预应力砼构件.pptx
预应力砼的基本知识10.1.1.一般概念：1.预应力砼的提出：普砼的缺点：在使用荷载下带裂缝工作：影响耐久性，功能，刚度，疲劳性。若要不开裂，则要加大截面面积或用钢量，增加自重。不开裂 s=2030MPa10.1第1页/共115页 难以利用高强度钢筋。与max对 应 的s=250N/mm2。而 钢 绞 线 抗 拉 强 度 标 准 值 可 达1860N/mm2。高强钢筋不能充分发挥作用。例：max=0.20.3mms=150250MPa第2页/共115页2.预应力砼的基本原理：预应力砼：在砼结构承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力。美国ACI的定义：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。第3页/共115页 预压应力可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力，因此可推迟甚至避免裂缝的出现。通过人为控制预压力N的大小，可使梁截面受拉边缘混凝土产生压应力、零应力或很小的拉应力，以满足不同的裂缝控制要求。第4页/共115页预应力混凝土梁的工作原理第5页/共115页3.预应力砼构件的受力特征：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，预应力砼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。第6页/共115页10.1.2.预应力混凝土的分类1)先张法与后张法先张法：先张拉预应力钢筋后浇灌混凝土后张法：先浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度 后再张拉预应力钢筋2)全预应力和部分预应力全预应力：在使用荷载作用下，构件截面混凝 土不出现拉应力，即全截面受压。部分预应力：在使用荷载作用下，构件截面混凝 土允许出现拉应力或开裂，即部分 截面受压。第7页/共115页3)有粘结预应力与无粘结预应力有粘结预应力：沿预应力筋全长其周围均与混凝 土粘结、握裹在一起的预应力混 凝土结构。无粘结预应力：预应力筋伸缩、滑动自由，不与 周围混凝土粘结的预应力混凝土 结构。第8页/共115页按照张拉钢筋与浇捣混凝土的先后次序不同可分为：1.先张法：张拉钢筋 支模、浇砼 砼达到一定强度剪丝 产生预应力横梁台座固定端伸长张拉临时固定钢筋压缩压缩10.1.3.施加预应力的方法第9页/共115页2.后张法：浇砼，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固孔道灌浆第10页/共115页 先、后张法的适用范围和各自的优缺点。先先张张法法：工序少、工艺简单、质量易保证。适合于成批中小型预应力构件生产不耗锚具、成本低。后后张张法法：不需要台座，比较灵活，构件在现场施工制作时，可现场张拉需锚具，成本高。先张法构件是通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力的。后张法构件是依靠其两端的锚具锚住预应力钢筋并传递预应力的。第11页/共115页10.1.4 预应力砼构件的锚（夹）具锚、夹具：用于固定钢筋构件制作完后，能取下重复使用夹具用于永久固定钢筋、作为构件的一部分 锚具第12页/共115页锚具的分类:螺杆螺帽型：由螺杆、螺帽、垫板组成镦头型锚具夹具式锚具：锚环和夹片组成第13页/共115页第14页/共115页第15页/共115页第16页/共115页第17页/共115页第18页/共115页第19页/共115页第20页/共115页第21页/共115页第22页/共115页第23页/共115页第24页/共115页第25页/共115页第26页/共115页吊杆锚具群锚拉索第27页/共115页10.1.5 预应力砼构件对材料的要求：混凝土：一般 C30。采用钢丝，钢铰线，热处理钢筋作预应力筋时 C40预应力钢筋：消除应力钢丝，钢铰线，热处 理钢筋。第28页/共115页图9.6第29页/共115页优点：提高构件的抗裂能力 增大了构件的刚度。