预应力混凝土构件承载能力极限状态计....ppt
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1、5 预应力混凝土构件承预应力混凝土构件承载能力极限状态计算载能力极限状态计算 本章为重点章节,主要介绍本章为重点章节,主要介绍了受弯、受拉、受剪、受扭、截了受弯、受拉、受剪、受扭、截面计算,局压承载力和冲切承载面计算,局压承载力和冲切承载力计算,以及构件的疲劳验算。力计算,以及构件的疲劳验算。重点掌握:各种不同受力形重点掌握:各种不同受力形式的截面计算,局压和冲切承载式的截面计算,局压和冲切承载力计算及疲劳验算。力计算及疲劳验算。v5.1 一般规定混凝土结构设计规范-2002v5.2 受弯截面计算v5.3 受拉截面计算v5.4 受剪截面计算v5.5 受扭截面计算v5.6 局压承载力计算v5.7
2、 受冲切承载力计算v5.8 疲劳验算5.1 规范-2002一般规定v5.1.1 基本假定(1)混凝土构件截面应变保持平面;(2)不考虑混凝土的抗拉强度;(3)混凝土受压的应力应变关系满足响应的假设(P62)。v5.1.2 受压区混凝土的等效矩形应力图v5.1.3 相对界限受压区高度的计算v5.1.4 纵向钢筋应力计算v5.1.5 由预应力产生的混凝土法向应力与预应力筋应力计算v5.1.6 预应力筋与非预应力筋的合力及合力的偏心矩5.2 预应力混凝土受弯构件的计算5.2.1 受弯构件的应力分析受弯构件的应力分析一、施工阶段一、施工阶段 1、先张法构件、先张法构件2、后张法构件、后张法构件二、使用
3、阶段二、使用阶段 无论是先张法还是后张法,无论是先张法还是后张法,施加外弯矩施加外弯矩M后,预应力筋与后,预应力筋与混凝土是共同变形的混凝土是共同变形的。因此在达到混凝土抗拉强度因此在达到混凝土抗拉强度ftk之前之前,可按弹性材料力学按,可按弹性材料力学按换算截面惯性矩换算截面惯性矩I0来确定由弯矩产生的截面应力,即来确定由弯矩产生的截面应力,即拉为正拉为正1、消压弯矩消压弯矩M0 当外弯矩当外弯矩M产生的截面受拉边缘的拉应力产生的截面受拉边缘的拉应力s sc恰好抵消恰好抵消混凝混凝土的预压应力土的预压应力s spc时,这时的弯矩称为时,这时的弯矩称为消压弯矩消压弯矩M0,W0b为换算截面对受
4、拉边缘的弹性抵抗矩为换算截面对受拉边缘的弹性抵抗矩梁底边应力梁底边应力2、开裂弯矩、开裂弯矩Mcrg gm=0.2566=1.536截面抵抗矩塑性系数截面抵抗矩塑性系数,与与截面形状和截面高度有关截面形状和截面高度有关5.2.2 受弯构件使用阶段正截面承载力计算受弯构件使用阶段正截面承载力计算1、破坏阶段的截面应力状态、破坏阶段的截面应力状态 随着荷载增加,随着荷载增加,如果如果x xx xb,受拉区预应力筋先达到屈服强受拉区预应力筋先达到屈服强度,受压边缘混凝土达到极限压应变度,受压边缘混凝土达到极限压应变e ecu,截面达到受弯极限截面达到受弯极限状态,其截面应力分布与钢筋混凝土受弯构件类
5、似,状态,其截面应力分布与钢筋混凝土受弯构件类似,但有以但有以下几点不同之处:下几点不同之处:a.界限破坏时截面相对受压区高度界限破坏时截面相对受压区高度x xb的计算的计算0pespee-0pye xc ecu界限破坏时截面应变分布设设预应力钢筋合力作用点处混凝土预压应预应力钢筋合力作用点处混凝土预压应力为零时,预应力钢筋的应力为力为零时,预应力钢筋的应力为 ,预拉应变为预拉应变为 ,破坏时的应力增量,破坏时的应力增量为为 ,应变增量为,应变增量为 根据平截面假定根据平截面假定0pespee-0pye xc ecu界限破坏时截面应变分布h0设设界限破坏时,界限受压区高度界限破坏时,界限受压区
6、高度为为xb,则有则有x=xb=b b1xc对对无明显屈服点的钢筋无明显屈服点的钢筋,根据条件屈服点的定义,钢筋达到,根据条件屈服点的定义,钢筋达到条件屈服点的拉应变条件屈服点的拉应变b.任意位置处预应力钢筋及非预应力钢筋应力的计算任意位置处预应力钢筋及非预应力钢筋应力的计算设的设的i根预应力钢筋的预拉应力为根预应力钢筋的预拉应力为 ,到混凝土受压边缘的,到混凝土受压边缘的距离为距离为hoi,由平截面假定,可得由平截面假定,可得近似公式为近似公式为c.受压区预应力钢筋应力的计算受压区预应力钢筋应力的计算先张法构件先张法构件先张法构件先张法构件2、正截面受弯承载力的计算、正截面受弯承载力的计算适
7、用条件适用条件当当 时,取时,取 5.2.3 受弯构件使用阶段正截面抗裂度验算受弯构件使用阶段正截面抗裂度验算对使用阶段不允许出现裂缝受弯构件,其正截面抗裂度根据裂对使用阶段不允许出现裂缝受弯构件,其正截面抗裂度根据裂缝控制等级的不同要求,进行受拉边缘应力的验算:缝控制等级的不同要求,进行受拉边缘应力的验算:a、一级一级严格要求不出现裂缝的构件严格要求不出现裂缝的构件,在荷载效应的标准组,在荷载效应的标准组合下应符合下列规定。合下应符合下列规定。b、二级二级一般要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件,在荷载效应的标准组,在荷载效应的标准组合下应符合下列规定:合下应符合下列规定:在荷载效应
