第1章：预应力混凝土构件设计PPT课件.ppt

土木工程专业 混凝土结构设计 第1章 进入 1 第1章 混凝土结构设计 主页 目录 上一章 帮助 第1章预应力混凝土构件 PrestressedConcreteStructure 2 第1章 混凝土结构设计 主页 目录 上一章 帮助 本章重点 预应力混凝土的概念及其特点 预应力混凝土构件的轴心受拉构件 受弯构件的计算 预应力损失的原因及其计算和组合 预应力混凝土构件的受力性能分析 施加预应力的方法及预应力混凝土材料的要求 3 第1章 混凝土结构设计 主页 目录 上一章 帮助 1 预应力混凝土的基本原理 1 1 1一般概念 ConceptofPC 普通混凝土的缺点 在使用荷载下带裂缝工作 影响使用功能 耐久 刚度和抗疲劳性 4 第1章 混凝土结构设计 难以利用高强度钢筋 与wmax对应的 s 200N mm2 而高强钢丝强度可达1600N mm2以上 5 第1章 混凝土结构设计原理 混凝土结构设计 6 第1章 混凝土结构设计原理 预应力混凝土的基本原理 预应力 在混凝土结构承受使用荷载之前的制作阶段预先对混凝土施加应力 ep Np spc sc 全预应力混凝土 部分预应力混凝土 有限预应力混凝土 充分利用混凝土的抗压强度和高强钢筋的抗拉强度 7 第1章 混凝土结构设计原理 日常生活中有许多应用预应力的例子 8 第1章 混凝土结构设计原理 9 第1章 混凝土结构设计原理 10 第1章 混凝土结构设计原理 11 第1章 混凝土结构设计原理 12 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 2 预应力混凝土构件的受力特征 提高了构件的抗裂性 预应力的大小可根据需要调整 施加预应力对构件的正截面承载力无明显影响 在使用荷载下 预应力混凝土构件基本处于弹性工作阶段 未裂 13 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 3 预应力混凝土的优 缺点 优点 b 增大了构件的刚度 减小挠度 耐久性好 耐疲劳 提高抗剪承载力 c 充分利用高强度材料的性能 预应力筋Nu NPy d 扩大了构件的使用范围 减轻自重 加大跨度 提高适用能力 缺点 成本高 材料质量要求高 工序复杂 技术水平要求高 a 提高构件的抗裂能力 14 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 1 2预应力混凝土的分类 根据制作 设计和施工的特点 预应力混凝土可以有不同的分类 15 第1章 混凝土结构设计原理 1 先张法 Pre tensionMethod 张拉钢筋 支模 浇混凝土 混凝土达到一定强度 剪钢丝 产生预应力 1 1 3预应力的建立方法 预应力传递方式 钢筋与混凝土之间的粘结力 16 第1章 混凝土结构设计原理 浇混凝土 预留孔道 达到强度 穿筋 张拉钢筋 锚固 产生预应力 孔道灌浆 2 后张法 Post tensionMethod 预应力传递方式 预应力钢筋端部的锚具传递给构件端部 17 第1章 混凝土结构设计原理 18 第1章 混凝土结构设计原理 无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合 19 第1章 混凝土结构设计原理 锚具 夹具 用于固定钢筋 对锚具和夹具的要求 锚固性能可靠 滑移小 构造简单 使用方便 节约钢材 造价低廉 1 1 4预应力混凝土构件的锚具 夹具 20 第1章 混凝土结构设计原理 21 第1章 混凝土结构设计原理 22 第1章 混凝土结构设计原理 23 第1章 混凝土结构设计原理 1 1 5预应力混凝土构件的材料 预应力钢筋 高强钢筋 良好的塑性和冲击韧性 3 良好的加工性能和可焊性 4 良好的粘结性和低松弛性 钢筋 预应力钢筋宜采用钢丝 钢铰线 也可采用热处理钢筋 普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋 也可采用HPB235级钢筋 24 第1章 混凝土结构设计原理 混凝土 1 高强度 2 收缩 徐变小 3 快硬 早强 一般预应力混凝土结构中混凝土强度不低于C30 采用钢丝 钢绞线 热处理钢筋预应力筋时 混凝土强度不低于C40 25 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 使用阶段计算 1 2 1计算内容 26 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 指构件制作 运输 吊装等施工阶段承载力 抗裂或裂缝宽度验算 2 施工阶段验算 con 张拉钢筋时 张拉设备上的测力计所指示的总张拉力除以预应力筋面积 1 2 2张拉控制应力 con 27 第1章 混凝土结构设计原理 它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力 张拉控制应力取值越高 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 但取值过高 可能会在张拉时引起破断事故 产生过大应力松弛 因此 规范 规定了张拉控制应力限值 con的确定原则 与预应力的施加方式及钢筋的强度标准值fptk有关 28 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 确定 con时考虑的因素 con增加 产生的预应力大 抗裂性好 所以 con 0 4fptk con过高 可能引起张拉时个别钢丝拉断 所以 控制应力的大小必须适当 con过高 施工阶段可能引起构件某些部分受拉开裂或局部受压破坏 29 第9章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 在考虑提高施工阶段的抗裂性及减少应力松驰 摩擦 钢筋分批张拉及台座之间的温差损失时 可以提高0 05fptk 30 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 预应力筋张拉后 由于各种原因其张拉应力 con会下降 这一现象称为预应力损失 引起预应力损失的原因有六大类 先分别找出这些损失出现的原因 再根据先张法和后张法的施工特点 了解不同预应力损失的计算和组合 1 2 3预应力损失 l 31 凡是能使预应力筋产生缩短的因素 