相同Ps下，f预 3m，l6=0 d 3m，取l6=30N/mm2 第49页/共115页减少预应力损失的措施：针对引起不同预应力损失的原因，寻找措施 l1：小变形夹具，减少垫板，增加台座长度。l2：减少摩擦，两端张拉。l3：采用二次升温养护：t 020C 使砼达到一定强度，再升温。l4：超张拉，减少l4，让l4先部分完成。l5：控制pc(完成第一批损失后的砼预应力)，其他减小收缩徐变的一些措施。第50页/共115页7.预应力损失值的组合：预应力钢筋的有效预应力 pe:锚下张拉控制应力con扣除相应应力损失l 并考虑混凝土弹性压缩引起的预应力钢筋应力降低后,在预应力钢筋内存在的预拉应力。pe pc （不同阶段其值在变化）第51页/共115页以“预压”为界，把预应力损失分成两批。所谓“预压”，对先张法是指放松预应力钢筋，开始给混凝土施加预应力的时刻。对后张法是指张拉预应力钢筋至con并加以锚固的时刻。第52页/共115页先张法构件：砼预压后 lII=l5后张法构件：砼预压后 lII=l4+l5+l6总损失：先张法：100N/mm2后张法：80N/mm2砼预压 lI=l1+l2+l3+l4砼预压 lI=l1+l2 l =l+lII第53页/共115页8.混凝土的弹性压缩(或伸长)：钢筋的应力变化量即:若钢筋与混凝土协调变形,则当与钢筋在同一水 平线上的混凝土正应力变化 时,钢筋的应力相 应变化9.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：考虑后批张拉钢筋所产生的混凝土弹性压缩对先批张拉钢筋的影响，将先批张拉钢筋的张拉控制应力值 增加第54页/共115页10.2.3 有效预应力沿构件长度的分布1、先张法预应力传递长度ltr和锚固长度la 规范近似按线性变化规律考虑，规定传递长度如下pe-放张时预应力钢筋的有效预应力d预应力钢筋的公称直径-预应力钢筋的外形系数，按表9-5采用；-与放张时混凝土立方体抗压强度 相应的 轴心抗拉强度标准值，可按线性内插法确 定。第55页/共115页 当采用骤然放松预应力钢筋的施工工艺时，因构件端部一定长度范围内预应力钢筋与混凝土之间的粘结力被破坏，因此ltr的起点应从距构件末端0.25 ltr处开始计算。注意：预应力传递长度是指从预应力钢筋应力为零的端部到应力为 的这一段长度ltr 预应力钢筋的锚固长度是指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 的这一段长度la 第56页/共115页锚固长度计算公式：-预应力纵向受拉钢筋的锚固长度；-预应力钢筋的抗拉强度设计值；-混凝土轴心抗拉强度设计值；当混凝土强度 等级大于C40时，按C40取值；第57页/共115页2、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 l2 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，则其他各项损失值沿构件长度方向不变。因此，预应力钢筋的有效应力沿构件长度方向的各截面是不同的，从而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。计算后张法构件时，必须特别注意针对的是哪个截面。若为曲线预应力钢筋，则l5 沿构件长度方向也变化，应力分布较复杂。第58页/共115页10.2.4 无粘结预应力混凝土结构定义：一般指在预应力钢筋外面涂防腐油脂外包塑料 套管防止钢筋与混凝土粘结、按后张法制作的 预应力混凝土结构。优点：（1）结构自重轻 （2）施工简便、速度快 （3）抗腐蚀能力强 （4）使用性能良好 （5）防火性能满足要求（6）抗震性能好 （7）应用广泛第59页/共115页式中：fcK 放松(张拉)预应力钢筋时砼立方体抗压强度相应的抗压强度标准值。cc 施工阶段截面砼的最大法向压应力10.2.5施工阶段承载力验算：第60页/共115页 构件端部截面尺寸验算。构件端部截面尺寸验算。Fl 1.35cl fc Aln式中：Fl 局部受压面上作用的局部压力设计值 Fl=1.2conApAln 局部受压净面积，减去孔道、凹槽部分的面积。