混凝土结构设计原理课件-预应力

1、第十章 预应力混凝土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（0.10.15）10-3， 故砼开裂时，钢筋的应力只有2030MPa；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sbspc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

2、应力混凝土构件有小于混凝土抗拉强度的拉应力作用，一般不会开裂；称有限预应力砼。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 预应力混凝土构件传递长度ltrsptspcspc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

3、抵抗内力偶相平衡。）截面应力第十章 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。ssAsMhh0C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epe02、布置预应力钢

4、筋gx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 预应力混凝土构件截面应力则且取取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：满足焊接、镦粗等的加工要求。（4）低松弛性：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

5、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8001200MPa，高强钢丝的强度为15701770MPa。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 预应力混凝土构件螺旋肋钢丝刻痕钢丝消除应力钢丝： 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610mm，抗拉强度为1470MPa

6、。 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 预应力混凝土构件种 类符号 d(mm) fyk钢绞线13s8.6、10.81860、1720、157012.91720、1570179.5、11.1、12.7186015.21860、1720清除应力钢丝光面螺旋助PH4、51770、1670、157061670、15707、8 、91570刻痕I5、71570热处理钢筋40Si2MnHT6147048Si2Mn8.245Si2Cr10预应力钢筋强度标准值（N/mm2） 第十章 预应力混凝土构件（1）

7、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，实现大跨度。（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

8、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、锚垫板及螺旋筋组成3、扁锚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

9、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0.4 fptk。

10、 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擦。（3）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。（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

11、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。（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”。（5）混凝土的收缩和徐变引起的损失。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

12、力的减少值称为摩擦损失sl2（2）摩擦损失sl2scon xxsl2x（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的措施超张拉程序为：01.1con持荷2min0.85con持荷2mincon第十章 预应力混凝土构件两端张拉超张拉两端张拉一端张拉（张拉端）（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D t ， 钢筋的温度膨胀系数为110-5/减少sl3的

13、措施:两阶段升温养护。浇砼t1=200cf cu=7.510Mpa至养护温度0.71.0fcu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scon0.7fptk时，当0.7fptk 75%）+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，

14、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V0.7ftbh0+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=Mk W0其中cq=Mq W03、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

15、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stp0.85ftkscp0.6fckstp0.95ftkscp0.6fck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f flim（1）挠度应满足的条件第十章 预应力混凝土构件（1）=22、与普通钢筋混凝土挠度验算 不同之处而普通砼：= 时，

16、 =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。（3） Bs的计算 （a） 要求不出现裂缝的构件 Bs=0.85EcI0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NpoNkMk1、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ctcc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

17、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ltr1、 ltr的概念先张法构件放张后pe钢筋应力pc砼应力构件端部：c=0 p =0经过某一长度ltr后：c= pc p = peltrltr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。 3、 ltr在设计中的应用对先张法构件端部进行正、斜截面抗裂验算时，应考虑预应力钢筋在ltr范围内的应力值的变化。第十章

18、 预应力混凝土构件lala4、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：fpy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sxsy二、锚固区的局部受压1、锚固区的受力性能Fl压应力拉应力sy分布sx分布锚固区sxsy后张法构件，张拉完毕时ft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=1.35c l fc Al n其中Fl=1.2scon Apc=（1）限制条件其中Al 局

19、部受压面积；（2）l-局部受压的强度提高系数bbAb =3abddAb = (3d)214bbbbAb =(a+2b)3bAb =AlAb =AlbbAb =3ab第十章 预应力混凝土构件（3） Ab-局部受压计算底面积AlababAlAlAlbaabAlbaabdAl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Fl0.9(c l fc+2 v c or f y ) Aln其中=v=（方格网式配筋）（螺旋式配筋）c or =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

20、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=(1/201/14)l， 最小可为1/35l；翼缘宽度bf可取(1/31/2)h；翼缘厚度hf可取(1/101/6)h；腹板宽度b可取(1/151/8)h。hbfhfb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

21、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、折线布置直线布置曲线布置折线布置（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、Ap的设置2、 Ap的配置量Ap一般可取（1/71/4） ApApAp1、设置Ap的原因防止或减缓施工阶段预拉区的裂缝；构件的过大反拱；（张拉、运输和吊装）再配上非预应力纵向钢筋第十章 预应力混凝土构件的设计四、非预应力纵向钢筋的设置1、设置非预应力纵向钢筋的原因防止或减缓施工阶段因混凝土收缩和温差 引起的预拉区裂缝；防止或减缓施加预应力、运输、吊装等施工阶段 引起的裂缝；2、非预应力纵向钢筋的设置非预应力钢筋的强度等级宜低于预应力钢筋；满足抗裂或裂缝宽度后，承载力需要的其余钢筋 可采用非预应力钢筋第十章 预应力混凝土构件的设计五、预拉区纵向钢筋Ap、As 的配置要求1、配筋率的规定（1）对施工阶段预拉区不允许出现裂缝的构件对先张法构件对后张法构件Ap+AsAp +As第十章 预应力混凝土构件的设计（2）对施工阶段预拉区允许出现裂缝 而在预拉区不配置