《预应力损失计算》PPT课件.pptx

预应力混凝土收缩、徐变 预应力钢材松弛、温度 锚具、夹具变形、回缩 施工工艺孔道、张拉方式,第二、三讲 回顾,施工阶段施加多大的预应力？,使用阶段剩余多大的预应力？,使用要求设计目标,预应力损失,有效预应力,张拉控制应力,预应力混凝土结构,第四讲 预应力损失、有效预应力 The losses of pre-stress Effective pre-stress,预应力混凝土结构,Prestressed Concrete Structures,4-1 预应力张拉控制应力,第四讲 预应力损失、有效预应力,4-2 预应力损失计算及减小预应力损失的措施,4-3 有效预应力的计算,预应力混凝土结构,4-1 预应力张拉控制应力,预应力张拉控制应力scon:指张拉预应力筋时，张拉设备的测力仪表所指示的总张拉力除以预应力筋截面积得出的拉应力值。,对于如钢制锥形锚具等一些因锚具构造影响而存在（锚圈口）摩阻力的锚具，scon指经过锚具、扣除此摩阻力后的（锚下）应力值。摩阻力一般为张拉应力的3-6%。准确地说，scon是指预应力筋张拉时锚下的张拉控制应力。,预应力张拉控制应力,预应力混凝土结构,预应力结构中预应力筋的拉应力是一个不断变化的值。在预应力结构的施工及使用过程中，由于张拉工艺、混凝土和钢筋材料特性以及环境条件的影响等原因，预应力筋中的拉应力是不断降低的。这种预应力筋应力的降低，即为预应力损失。,由于最终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计算中的一个关键问题。,预应力损失,预应力混凝土结构,构件出现脆性破坏,个别预应力筋可能被拉断,增加钢筋的应力松弛,张拉控制应力scon取值越高，在构件受拉区建立的混凝土预压应力也越大，从而提高构件的抗裂性，减小变形，可以使预应力筋充分发挥作用。,混凝土局部受压破坏,满足设计需要的预应力筋中的拉应力，应是张拉控制应力扣除预应力损失后的有效预应力。因此一方面要预先确定预应力筋张拉控制应力scon，另一方面要准确估算预应力损失值。,构件预拉区受拉开裂,预应力混凝土结构,1）张拉控制应力一般不大于比例极限。这样规定是为保证计算张拉伸长值时按线性计算。,1. 取值原则,预应力筋的应力-应变曲线,预应力钢丝与钢绞线的拉伸试验数据,fptk为预应力筋的抗拉强度标准值,2）张拉控制应力不宜过低，不应小于0.4 (预应力螺纹钢筋不宜小于0.5 ),否则会造成预应力钢材的浪费，并给预应力筋布置造成困难。,预应力筋的张拉控制应力 不宜超过下表规定的张拉控制应力限值。,2.取值方法,当符合下列情况时，表中的张拉控制应力限值可提高 ：,1）要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内（预拉区）设置的预应力钢筋；,2）要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。,1）一端张拉工艺： 预应力筋一端为固定端，在另一端用张拉设备张拉预应力筋的张拉形式。下列情况宜采用一端张拉工艺：,3. 张拉条件,a.长度不大于24m抽芯成孔的直线预应力筋；,b.长度不大于30m预埋波纹管的直线预应力筋；,c.有埋入式固定端的直线预应力筋,施加预应力时，所需混凝土立方体抗压强度应经计算确定，但不宜低于设计的混凝土强度等级值的75%。,预应力混凝土结构,2）两端张拉工艺: 在预应力筋两端同时同步用张拉设备进行张拉的施工形式。下列情况宜采用两端张拉工艺：,b. 长度大于24m抽芯成孔的直线预应力筋；,a. 较长的预应力筋束，为了避免因预应力筋较长而造成较大的摩擦损失；,c. 长度大于30m预埋波纹管的直线预应力筋,预应力混凝土结构,4-2 预应力损失计算及减小其损失措施,预应力损失的分类,摩擦损失sl2： 在预应力筋张拉过程中，由于预留孔道制作偏差、孔道壁粗糙（混凝土灰浆碎渣等杂物）、曲线孔道等原因，预应力筋与孔壁接触引起摩擦力，该摩擦力与张拉力方向相反，又称为摩阻力。