《钢筋混凝土结构设计第10章 预应力混凝土构件的性能与设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢筋混凝土结构设计第10章 预应力混凝土构件的性能与设计（119页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第10章 预应力混凝土构件的性能与设计,本章主要内容,预应力的分类及应力损失 预应力轴心受拉构件的计算 预应力受弯构件的计算 ,预应力混凝土的分类 预应力混凝土的材料 预应力混凝土的特点,10.1 预应力混凝土的基本知识,10.1.1一般概念,预应力的概念,10.1.1一般概念,预应力的概念,预应力混凝土的定义,美国混凝土协会（ACI）对预应力混凝土下的定义是：“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。,10.1.1一般概念,预应力混凝土的发展,1888年，美国工程师杰克逊(PHJackson)首次将预应力技术应用于混凝土结构；
2、1908年，美国的斯坦纳(CRSteiner)提出收缩徐变发生后，再张拉预应力筋；美国的狄尔(REDill)采用带有涂层的预应力筋来避免混凝土与预应力筋间的粘结，但没有解决根本预应力损失问题； 1928年，法国工程师弗莱西奈(EFreyssinet)成功研制出预应力混凝土，指出预应力混凝土必须使用高强钢筋和高强混凝土，预应力混凝土进入实用阶段； 1979年，东南大学吕志涛教授参与设计的上海色织四厂，主体工程设计采用大跨度双跨部分预应力混凝土框架结构是我国最早使用的预应力技术。,10.1.1一般概念,普通钢筋混凝土的不足,不同设计参数条件下，简支梁的裂缝宽度比较,10.1.1一般概念,预应力混凝
3、土的基本原理,受弯构件,+,=,第一种概念：预加应力能使混凝土在使用状态下成为弹性材料； 第二种概念：预加应力能使高强钢筋和高强混凝土结合并发挥各自的潜力； 第三种概念：预加应力实现荷载平衡。,10.1.2 预应力混凝土的分类,先张法与后张法 全预应力和部分预应力 有粘结预应力与无粘结预应力 线预加应力或环预加应力 体内预应力与体外预应力 电热法 现浇、预制、组合式预应力混凝土结构,10.1.2 预应力混凝土的分类,无粘结预应力,无粘结预应力平板的曲线式铺筋,10.1.2 预应力混凝土的分类,无粘结预应力,无粘结预应力平板的钢筋锚固,10.1.2 预应力混凝土的分类,体外预应力,无粘结预应力钢
4、筋,10.1.2 预应力混凝土的分类,电热法,大同煤矿贮煤仓,10.1.3 施加预应力的方法,先张法,10.1.3 施加预应力的方法,先张法施工过程演示,后张法施工过程演示,先张法的基本工序,10.1.4 锚具,锚具的定义 锚具是后张法中为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上的永久性锚固装置。 锚具的性能要求 定义锚具效率系数ha等于或大于0.95 预应力筋总应变eapu等于或大于2.0% 夹具 是先张法中为保持预应力筋的拉力并将其固定在台座上的临时性锚固装置；或后张法中夹持预应力筋的临时性锚固装置。 夹具的性能要求 自锚性、自锁性、松锚性、重复使用性、防锈性。,10.1.4 锚具,锚具的分
5、类,夹具的分类,10.1.4 锚具,锚具和夹具图例,DM型镦头锚具,螺母锚具,10.1.4 锚具,锚具和夹具图例,QM型锚具,10.1.5 预应力混凝土的材料,钢筋,预应力钢筋强度设计值（N/mm2）,10.1.5 预应力混凝土的材料,混凝土 预应力混凝土结构中，混凝土强度等级越高，能够承受的预压应力也越高； 采用高强度等级的混凝土与高强钢筋相配合，可以获得较经济的构件截面尺寸； 高强度等级的混凝土与钢筋的粘结力也高，这一点对依靠粘结传递预应力的先张法构件尤为重要。 混凝土结构设计规范规定 预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30； 当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强
