混凝土结构讲义10

第十章预应力混凝土的原理及计算规定10.1预应力混凝土的概念(ConceptofPRC)一、钢筋混凝土的缺欠跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm2，作用均布活荷载标准值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定★

产生上述问题原因主要是因为混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低。★

钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。★

如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。★

采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足。★

裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，一般Ms=(0.6~0.8)My，如配筋按正截面承载力计算，Ms下sss=(0.5~0.7)fy。对于Ⅱ级钢筋，fy=300MPa，sss=150~210MPa，裂缝宽度已达(0.15~0.25)mm。如采用Ⅵ级高强钢筋，fy=580MPa，则sss=290~406MPa，裂缝宽度已远远超过容许限值。第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定二、预应力的基本概念第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定由于预加应力spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定10.2施加预应力的方法先张法第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定后张法(Pretension)第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定后张法Post-tension第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定无粘结预预应力混混凝土★锚具的可可靠性★高强钢丝丝的可靠靠度★一定要有非预应力筋第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定10.3预应力混混凝土的的基本受受力分析析一、截面面应力计计算二、截面面受力特特点受荷以前受荷以后第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定预应力混混凝土受受弯构件件是依靠内力力臂的变变化来抵抗外外弯矩的的作用，，在受力力过程中中预应力力筋一直直承受较较大的拉拉力Np，而截面混混凝土则则一直主主要承受受压力C。钢筋混凝凝土受弯弯构件开开裂后，，内力臂基基本保持持不变，而钢筋筋拉力T和压区混混凝土的的压力C随弯矩增增长而不不断增大大。预应力混混凝土的的这种受受力特点点，充分分利用了了钢筋抗抗拉强度度和混凝凝土抗压压强度高高特性，，可以使使得高强强度材料料强度高高的性能能得以发发挥。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定三、平衡衡荷载概概念取第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定r当w=gk时，曲线预预应力筋筋对混凝凝土产生生横向分分布压力力恰好抵消消梁均布恒恒荷载gk。按这种方方法设计计的预应应力混凝凝土结构构称为平平衡荷载载法。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定10.4预应力混混凝土的的材料及及锚夹具具一、预应应力钢筋筋◆预应力钢钢筋的强强度越高高越好。◆而且在预预应力混混凝土制制作和使使用过程程中，由由于种种种原因，，预应力力筋中预预先施加加的张拉拉应力会会产生损损失，因因此，为为使得扣扣除应力力损失后后仍具有有较高的的张拉应应力，也必须使使用高强强钢筋（（丝）作作预应力力筋。◆为避免在在超载情情况下发发生脆性性破断，，预应力力筋还必必须具有一定定的塑性性。同时还还要求具具有良好好的加工工性能，，以满足足对钢筋筋焊接、、镦粗的的加工要要求。◆对钢丝类类预应力力筋，还还要求具具有低松弛性性和与混凝凝土良好好的粘结结性能，，通常采采用‘刻痕’’或‘压压波’方法来提提高与混混凝土粘粘结强度度。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定1、冷拉低低合金钢钢筋◆通常将Ⅳ级热轧钢钢筋经冷冷拉后作作为预应应力筋，，抗拉强强度可达达580MPa。◆为解决粗粗直径钢钢筋的连连接问题题，钢筋筋表面轧轧制成不不带纵向向肋的精精制螺纹纹，可用用套筒直直接连接接。