水工钢筋混凝土结构学完整第10章ppt课件

第十章预应力混凝土构件由于混凝土的低抗拉强度和极限抗拉应变，钢筋混凝土构件在使用荷载下通常会开裂。因此，抗拉钢筋的强度不能充分用于在使用中不允许开裂的部件。为了满足变形和裂缝控制的要求，有必要增加构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使得钢筋混凝土结构不可能或不经济地用于大跨度或动载结构。10.1、10.1.1预应力混凝土的概念概述，预应力混凝土结构是构件在承受外部荷载之前，通过张拉预先人为地在混凝土结构区域产生拉应力，在构件承受外部荷载之后，预压应力将抵消部分或全部由外部荷载引起的拉应力；从而延迟裂纹的发生并限制裂纹的发展。与普通混凝土结构相比，预应力混凝土结构具有以下主要优点：(1)提高了构件的抗裂性和构件的力学性能。因此，它适用于有严格裂纹要求的结构。因此，在钢筋混凝土结构中使用高强度钢筋不能发挥其作用。然而，提高混凝土强度等级对提高抗裂性和控制裂缝宽度影响不大。(2)由于采用高强度混凝土和钢筋，可以节省材料，减轻结构自重，适用于大跨度或承受重荷载的构件。(3)提高构件的刚度，减少构件的变形，适用于高刚度的结构构件和构件的变形控制；(4)提高了结构或构件的耐久性、抗疲劳性和抗震能力。预应力混凝土结构的缺点是需要额外的预应力设备，技术要求高，施工周期长。预应力混凝土结构构件根据使用荷载下截面拉应力的不同控制要求，可分为三种类型：掺有全固化土的全预应力混凝土全预应力混凝土是指在各种荷载组合下，构件截面上不允许有拉应力的预应力混凝土构件。这大致相当于一个裂缝控制等级为一级的构件。(2)有限预应力混凝土有限预应力混凝土是根据在短期荷载下允许混凝土承受规定的拉应力值的要求设计的，但在长期荷载下，混凝土不应承受拉应力。它相当于裂纹控制等级为二级的构件。部分预应力混凝土部分预应力混凝土是根据在使用荷载作用下允许出现裂缝的要求设计的，但最大裂缝宽度不超过允许值。它相当于裂纹控制等级为3的构件。全预应力混凝土构件具有抗裂性好、抗疲劳、刚度高等优点。但是，构件也存在主要缺点，如反拱值过大、延性差、预应力钢筋数量大、预应力工艺复杂、造价高等。因此，适当降低预应力以制造有限或部分预应力混凝土构件克服了上述全预应力的缺点，同时，预应力可用于改善钢筋混凝土构件的力学性能。有限或部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间，有多种选择。设计人员可以根据结构的功能要求和环境条件选择不同的预应力值，以控制构件在使用条件下的变形和裂缝，并在破坏前具有必要的延性。因此，预应力混凝土结构是目前的一大发展趋势。先张法：先张法是在混凝土构件之前浇注和成型受拉钢筋的方法。在先张法构件中，预应力是通过钢筋和混凝土之间的粘结力传递的。然而，这种力的传递：过程需要一个传递长度ltr来完成。10.1.3、预应力的方法，先张法，先张法预应力混凝土，构件，通过粘结预应力(1)预应力混凝土结构对钢筋的要求，(1)在高强预应力混凝土构件的制造和使用过程中，由于各种原因，可能会出现各种预应力损失。为了使混凝土在扣除预应力损失后建立更高的预应力值，需要更高的拉应力，因此预应力钢筋必须使用高强度钢筋(细丝)；(2)具有一定的可塑性。为了防止脆性破坏，要求预应力方钢筋在断裂时有一定的伸长量。(3)良好的加工性能要求钢筋具有良好的可焊性，钢筋的“镦粗”不影响原有的物理性能；10.1.4预应力混凝土结构对材料的要求。混凝土与先张法构件之间具有良好的粘结强度。预应力构件的预应力传递是通过钢筋和混凝土之间的粘结力来完成的，因此需要足够的粘结强度。(2)预应力混凝土结构对混凝土的要求高强度预应力混凝土只能用高强度混凝土来建立高预应力，减小构件截面尺寸和结构自重。对于先张法构件，较高强度的混凝土可以提高粘结强度，而对于后张法构件，它们可以在构件端部承受很大的预压力。(2)收缩徐变小，减少收缩徐变引起的预应力损失；快速硬化和早期强度可以尽早施加预应力，加快基座、锚具和夹具的周转速度，从而加快施工进度，降低间接成本。