(新)第9章：预应力混凝土构件设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,混凝土结构设计基本原理,第,9,章,预应力,混凝土,构件设计,教师：,张茂雨,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；,1.1 一般概念,普通混凝土的缺点,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,w,max,对应的,s,=200N/mm,2,。,而高强钢丝强度可达1600,N/mm,2,以上。,预应力混凝土的基本知识,1,预应力：,在混凝土结构承受使用荷载之前的,制作阶段,预先对混凝土施加应力。,e,p,N,p,s,pc,s,c,全预应力混凝土,部分预应力混凝土,有限预应力混凝土,预应力基本原理,预应力混凝土的基本知识,1,日常生活中有许多应用预应力的例子。,预应力混凝土的基本知识,1,日常生活中有许多应用预应力的例子。,预应力混凝土的基本知识,1,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，预应力混凝土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。,预应力混凝土构件的受力特征,预应力混凝土的基本知识,1,预应力混凝土的优、缺点,优点,a.,提高构件的抗裂能力。,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,N,u,N,Py,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。,预应力混凝土的基本知识,1,预应力混凝土的优、缺点,预应力混凝土的基本知识,1,缺点,a.,成本高,。,b,.,材料质量要求高。,c,.,工序复杂,d,.,技术水平要求高,1.2预应力混凝土的分类,根据,制作,、,设计,和,施工,的特点，可以有不同的分类：,1.先张法和后张法,钢筋张拉先于混凝土浇筑,先张法,钢筋张拉后于混凝土浇筑,后张法,部分截面受压,部分预应力,2.全预应力和部分预应力,全截面受压,全预应力,3.有粘结预应力和无粘结预应力,预应力筋与周围的混凝土粘结、握裹在一起,有粘结,预应力混凝土的基本知识,1,张拉钢筋,支模、浇混凝土 混凝土达到一定强度剪钢丝 产生预应力,1.3预应力的建立方法,张拉钢筋,浇注混凝土,剪断钢筋,A,、先张法,预应力混凝土的基本知识,1,浇混凝土，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,浇注混凝土,穿钢筋、张拉、锚固,灌浆,B,、后张法,预应力混凝土的基本知识,1,先张法、后张法有各自适用范围和优、缺点,。,非预应力钢筋,无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工,艺相结合。,预应力混凝土的基本知识,1,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，混凝土强度等级不宜低于,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,HPB235,级钢筋。,1.,4,预应力混凝土构件的材料,预应力混凝土的基本知识,1,con,：,张拉钢筋时，张拉设备上的测力计所指示的总张拉力除以预应力筋面积。,con,的确定原则：与预应力的施加方式及钢筋的强度标准值,f,ptk,有关。,2.,1,张拉控制应力,con,预应力混凝土构件设计规定,2,con,过高，可能引起张拉时个别钢丝拉断，所以，控制应力的大小必须适当。,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,增加。产生的预应力大，抗裂性好。,所以,con,0.4,f,ptk,。,预应力混凝土构件设计规定,2,张拉控制应力限值,热处理钢筋,消除应力钢丝、钢绞线,0.75,f,ptk,后张法,先张法,钢筋种类,张拉方法,0.75,f,ptk,0.70,f,ptk,0.65,f,ptk,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0.05,f,ptk,。,预应力混凝土构件设计规定,2,预应力筋张拉后，由于,各种原因,其张拉应力会下降，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计算和组合。,2.,2,预应力损失,l,pe,=,con,l,最终有效预应力：,预应力混凝土构件设计规定,2,直线：,91,曲线：,92,张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失,l,1,预应力混凝土构件设计规定,2,小变形夹具，减少垫板，增加台座长度。,减少,l,1,预应力损失的措施：,94,预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的损失,l,2,预应力混凝土构件设计规定,2,减少摩擦，两端张拉，超张拉。