预应力混凝土构件设计讲座.ppt

1,预应力混凝土构件设计,2,1.熟悉预应力混凝土的基本知识，分类方法、预应力损失及计算方法；2.掌握建筑工程中轴心受拉构件各阶段受力分析及计算方法；3.熟悉预应力混凝土构件的施工工艺及构造要求。,难点：预应力轴心受拉构件的计算,重 难 点,3,1、在使用荷载作用下，一般是带裂缝工作：tu=0.10.1510-3（即每m只能拉长0.10.15mm）对使用上不允许开裂的构件，钢筋的拉应力仅为2030N/mm2对允许开裂的构件，当s=250N/mm2时，裂缝已达0.20.3mm，不宜用在处于高湿度或侵蚀性环境中的构件。2.难以采用高强钢筋：,一、钢筋混凝土的缺点,11.1 预应力混凝土的基本知识,4,1、预应力砼：是指在构件受荷之前预先对砼受拉区施加压力的结构。,预应力混凝土受弯构件,二、预应力砼的基本原理：,5,2、预应力混凝土的基本原理,6,3、预应力砼构件的基本特点：,（1）施加预应力可提高构件的抗裂度。（2）预加力的大小以及作用点位置可根据需要进行调整；（3）预应力对构件正截面承载力无明显影响；（4）预应力可提高构件的刚度，减小变形。,7,对下列结构应优先采用预应力砼结构：1）为满足裂缝控制的要求（即裂缝控制等级较高的结构；2）为满足轻质高强的要求（以减小截面，减轻自重；3）为满足刚度和变形控制的要求。,对下列结构应优先采用预应力砼结构：,8,全预应力：是在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力，即全截面受压。部分预应力：是在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出现拉应力，即部分截面受压。,4、预应力混凝土的分类,预应力砼的分类,9,1、先张法（pretensioning method）：,三、施加预应力的方法：,2、后张法（post-tensioning method）：,10,3、两种张拉方法的比较,11,四、预应力混凝土的材料：,1、混凝土：预应力混凝土构件对混凝土的基本要求是：(1)强度高；(2)收缩、徐变小；(3)快硬、早强。选择砼等级时，应综合考虑施工方法（先、后张法）、构件跨度、使用情况（如有无振动荷载）以及钢筋种类等。一般先张法预应力损失较后张法大。规范规定：砼强度等级不宜低于C30；当用高强钢丝或钢绞线作预应力钢筋的结构，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于C40。,12,预应力砼结构中的钢筋,预应力钢筋,非预应力钢筋,2、钢材：,对钢筋有较高的质量要求：(1)高强度。(2)具有一定的塑性：为了避免构件发生脆性破坏，要求预应力筋在拉断时具有一定的延伸率；一般要求极限伸长率6%(级)、8%（级）和10%（级），碳素钢丝和钢绞线4%。(3)良好的加工性能。要求有良好的可焊性，同时钢筋“镦粗”后并不影响原来的物理力学性能等。(4)与砼间有足够的粘结强度：特别是靠粘结力完成的先张法构件。当采用光面高强钢丝时，表面应经“刻痕”或“压波”等措施处理后方能使用。,13,11.2 预应力混凝土构件设计的一般规定,一、构件截面计算的内容：一般包括以下两个内容：1、使用阶段计算：包括承载力计算、裂缝控制验算和变形验算。2、施工阶段计算：包括张拉（或放松）钢筋时构件承载力验算；吊装验算和构件张拉端（锚固区）局部承压的验算。,14,1、概念：con在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油压表）所控制的总张拉力Np,con除以预应力筋面积Ap得到的应力称为张拉控制应力scon。,con是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。