10.2.6施工阶段后张法构件端部局部承压验算：第61页/共115页 l 砼局压强度提高系数，“套箍”作用Al 局压面积Ab 局压时计算底面积，按同心、对称原则确定 c 混凝土强度系数第62页/共115页图 912第63页/共115页构件端部局部受压承载力计算：为防止构件端部的局压破坏，配方格网式或螺旋式间接钢筋。Fl 0.9(cl fc+2v cor fy)AlnAcorAl时，Acor方格网式或螺旋式间接钢筋内表面范 围内的混凝土核心面积n1,As1方格网沿l方向的钢筋根数、单根钢筋 的截面面积式中 间接钢筋对混凝土约束的折减系数第64页/共115页方格网配筋螺旋式配筋配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数Ass1螺旋式单根间接钢筋的截面面积dcor螺旋式间接钢筋内表面范围内的混凝土截面 直径 v 间接钢筋的体积配筋率第65页/共115页 间接钢筋应配置在图8-18所规定的高度h范围内，对方格网式钢筋，不应少于4片；对螺旋式钢筋，不应少于4圈。第66页/共115页10.3.1 先张法构件：施工阶段:pe=con lIs=02.放松预应力筋之后,第一批预应力损失：pe=con lI E pcIs=Es pcI(压)pc=0轴心受拉构件的应力分析 10.31.放松预应力筋之前：pcI peAP SAS第67页/共115页截面平衡条件：(conlI E pcI)Ap=pcI Ac+s As式中：A0=Ac+Es As+E Ap 换算截面面积。扣除孔道、钢筋截面面积等后的砼截面面积。pe Ap=pcI Ac+s As第68页/共115页 Es,E非预应力钢筋、预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值。3.完成第二批损失之后：非预应力筋：预应力筋：pII=con l EpcII sII=EspcII+l5第69页/共115页砼的有效预压应力，用于抗裂性验算 PCII peIIAP SIIAS第70页/共115页4.考虑非预应力筋对预应力的影响：非预应力筋阻止徐变，使砼产生拉应力，使pcII降低：sII=EspcII+l5使用阶段：N Np0(c=0)Np,cr(c=ftk)Nu(p=fpy)受力过程的三个特征点：第71页/共115页1.加载至砼应力为零：c=0s=l5pe=p0=con l N0=p0Ap l5As=(con l)Ap l5As=pcIIA0 式中 N0 消压拉力，抵消截面上混凝土有效预压应力所需的轴向力。N0 peAp SAS第72页/共115页2.加载至构件截面即将开裂：pc=ftks=Es ftk l5pe=con l+E ftk 截面平衡：Ncr=ftkAc+sAs+p Ap式中 Ncr 预应力轴拉构件即将开裂所能承受的轴向力。Ncr=(ftk+pcII)A0 Ncr peAP SASftkAc(预应力存在可以提高抗裂度)第73页/共115页3.加载至构件破坏：c=0s=fyp=fpy 所以：Nu=fpyAP+fyAs Nu 极限承载力。Nufy Apfpy Ap(预应力的存在不能提高正截面承载力)第74页/共115页10.3.2 后张法构件：1.预应力钢筋锚固后：(完成lI)pc=pcIs=EspcIpe=con lI截面平衡：pe Ap=pcAc+s As施工阶段:第75页/共115页2.完成第二批损失后：pc=pcIIs=EspcII+l5 (压)pe=con lAn=A0 eAp=Ac+EsAs 式中 An 构件的净截面面积截面平衡：pe Ap=pcAc+s As第76页/共115页1.消压(加载到混凝土应力为零)pc=0s=EspcII+l5 EspcII=l5 (压)pe=con l +EpcII 截面平衡：N0=peAp Ass=pcIIA0使用阶段：第77页/共115页2.构件即将开裂pc=-ftks=l5 Esftk(拉)pe=con l +EpcII+Eftk 截面平衡：Ncr=N0+ftkA0 =pAp+Ass+Acftk=(pcII+ftk)A0第78页/共115页3.