都将引起预应力损失 主要有 锚固损失 锚具变形引起预应力筋的回缩 滑移 摩擦损失 在预应力筋张拉过程中 后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦 先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦 也会使张拉应力造成损失 混凝土的收缩和徐变引起的损失 是引起损失的主要部分 松弛损失 长度不变的预应力筋 在高应力的长期作用下会产生松弛 会引起预应力损失 温差损失 先张法中的热养护引起的温差损失 局部挤压混凝土损失 环形构件直径变小 预应力减小 第1章 混凝土结构设计原理 32 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失 l1 33 第1章 混凝土结构设计原理 rc 曲线的曲率半径 k 预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数及局部偏差的摩擦系数 x 张拉端至计算截面的距离x lf l 张拉端至锚固端距离 lf 反向摩擦影响长度 m 1 3 a 张拉端锚具变形和钢筋内缩值 式中 34 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 减小 l1的措施 采用小变形夹具 减少垫板 增加台座长度 35 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 2 预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的损失 l2 36 第1章 混凝土结构设计原理 37 第9章 混凝土结构设计原理 第1章 混凝土结构设计原理 38 第1章 混凝土结构设计原理 减小 l2的措施 减少摩擦 两端张拉或超张拉 39 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 3 受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失 l3 先张法中 加热养护 此时混凝土未硬结 钢筋自由伸长 而台座不动 钢筋松了 产生温差损失 小钢模生产的构件无此项损失 减小 l3 采用二次升温养护 t0 20 C使混凝土达到一定强度 再升温 40 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 4 预应力钢筋的应力松弛引起的损失 l4 应力松弛现象 指钢筋在高应力状态下 由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的增长而降低的现象 41 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 预应力钢丝 钢绞线 当 con 0 5fptk l4 0 因为 应力不高 其徐变不明显 42 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 减少 l4的措施 超张拉 原理 超张拉的持荷2min 已将部分松弛在钢筋锚固前完成 所以可达到减少 l4的目的 43 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 5 混凝土收缩 徐变引起的预应力损失 l5 收缩 徐变将引起构件缩短 所以钢筋回缩 引起 l5 此时预应力损失值的大小 与纵筋含钢率 混凝土预压应力的大小 pc及混凝土抗压强度f cu有关 减小 l5措施 控制 pc 减小收缩徐变的一些措施 44 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 受拉区 受压区预应力筋和非预应力筋的含钢率 pc pc 受拉区 受压区预应力钢筋在各自合力点处混凝土的法向压应力 45 第1章 混凝土结构设计原理 46 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 6 混凝土的局部挤压引起的预应力损失 l6 后张法中 用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件 电杆 水池 压力管道等 直接在混凝土上进行预应力钢筋的张拉 这时钢筋对构件产生外壁的径向压力 使混凝土局部挤压 构件的直径局部减小 带来一圈内钢筋周长的减小 因而钢筋松驰 引起 l6 减小 l6的措施 避免采用小直径构件 47 第1章 混凝土结构设计原理 混凝土结构设计原理 总损失 l lI lII 1 2 4预应力损失值的组合 混凝土预压前 第一批 lI l1 l2 l3 l4 混凝土预压后 第二批 lII l5 先张法构件 混凝土预压前 第一批 lI l1 l2 混凝土预压后 第二批 lII l4 l5 l6 后张法构件 48 第1章 混凝土结构设计原理 49 第1章 混凝土结构设计原理 混凝土结构设计原理 QM型 夹片式锚具 50 第1章 混凝土结构设计原理 混凝土弹性压缩引起的损失 le 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 后张法中 后批张拉钢筋 压缩混凝土引起对先批张拉钢筋的降低 设混凝土预压应力在弹性范围 则根据钢筋与混凝土共同变形的条件 可得混凝土弹性压缩引起的损失为 le 后张法分批张拉 先批张拉控制应力 con E pci 51 第1章 混凝土结构设计原理 主要是先张法 1 2 5有效预应力沿构件长度的分布 预应力传递长度 ltr 锚固长度 la 后张法 l2在张拉短为零 然后逐渐增大 锚固段最大 其他损失沿长度不变 52 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 3 1先张法 Pre tension 轴心受拉构件 a 放张前 b 放张后 c 完成第二批损失 1 施工阶段 53 第1章 混凝土结构设计原理 放松预应力筋瞬间 pe con lI E pcI s Es pcI 压 pc pcI 压 钢筋回缩通过粘结力使混凝土受压 混凝土获得的预压应力 54 第1章 混凝土结构设计原理 由截面拉力和压力平衡条件 pI Ap pcI Ac sI As con lI E pcI Ap pcI Ac sI As 式中 