,二、张拉控制应力con,15,1）con宜尽可能定得高一些：但如果con过大时，可能出现下列问题:（1）个别钢筋可能被拉断。（2）施工阶段可能会引起构件某些部位受到拉力,甚至破坏,还可能使后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏。（3）使开裂荷载与破坏荷载相近,一旦裂缝，将很快破坏，即可产生无预兆的脆性破坏。2）con与预应力钢筋的钢种有关：冷拉热轧钢筋：塑性好，con可高些；高强钢丝和热处理钢筋，故con应低些。3）con与施加预应力的方法有关：对同种钢筋，先张法取值高于后张法。,2、张拉控制应力con的确定,16,con上限:不宜超过上表规定的con；con下限:不应小于0.4fptk。,表中 为预应力钢筋强度标准值。,允许张拉控制应力值 con,17,当符合下列情况之一时,上表所列数值可根据具体情况和施工经验作适当调整，可将其限值提高5%。(1)为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性，而设置在使用阶段受压区的预应力钢筋。(2)为了部分抵消由于应力松弛、摩擦、分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座间的温差因素产生的预应力损失，对预应力钢筋进行超张拉。,张拉控制应力con的调整,18,其值可按下式计算：,式中:a锚具变形及钢筋回缩值,见下表；,1锚具变形和钢筋内缩损失l1,定义：指预应力钢筋张拉到con后，构件从制作到使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因而不断降低的现象。,三、预应力损失:,19,注：1、表中的锚具变形和钢筋内缩值也可根据实测数据确定；2、其它类型的锚具变形和钢筋内缩值应根据实测数据确定.,锚具变形及钢筋回缩值a,20,预应力损失如图，宜按下式计算:,摩擦损失计算简图,若,当采用电热后张法时,不考虑这项损失。,2.孔壁摩擦损失l2,21,22,对于通常采用的抛物线形预应力钢筋可以近似按圆弧形预应力钢筋考虑，当圆心角 30时，则锚具变形损失l1按下面近似公式计算:,式中：预应力筋与孔道壁摩擦系数，见表83c圆弧曲线预应力筋曲率半径（m）；考虑每米孔道局部偏差对摩查影响的系数，见表83；张拉端到计算截面的距离（m），这里0l,圆弧形预应力筋因锚具变形和钢筋内宿缩引起的损失值,23,注：1.表中系数也根据实测数据确定；2.当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式的锚具时，尚应考虑锚环口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定；,偏差系数K和摩擦系数值,24,减少摩擦损失l2的措施,25,3.温差损失l3,设养护升温后，预应力筋与台座的温差为D t，取钢筋的温度膨胀系数为110-5/，则有:,96,计算时,取D t=2025.,当在钢模上生产预应力构件时,钢模和预应力钢筋同时被加热,无温差,则该项损失为零.,26,根据应力松弛的长期试验结果，规范取,普通预应力钢丝和钢绞线：,为超张拉系数，一次张拉时，取=1；超张拉时，取=0.9。,4.钢筋应力松弛损失l4,27,5.砼收缩徐变损失l5,一般情况下,对先张法构件的预应力损失，按下列公式计算：,先张法,A0=Ac+apAp+asAs,28,计算公式为：,规范规定：时，时，,.环形挤压损失l6,29,各阶段预应力损失值组合,规范规定当总损失值l=lI+lII小于下列数值时：先张法构件 100MPa后张法构件 80MPa,四、预应力损失值的分阶段组合,30,先张法预应力损失的组合,锚固变形损失l1,温差损失l3,钢筋松驰损失l4,第一批损失l,砼收缩徐变损失l5,第二批损失l,全部损失L,施工阶段,使用阶段,31,后张法预应力损失的组合,锚固变形损失l1,摩擦损失l2,第一批损失l,钢筋松驰损失l4,第二批损失l,全部损失L,施工阶段,使用阶段,砼收缩徐变损失l5,环形挤压损失l6,32,例1:24m预应力砼屋架下弦杆的截面尺寸bh=250140mm，采用后张法制作，在一端张拉并采用超张拉5%。