◆但随着近近年来高高强钢丝丝和钢绞绞线的大大量生产产，这种种预应力力筋的应应用已很很少。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定2、中高强强钢丝中高强钢钢丝是采采用优质质碳素钢钢盘条，，经过几几次冷拔拔后得到到。中强钢丝丝的为800~1200MPa，高强钢丝丝的强度度为1470~1860MPa。钢丝直径径为3~9mm。为增加与与混凝土土粘结强强度，钢钢丝表面面可采用用‘刻痕痕’或‘‘压波’’，也可可制成螺螺旋肋。。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定刻痕钢丝螺旋肋钢丝第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定消除应力力钢丝：：钢丝经冷冷拔后，，存在有有较大的的内应力力，一般般都需要要采用低低温回火火处理来来消除内内应力。。消除应应力钢丝丝的比例例极限、、条件屈屈服强度度和弹性性模量均均比消除除应力前前有所提提高，塑塑性也有有所改善善。3、钢绞线线钢绞线是是用2、3、7股高强钢钢丝扭结结而成的的一种高高强预应应力筋，，其中以以7股钢绞线线应用最最多。7股钢绞线线的公称称直径为为9.5~15.2mm，通常用于于无粘结结预应力力筋，强强度可高高达1860MPa。2股和3股钢绞线线用途不不广，仅仅用于某某些先张张法构件件，以提提高与混混凝土的的粘结强强度。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定无粘结预预应力束束4、热处理理钢筋用热轧中中碳低合合金钢经经过调质质热处理理后制成成的高强强度钢筋筋，直径径为6~10mm，抗拉强度度为1470MPa。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定除冷拉低低合金钢钢筋外，，其余预预应力筋筋的应力力-应变曲线线均无明明显屈服服点，采采用残余余应变为为0.2%的条件屈服服点作为抗拉拉强度设设计指标标。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定二、混凝凝土——预应力混混凝土要要求采用用高强混混凝土★可以施加加较大的的预压应应力，提提高预应应力效率率；★有利于减减小构件件截面尺尺寸，以以适用大大跨度的的要求；；★具有较高高的弹性性模量，，有利于于提高截截面抗弯弯刚度，，减少预预压时的的弹性回回缩；★徐变较小小，有利利于减少少徐变引引起的预预应力损损失；★与钢筋有有较大粘粘结强度度，减少少先张法法预应力力筋的应应力传递递长度；；★有利于提提高局部部承压能能力，便便于后张张锚具的的布置和和减小锚锚具垫板板的尺寸寸；★强度早期期发展较较快，可可较早施施加预应应力，加加快施工工速度，，提高台台座、模模具、夹夹具的周周转率，，降低间间接费用用一般预应应力混凝凝土构件件的混凝凝土强度度等级不不低于C30，当采用高高强钢丝丝时不低低于C40。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定三、锚具和夹夹具第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定夹片式锚锚具第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定10.5张拉控制制应力和和预应力力损失◆在张拉预预应力筋筋对构件件施加预预应力时时，张拉拉设备（（千斤顶顶油压表表）所控控制的总张拉力力Np,con除以预应应力筋面面积Ap得到的应应力称为为张拉控制制应力scon。◆它是预应应力筋在在在构件件受荷以以前所经经受的最最大应力力。◆张拉控制制应力scon取值越高高，预应应力筋对对混凝土土的预压压作用越越大，可可以使预预应力筋筋充分发发挥作用用。◆但scon取值过高高，可能能会在张张拉时引引起破断断事故，，产生过过大应力力松弛。。因此，《规范》规定了张张拉控制制应力限限值[scon]。第十章预预应力力混凝土土结构的的原理及及计算规规定因为对预预应力筋筋的张拉拉过程是是在施工工阶段进进行的，，同时张张拉预应应力筋也也是对它它进行的的一次检检验，所所以表中中[scon]是以预预应力力筋的的标准准强度度给出出的，，且[scon]可不受受抗拉拉强度度设计计值的的限制制。在下列列情况况下，，[scon]可提高高0.05fptk：⑴为提高高构件件在施施工阶阶段的的抗裂裂性能能，而而在使使用阶阶段受受压区区内设设置的的预应应力筋筋；⑵为部分分抵消消应力力松弛弛、摩摩擦、、分批批张拉拉和温温差产产生预预应力力损失失。为避免免scon的取值值过低低，影影响预预应力力筋充充分发发挥作作用，，《规范》规定scon不应小小于0.4fptk。第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定二、预预应力力损失失◆预应力力筋张张拉后后，由由于混混凝土土和钢钢材的的性质质以及及制作作方法法上原原因，，预应力力筋中中应力力会从从scon逐步减减少，并经经过相相当长长的时时间才才会最最终稳稳定下下来，，这种种应力力降低低现象象称为为预应应力损损失。。