混凝土结构上册PPT课件.ppt

学习目标 掌握预应力混凝土结构的基本概念 掌握预应力损失的概念及计算方法 熟练掌握轴心受拉构件各阶段的应力状态及其设计计算方法 第十章预应力混凝土构件的受力性能与设计 学习目标 掌握受弯构件各阶段的应力状态及其设计计算方法 熟悉预应力混凝土结构的主要构造要求 了解部分预应力混凝土构件及无粘结预应力混凝土构件的概念 教学提示 本章应对预应力混凝土结构的基本概念 各项预应力损失值的意义和计算方法 预应力混凝土构件各阶段的应力状态 设计计算方法作重点讲述 本章的难点是各项预应力损失值的意义和计算方法 预应力损失值的组合 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 1 0 15 10 3 故砼开裂时 钢筋的应力只有20 30MPa 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 二 预应力的基本概念 第十章预应力混凝土构件 spc较大 全截面处于受压状态 不会开裂 称全预应力砼 拉应力超过混凝土的抗拉强度 会产生裂缝 称部分预应力砼 第十章预应力混凝土构件 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 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 方法一 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 受荷前 受荷后 方法二 采用与钢筋混凝土类同的计算方法 认为外力矩M由截面上的抵抗内力偶相平衡 第十章预应力混凝土构件 1 预应力混凝土受弯构件是依靠内力臂a的变化来抵抗外弯矩的作用 在受力过程中预应力筋一直承受较大的拉力Np 混凝土一直承受压力C 且Np C的值变化较小 由方法二可知 第十章预应力混凝土构件 2 而钢筋混凝土受弯构件开裂后 内力臂 h0基本保持不变 而钢筋拉力T和压区混凝土的压力C随弯矩增长而不断增大 第十章预应力混凝土构件 3 预应力混凝土的这种受力特点 充分利用了钢筋抗拉强度和混凝土抗压强度高的特性 可以使得高强度材料的性能得以发挥 方法三 平衡荷载法 1 由外荷载g产生的弯矩 2 布置预应力钢筋 使预加力产生的弯矩Npep和外荷载g产生的弯矩Mg抵消 第十章预应力混凝土构件 则 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800 1200MPa 高强钢丝的强度为1570 1770MPa 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6 10mm 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 预应力钢筋强度标准值 N mm2 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 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C30 当采用高强钢绞线 钢丝和热处理钢筋时不宜低于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 第十章预应力混凝土构件 10 5张拉控制应力和预应力损失 1 scon的定义 张拉预应力钢筋时 张拉设备 千斤顶或油泵 上的压力表所控制的总张拉力Np con除以预应力钢筋面积Ap得到的应力称为张拉控制应力scon 一 张拉控制应力scon 它是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力 第十章预应力混凝土构件 2 scon的取值 1 取值的一般概念 张拉控制应力scon取值越高 预应力筋对混凝土的预压作用越大 可以使预应力筋充分发挥作用 2 scon的上限值scon取值过高 第一可能发生预应力钢筋拉断事故 第二会产生过大的应力松弛 因此 规范 规定了张拉控制scon的上限值 第十章预应力混凝土构件 3 scon的下限值 scon的取值过低 影响预应力筋充分发挥作用 规范 规定scon不应小于0 4fptk 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 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 a sl1的概念锚具的受力变形垫板缝隙的挤紧钢筋在锚具中的内缩 b sl1的计算 3 预应力损失的种类 1 锚固损失sl1 对直线预应力钢筋的sl1 引起的损失 sl1 第十章预应力混凝土构件 c 减小sl1的措施 一是选择变形小的锚夹具 少用垫板 二是增加台座长度l 后张法张拉钢筋时 存在摩擦 而引起的预应力钢筋中应力的减少值称为摩擦损失sl2 2 摩擦损失sl2 b sl2的计算 了解 第十章预应力混凝土构件 a sl2的概念 c 减少sl2的措施 第十章预应力混凝土构件 3 热养护时 温差引起的损失sl3 第十章预应力混凝土构件 先张法构件 缩短生产周期 升温时 混凝土尚未结硬钢筋受热膨胀台座不动 即钢筋长度不变 引起的损失 sl3 降温时 混凝土与预应力筋之间已有粘结作用 两者共同回缩 sl3无法恢复 温差Dt 钢筋的温度膨胀系数为1 10 5 第十章预应力混凝土构件 