6、度等级不宜低于C40。,10.1.6 预应力混凝土的特点,预应力混凝土的特点 优点 提高了构件的抗裂能力 增大了构件的刚度 充分利用高强度材料 扩大了构件的应用范围 局限性 施工工序多 施工技术要求高 造价高,张拉控制应力 预应力损失 预应力损失的分类,10.2 预应力混凝土构件设计的一般规定,10.2.1 张拉控制应力scon,张拉控制应力的定义 张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时，张拉设备的测力仪表所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值，以scon表示。,对于如钢制锥形锚具等一些因锚具构造影响而存在锚圈口摩阻力的锚具, scon是指经过锚具、扣除此摩阻力后的（锚下）应力值。因此
7、, scon是指张拉预应力筋时的锚下张拉控制应力。,10.2.1 张拉控制应力scon,scon过大时可能出现的问题 个别钢筋可能被拉断 施工阶段可能会引起构件开裂 后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏 使开裂荷载与破坏荷载相近，可能产生脆性破坏 增大预应力钢筋的松弛损失,张拉控制应力上限值,张拉控制应力下限值: 0.4 fptk,10.2.2 预应力损失,预应力损失的种类 张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失sl1 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失sl2 混凝土加热养护时，受张拉钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失sl3 预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失sl4 混
8、凝土的收缩和徐变引起的预应力损失sl5 用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失sl6,10.2.2 预应力损失,预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失sl2 预应力筋受力示意图 受力特点,长度效应：接触摩擦力，与钢筋的拉力和长度成正比； 曲率效应：挤压摩擦力，与表面压力成正比； 距离张拉端越远，摩擦阻力的累积值越大,sl2的公式建立 法向平衡条件,10.2.2 预应力损失,切向平衡条件,摩擦力由曲率效应和长度效应两部分组成,sl2的公式建立 对上式积分,10.2.2 预应力损失,当 时,摩擦系数的取值,减少sl2的方法,一端张拉另一端补拉 两端同时张拉
9、超张拉 超张拉的程序,10.2.2 预应力损失,张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失sl1(先张法) 计算公式(直线预应力筋),张拉端锚具变形和钢筋内缩值 a 的取值,减少损失的方法 尽量少用垫板,10.2.2 预应力损失,张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失sl1 (后张法),正向摩擦 张拉过程中预应力筋与孔道之间的摩擦叫正向摩擦，产生的损失为正向摩擦损失。 张拉端正向摩擦损失为零，距张拉端越远，损失越大。,反向摩擦 钢筋回缩时与张拉时所受到的摩擦力反向，称为反向摩擦。 张拉端的回缩量最大，越远，回缩量越小。 在钢筋回缩力与反向摩擦力平衡点处，回缩停止，相应的长度为反向摩擦影响长度
10、lf。,10.2.2 预应力损失,张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失sl1 (后张法),损失sl1的公式建立,10.2.2 预应力损失,张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失sl1 (后张法),反向摩擦影响长度 lf 的取值,减少损失的方法 尽量少用垫板 选用变形小的锚具 采用超张拉工艺,10.2.2 预应力损失,加热养护时，张拉钢筋与设备之间温差引起的预应力损失sl3,产生原因,减少损失的方法 两阶段升温养护,升温时，混凝土未结硬，台座固定不动，钢筋长度不变，因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低，产生预应力损失。 降温时，混凝土达到一定强度，与预应力筋之间已具有粘结作用，两者共同回
