预应力混凝土构.ppt

第10章 预应力混凝土构件,主要内容 预应力混凝土的概念 预应力混凝土轴心受拉构件的计算 预应力混凝土受弯构件的计算 预应力混凝土构件的构造要求 重点 预应力混凝土的基本概念 各项预应力损失的意义、计算方法、减小措施 预应力混凝土轴心受拉构件的计算,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,10.1 概述 1.预应力混凝土的概念 由于混凝土的抗拉性能很差，开裂时 ，相应的钢筋应力 ，作用不大，不能改善混凝土构件的抗裂性能，因此，普通混凝土构件通常是带裂缝工作的。如果采用高强钢筋，在使用荷载作用下，应力可以达到 ，但此时钢筋的应变将很大，构件的裂缝宽度早就超过允许值了。所以在普通混凝土构件中采用高强钢筋是不经济的。这是因为在普通混凝土构件中，钢筋的作用是被动的，既钢筋只有被充分受拉后其强度才能发挥出来。 如果在构件受荷之前对钢筋进行张拉，利用回缩拉力对受拉区混凝土预先施加压应力，用它来抵抗荷载产生的拉应力，则可提高构件的抗裂度，弥补混凝土抗拉性能的不足。 这种由配置受力的预应力钢筋通过张拉或其他方法建立预加应力的混凝土制成的结构，称为预应力混凝土结构。,第10章 预应力混凝土构件, 优点：提高抗裂度和刚度；节约钢筋，减轻自重。 缺点：构造、施工较复杂；延性也较差。 应用对象： 要求裂缝控制等级较高的结构； 大跨度结构或受力很大的构件； 对刚度和变形控制要求较高的结构构件。,第10章 预应力混凝土构件,2.预应力混凝土的分类 （1）全预应力混凝土 在使用荷载作用下，截面上混凝土不允许出现拉应力。相当于规范中裂缝控制等级为一级，即严格要求不出现裂缝的构件。 （2）部分预应力混凝土 限值预应力混凝土：在使用荷载作用下，截面上混凝土允许出现拉应力，但不开裂。相当于规范中裂缝控制等级为二级，即一般要求不出现裂缝的构件。 部分预应力混凝土：在使用荷载作用下，截面上混凝土允许开裂，但 。相当于规范中裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。 3.张拉预应力钢筋的方法 （1）先张法,第10章 预应力混凝土构件,预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递。,浇筑混凝土构件，预留孔道,穿预应力钢筋并张拉、锚固钢筋,孔道灌浆,第10章 预应力混凝土构件,（2）后张法,预应力由构件两端锚具实现。,第10章 预应力混凝土构件,4.夹具和锚具 夹具和锚具是锚固预应力筋的装置。可重复使用的称夹具，不能重复使用的称锚具。 对锚具的要求是：安全可靠，使用有效、节约钢材及制作简单。 常用的锚具形式：螺丝端杆锚具，锥型锚具，镦头型锚具，夹具式锚具。,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,5.预应力混凝土材料 （1）混凝土 要求高强；收缩、徐变小；快硬、早强。 规范规定，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。,（2）钢材 要求强度高，具有一定的塑性，良好的加工性能，与混凝土具有良好的粘结力。 我国目前采用的钢材有：钢绞线、钢丝、热处理钢筋三种。,第10章 预应力混凝土构件,张拉控制应力限值,6.张拉控制应力 张拉控制应力是预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。 控制的原因： 防止预拉区开裂及后张法构件的局部受压破坏； 保持构件破坏时具有一定的延性； 防止钢筋张拉屈服或脆断。 张拉控制应力值不宜超过下表规定值，且不应小于0.4 。,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,忽略高阶微量，取 ，则, 孔道局部偏差引起的摩擦 设沿孔道单位长度上的偏差角为 弧度，则 上的偏差角为,从张拉端到计算截面积分,令 为单位长度上局部偏差的摩擦影响系数，则,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,对于曲线形预应力钢筋，张拉钢筋时出现 ，张拉完毕，锚固钢筋由于反向摩擦的存在，锚具损失只出现在一定的长度范围内。这个长度称为反向摩擦影响长度,预应力损失 的分布,令 ，则,设正反摩擦相等，则,第10章 预应力混凝土构件,设在 范围内由锚具损失引起的平均内缩应变为 ，则平均应力损失为 ，于是,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,热处理钢筋：, 钢筋应力松弛的特点： 松弛与时间有关，开始快，第1小时可完成50%，24小时可完成80%，以后发展缓慢； 松弛与钢种有关，热处理钢筋松弛值较小； 张拉控制应力越高，松弛损失越大。 减小 的措施： 采用超张拉，持荷25分钟，使松弛尽量在高应力持荷阶段出现，再降至 。