◆由于最最终稳稳定后后的应应力值值才对对构件件产生生实际际的预预应力力效果果。因此，，预应应力损损失是是预应应力混混凝土土结构构设计计和施施工中中的一一个关关键的的问题题。◆过高或或过低低估计计预应应力损损失，，都会会对结结构的的使用用性能能产生生不利利影响响。第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定10.5张拉控控制应应力和和预应应力损损失由于预预应力力的通通过张张拉预预应力力筋得得到，，凡是能能使预预应力力筋产产生缩缩短的的因素素，都都将引引起预预应力力损失失，主要有有：◆锚固损损失：：锚具变变形引引起预预应力力筋的的回缩缩、滑滑移◆摩擦损损失：：在预应应力筋筋张拉拉过程程中，，后张张法预应力力筋与与孔道道壁之之间的的摩擦擦，先张张法预预应力力筋与与锚具具之间间以及及折点点处的的摩擦擦，也也会使使张拉拉应力力造成成损失失。◆混凝土土的收收缩和和徐变变引起起的损损失◆松弛损损失：长度度不变变的预预应力力筋，，在高高应力力的长长期作作用下下会产产生松弛，会引引起预预应力力损失失。◆温差损损失：：先张法法中的的热养护护引起起的温温差损损失◆弹性压压缩损损失：：混凝土土弹性性压缩缩，后后张法法中后后拉束束对先先张拉拉束造造成的的压缩缩变形形而产产生分批张张拉损损失等。1、锚固固损失失sl1预应力力筋张张拉后后锚固固时，，由于于锚具具受力力后变变形、、垫板板缝隙隙的挤挤紧以以及钢钢筋在在锚具具种的的内缩缩引起起的预预应力力损失失记为为sl1。对直线线预应应力筋筋，第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定2、摩擦擦损失失sl2摩擦损损失是是指在在后张法法张拉钢钢筋时时，由由于预预应力力筋与与周围围接触触的混混凝土土或套套管之之间存存在摩摩擦，，引起起预应应力筋筋应力力随距距张拉拉端距距离的的增加加而逐逐渐减减少的的现象象。直线预应力筋曲线预应力筋第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定取dx=rdq，Np=spAp第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定q为张拉拉端与与计算算截面面曲线线部分分的切切线夹夹角（（rad）设该夹夹角很很小，，可近近似取取张拉拉端到到计算算截面面的距距离x=rq，则摩擦擦损失失sl2为，若第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定对于曲曲线预预应力力筋张张拉锚锚固时时，由由于锚锚具变变形和和钢筋筋内缩缩a(mm)，使预应应力筋筋有回回缩的的趋势势，从从而产产生反向摩摩擦力力以阻止止其内内缩。。反向摩摩擦力力只在在一定定的影影响长长度lf(m)内发生生，即在距距张拉拉端lf处，预预应力力筋的的内缩缩值为为零。。第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定设反向向摩擦擦和正正向摩摩擦相相同Ds=2sl2内缩值值第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定设反向向摩擦擦和正正向摩摩擦相相同Ds=2sl2一端张拉两端张拉超张拉减少摩摩擦损损失的的措施施第十章章预预应力力混凝凝土结结构的的原理理及计计算规规定3、热养养护损损失sl3为缩短短先张张法构构件的的生产产周期期，常常采用用蒸汽汽养护护加快快混凝凝土的的凝结结硬化化。升温时时，新浇混混凝土土尚未未结硬硬，钢筋筋受热热膨胀胀，但但张拉拉预应应力筋筋的台台座是是固定定不动动的，，亦即即钢筋筋长度度不变变，因因此预预应力力筋中中的应应力随随温度度的增增高而而降低低，产产生预预应力力损失失sl3。降温时时，混凝凝土达达到了了一定定的强强度，，与预预应力力筋之之间已已具有有粘结结作用用，两者共共同回回缩，，已产生生预应应力损损失sl3无法恢恢复。设养护护升温温后，，预应应力筋筋与台台座的的温差差为Dt℃，取钢筋的温温度膨胀系系数为1×10-5/℃，则有，第十章预预应力混凝凝土结构的的原理及计计算规定4、钢筋松弛弛损失sl4钢筋在高应应力长期作作用下具有有随时间增增长产生塑塑性变形的的性质。在长度保持持不变的条条件下，应力值随随时间增长长而逐渐降降低，这种种现象称为为松弛。应力松弛与与初始应力力水平和作作用时间长长短有关。。根据应力松松弛的长期期试验结果果，《规范》取普通预应力钢丝和钢绞线：低松弛预应力钢丝和钢绞线：当scon≤0.7fptk时，当0.7fptk<scon≤0.8fptk时，ψ为超张拉系系数，一次次张拉时，，取ψ=1；超张拉时，，取ψ=0.9。当scon≤0.5fptk时，可不考考虑应力松松弛损失，，即取sl4=0。第十章预预应力混凝凝土结构的的原理及计计算规定5、收缩徐