孔道250为充压橡皮管充压抽芯成型,直径为55mm。砼强度等级为C40，达到设计规定的强度后张拉预应力钢筋。预应力钢筋采用钢绞线（fptk=1720N/mm2），配置热处理筋2束10HT6（Ap=565mm2)。非预应力钢筋为4根三级12mm(As=452mm2)的钢筋.张拉控制应力con=0.75fptk=0.751470=955N/mm2.试计算预应力损失值。,已知下弦杆内力:N=670KN,Nk=480KN,Nq=365KN,裂缝控制等级为一级。对结构进行抗裂度验算和承载力验算。,33,习题:18m预应力砼屋架下弦杆的截面尺寸bh=200150mm，采用后张法制作，在一端张拉并采用超张拉。孔道为预埋金属波纹管，直径为55mm。砼强度等级为C40，达到设计规定的强度后张拉预应力钢筋。预应力钢筋采用钢绞线（fptk=1720N/mm2），配置钢绞线1束510.8（Ap=297mm2)。非预应力钢筋为4根三级10mm的钢筋.张拉控制应力con=0.75fptk=1290N/mm2。试计算预应力损失值。,34,先张法:预应力传递长度ltr 及锚固长度la,）有效预应力沿构件长度的分布,35,规范预应力传递长度应按下式计算：,放张时预应力钢筋的有效预应力值；预应力钢筋的外形系数，按下表采用；与放张时混凝土立方抗压强度相应的抗拉强度标准值。,注：1、当采用骤然放松预应力钢筋的施工工艺时，ltr的起点应从距构件0.25ltr末端处开始计算。2、对热处理钢筋，可不考虑预应力传递长度ltr。,钢筋的外形系数,36,预应力钢筋的锚固长度应按下式计算：,式中：,预应力钢筋抗拉强度设计值；预应力区混凝土的抗拉强度设计值；预应力钢筋的直径;钢筋的外形系数,37,锚具下混凝土局部承压问题,38,一般是指在预应力钢筋外面涂防腐油脂外包塑料套管防止钢筋与混凝土粘结，按后张法制作的预应力混凝土结构。,一定要有非预应力筋锚具的可靠性高强钢丝的可靠度,）无粘性预应力混凝土结构,39,优点：,.结构自重轻。.施工简便，速度快。.抗腐蚀能力强。.使用性能良好。.防火性能好。.抗震性能好。.应用广泛。,40,平衡条件,一、先张法轴心受拉构件、施工阶段（）放松预应力钢筋，压缩混凝土（完成第一批预应力损失）,解：,11.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析,先,41,（）完成第二批损失,由平衡条件,先,42,、使用阶段（）消压状态,由平衡条件得：,先,43,（2）开裂轴力：,平衡条件：,先,44,（）加荷至构件破坏,平衡条件：,上式可作为使用阶段对构件进行承载力计算的依据。,先,45,平衡条件,、施工阶段,（）在结构上张拉预应力钢筋至con，同时压缩混凝土,二、后张法轴心受拉构件,后,46,（）完成第一批损失,平衡条件,后,47,（）完成第二批损失,由平衡条件：,后,48,（）消压状态,由平衡条件：,、使用阶段,后,49,（2）开裂轴力：,平衡条件：,后,50,（）加荷至构件破坏,平衡条件：,注意：后张法中,后,51,先张法,后张法,2、使用阶段：表达式相同,先、后张法计算公式比较,1、施工阶段,52,一、轴心受压构件的计算内容：施工阶段：包括张拉或放张钢筋对构件的承载力验算；吊装验算；构件张拉端或锚固区局部承压的验算；对于受弯构件还要验算变形。使用阶段：包括承载力验算和抗裂度验算。,11.4 预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算（工05级无）,53,式中：,轴向拉力设计值；结构截面所能承受的轴向拉力设计值；预应力钢筋抗拉强度设计值；非预应力钢筋抗拉强度设计值。