A0 换算截面面积 A0 Ac Es As E Ap 扣除孔道 钢筋等截面面积后截面上的混凝土截面面积 此时完成第一批损失 1 10 完成第一批损失 混凝土预压应力 55 第1章 混凝土结构设计原理 完成第二批损失之后 预应力筋 拉 pII con l E pcII 非预应力筋 压 sII Es pcII l5 混凝土 压 pc pcII 同理 由截面平衡条件得 完成第二批损失 56 第1章 混凝土结构设计原理 1 11 为完成全部预应力损失后 预应力筋的总预拉力 完成全部预应力损失后在混凝土建立的有效预压应力 砼的有效预压应力 用于抗裂性验算 57 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 2 使用阶段 受力过程的三个特征点 58 第1章 混凝土结构设计原理 当构承受轴向拉力时 预应力筋中的拉应力逐渐增加 非预应力钢筋中的压应力逐渐减小 混凝土的预压应力也逐渐减小 当轴拉力增加到使混凝土中的预压应力减少到零时 称为消压状态 加载至混凝土应力为零 消压状态 Np 0 c 0 预应力筋拉应力 59 第1章 混凝土结构设计原理 非预应力钢筋应力 混凝土应力 Np0 p0Ap sAs con l Ap l5As pcII A0 1 12 式中Np0 消压轴力 抵消截面上混凝土有效预压应力所需的轴向力 60 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 加载至构件截面即将开裂 Np cr c ftk 61 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 加载至构件破坏 Nu p fpy 62 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 预应力筋开始张拉 完成 l2 1 3 2后张法轴心构件 1 施工阶段 63 第1章 混凝土结构设计原理 预应力筋张拉终止 混凝土受压之前 完成第一批 lI 式中 An 构件的净截面面积 An A0 EAp Ac Es As lI l1 l2 pcI用于计算 l5 Ac A Ap As 64 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 混凝土受压后 完成第二批损失后 截面平衡 pAp cAc s As lII l4 l5 l6 lI l1 l2 65 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 消压 加载到混凝土应力为零 2 使用阶段 66 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 构件即将开裂 67 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 构件加载达到极限承载力 先张法 后张法轴心受力构件各阶段的应力状态及公式的表达有什么共同点和差异 想一想 68 第1章 混凝土结构设计原理 69 第1章 混凝土结构设计原理 70 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 4 1使用阶段计算 1 正截面承载力计算 71 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 2 裂缝控制验算 72 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 一般要求不出现裂缝的构件 二级 73 第1章 混凝土结构设计原理 允许开裂 但要限制裂缝宽度 三级 cr 轴拉 cr 2 7 受弯 偏压 cr 2 1 偏拉 cr 2 4 74 第9章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 4 2施工阶段验算 75 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 承载力验算 式中 fck 放松 张拉 预应力钢筋时 与混凝土立方体抗压强度fcu 相应的轴心抗压强度标准值 用线性内插法求得 cc 放松 张拉 钢筋时混凝土的最大法向压力 在施工阶段 要求 fcu 0 75fcu 例 C30 75 22 5在C20和C25中插 76 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 2 锚固端局部受压验算 77 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 l 混凝土局压强度提高系数 套箍 作用 Al 局部受压面积 Ab 局压时计算底面积 按同心 对称原则确定 式中 Fl 局部受压面上作用的局部压力设计值Fl 1 2 conAp Aln 局部受压净面积 后张法中减去孔道 凹槽部分的面积 78 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 式中 体积配筋率 即 b 局部受压承载力计算 79 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 80 第1章 混凝土结构设计原理 1 5 1各阶段应力分析 81 第1章 混凝土结构设计原理 82 第1章 混凝土结构设计原理 83 第1章 混凝土结构设计原理 84 第1章 混凝土结构设计原理 85 第1章 混凝土结构设计原理 86 第1章 混凝土结构设计原理 87 第1章 混凝土结构设计原理 88 第1章 混凝土结构设计原理 89 第1章 混凝土结构设计原理 90 第1章 混凝土结构设计原理 91 第1章 混凝土结构设计原理 92 第1章 混凝土结构设计原理 93 第1章 混凝土结构设计原理 94 第1章 混凝土结构设计原理 95 第1章 混凝土结构设计原理 96 第1章 混凝土结构设计原理 97 第1章 混凝土结构设计原理 98 第1章 混凝土结构设计原理 1 5 2使用阶段计算 1 正截面承载力计算 99 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 破坏时 非预应力钢筋达到屈服的条件 适用条件 2a x bh0 100 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 