构件加载达到极限承载力：c=0s=fyp=fpy Nu=fpyAp+fy As第79页/共115页10.3.3 先后张法计算公式比较：钢筋应力非预应力钢筋：任何相应时刻应力公式形式均相同预应力钢筋：后张法比先张法的相应时刻应力多 Epc混凝土应力先张法后张法第80页/共115页轴向拉力 使用阶段,构件在特定时刻的轴向拉力N0,Ncr 及Nu的公式形式均相同.无论先后张法,均采用构件的换算截面面积A计算.预应力混凝土构件比同条件的普通钢筋混凝土构件的开裂荷载提高了N0.施加预应力不能提高轴心受拉构件的承载力.第81页/共115页10.4预应力轴心受拉构件的计算和验算10.4.1 使用阶段正截面承载力计算：N Nu=fyAs+fpy ApN 轴向拉力设计值式中，主要用来求Ap和As，一般按构造设As求Ap。第82页/共115页10.4.2 使用阶段正截面裂缝控制验算：裂缝控制等级分为三级。1.一级严格要求不出现裂缝的构件 ck pc 0 ck 按荷载短期效应组合求得的砼的法向应力 pc 扣除全部预应力损失后的砼预压应力即：在荷载短期效应组合下，不出现拉应力。第83页/共115页2.二级一般要求不出现裂缝的构件标准组合：ck pc ftk即：在荷载标准组合下，允许出现拉应力，但有一定限值；在荷载准永久组合下，不允许出现拉应力。准永久组合：cq pc 0 ck 荷载标准组合下的砼法向应力。Nk/A。cq 荷载准永久组合下的砼法向应力。Nq/A。第84页/共115页3.三级允许开裂，但限制裂缝宽度max lim cr构件受力特征系数,轴心受拉构件取2.2裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数第85页/共115页式中：fcK 放松(张拉)预应力钢筋时砼立方体抗压强度相应的抗压强度标准值。cc 施工阶段截面砼的最大法向压应力10.4.3 施工阶段承载力验算：第86页/共115页 构件端部截面尺寸验算。构件端部截面尺寸验算。10.4.3 施工阶段后张法构件端部局部承压验算：构件端部局部受压承载力计算。第87页/共115页10.5预应力混凝土受弯构件的设计计算10.5.1 各阶段应力分析：预应力钢筋与混凝土协调变形的起点：1.钢筋应力先张法：切断与应力钢筋的时刻后张法：完成第二批预应力损失的时刻第88页/共115页第一批损失完成后，受拉区预应力钢筋Ap的应力为先张法：后张法：分别加荷至受拉区和受压区预应力钢筋各自合力点处混凝土法向应力等于零时，受拉区的预应力钢筋应力为：先张法：后张法：第89页/共115页图9.13第90页/共115页2.混凝土预应力先张法构件:后张法构件I0,In 换算截面惯性矩净截面惯性矩ep0,epn 换算截面重心净截面重心至预应力钢筋及 非预应力钢筋合力点的距离,即Np的偏心距y0,yn换算截面重心净截面重心至所计算纤维处的距离M2由预加力N在后张法预应力混凝土超静定结构中 产生的次弯矩第91页/共115页预应力钢筋及非预应力钢筋的合力Np预应力钢筋及非预应力钢筋合力点的偏心距:先张法后张法第92页/共115页截面几何特征先张法构件:后张法构件:第93页/共115页10.5.2 使用阶段计算：正截面受弯承载力斜截面承载力正截面抗裂度和斜截面验算挠度验算1.正截面受弯承载力计算A.预应力混凝土构件计算特点截面应保持平面不考虑混凝土的抗拉强度及采用的混凝土受压应力与应变关系曲线;因预应力钢筋采用没有明显流幅的钢筋.第94页/共115页破坏时,受拉区预应力钢筋Ap达到fpy的条件 受拉区预应力钢筋A达f的同时,截面受压边缘混凝土达到极限压应变.破坏时,非预应力受拉钢筋A达到f的条件与普通混凝土构件相同B.矩形截面预应力混凝土受弯构件正截面受弯承载 力计算公式适用条件:第95页/共115页2.斜截面受剪承载力计算A.截面尺寸限制:当hw/b4时，V0.25cfcbh0当hw/b6时，V0.2cfcbh0B.斜截面受剪承载力公式仅配箍筋 VVcs+Vp Vp=0.05Np0 配箍筋和弯起钢筋第96页/共115页当符合下列公式要求时,可以仅按构造要求配置箍筋集中荷载作用下的独立梁一般预应力混凝土受弯构件第97页/共115页裂缝控制等级：一级 ck pc 0 二级 ck pc ft k cq pc 0三级 max lim3.