,二、使用阶段正截面承载力计算计算公式：,54,1、一级 严格要求不出现裂缝的构件，在荷载效应标准组合下应符合下列要求：,2、二级 一般要求不出现裂缝的构件、在荷载效应标准组合下应符合下列要求：,三、使用阶段裂缝控制验算,在荷载效应的准永久组合下应符合下列要求：,式中：,荷载效应标准组合、准永久组合下抗裂验算边缘混凝土法向应力：,55,.三级允许开裂的轴心受拉构件 要求最大裂缝宽度，应符合下列规定：,最大裂缝宽度的计算公式：,56,混凝土法向应力等于零时，全部纵向预应力和非预应力钢筋的合力；,后张法,其中：先张法,按荷载短期效应组合计算的预应力构件纵向受拉钢筋的等效应力。,57,钢筋的相对黏结特性系数i,注：对环氧树脂涂层带肋钢筋，其相对粘结系数应按表中的0.8倍取用。,58,混凝土法向应力应符合下列规定：,对先张法,对后张法,四、施工阶段的承载力验算,59,.构件截面尺寸验算截面尺寸应符合下列要求：,Fl局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值；在后张法中的锚头局压区的压力设计值，应取1.2倍con；Al混凝土的局部受压面积；l混凝土局部受压时的强度提高系数；Aln混凝土局部受压净面积；对后张法构件，应在混凝土局部受压面积中扣除孔道，凹槽部分的面积；Ab局部受压时的计算底面积，可由局部受压面积与计算底面积按同心，对称原则确定。,五、施工阶段后张法构件局部受压承载力验算,60,局部受压的计算底面积Ab,61,当配置方格网式或螺旋式间接钢筋且其核心面积AconAl时，局部受压承载力应按下列公式计算：,2、局部受压承载力验算,62,当为方格网配筋时，其体积配筋率应按下式计算：,此时，在钢筋网两个方向的单位长度内，其钢筋截面面积相差不大于1.5倍。当为螺旋钢筋时，其体积配筋率应按下式计算：,63,式中：cor配置间接钢筋局部受压承载力提高系数；Acor配置方格网或螺栓式间接钢筋内表面范围内的砼核芯面积，但不应大于，且其重心应与重心重合，计算中仍按同心，对称原则取值；v间接钢筋体积配筋率（核心面积范围内单位砼体积所含间接钢筋体积）；,64,间接钢筋配置在下图规定的h范围内。对柱接头，h尚不应小于15倍纵向钢筋直径。配置方格网钢筋不应少于4片，配置螺旋式钢筋不应少于4圈。,钢筋及螺旋钢筋的配置,65,1）先张法构件 预应力钢筋（丝）的净间距 预应力钢筋、钢丝的净间距应根据便于浇灌混凝土、保证钢筋（丝）与混凝土的粘结锚固、以及施加预应力（夹具及张拉设备的尺寸）等要求来确定。当预应力钢筋为钢筋时，其净距不应小于钢筋直径及25mm；当预应力钢筋为钢丝时，其净距不宜小于15mm。,六、预应力混凝土构件的构造要求,66,混凝土保护层厚度为保证钢筋与混凝土的粘结强度，防止放松预应力钢筋时出现纵向劈裂裂缝，必须有一定的混凝土保护层厚度。当采用钢筋作预应力筋时，其保护层厚度要求同钢筋混凝土构件；当预应力钢筋为光面钢丝时，其保护层厚度不应小于15mm。钢筋、钢丝的锚固先张法预应力混凝土构件应保证钢筋（丝）与混凝土之间有可靠的粘结力，宜采用变形钢筋、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝、钢绞线等。,67,端部附加钢筋为防止放松预应力钢筋时构件端部出现纵向裂缝，对预应力钢筋端部周围的混凝土应设置附加钢筋：当采用单根预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于150mm螺旋筋。当钢筋直径d16mm时，也可利用支座垫板上的插筋，但插筋根数不应少于4根，其长度不宜小于120mm。当采用多根预应力钢筋时，在构件端部10倍预应力钢筋直径范围内，应设置35片与预应力钢筋垂直的钢筋网。