p0 受拉区预应力钢筋合力点处混凝土法向应力为零时预应力钢筋的应力 p0 con l 破坏时 预应力钢筋达到屈服的条件 101 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 T形截面 x h f 第一类 按宽度为b f的矩形截面计算 x h f 第二类 102 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 103 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 已知截面类型后 即可以分别利用两种类型的计算公式进行截面设计 利用正截面承载力公式 要求在已知M的条件下 确定As A s Ap A p 当不配A p时 可按构造确定As A s 利用基本公式求x和Ap 当配置A p时 可先不考虑A p 并按构造确定As及A s 估算Ap 再按A p 0 15 0 25 Ap 再由公式计算 pu 进而计算Ap和A p 104 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 2 斜截面承载力计算 105 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 一般在公式中 Vp Vw Vwp均已确定 按剪力设计值求得 106 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 3 正截面裂缝控制验算 一级 ck pc 0 1 43 二级 ck pc ftk 1 44 1 45 三级wmax wlim 1 46 107 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 主要措施是限制主拉应力和主压应力 4 斜截面抗裂验算 108 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 109 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 预应力受弯构件由于预应力的作用产生反拱 向上的挠曲变形 在使用荷载作用下产生的变形要抵消一部分反拱 所以预应力构件的变形将比普通混凝土构件小一些 5 预应力混凝土受弯构件使用阶段的变形验算 110 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 预应力作用产生的反拱 考虑预应力长期作用的影响 E c 0 5Ec 式中Np0 完成全部预应力损失后的预应力合力的大小 111 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 荷载作用下的挠度计算 按最小刚度原则 由结构力学的方法求 EI 截面抗弯刚度 钢筋混凝土结构中用B表示 B为按荷载效应标准组合计算 并考虑荷载长期效应组合影响的受弯构件刚度 1 51 112 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 式中 Bs为荷载效应的标准组合下受弯构件的刚度 预应力混凝土受弯构件的短期刚度Bs可按下式计算 1 52 1 53 要求不出现裂缝的构件 允许出现裂缝的构件 113 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 变形验算公式 1 54 其中 114 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 cc ct是考虑与制作和运输 吊装阶段一致时的最大拉应力和压应力 1 5 3施工阶段验算 115 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 116 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 6 1先张法构件 117 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 6 2后张法构件 端部锚固区应进行局部受压承载力计算 并配间接钢筋 体积配筋率宜大于0 5 预应力钢筋间的净距 钢筋与梁底净距 钢筋与梁侧的净距等有相应要求 附加竖向钢筋的数量与预应力筋到截面重心线的偏心e有关 一般 118 第9章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 7 1张拉控制应力 进行超张拉时 对钢丝 钢铰线不能超过 0 80fpk 对于精轧螺纹钢筋不能超过0 95fpk 119 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 1 7 2预应力损失 120 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 2 锚具变形 钢筋回缩和接缝压缩产生的预应力损失 l2 121 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 如x lf 表示处预应力钢筋不受反摩擦的影响 122 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 123 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 124 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 125 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 126 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 9 74 9 76 9 77 9 78 9 75 127 第1章 混凝土结构设计原理 主页 目录 上一章 帮助 构件受拉区和受压区全部纵向钢筋截面重心处由预应力 扣除相应阶段的预应力损失 和结构自重产生的混凝土法向应力 Mpa 都不得超过预应力钢筋传力锚固时混凝土立方强度之半 当为拉应力时 取其为零 预应力钢筋传力锚固龄期为 计算考虑的龄期为时的混凝土收