,（5）钢筋应力松弛引起的预应力损失 、 收缩、徐变都导致预应力混凝土构件的长度缩短，预应力钢筋也随之回缩，产生预应力损失。,第10章 预应力混凝土构件,先张法： 后张法：,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,在实际计算中，以“预压”为界，把预应力损失分成两批。,各阶段预应力损失值的组合,预应力总损失值： 规范规定，当计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，应按下列数值取用： 先张法构件 100N/mm2； 后张法构件 80N/mm2。,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,混凝土预压应力的大小。 10.后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算 后张法构件端部由于锚具下垫板面积很小而承受很大的局部压力，该压力要经过一段距离才能扩散至整个截面，形成局部受压区。局部受压区内应力分布较为复杂，纵向应力 绝大部分受压，横向应力 在靠近垫板处为压应力，距离端部稍远处为拉应力，当横向拉应力超过混凝土的抗拉强度时，端部锚固区将出现纵向裂缝，如承载力不足，则会导,局部受压区的应力分布,第10章 预应力混凝土构件,致局部承压破坏。因此，规范规定，设计时既要保证在张拉钢筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和不产生过大的变形，又要求计算锚具下所需配置的间接钢筋以满足局部受压承载力的要求。 （1）构件局部受压区截面尺寸验算,式中 Fl 局部受压面上作用的局部压力设计值，取 ； Al 混凝土局部承压面积。当有垫板时；可考虑预压力沿锚具,垫圈边缘在垫板中按45扩散后传至混凝土的受压面积； Aln局部受压净面积，应在Al中扣除孔道、凹槽部分面积； l 混凝土局部受压承载力强度的提高系数；,第10章 预应力混凝土构件,Ab局部受压时的计算底面积，按与局部承压面积“同心、对称”,原则确定。,（2）局部受压承载力计算 当配置方格网式或螺旋式间接钢筋且其核心面积 时，局部， 受压承载力应按下式计算：,式中 cor 配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数； Acor 钢筋网或螺旋筋以内的混凝土核芯面积，重心应与 Al 的重,重心重合，且满足 AbAcorAl；,v 间接钢筋的体积配筋率，要求0.5。,第10章 预应力混凝土构件,当为方格网式配筋时，其体积配筋率应按下列公式计算：,当为螺旋式配筋时，其体积配筋率应按下列公式计算：,方格网不应少于4片，螺旋钢筋不应少于4圈。,间接钢筋构造,第10章 预应力混凝土构件,间接钢筋构造,第10章 预应力混凝土构件,10.2 预应力混凝土轴心受拉构件的计算 1.轴心受拉构件各阶段的应力分析 （1）先张法构件 施工阶段 张拉预应力钢筋 第一批预应力损失出现（ ） 放松预应力钢筋，混凝土预压,第10章 预应力混凝土构件,此时的应力状态，可作为施工阶段对构件进行承载能力计算的依据。另外， 还用于计算 。 完成第二批预应力损失（ ） 由于混凝土的收缩、徐变，预应力钢筋的应力损失了 ，非预应力钢筋产生了压应力 。,注意先张法中：,第10章 预应力混凝土构件, 使用阶段 加载至混凝土应力为零, 加载至裂缝出现,第10章 预应力混凝土构件,（2）后张法构件, 加载至破坏, 施工阶段 张拉预应力钢筋, 第一批预应力损失出现,注意后张法中：,第10章 预应力混凝土构件, 完成第二批预应力损失 在此过程中，预应力钢筋出现损失 ，非预应力钢筋由于混凝土的收缩、徐变产生压应力 。, 使用阶段 加载至混凝土应力为零,第10章 预应力混凝土构件, 加载至裂缝出现, 加载至破坏,第10章 预应力混凝土构件,讨论 （1）施工阶段 计算公式中，先张法用 ，先张法用 ，且各阶段预应力损失的组成和具体计算也不相同； 在总损失和其他条件相同的情况下，后张法的有效预压应力 高于先张法。 （2）使用阶段，先张法和后张法的 及 的计算公式形式相同，但各自的 不同； （3）预应力钢筋从张拉至构件破坏始终处于高应力状态； （4）构件开裂荷载与破坏荷载较接近，与同条件下的普通混凝土构件相比，抗裂度大大提高，但延性较差； （5）承载力与同条件下的普通混凝土构件相同。,第10章 预应力混凝土构件,2.轴心受拉构件使用阶段的计算 （1）使用阶段承载力计算 （2）抗裂度验算及裂缝宽度验算 规范将预应力混凝土构件的抗裂等级划分为三个裂缝控制等级进行验算。 一级-严格要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合下，截面上不允许出现拉应力。即： 式中,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土受弯构件的计算 1. 