则有 a sl4的概念高应力作用钢筋长度不变 4 钢筋松弛损失sl4 第十章预应力混凝土构件 影响sl4的因素 而产生的钢筋应力的降低值 sl4 初始应力水平作用时间长短钢筋种类 对于普通松弛的预应力钢丝和钢绞线 为超张拉系数 一次张拉时 1超张拉时 0 9 第十章预应力混凝土构件 b sl4的计算 了解 根据试验结果 规范 取 当scon 0 7fptk时 当0 7fptk scon 0 8fptk时 对于低松弛的预应力钢丝和钢绞线 第十章预应力混凝土构件 对于热处理钢筋 一次张拉 sl4 0 05scon 超张拉时 sl4 0 035scon c 减少sl4的措施 超张拉 程序为 0 1 03 con或1 05 con 持荷2min con 第十章预应力混凝土构件 构件长度缩短预应力筋回缩 5 收缩徐变损失sl5 第十章预应力混凝土构件 收缩徐变 a sl5的概念 引起 引起的损失 sl5 先张法 后张法 第十章预应力混凝土构件 b sl5的计算 规范 计算公式 了解 先张法 A0 Ac apAp asAs 其中 c 减少sl5的措施 与减小收缩 徐变的措施相同 材料方面减小水泥用量 降低水灰比 采用级配好 弹性模量大的骨料 施工工艺方面 如振捣质量 养护条件方面 如温度 湿度 受力方面 如加载大小 加载早晚 第十章预应力混凝土构件 用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件 当直径d 3m时 由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失 6 sl6 第十章预应力混凝土构件 1 考虑预应力损失组合的原因预应力混凝土构件从加预应力开始即需要进行计算 预应力损失是分批发生的 2 预应力损失组合的分批 第一批 混凝土预压前完成的损失 lI 第二批 混凝土预压后完成的损失 lII 三 预应力损失的组合 第十章预应力混凝土构件 第十章预应力混凝土构件 1 规定最小值的原因考虑到预应力损失的计算误差 2 最小值 规范 规定 先张法构件100MPa后张法构件80MPa 3 预应力损失的最小值 第十章预应力混凝土构件 四 混凝土弹性压缩引起的损失sle先张法构件 放张时 预应力筋与混凝土一起受压缩短 引起预应力筋应力降低 第十章预应力混凝土构件 后张法构件 当一次张拉所有预应力筋时 无弹性压缩损失 当分批张拉时 应考虑后批张拉钢筋所产生的砼弹性压缩或伸长对先批张拉钢筋的影响 将先批张拉钢筋的控制应力 con增加或减小 E pci 第十章预应力混凝土构件 第十章预应力混凝土构件 一 先张法构件 10 6轴心受拉构件的受力性能分析 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 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 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 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 第十章预应力混凝土构件 链接考虑非预应力钢筋时的公式 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 EAs EAp 而后张法用An An Ac EAs 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 pcAp 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 pcW0 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 pcW0 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 x 2a 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 Np0 0 3fcA0 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V 0 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 MkW0 其中 cq MqW0 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 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 35 c lfcAln 其中Fl 1 2sconAp 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 Fl 0 9 c lfc 2 v corfy Aln 其中 v 方格网式配筋 螺旋式配筋 cor 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 20 1 14 l 最小可为1 35l 翼缘宽度b f可取 1 3 1 2 h 翼缘厚度h f可取 1 10 1 6 h 腹板宽度b可取 1 15 1 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 A p