Ap,Ap,Ap,1、设置Ap的原因,防止或减缓施工阶段,预拉区的裂缝；构件的过大反拱；,（张拉、运输和吊装）,再配上非预应力纵向钢筋,第十章 预应力混凝土构件的设计,四、非预应力纵向钢筋的设置,第十章 预应力混凝土构件的设计,五、预拉区纵向钢筋Ap、As 的配置要求,1、配筋率的规定,（1）对施工阶段预拉区不允许出现裂缝的构件,对先张法构件,对后张法构件,第十章 预应力混凝土构件的设计,（2）对施工阶段预拉区允许出现裂缝 而在预拉区不配置纵向预应力钢筋的构件,当ct=2 f tk时，,当f tk ct2f tk时，As/A在0.2%和0.4%之间线性插值。,As,Ap+As,第十章 预应力混凝土构件的设计,六、先张法构件预应力钢筋净间距的规定,1、预应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径 或等效直径的1.5倍。2、而且对热处理钢筋及钢丝，不应小于15mm；对三股钢绞线，不应小于20mm；对七股钢绞线，不应小于25mm。,第十章 预应力混凝土构件的设计,七、预应力构件的混凝土保护层厚度 保护层厚度规定同钢筋混凝土构件；且预应力钢筋的保护层厚度不应小于15mm。,八、后张法构件预留孔道的构造规定,1、对预制构件:孔道之间的水平净间距不宜小于50mm；孔道至构件边缘的净间距不宜小于30mm，且不宜小于孔道半径。,第十章 预应力混凝土构件的设计,2、在框架梁中（1）孔道间的净间距 预留孔道在竖直方向的净间距 孔道外径，水平方向的净间距 1.5倍孔道外径；,（2）孔道的混凝土保护层厚度 从孔壁算起的混凝土保护层厚度：梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm。,第十章 预应力混凝土构件的设计,3、预留孔道的内径应比 预应力钢丝束外径；钢绞线束外径；需穿过孔道的连接器外径,4、在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，孔距不宜大于 12m。5、凡制作时需要预先起拱的构件，预留孔道宜随构件同时起拱。,九、后张法构件中 曲线预应力钢丝束、钢绞线束的曲率半径不宜小于4m。,大1015mm,1高密度聚乙烯或聚丙烯套管2防腐润滑油脂（12mm厚）3钢绞线（裸线直径为6.2528.6mm),无粘结钢绞线,本 章 小 结,1、预应力混凝土的基本概念,4、张拉控制应力的概念,6、施工阶段：采用材料力学的分析方法，先张法A0，后张法An,7、使用阶段，混凝土开裂前：材料力学方法仍适用，先张法和后张法均用A0,2、施加预应力的目的：提高刚度or提高承载力？,3、施加预应力的方法：先张法and后张法,5、预应力损失：概念、种类以及计算,8、各阶段应力分析：轴拉构件、受弯构件,9、使用阶段承载力计算：轴拉构件、受弯构件,10、使用阶段抗裂度、挠度验算：轴拉构件、受弯构件,11、施工阶段的正截面、斜截面强度验算；（一般不必验算，且验算公式与使用阶段的相同）12、施工阶段的裂缝控制验算；13、后张法锚具下混凝土局部承压计算。,15、设置曲线预应力纵向钢筋的原因,16、预拉区设置Ap的原因,17、设置非预应力纵向钢筋的原因,14、先张法预应力的传递长度ltr,