距离张拉端越远累积的摩阻力值越大，从而使构件每一截面上预应力筋的拉应力值沿构件逐渐减小(后张法) 转向装置处的摩擦,锚固损失sl1：锚具变形、锚具与垫板等之间的缝隙被挤压、预应力筋内缩、分块拼装构件接缝压密引起的应力损失,预应力混凝土结构,松弛损失sl4：预应力筋松弛引起的预应力损失,收缩徐变损失sl5：混凝土的收缩和徐变引起的损失,螺旋式预应力筋局部损失sl6：螺旋式预应力筋对混凝土的局部挤压损失(后张法),温差损失sl3：混凝土加热养护时，预应力筋与承受拉力的设备间的温差引起的损失(先张法),预应力混凝土结构,摩擦损失sl2,后张法中，预应力筋与孔道壁接触而引起摩擦力，预拉应力损失随离开张拉端距离增大而增大,*孔道偏差等因素引起（长度效应，对直线孔道也存在）,*曲线型孔道而引起（曲率效应）,预应力混凝土结构,曲线型孔道引起的摩擦力,Px,由曲线型孔道引起的损失值与预应力和孔道曲率成正比,预应力混凝土结构,由孔道偏差引起的损失值与预应力和孔道长度成正比,负号表示dP2和Px方向相反,孔道偏差等因素引起的摩擦力,预应力混凝土结构,预应力筋计算截面处因摩擦 力引起的应力损失sl2,预应力混凝土结构,预应力筋计算截面处因摩擦力引起的应力损失sl2,考虑摩擦的孔道设计偏差系数,预应力钢筋与孔道壁间的摩擦系数,当 不大于0.3时， 可按下列近似公式计算,预应力混凝土结构,预应力混凝土结构,两跨连续梁反弯点及切线夹角标注,a.控制截面1 1+2,b.控制截面2 1+2+3+4,c.控制截面3 1+2+3+4+5+6,d.控制截面4 1+2+3+4+5+6+7+8,预应力混凝土结构,*采用两端张拉可以减少l2,一般达总损失的30左右,*采用润滑剂,*改善预留孔道质量,电热后张时，不考虑摩擦损失！,预应力混凝土结构,锚固损失sl1,预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形、垫板缝隙的挤紧以及钢筋在锚具中的回缩引起的预应力损失,张拉端至锚固端之间的距离,预应力筋的弹性模量,张拉端锚具的变形和预应力筋的内缩值,直线预应力筋,表中锚具变形和钢筋内缩也可根据实测资料确定 其他类型锚具变形和钢筋内缩根据实测数据确定,穿心式双作用千斤顶,预应力混凝土结构,*减小sl1的措施：选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，尽量少用垫板；增加台座长度。,应注意的几个问题,由块体拼装的结构，应考虑填缝间的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填缝材料时，每条缝的预压变形值为1mm,先张法构件，当台座长度超过100m时，可忽略l1,后张法构件，应尽可能减少垫板，且l1只考虑张拉端，因锚固端锚具在张拉过程中已被压紧,此式不适用于曲线配筋的后张法构件,预应力混凝土结构,*此时的锚固损失应根据预应力曲线筋或折线筋与孔道壁之间反向摩擦影响长度lf范围内的预应力筋变形值l等于锚具变形与预应力筋内缩值a的条件确定。,曲线或折线形预应力筋的锚固损失,*对于通常采用的抛物线形预应力筋可近似按圆弧形曲线预应力筋考虑。当其对应的圆心角q45时，由于锚具变形和钢筋内缩，在反向摩擦影响长度范围内的预应力损失为：,反向摩擦影响长度（m）为：,*由于预应力筋反向摩擦作用（与张拉钢筋时，预应力筋和孔道壁间的摩擦力方向相反），预应力筋锚固损失沿构件通长不是均匀分布的，而是集中在张拉端附近。