受弯构件的应力分析 （1）施工阶段 先张法构件 第一批预应力损失出现,截面钢筋布置,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件, 完成全部预应力损失,第10章 预应力混凝土构件, 后张法构件 第一批预应力损失出现,第10章 预应力混凝土构件, 完成全部预应力损失,第10章 预应力混凝土构件,（2）使用阶段,注意先张法中：,后张法中：, 加载至受拉边缘混凝土应力为零,第10章 预应力混凝土构件,即： 注意：对受弯构件而言，在M 0作用下，只有截面下边缘一点处应力为零（消压），其他各点处混凝土的应力一般不为零。此时受拉区预应力钢筋的应力为：,只有在与 大小相同，作用位置相同，且方向相反的偏心拉力作用下才可能出现全截面消压（理想全截面消压）状态。此时,先张法：,后张法：,先张法：,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,非预应力钢筋：,2. 受弯构件使用阶段正截面承载力计算 （1）破坏阶段的截面应力状态 界限破坏时截面相对受压区高度 的计算,由平截面假定得如下关系：,对无明显屈服点的预应力钢筋：,第10章 预应力混凝土构件, 任意位置处预应力钢筋及非预应力钢筋应力的计算,界限破坏时截面应变图,由平截面假定得如下关系：,注意到 ，则,同理,第10章 预应力混凝土构件,， 应满足下列条件：,（2）正截面受弯承载力计算,矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,7. 受弯构件施工阶段的验算 （1）施工阶段的承载力验算 正截面承载力验算 最不利情况为第一批预应力损失出现后开始吊装，荷载设计值取： 自重动力系数1.5荷载分项系数1.2，验算截面位置为吊点处。 计算公式与使用阶段相同，但应注意荷载弯矩方向与预加压力 的弯矩方向相同； 的取值： 对先张法： 对后张法： 混凝土强度按相应阶段取值。 斜截面承载力验算 计算公式与使用阶段相同，但取 ，混凝土强度按相应阶段取值。,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,第10章 预应力混凝土构件,10.4 预应力混凝土构件的构造要求 1.截面形式和尺寸 对预应力混凝土轴心受拉构件，通常采用正方形或矩形截面；对预应力混凝土受弯构件，可采用T形、I形、箱形等截面。 预应力混凝土受弯构件，其截面高度 ；翼缘宽度一般 可取 ，翼缘厚度可取 ，腹板宽度尽可能小 些，可取 。 2.预应力纵向钢筋的布置 直线布置：适用于荷载和跨度不大时，施工时用先张法或后张法。 曲线布置：适用于荷载和跨度较大时，施工时一般用后张法。 折线布置：适用于荷载和跨度较大时，施工时一般用先张法。,第10章 预应力混凝土构件,3. 先张法构件 多根相同直径钢丝并筋配筋：并筋的等效直径，对双并筋应取为单筋直径的1.4倍，对三并筋应取为单筋直径的1.7倍。并筋的保护层厚度、锚固长度、预应力传递长度及正常使用极限状态验算均应按等效直径考虑。当预应力钢绞线、热处理钢筋采用并筋方式时，应有可靠的构造措施。 先张法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，且应符合下列规定：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。 先张法预应力钢筋端部周围的混凝土应采取加强措施，以防止放松预应力钢筋时，端部产生劈裂缝。 （1）对单根配置的预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于150mm且,第10章 预应力混凝土构件,不少于4圈的螺旋筋；当有可靠经验时，亦可利用支座垫板上的插筋代替螺旋筋，但插筋数量不应少于4根，其长度不宜小于120mm； （2）对分散布置的多根预应力钢筋，在构件端部10（为预应力钢筋的公称直径）范围内应设置35片与预应力钢筋垂直的钢筋网； （3）对采用预应力钢丝配筋的薄板，在板端100mm范围内应适当加密横向钢筋。 槽形板类构件：应在构件端部100mm范围内沿构件板面设置附加横向钢筋，其数量不应少于2根。 预制肋形板：宜设置加强其整体性和横向刚度的横肋。端横肋的受力钢筋应弯入纵肋内。当采用先张长线法生产有端横肋的预应力混凝土肋形板时，应在设计和制作上采取防止放张预应力时端横肋产生裂缝的有效措施。,第10章 预应力混凝土构件,直线配筋的先张法构件：当构件端部与下部支承结构焊接时，应考虑混凝土收缩、徐变及温度变化所产生的不利影响，宜在构件端部可能产生裂缝的部位设置足够的非预应力纵向构造钢筋。 4.后张法构件 后张法预应力钢丝束、钢绞线束的预留孔道应符合下列规定：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，且不宜小于孔道直径的一半。在框架梁中，预留孔道在竖直方向的净间距不应小于孔道外径,水平方向的净间距不