第9章：预应力混凝土构件设计

,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,第九章预应力混凝土构件设计,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,本章重点,预应力混凝土的概念及其优点；,预应力混凝土构件的截面设计。,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；,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,1.预应力砼的基本原理：,9.1.1一般概念,普砼的缺点：,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。,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。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,预应力砼的基本原理：,预应力：在砼结构承受使用荷载之前的制作阶段预先对砼施加应力。,图9-1预应力的基本概念,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,日常生活中有许多应用预应力的例子。,图9-2预应力的日常应用,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,2.预应力砼构件的受力特征：,提高了构件的抗裂性；,预应力的大小可根据需要调整。,在使用荷载下，预应力砼构件基本处于弹性工作阶段(未裂)。,施加预应力对构件的正截面承载力无明显影响。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,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PuFPy,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。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,9.1.2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：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,1.先张法：,张拉钢筋支模、浇砼砼达到一定强度剪丝产生预应力,9.1.3预应力的建立方法,图9-3先张法,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,浇砼，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：,图9-4后张法,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,先张法、后张法有各自适用范围和优缺点。,图9-5后张无粘结预应力,无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,锚、夹具：用于固定钢筋,不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时所固定预应力筋不同，锚具则不同，回缩量也不同，尺寸外形对构件的影响也不同。,9.1.4预应力砼构件的锚、夹具,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,混凝土：一般要求不应低于C30。采用钢丝，钢铰线，热处理钢筋作预应力钢筋时，不宜低于C40。,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HRB235级钢筋。,9.1.5预应力砼构件对材料的要求,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,1.使用阶段计算：,9.2.1计算内容,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,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/预应力筋面积。,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。,9.2.2张拉控制应力con,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,con过高，可能引起张拉时个别钢丝拉断，也只能适当；或Pcr与Pu过于接近。,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。,确定con时考虑的因素：,con。产生的预应力大，抗裂性好。con0.4fptk,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,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。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,预应力筋按张拉后，由于各种原因会下降到一定的程度，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组合。,9.2.3预应力损失l,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,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磨擦系数。,x张拉端至计算截面的距离xlf,l张拉端锚固端距离,lf反向摩擦影响长度(m),93,a张拉端锚具变形和钢筋回缩量,式中：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,2.预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失l2,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,3.受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失l3,加热养护：此时砼未结硬。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。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,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。,钢筋长度不变，应力随时间增长而降低。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,利用超张拉工序可以减少l4,原理：超张拉的持荷2min，已将部分的松弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少l4的目的。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,预应力钢丝、钢铰线：,热处理钢筋：,低松驰：,当con0.5fptk,l4=0。应力不高，其徐变不明显。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,5.由于砼收缩、徐变引起的预应力损失l5,收缩、徐变将引起构件缩短，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fcu有关。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,、受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋的含钢率。,pc、pc产生第一批预应力损失后，受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处砼的法向压应力。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,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，使砼局部挤压，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。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,总损失：l=lI+lII,9.2.4预应力损失值的组合,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,针对引起不同预应力损失的原因，寻找措施:,9.2.5减少预应力损失的措施,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,9.3.1先张法轴心构件,图9-8先张法施工阶段受力分析,1.施工阶段,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,由截面平衡条件：pIAp=pcIAc+sIAs,(conlIEpcI)Ap=pcIAc+sIAs,式中：A0=Ac+EsAs+EAp换算截面面积。,扣除孔道、钢筋等后的截面上的砼截面面积。,完成第一批损失之后：,910,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,完成第二批损失之后：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,2.使用阶段,受力过程的三个特征点：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,加载至砼应力为零：,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。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,加载至构件截面即将开裂：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,加载至构件破坏：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,预应力钢筋锚固后：(完成lI),9.3.2后张法轴心构件,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,完成第二批损失后：,截面平衡：pAp=cAc+sAs,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,消压(加载到混凝土应力为零),第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,构件即将开裂,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,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：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,9.4.1使用阶段计算,1.正截面承载力计算,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,2.裂缝控制验算：,即：在荷载效应标准组合下，不出现拉应力。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,上两式表明：在荷载效应标准组合下，允许出现拉应力，但一定有限值；在荷载效应准永久组合下，不允许出现拉应力。,cq在荷载效应准永久组合下的砼法向应力。,一般要求不出现裂缝的构件(二级),第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,允许开裂，但要限制裂缝宽度(三级),第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,9.4.2施工阶段验算,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,1.承载力验算：,在施工阶段：要求：fcu0.75fcu,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,2.锚固端局即承压验算：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,l砼局压强度提高系数，“套箍”作用,Al局压面积；,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=1.2conAp,Aln局部受压净面积，从锚具边45线按垫板扩散至构件表面减去孔道，凹槽部分的面积。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,式中体积配筋率,b.局部受压承载力计算：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,9.5.1各阶段应力分析,预应力构件直至开裂前，基本处于弹性工作状态。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,若已知N1，N2，A0，I0，ep，即可求得各特征点的应力状态表达式。,Np=N1+N2,y以向下为正，向上为负,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,1.先张法预应力受弯构件：,放松预应力筋时：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,在预应力钢筋合力处砼受到的法向压应力：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,加载至受弯构件截面下边缘应力为零时：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,受拉区砼即将开裂时：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,构件破坏时：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,2.后张法预应力受弯构件：,后张法受弯构件的截面应力分析与先张法相比有如下特点：,截面几何特征不同；,各阶段预预应力损失有差异；,后张法在超静定结构中会引起次弯矩。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,9.5.2使用阶段计算,1.正截面承载力计算,矩形截面：,适用条件：2axbh0,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,破坏时，非预应力钢筋达到屈服的条件：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,p0=conl受拉区预应力钢筋合力点处砼法向应力为零时预应力钢筋的应力。,破坏时，预应力钢筋达到屈服的条件：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,T形截面：,xhf，第一类。按宽度为bf的矩形截面计算;,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,判别完类型后可以分别利用两种类型的计算公式。,利用正截面承载力公式，要求在已知M的条件下，确定As,As,Ap,Ap。当不配Ap时，可按构造确定As,As，利用基本公式求x和Ap；当配置Ap时，可先不考虑Ap，并按构造确定As及As，估算Ap，再按Ap=(0.150.25)Ap，再由公式计算pu，进而计算Ap和Ap。,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,2.斜截面承载力计算,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章,下一章,帮助,一般在公式中，Vp、Vw、Vwp均已确定，按剪力设计值求得：,第九章,混凝土结构基本原理,主页,目录,上一章