,预应力混凝土结构,曲线或折线形预应力筋锚固损失,其他形式预应力筋sl1计算参见： 混凝土结构设计规范GB50010-2010附录J(P251-256),预应力混凝土结构,温差损失sl3,先张法混凝土蒸汽养护时,预应力钢筋与台座之间温差引起的损失,*采用二次升温法可减少l3:先升温20-25养护,当混凝土的强度达到7.510N/mm2时，混凝土与预应力筋已有足够粘度再逐渐升温 *在钢模上张拉预应力筋,预应力筋由于温度升高而产生的变形为,预应力混凝土结构,松弛损失sl4,钢筋在高应力作用下，长度不变而应力随时间逐渐降低的现象称为应力松弛。一般来说张拉应力越大、温度越高，松弛量也越大。, 消除应力钢丝、钢绞线：普通松弛,我国现行混凝土结构设计规范（GB20010-2010）中规定的预应力筋松弛损失的计算方法如下：,消除应力钢丝、钢绞线：低松弛,预应力混凝土结构,中强度预应力钢丝,当 时，取,预应力螺纹钢筋,预应力混凝土结构,如果需要求出 随时间变化的值，那么可以用前面计算的 乘以时间影响系数。,松弛损失随时间变化系数 （GB50010-2010:P259）,预应力混凝土结构,混凝土的收缩和徐变引起的损失sl5,配筋率：纵向钢筋阻碍收缩和徐变的发展（包括普通钢筋，故在计算时应考虑普通钢筋影响） 混凝土的预压应力值：影响徐变的主要因素 混凝土的强度等级：影响徐变和收缩量 预应力偏心距 受荷时的龄期 构件的尺寸以及环境的温度湿度,混凝土硬结时体积收缩，而在预压力作用下徐变。二者都会导致预应力筋缩短，产生预应力损失，两者通常同时考虑，以sl5表示,预应力混凝土结构,施加预应力时的混凝土立方体抗压强度,分别为受拉区、受压区预应力筋和普通钢筋的配筋率,后张法,计算受拉区、受压区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力时，预应力损失值需考虑混凝土预压前（第一批）的损失 值不得大于 ；当 为拉应力时，则式中的 应取为零 计算混凝土 时，可根据构件的制作情况考虑自重的影响,在受拉区、受压区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力；,先张法,对于一般构件(GB50010-2010),避免产生非线性徐变,预应力混凝土结构,对于先张法构件,对于后张法构件,A0：为先张法构件换算截面面积，A0=Ac+aEpAp+aEsAs； An：为后张法构件扣除孔道后的净截面面积，An=Ac+aEsAs； aEp和aEs分别为预应力筋和普通钢筋的弹性模量与混凝土弹性模量的比值。 对于轴心受拉构件等对称配置预应力筋和非预应力筋的构件，取r=r ，配筋率应按其钢筋总截面面积的一半进行计算。,预应力混凝土结构,对于重要结构构件,受拉区纵向预应力筋应力损失终极值,受拉区预应力筋合力点处由预加力(扣除相应阶段预应力损失)和梁自重产生的混凝土法向压应力，其值不得大于0.5fcu;对简支梁可取跨中截面与四分之一跨度处截面的平均值; 对连续梁和框架可取若干有代表性截面的平均值;,混凝土徐变系数终极值,混凝土收缩系数终极值,预应力筋弹性模量,预应力筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值,如结构处于年平均相对湿度低于40的环境下，sl5和 sl5数值应增加30。,预应力混凝土结构,当无可靠资料时， 值可按下表采用。,预应力混凝土结构,预应力混凝土结构,考虑时间影响的混凝土收缩和徐变引起的预应力损失值，可由上述计算的预应力损失终极值乘以下表相应的系数确定。,预应力混凝土结构,混凝土收缩和徐变引起的预应力损失l5在预应力总损失中占的比重较大，在曲线配筋时约占30%，在直线配筋时可达60。,*采用高标号水泥，减少水泥用量； *采用高效减水剂，降低水灰比； *延长混凝土加载龄期； *采用级配好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性,后张构件施加预应力时已完成部分收缩，故后张法的l5比先张法低。