,减少,l,2,预应力损失的措施：,加热养护：此时混凝土未硬结，,钢筋自由伸长，而台,座不动。,钢筋松了,产生温差损失。,95,受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失,l,3,预应力混凝土构件设计规定,2,采用二次升温养护：,t,020 C,使混凝土达到,一定强度，再升温。,减少,l,3,预应力损失的措施,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。,应力松弛损失的特点：,与张拉时间有关，先快后慢。第,1,小时完成50%，,24小时完成80%。,与预应力钢筋种类有关。预应力钢筋种类不同，则损,失大小不同；,预应力钢筋的应力松弛引起的损失,l,4,预应力混凝土构件设计规定,2,利用超张拉工序可以减少,l,4,超张拉工序：,第一种：,从 01.03,con,第二种：,从 01.05,con,(,持荷2,min),con,原理：,超张拉的持荷2,min，,已将部分松 弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少,l,4,的目的。,预应力混凝土构件设计规定,2,收缩、徐变将引起构件缩短，,所以钢筋回缩，引起,l,5,。,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,f,cu,有关。,混凝土收缩、徐变引起的预应力损失,l,5,预应力混凝土构件设计规定,2,控制,pc,(,完成第一批损失后的混凝土预应力)，,pc,0.5,f,cu,，,徐变引起的预应力损失小些,;,后张法收缩引起的损失小些。,减少,l,5,预应力损失的措施：,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，使混凝土局部挤压，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,l,6。,d,3m，,l,6,=0,d,3m，,取,l,6,=30N/mm,2,混凝土的局部挤压引起的预应力损失,l,6,预应力混凝土构件设计规定,2,总损失：,l,=,l,I,+,l,II,先张法：,l,100N/mm,2,后张法：,l,80N/mm,2,2.,3,预应力损失值的组合,混凝土预压前,l,I,=,l,1,+,l,3,+,l,4,混凝土预压后,l,II,=,l,5,先张法构件：,混凝土预压前,l,I,=,l,1,+,l,2,混凝土预压后,l,II,=,l,4,+,l,5,+,l,6,后张法构件：,预应力混凝土构件设计规定,2,先张法轴心受拉构件为例,(,a),放张前,(,b),放张后,(,c),完成第二批损失,1.施工阶段,轴心受拉构件的应力分析,3,放松预应力筋之前：,pe,=,con,l,I,pc,=,0,s,=0,放松预应力筋之后：,pe,=,con,l,I,E,pcI,s,=,Es,pcI,(,压),pc,=,pcI,(,压),轴心受拉构件的应力分析,3,由截面平衡条件：,pI,A,p,=,pcI,A,c,+,sI,A,s,(,con,l,I,E,pcI,),A,p,=,pcI,A,c,+,sI,A,s,式中：,A,0,换算截面面积，,A,0,=,A,c,+,Es,A,s,+,E,A,p,。,扣除孔道、钢筋等截面面积后截面上的混凝土截面面积。,完成第一批损失之后：,910,轴心受拉构件的应力分析,3,完成第二批损失之后：,预应力筋：,pII,=,con,l,E,pcII,非预应力筋：,sII,=,Es,pcII,+,l,5,混凝土：,pc,=,pcII,同理，由截面平衡条件得：,911,轴心受拉构件的应力分析,3,2.使用阶段,受力过程的三个特征点：,N,N,p0,(,c,=0),N,p,cr,(,c,=,f,tk,),N,u,(,p,=,f,py,),(,a),施加轴力前,(,b),消压状态,(,c),开裂轴力,(,d),极限轴力,N,u,N,0,N,0,N,cr,N,cr,N,u,（+）,（）,轴心受拉构件的应力分析,3,加载至混凝土应力为零：,c,=0,s,=,l,5,p,=,p0,=,con,l,式中,N,p0,消压轴力,，抵消截面上混凝土有效预,压应力所需的轴向力。,N,p0,=,p0,A,p,s,A,s,=(,con,l,),A,p,l,5,A,s,=,pcII,A,0,912,轴心受拉构件的应力分析,3,加载至构件截面即将开裂：,式中,N,p,cr,开裂轴力，,预应力轴心受拉构,件即将开裂时所能承受的轴向力。,(预应力的存在可以提高抗裂度),c,=,f,tk,s,=,Es,f,tk,l,5,p,=,con,l,+,E,f,tk,截面平衡：,N,p,cr,=,f,tk,A,c,+,s,A,s,+,p,A,p,N,p,cr,=(,f,tk,+,pcII,),A,0,913,轴心受拉构件的应力分析,3,加载至构件破坏：,c,=0,s,=,f,y,p,=,f,py,式中，,N,u,极限承载力。,(预应力的存在不能提高正截面承载力),由截面平衡条件：,N,u,=,f,py,A,p,+,f,y,A,s,914,轴心受拉构件的应力分析,3,