10.1.5张拉控制应力con，张拉控制应力是指张拉预应力筋时控制的最大应力值，其值是由张拉设备控制的总张拉力除以预应力筋面积得到的应力值。从充分发挥预应力优势的角度来看，张拉控制应力应尽可能设置得高，con应设置得高，从而产生较高的有效预应力，使构件具有良好的抗裂性，并可节约钢材。但是，如果控制压力过高，将会出现以下问题：(1)con越高，构件的开裂荷载越接近极限荷载，因此在构件损坏前没有明显的预警，构件的延性较差。(2)在施工阶段，构件的某些部分会被拉断甚至开裂，这可能会对后张构件的端部混凝土造成局部受压破坏。(3)有时为了减少预应力损失，需要对钢筋进行超张拉，由于钢筋材料的不均匀，可能会使单根钢筋的应力超过其实际屈服强度，并使钢筋产生较大的塑性变形或脆性断裂，使施加的预应力达不到预期效果。(4)增加预应力损失。con也不能设置得太低，它应该有一个下限。否则，在经历各种预应力损失后，预应力钢筋对混凝土的预应力太小，无法达到预期的抗裂效果。先张法构件的con值高于后张法构件的con值，因为先张法拉力由支座承担，预应力钢筋承受足够的拉力。当钢筋松弛时，混凝土受压，钢筋缩短，从而降低预应力钢筋中的应力。后张拉力由部件承受，并在部件被压缩后立即缩短。因此，张拉设备指示的控制应力是混凝土弹性压缩被扣除后的钢筋应力。为了使两种方法获得的预应力保持在同一水平，后张法的con值应低于先张法。冷拉热轧钢筋塑性好，流动幅度明显，屈服强度为标准值，因此con设定较高，冷拉低碳钢丝、钢绞线和热处理钢筋属于无明显流动幅度的钢筋，塑性差，极限抗拉强度为标准值，因此con设定较低。张拉控制应力的确定与预应力钢筋的种类和施加预应力的方法有关。10.1.6预应力损失及其组合(1)预应力损失的构成及降低预应力损失的措施乙钢张拉控制应力预应力损失包括以下6项：(1)锚具变形和钢筋收缩引起的预应力损失l1，其中预应力损失 L1为线性预应力钢筋，公式中a张拉端锚具变形和钢筋收缩值；L张紧端和锚固端之间的距离。当是弯曲预应力钢筋时，由于弯曲孔道的反向摩擦力对钢筋回缩的影响，l1将减小，且构件各截面产生的损失值不同，离张拉端越远，损失值越小。到距张拉端一定距离lf时，预应力损失l1降至零，该距离为反向摩擦影响长度。减少这种损失的措施如下：(1)选择预应力筋变形或收缩小的锚固装置，尽可能减少垫板的数量；(2)对于先张法构件，选择长台座。嘿。(2)预应力钢筋和隧道壁之间的摩擦引起的预应力损失l2，其中k考虑了隧道局部偏差对摩擦的影响系数：x隧道从受拉端到计算断面的长度，隧道在纵轴上的投影长度可以近似，预应力钢筋和隧道壁之间的摩擦系数，从受拉端到计算断面曲线隧道部分的切线，夹角(弧度)。为了减少这种损失，可以采取以下措施：(1)较长的构件可以在两端拉紧；(2)采用超张拉，可采用张拉程序：当第一次张拉达到1.1con时，预应力筋应力沿EHD分布；当张拉应力下降到0.85con时，由于孔道的反向摩擦力对钢筋回缩的影响，预应力沿FGHD分布；当第二次张拉达到con时，钢筋应力沿CFGHD分布。可以看出，超张拉钢筋中的应力分布均匀，预应力损失小于第一次张拉达到 con时的预应力损失。当混凝土受热养护时，受拉钢筋与承受拉力的设备之间的温差所造成的损失l3常被蒸汽养护，以缩短先张法构件的生产周期。当温度上升时，新浇的混凝土还没有硬化。预应力钢筋与支座之间的温差t使钢筋受热时能自由拉伸，但两端支座是固定的，即距离保持不变，因此钢筋松动，钢筋应力减小。当温度降低时，预应力筋与混凝土粘结成一体，预应力筋与混凝土的温度线膨胀系数相近，使预应力筋与混凝土同步回缩；当钢筋松动时，钢筋的伸长部分不会因温度上升而收缩，从而造成温差损失。只有自命不凡的成员才有这种损失。l3=2t(N/mm2)，减少这种损失的措施有：(1)采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土强度等级达到C7.5C10，然后逐渐升温至规定的养护温度，即可认为钢筋与混凝土已形成一个整体，可以一起膨胀和收缩而不会造成预应力损失；(2)在钢模上张拉预应力筋。