预应力混凝土结构的原理.ppt

第七章:预应力混凝土结构的原理 内容提要,一、预应力混凝土的基本概念 二、预应力混凝土材料及锚夹具 三、张拉控制应力和预应力损失 四、预应力的传递和局部承压 五、预应力混凝土轴心受拉构件 六、预应力混凝土受弯构件 七、本章要点,1、预应力的概念 （1）预应力：受荷载前预先对混凝土施加（压）应力 （2）工作原理：预压力可减少甚至抵消荷载产生的拉力 2 施加预应力的目的 （1）将混凝土变成弹性材料 预应力是改变混凝土性能的手段 无裂缝混凝土可用材料力学方法 （2）利于使用高强钢材 极限状态：承载力、裂缝、挠度 问题：钢筋混凝土结构不能充分利用高强钢筋！ （3）预加应力的目的是荷载平衡 预先施加与使用相反的荷载，抵消部分或全部外荷载,第七章:预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念,3、预加应力的效果 （1）预应力混凝土梁与钢筋混凝土梁的比较 裂缝及变形：裂缝迟、裂宽小；刚度大，反拱，挠度很小。 钢筋应力变化（工作机理） 相同处：弯矩由钢筋和混凝土合力组成的力矩平衡 不同处：RC梁主要靠钢筋应力的增加,内力臂的变化不大 PC梁主要靠内力臂增加，预应力筋处于高应力 裂缝闭合：超载时可能开裂，但卸载后裂缝会闭合 预应力被克服后：没有本质的不同，承载力与RC相同 材料：预应力构件能较充分地利用高强材料,第七章:预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念,（2）预应力混凝土结构的优点 不开裂或延迟开裂、限制裂缝开展，提高结构的耐久性 合理、有效地利用高强钢筋和高强混凝土 提高结构或构件的刚度，使混凝土结构的应用范围扩大 施加预应力是对结构作了一次检验，有利于保证质量 重复荷载下的抗疲劳性能较好。 具有良好的裂缝闭合性能。 提高抗剪性能,第七章:预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念,4、预加应力的方法 （1）先张法 方法：在混凝土浇筑前张拉预应力筋 主要工序：张拉钢筋并临时锚固；制作构件；放松钢筋 预应力传递：通过预应力筋与混凝土之间的粘结力 （2）后张法 方法：直接在成型的构件上张拉预应力筋 主要工序： 制作构件并预留孔道；直接在构件上张拉；用锚具锚固 预应力传递：锚具等,第七章:预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念,5、预应力混凝土分类 （1）按照预应力程度分 全预应力混凝土 定义：在使用荷载作用下受拉区不出现拉应力 优点：抗裂性好、刚度大和抗疲劳性能好 缺点：费钢材；反拱大；预拉区开裂；延性差；施工费高 部分预应力混凝土 定义：在使用荷载作用下受拉区已出现拉应力或裂缝的 优点：克服全预应力构件的不足，可合理控制裂缝 （2）按照预应力筋与混凝土之间的粘结状态分 有粘结: 预应力筋沿全长与周围混凝土粘结 无粘结：预应力筋沿全长与混凝土不粘结、发生相对滑动,第七章:预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念,1 预应力混凝土材料 （1）混凝土：高强度 、低徐变 、低收缩 （2）预应力筋：高强度、低松驰、具有一定的塑性 （3）灌浆材料（一般采用纯水泥浆）：强度、 流动性 2、预应力混凝土结构的锚夹具 （1）锚具和夹具 夹具：能够重复使用的 锚具：留在构件上不再取下的 （2）几种预应力筋常用的锚具 群锚锚具 JM型锚具 螺丝端杆锚具 镦头锚具 弗式锚具,第七章:预应力混凝土结构的原理 二、 预应力混凝土材料及锚夹具,1 张拉控制应力con （1）定义：张拉设备控制的总张拉力除以预应力钢筋面积 （2）要求 不宜过低：使混凝土获得较高的预压应力 不宜过高：构件开裂时的荷载与破获时的荷载接近 施工时(一束中)可能个别钢筋屈服或断裂 规定：最小值：不宜小于0.4fptk 最大值：与材料和施工方法有关,第七章:预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失,2、预应力损失 （1）定义及影响 定义：由于工艺和材料等原因，初始预应力在将不断降低 影响：会降低预应力的效果 （2）损失原因、特点、影响因素、计算方法和减少措施 锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失 原因：锚具变形、缝隙压缩和钢筋在锚具中内缩滑移等 特点：先、后张法均有，张拉端有锚固端无，瞬时完成 计算模式：（对直线钢筋）： 减少措施：减少垫片数量，增加台座的长度,第七章:预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失,钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失 原因：预应力钢筋与孔道壁（转向装置）之间的摩擦作用 特点：先、后张法均有，与位置有关，瞬时完成 计算模式 减少措施：两端张拉，超张拉 加热养护时预应力筋与承拉设备间温差引起的预应力损失 原因：T砼未成型,钢筋伸长(变松)，T共同变形 特点：先张法有，与升温时砼结硬程度有关 计算方法： 减少措施：两次升温，在钢模上张拉（共同升温）,第七章:预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失,预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失 原因：钢筋松驰和徐变 特点：先、后张法均有，需要时间（初期快） 计算方法（与钢筋种类、强度和控制应力有关）： 措施：超张拉 混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失 原因：混凝土的收缩和徐变 特点：先、后张法均有，需要时间（初期快） 计算方法 ：l5=(45(25)+220pc/fcu)/(1+15) 修正：高湿度环境可降低；干燥环境应增加。 可考虑荷载作用时间的影响，乘以不大于1的系数 措施：混凝土质量，控制pc/fcu0.5，增加非预应力钢筋,第七章:预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失,螺旋式预应力钢筋局部挤压混凝土引起的预应力损失 原因：用螺旋预应力筋作配筋，混凝土受挤压变形 计算方法：与直径有关，d3m时忽略。 分批张拉引起的损失 原因：分批张拉时，受后批张拉使构件压缩(或伸长) 计算方法：与在已张拉筋处产生的混凝土法向应力有关 （3）各阶段预应力损失的组合 分批组合内容 混凝土预压前的损失lI ： 混凝土预压后的损失lII： l（lI+lII）最小限量：100（先张法），80（后张法）,第七章:预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失,1、先张法预应力筋的应力传递长度和锚固长度 （1）预应力筋的预应力传递长度 先张法构件的 “自锚” 原因：钢筋和混凝土的粘结作用 应力特点：端部为零，逐渐增大至最大。 传递长度：应力由零增至最大所需长度 说明：ltr内预应力效果差，应按实际应力（按照线性） ltr与预应力筋的种类和直径、混凝土强度等有关 （2）预应力筋的锚固长度 预应力筋的锚固长度la应较其传递长度ltr大。,第七章:预应力混凝土结构的原理 四、预应力的传递和局部承压,2、局部受压承载力计算 （1）特点 后张法构件锚具的垫板下的混凝土承受较大的局部应力 局部应力分布复杂 （2）局部受压承载力计算 要求：不开裂，无过大变形（下陷） 足够的局部抗压承载力 截面尺寸验算：Fl1.35clfcAln 受压承载力验算： 间接钢筋对混凝土约束的折减系数 v间接钢筋的体积配筋率,第七章:预应力混凝土结构的原理 四、预应力的传递和局部承压,混凝土局部受压时的强度提高系数 局部压力设计值， Fl=1.2conAp 局部受压时的计算底面积，按同心、对称的原则确定 cor配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数,第七章:预应力混凝土结构的原理 四、预应力的传递和局部承压,1、各阶段应力分析 （1）施工阶段 完成第一批损失 先张法构件：pAp作用于换算截面A0(=Ac+EAs+EAp)上 pcI = (conlI )Ap/A0 = NPI /A0 后张法构件：pAp作用于换算截面An(=Ac+EAs，)上 pcI =(conlI)Ap/An = NPI /An 完成第二批损失 先张法构件：pAp作用于A0上 pc = (conlI lII)Ap/A0 = NPII /A0 后张法构件：pAp作用于An上 pc=(conlI lII)Ap/An = NPII /An,第七章:预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件,（2）使用阶段 消压施加拉力N0使c由pc 降至0 N0=pc(Ac+EAs+EAp)=pcA0 开裂施加拉力Ncr使c由0加至ftk Ncr=(pc+ftk) A0 破坏施加拉力至钢筋屈服 Nu = fyAs + fypAp 2、承载力计算 （1）应力特点：混凝土开裂，钢筋屈服。 （2）承载力计算公式,第七章:预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件,3、使用阶段抗裂度及裂缝宽度验算 （1）一级严格要求不出现裂缝的构件 在荷载的标准组合下： （2）二级一般要求不出现裂缝的构件 在荷载的标准组合下： 在荷载的准永久组合下： 混凝土法向应力 荷载的标准组合下： 荷载准永久组合下： （3）三级允许出现裂缝的构件,第七章:预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件,4、施工阶段的验算 （1）现象：后张法张拉预应力筋，先张法放松预应力筋时： 预应力损失尚未完成，混凝土受到的压力最大； 混凝土的强度一般最低 （2）张拉或放松钢筋时的强度验算 验算公式： cc的计算： 先张法构件：cc=(con-l1)Ap/A0 后张法构件：cc=conAp/An 局部承压验算,第七章:预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件,1、正截面受弯承载力 （1）计算简图 受拉预应力和普通钢筋：屈服，否则为超筋梁 受拉混凝土：忽略不计 受压混凝土：等效矩形应力图 受压普通钢筋：假设屈服（有条件） 受压预应力钢筋（简化）： 对先张法构件： 对后张法构件：,第七章:预应力混凝土结构的原理 六、预应力混凝土受弯构件,（2）基本公式 矩形截面 T形截面 第一类T形截面：按宽度为bf的矩形截面计算。 第二类T形截面： （3）适用条件 保证受拉钢筋屈服： xbh0 保证受压钢筋屈服： 否则， M=fpyAp(h-ap-as)+fyAs(h-as-as)+(p0-fpy)Ap (ap-as),第七章:预应力混凝土结构的原理 六、预应力混凝土受弯构件,界限破坏截面受压区高度系b 对有屈服点的钢筋 对预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋： 2、正截面抗裂度、裂缝宽度及变形验算 （1）正截面抗裂度验算：参照轴拉构件 （2）正截面裂缝宽度验算 （3）变形验算：要考虑反拱。,第七章:预应力混凝土结构的原理 六、预应力混凝土受弯构件,3 斜截面受剪承载力计算 （1）预（压）应力的影响：提高抗剪能力 提高量：Vp=0.05Np0 Np0法向应力为零时钢筋的合力，Np00.3fcA0 Np0=p0Ap+p0Ap-l5As-l5As （2）斜截面受剪承载力计算公式： VVu=Vcs+Vp+0.8fyAsbsinas+0.8fpyApbsinap （3）适用条件： 当hw/b4时 V0.25fcbh0 当hw/b6时 V0.20fcbh0 当4hw/b6时，按直线内插法取用。,第七章:预应力混凝土结构的原理 六、预应力混凝土受弯构件,4 斜截面抗裂度验算要点 （1）方法：验算混凝土主拉应力和主压应力 （2）要求及标准 严格要求不出现裂缝 在荷载标准组合下主拉应力应满足：tp0.85ftk 主压应力应满足：cp0.6fck 一般要求不出现裂缝 在荷载标准组合下主拉应力应满足：tp0.95ftk,第七章:预应力混凝土结构的原理 六、预应力混凝土受弯构件,5 施工阶段的验算要点 （1）不允许出现裂缝的构件 截面边缘处的混凝土的拉应力：ct1.0ftk 截面边缘处的混凝土的压应力：cc0.8fck （2）允许出现裂缝的构件 截面边缘处的混凝土的拉应力：ct2.0ftk 截面边缘处的混凝土的压应力：cc0.8fck （3）局部承压验算,第七章:预应力混凝土结构的原理 六、预应力混凝土受弯构件,1、预应力的概念：目的、效果和分类 2、张拉控制应力的定义 3、预应力损失原因、减少措施、组合和计算方法 4、