11、缩，已产生预应力损失无法恢复。,计算方法,10.2.2 预应力损失,预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失sl4,应力松弛的定义,减少损失的方法 超张拉 超张拉的张拉程序,应力松弛是指钢筋受力后，在长度不变的条件下，钢筋应力随时间的增长而降低的现象。,超张拉的工作原理 超张拉下短时间内发生的损失在低应力下需要较长时间； 持荷2分钟可使相当一部分松弛损失发生在钢筋锚固之前，则锚固后损失减小。,10.2.2 预应力损失,预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失sl4,松弛损失的计算,预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失sl4,时间对预应力损失的影响,10.2.2 预应力损失,考虑时间影响的预应力钢筋应力
12、松弛引起的预应力损失值，可由上述的预应力损失值计算公式乘以以下表中相应的系数(随时间变化的预应力损失系数)确定。,随时间变化的预应力损失系数,10.2.2 预应力损失,混凝土收缩和徐变引起的预应力损失sl5,混凝土的收缩和徐变，都会导致预应力混凝土构件长度的缩短，预应力筋随之回缩，引起预应力损失。 由于收缩和徐变是同时随时间产生的，且二者的影响因素、变化规律较为相似，规范将二者合并考虑。 影响预应力损失的主要因素 构件配筋率 张拉预应力钢筋时混凝土的预压应力值 混凝土的强度等级,10.2.2 预应力损失,混凝土收缩和徐变引起的预应力损失sl5,预应力损失的计算方法,先张法,后张法,减少损失的措
13、施 所有能够减少混凝土的收缩和徐变的措施都可以降低预 应力损失,10.2.2 预应力损失,螺旋式预应力筋环形构件砼局部挤压引起的预应力损失sl6,环形构件的施工,用混凝土或喷射砂浆建造池壁,缠丝机沿圆周方向把钢 丝缠绕在池壁上并锚固,池壁敷设喷射砂浆作保护层,缠丝机的施工,损失的计算方法,当构件直径 d3m时，sl6=30N/mm2; 当构件直径 d3m时，sl6=0。,10.2.2 预应力损失,预应力损失的分阶段组合,先张法与后张法的预应力损失组合,10.2.2 预应力损失,预应力损失的分阶段组合,在实际计算中，以“预压”为界，把预应力损失分成两批。,预压的定义 对先张法，指放松预应力筋，开
14、始给砼施加预应力的时刻； 对后张法，指张拉预应力筋至 scon 并加以锚固的时刻。,各阶段预应力损失值的组合,混凝土规范对预应力损失值的最小规定值 对先张法构件，100N/mm2 对后张法构件，80N/mm2,10.2.2 预应力损失,混凝土的弹性压缩（或伸长）,混凝土、预应力钢筋、非预应力筋的应变变化量相等。,公式的应用： 先找出构件中这种钢筋与混凝土“协调变形”的起点，然后，欲求其后任一状态的钢筋应力，只需以起点应力为基础，求出相对于起点的应力变化量（含弹性伸缩及预应力损失两部分），最后叠加即可。,10.2.2 预应力损失,后张法构件分批张拉预应力钢筋时混凝土弹性变形的考虑,分批张拉的应力
15、变化,后张法构件的预应力钢筋采用分批张拉时，应考虑后批张拉钢筋所产生的混凝土弹性压缩(或伸长)对先批张拉钢筋的影响； 考虑方法： 将先批张拉钢筋的张拉控制应力值scon增加(或减小)aEspci 。 spci为后批张拉钢筋在先批张拉钢筋重心处产生的混凝土法向应力。,10.2.3 有效预应力沿构件长度的分布,先张法预应力传递长度ltr 和锚固长度la,传递长度 ltr 的概念： 有效预应力的分布 指从预应力钢筋应力为零的端部到应力为 spe的这一段长度。 传递长度内粘结应力的合力应等于预应力钢筋的有效预拉力Apspe 。 传递长度 ltr 的计算,粘结 应力,混凝土 预应力,钢筋的外形系数,10
16、.2.3 有效预应力沿构件长度的分布,先张法预应力传递长度ltr 和锚固长度la,预应力钢筋锚固长度 la 的概念 当构件在外荷载作用下达到承载能力极限状态时，预应力钢筋的应力达到抗拉强度设计值 fpy，为了使预应力钢筋不致被拔出，预应力钢筋应力从端部的零到 fpy 的这一段长度 la 。 计算先张法预应力混凝土受弯构件端部锚固区的正截面和斜截面受弯承载力时，锚固长度范围内的预应力钢筋抗拉强度设计值在锚固起点处应取为零，在锚固终点处应取为 fpy，两点之间可按线性内插法确定。 预应力钢筋的锚固长度 la 的计算公式,10.2.3 有效预应力沿构件长度的分布,后张法构件有效预应力沿构件长度的分布,后张法构件中，摩擦损失在张拉端为零，然后逐渐增大，至锚固端达最大值； 若为直线预应力钢筋，则沿构件长度其他各项损失值不变。 因此，沿构件长度预应力钢筋的有效预应力是不同的，在混凝土中建立的有效预应力也是变化的 张拉端最大，锚固端最小 其分布规律同摩擦损失 计算后张