因为钢模和部件是一起加热和固化的，所以加热时两者的温度是相同的，所以不能考虑这种损失。(4)钢筋应力松弛引起的预应力损失l4。钢筋应力松弛是指在高应力作用下，在钢筋长度不变的情况下，钢筋应力随时间的增加而减小的现象。钢筋的应力松弛具有以下特点：(1)应力松弛与时间有关，开始快，然后慢；(2)应力松弛与钢材品种有关。冷拉钢筋和热处理钢筋的应力松弛损失小于碳钢丝、冷拉低碳钢丝和钢绞线。张力控制应力con高，应力松弛大。超拉伸可以减少应力松弛的损失。过度拉伸程序一般情况下，fcu不等于构件混凝土的立方体强度fcu，但要求FCU 0.75 FCU。，受拉区和受压区预应力和非预应力钢筋的配筋率。先张法构件、后张法构件，其中Ap，Ap分别为预应力钢筋截面面积的受拉面积和受压面积，对称钢筋构件，此时的配筋率应按钢筋截面面积的一半计算；A0和安 分别为混凝土换算截面面积和净截面面积。后张构件的收缩和徐变损失小于前张构件，因为当后张构件被预应力时，混凝土的收缩已经部分完成。上述公式适用于一般相对湿度环境。在高湿度环境中，l5和l5应降低，否则会升高。减少这种损失的措施包括：(1)使用高标号水泥降低水泥用量和水灰比；(2)采用级配良好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实度；(3)加强养护减少混凝土收缩，(4)控制混凝土应力pc，要求，以防止非线性徐变的发生。(6)螺旋预应力钢筋环件混凝土局部挤压引起的预应力损失l6仅在后张法中存在。当D3m，l6=30MPa，d 3m时，不考虑该损耗。这里D是环形构件的直径。(2)预应力损失值的组合为便于计算，规范将预应力损失分为两批。混凝土预压前的预应力损失为第一批预应力损失l，而混凝土预压后的预应力损失为第二批预应力损失l。预应力损失值的组合各阶段预应力损失值的组合先张法构件和后张法构件在混凝土预压前(第一批)的损失lL1L2L3l4L1L2混凝土预压后(第二批)的损失ll5l4l6、10.2、预应力混凝土轴心受拉构件的计算，10.2.1预应力混凝土轴心受拉构件各阶段的应力分析。截面内钢筋和混凝土的应力变化分为两个阶段：施工阶段和使用阶段，从钢筋张拉时刻到构件破坏时刻。每个阶段还包括几个典型的压力过程。1)在施工阶段，构件截面不开裂，预应力混凝土可视为弹性材料，因此构件截面的应力可用材料力学的分析方法计算，在构件使用阶段开裂前，材料力学的方法仍然适用。此时，预应力混凝土构件可视为承受两个力系统，一个是由外荷载产生的，另一个是将所有预应力钢筋的合力视为反方向作用在构件上的外力产生的。(2)掌握施工和使用阶段的特征应力状态，找出各状态下已发生的预应力损失和对应于该状态的混凝土强度。施工阶段的两种典型应力状态是：(1)当先张法构件松弛预应力钢筋时，先张法构件的第一次损失完成后；使用阶段的典型应力状态如下：(1)卸压状态，即混凝土上的预压应力为零(PC=0)；(2)开裂状态，即当施加的荷载增加到Ncr时，混凝土即将开裂；(3)破坏状态，即预应力筋和非预应力筋的应力达到屈服时的状态。(2)在第一和后张构件完成第二批预应力损失后。3)掌握预应力在施工过程中的传递方式，了解换算截面面积A0和净截面面积An的含义和应用。先张法预应力钢筋的合力通过钢筋与混凝土之间的粘结传递给混凝土和非预应力钢筋。在预应力传递过程中，预应力筋、混凝土和非预应力筋协调变形，整个截面受力，因此在施工阶段计算中采用转换截面面积A0 (A0=AC Esas EAP，Es和 e分别为非预应力筋、预应力筋弹性模量和混凝土弹性模量之比)，后张构件预应力筋的合力通过锚固传递给隧道外的混凝土和非预应力筋。由于孔道灌浆不足或施工阶段灌浆材料强度不足，预应力钢筋与混凝土之间没有粘结，预应力钢筋的合成预应力等于作用在钢筋混凝土净截面上的外力。因此，净截面面积An (An=Ac Esas)用于施工阶段后张构件的计算。计算使用阶段外荷载引起的截面应力时，无论是先张法构件还是后张法构件，预应力钢筋与混凝土都已粘结成一体，因此，