,有效减少l5的措施,预应力混凝土结构,螺旋式预应力筋对混凝土局部挤压损失sl6,采用螺旋式预应力筋作为配筋的环形构件，由于预应力筋对混凝土的局部挤压使构件直径减小所引起的损失,*减小的措施：避免采用小直径构件。,预应力混凝土结构,混凝土弹性压缩或伸长对预应力的影响,当混凝土受预应力作用而产生弹性压缩或伸长时，钢筋（包括预应力筋和非预应力筋）与混凝土协调变形，则二者的应变变化量相等，即,可求出任一时刻预应力筋或非预应力筋的应力,1. 找到钢筋与混凝土协调变形起点,2. 以起点应力为基础，求出相对于起点的混凝土应力变化量,spe2?,切断预应力筋后，混凝土弹性压缩,spc2,预应力混凝土结构,对于一次张拉后张法构件，混凝土的弹性压缩发生在张拉过程中，张拉完毕后混凝土的弹性压缩也随即完成，因此无须考虑弹性压缩对预应力的影响。,后张法构件采用分批张拉时，后张拉预应力筋所产生的混凝土弹性压缩使已张拉的预应力筋产生应力损失,sc-在先张拉预应力筋形心处，由后张拉各批预应力筋所产生的混凝土截面压应力之和。,预应力混凝土结构,当钢束为曲线布置时，钢筋束在各截面的相对位置不断变化，使各截面的 sc也不相同，详细计算非常麻烦，为简化计算，常作如下假定： 1、以 l/4截面作为全梁的平均截面进行计算，其余截面不计算； 2、同一截面的所有筋束都集中布于其合力作用点处（近似取其重心处），各批筋束的拉力相等（可近似取各批筋束拉力平均值）； 3、以l/4处截面所有预应力筋束重心处混凝土弹性压缩损失的平均值，作为各批筋束由混凝土弹性压缩引起的应力损失值。,第一批张拉的筋束产生的弹性压缩损失最大。设张拉每批筋束产生的混凝土正应力为sc，则第一批张拉的筋束产生的弹性压缩损失总值为,最后一批（第m批）筋束产生的弹性压缩损失最小，则计算截面上各批筋束产生的弹性压缩损失平均值，即分批张拉预应力筋束时，由混凝土弹性压缩产生的预应力损失平均值为,预应力混凝土结构,4-3 有效预应力的计算,有效预应力spe：预应力筋锚下张拉控制应力scon扣除相应应力损失并考虑混凝土弹性压缩引起的预应力筋应力降低后，在预应力筋内存在的预拉应力。,各项预应力损失是先后发生的，因此有效预应力值也随不同受力阶段而变化。将预应力损失按各受力阶段进行组合，可计算出不同阶段预应力筋的有效预应力值，进而计算出在混凝土中建立的有效预压应力。,在实际计算中，以“预压”为界，把预应力损失分为两批。 先张法：放松预应力筋（放张），开始给混凝土施加预应力的时刻； 后张法：混凝土从张拉预应力筋开始就受到预压，因此此时的“预压”特指张拉预应力筋至scon并加以锚固的时刻。,预应力混凝土结构,在通过预压给给构件预加应力阶段，预应力筋中的有效预应力为：,在使用阶段，预应力筋中的有效预应力为：,预应力总损失的下限值,先张法构件： l100N/mm2,后张法构件： l80N/mm2,预应力混凝土结构,预应力损失计算是预应力混凝土结构设计的重要内容之一。在进行预应力砼结构的初步设计时，并不需要也无法精确计算预应力损失，只要知道预应力筋有效预应力的预估值，能大致定出预应力筋和非预应力筋用量即可。在完成初步设计之后，再按预应力筋在结构构件中的布置形式及预应力工艺，按分项计算法较准确地计算出预应力损失，验算结构的使用性能和承载力。 按照我国的规范分项计算预应力损失，计算工作量大，且非常繁杂。因此，提出总预应力损失近似估算方法是合理、快捷进行预应力砼结构设计的重要手段。,美国混凝土学会与土木工程学会（ACI-ASCE）于1958年提出的“预应力砼结构设计建议”对砼弹性压缩、徐变、收缩和松弛引起的总损失值做了规定：,表1所示总损失值被1963年ACI及美国公路桥梁规范(AASHTO)采纳，效果良好。1975年修定的AASHTO规范和1976年编制的美国后张混凝土协会(PTI)手册做了相应修改。,我国学者（哈工大郑文忠）认为，进行预应力混凝土框架结构设计时，可按下图中数值估算总损失：,各控制截面总预应力损失预估值