采用钢丝配筋的预应力薄板，在端部100mm范围内，应适当加密横向钢筋。,68,2)后张法 预留孔道的构造要求 预留孔道的布置应考虑到张拉设备的尺寸、锚具尺寸及构件端部砼局部受压承载力的要求等因素。孔道直径应比预应力钢筋束外径、钢筋对焊接头处外径及锥形螺杆锚具的套筒等外径大1015mm，以便于穿入预应力钢筋，并保证孔道灌浆质量。孔道间的净距不应小于25mm；孔道至构件边缘的净距不应小于25mm，且不宜小于孔道的半径。构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，孔距不宜大于12m。孔道灌浆所用的水泥砂浆强度等级不应低于M20，水灰比宜为0.40.45，为减少收缩，宜掺入0.01%水泥用量的铝粉。凡需要起拱的构件，预留孔道宜随构件同时起拱。,69,曲线预应力钢筋的曲率半径 钢丝束、钢绞线束以及钢筋直径d12mm的钢筋束，不宜小于4m。1225mm的钢筋，不宜小于15mm。,70,端部构造 为防止施加预应力时，构件端部产生沿截面中部的纵向水平裂缝，宜将一部分预应力钢筋在靠近支座区段弯起，并使预应力钢筋尽可能沿构件端部均匀布置。如预应力钢筋在构件端部不能均匀布置而需集中布置在端部截面下部时，应在构件端部0.2倍截面高度范围内设置竖向附加焊接钢筋网等构造钢筋。预应力钢筋锚具及张拉设备的支承处，应采用预埋钢垫板，并设置上述附加钢筋网和附加钢筋。当构件端部有局部凹进时，为防止端部转折处产生裂缝，应增设折线构造钢筋。,71,1.何为预应力混凝土？与普通钢筋混凝土构件相比，预应力混凝土结构有何优缺点？2.为什么预应力混凝土构件必须采用高强钢材，且应尽可能采用高强度等级的混凝土？3.预应力混凝土分为哪几类？各有何特点？4.施加预应力的方法有哪几种？先张法和后张法的区别何在？试简述它们的优缺点及应用范围。,思考题,72,5.什么是张拉控制应力？为什么张拉控制应力取值不能高也不能低？6.预应力损失有哪几种？各种损失产生的原因是什么？计算方法及减小措施如何？先张法、后张法各有哪几种损失？哪些属于第一批，哪些属于第二批？7.什么是预应力钢筋的松弛？为什么短时间的超张拉可以减小松弛损失？8.施加预应力对轴心受拉构件的承载力有何影响？为什么？,73,9.在计算施工阶段混凝土的预应力时，为什么先张法用构件的换算截面A0，而后张法却用构件的净截面An？在使用阶段为何二者都用A0？10.预应力混凝土结构各阶段应力状态如何？先、后张法构件的应力计算公式有何异同之处？研究各特定时刻的应力状态有何意义？比较先、后张法应力状态的异同？,74,11.什么是预应力钢筋预应力传递长度？传递长度内的抗裂能力与其它部位有何不同？何时考虑其影响？12.施加预应力对轴心受拉构件的承载力有何影响？为什么？13.什么要对后张法构件端部进行局部承受压承载力验算？应进行哪些方面的计算？不满足条件时采取什么措施？,75,谢 谢,（本章完）,76,77,78,6）预应力混凝土的特点：,1.提高了结构的抗裂能力2.增加了构件刚度。3.充分利用高强度材料4.扩大了结构的应用范围,优点：,缺点：,1.施工工序多2.对施工技术要求高3.需要张拉设备、锚固夹具及劳动费用高,c.预应力反拱度不易控制。,79,4）锚具：,（1）对锚、夹具的要求：,A.安全可靠，其本身具有足够的强度和刚度。,B.应使预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力损失。,C.构造简单，便于机械加工制作。,D.使用方便，省材料、价格低。,80,(2).锚具的形式：,锚具的型式繁多，按其构造形式及锚固原理，可分为三种基本类型：,1.锚块锚塞型：由锚块和锚塞两部分组成,图9-4 锚块锚塞型锚具,81,2.螺杆螺帽型：由螺杆、螺帽和垫板三部分组成。,图9-5 螺杆螺帽型锚具,82,3.镦头型锚具：有张拉端和固定端两部分组成。,图9-5 螺杆螺帽型锚具,