正截面裂缝控制验算：对预应力混凝土受弯构件,其预拉区在施工阶段出现裂缝的区段,公式(8-88)至公式(8-90)中的pc 应乘以系数0.9第98页/共115页主要措施是限制主拉应力和主压应力。1.限制主拉应力一级 tp 0.85ftk 二级 tp=0.95ftk 4.斜截面抗裂验算：2.限制主压应力cp 0.6fck 第99页/共115页5.挠度验算：挠度构成外荷载产生的向瞎闹度预应力产生的向上变形fp验算公式：第100页/共115页10.5.3 施工阶段验算：对预拉区不允许出现裂缝的构件或预压时全截面受压的构件截面边缘的混凝土法向应力应符合下列规定：第101页/共115页 对施工预拉区不允许出现裂缝的构件或预压时全截面受压的构件截面边缘的混凝土法向应力应符合下列规定：第102页/共115页预应力混凝土构件的构造要求10.61.先张法构件先张法预应力钢筋之间的净间距应根据浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固等要求确定。预应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径或等效直径的1.5倍，且应符合下列规定：对热处理钢筋及钢丝，不应小于15mm，对三股钢绞线，不应小于20mm；对七股钢绞线，不应小于25mm。第103页/共115页对于应力钢筋端部周围的混凝土应采取加强措施：1)对单根配置的预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋。2)对分散布置的多根预应力钢筋，在构件端部10d范围内应设置35片与预应力钢筋垂直的钢筋网。3)对采用预应力钢丝配筋的薄板，在板端100mm范围内应适当加密横向钢筋。第104页/共115页2.后张法构件 后张法预应力钢筋所用锚具的形式和质量应符合国家现行有关标准的规定。孔道布置：v对预制构件，孔道之间的水平净间距不宜小于 50mm，孔道至构件边缘的净间距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的一半；v在框架梁中，预留孔道在竖直方向的净间距不应小 于孔道外径，水平方向的净间距不应小于1.5倍孔道 外径。第105页/共115页v从孔壁算起的混凝土保护层厚度，梁底不宜小于 50mm，梁侧不宜小于40mm，预留孔道的内径应比 预应力钢丝束或钢绞线束外径及需穿过孔道的连接 器外径大1015mm。v在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，其孔距 不宜大于12mm。v凡制作时需要预先起拱的构件，预留孔道宜随构件 同时起拱。第106页/共115页后张法预应力混凝土构件端部宜按下列规定布置钢筋：v宜将一部分预应力钢筋在靠近支座处弯起，弯起的预应力钢筋宜沿构件端部均匀布置；v当构件端部预应力钢筋需集中布置在截面下部或集中布置在上部和下部时，应在构件端部0.2h范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋。第107页/共115页v附加竖向钢筋宜采用带肋钢筋，其截面面积应符合下列要求：当e0.1h时，当0.1he0.2h时，构件端部尺寸应考虑锚具的布置、张拉设备的尺寸和局部受压的要求，必要时应适当加大。当构件在端部有局部凹进时，应增设折线构造钢筋或其他有效的构造钢筋。第108页/共115页 构件端部尺寸应考虑锚具的布置、张拉设备的尺寸和局部受压的要求，必要时应适当加大。当构件在端部有局部凹进时，应增设折线构造钢筋或其他有效的构造钢筋。第109页/共115页 后张法预应力混凝土构件中，曲线预应力钢丝束、钢绞线束的曲率半径不宜小于4m；对折线配筋的构件，在预应力钢筋弯折处的曲率半径可适当减小。后张法预应力混凝土构件的预拉区和预压区中，应设置纵向非预应力构造钢筋；在预应力钢筋弯折处，应加密箍筋或沿弯折处内侧设置钢筋网片。第110页/共115页 第111页/共115页 第112页/共115页 第113页/共115页 第114页/共115页感谢您的观看！第115页/共115页