8、的准永久组合下应符合下列规定:在荷载效应的准永久组合下应符合下列规定:c、三级三级允许出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件,按荷载效应的标准组合并考,按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用影响时,构件的最大裂缝宽度应满足规定的限虑荷载长期作用影响时,构件的最大裂缝宽度应满足规定的限值。值。构件受力特征系数构件受力特征系数Np0ep(Ap+As)s ssCMkeNp05.2.4 受弯构件施工阶段的验算预应力混凝土受弯构件在制预应力混凝土受弯构件在制作、运输和安装等施工阶段作、运输和安装等施工阶段的受力状态于使用阶段的情的受力状态于使用阶段的情况是不同的。因此,有时其况是不同的。因此,有时其受力是不利
9、的,应仔细考虑受力是不利的,应仔细考虑在施工阶段的荷载作用形式在施工阶段的荷载作用形式和受力情况,保证在施工阶和受力情况,保证在施工阶段的安全性和可靠性。段的安全性和可靠性。因此,应根据施工阶段构件因此,应根据施工阶段构件的受力情况,验算施工阶段的受力情况,验算施工阶段构件的承载力,保证其安全构件的承载力,保证其安全性。性。规范规范采用限制边缘纤维混凝土应力值的方法,来满足预拉采用限制边缘纤维混凝土应力值的方法,来满足预拉区不允许或允许出现裂缝的要求,同时保证预压区的抗压强度。区不允许或允许出现裂缝的要求,同时保证预压区的抗压强度。在制作、运输及安装施工阶段,按施工阶段荷载标准值组合计在制作、
10、运输及安装施工阶段,按施工阶段荷载标准值组合计算得到的截面上混凝土的拉应力算得到的截面上混凝土的拉应力s sct和压应力和压应力s scc应满足下列要求:应满足下列要求:对施工阶段不容许出现裂缝的构件,对施工阶段不容许出现裂缝的构件,对施工阶段容许出现裂缝的构件,对施工阶段容许出现裂缝的构件,Nk、Mk为构件自重和为构件自重和施工阶段荷载的标准组施工阶段荷载的标准组合产生的轴向力和弯矩合产生的轴向力和弯矩值。值。5.2.5 受弯构件的变形验算预应力混凝土受弯构件的挠度由两部分叠加而成:一部分为使预应力混凝土受弯构件的挠度由两部分叠加而成:一部分为使用荷载产生的挠度用荷载产生的挠度f1l;另一部
11、分为预应力所产生的反拱另一部分为预应力所产生的反拱f2l。构件构件最终挠度为最终挠度为 f=f1l-f2l1、荷载作用下构件的挠度、荷载作用下构件的挠度f1l 对对使用阶段不出现裂缝的构件使用阶段不出现裂缝的构件,短期抗弯刚度取短期抗弯刚度取 Bs=0.85EcI0 系数系数0.85是考虑在使用阶段截面混凝土有一定非弹性变形对刚是考虑在使用阶段截面混凝土有一定非弹性变形对刚度的折减。度的折减。对于对于使用阶段容许出现的构件使用阶段容许出现的构件,其短期抗弯刚度按下列公式计算,其短期抗弯刚度按下列公式计算,按按荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用影响的刚度采用下式荷载效应标准组合并考虑荷载长期作用
12、影响的刚度采用下式计算计算2、预加应力所产生的反拱、预加应力所产生的反拱f2l预应力混凝土构件在预应力作用下产生的反拱,可根据预应力作预应力混凝土构件在预应力作用下产生的反拱,可根据预应力作用或等效荷载,用结构力学的方法计算。计算时,构件的短期抗用或等效荷载,用结构力学的方法计算。计算时,构件的短期抗弯刚度可取弯刚度可取0.85EcI0,长期抗弯刚度可取长期抗弯刚度可取0.425EcI0。预应力筋中应预应力筋中应力应扣除全部预应力损失。力应扣除全部预应力损失。3、挠度验算、挠度验算荷载产生的挠度荷载产生的挠度f1l扣除预应力所产生的反拱扣除预应力所产生的反拱f2l即为预应力受弯即为预应力受弯构
13、件的挠度构件的挠度5.3 预应力混凝土轴心受拉构件的计算5.3.1 轴心受拉构件各阶段的应力分析一、先张法构件一、先张法构件Pre-tension1、施工阶段、施工阶段1)张拉预应力钢筋)张拉预应力钢筋张拉张拉s sconAps sconAp2)混凝土受到预压应力之前,完成第一批预应力损失)混凝土受到预压应力之前,完成第一批预应力损失放张前放张前放张前放张前lconpesss-=Is scons sl I 3)放松预应力钢筋)放松预应力钢筋放张瞬间放张瞬间放张后放张后平衡条件平衡条件4)混凝土受到预压应力,完成第二批预应力损失)混凝土受到预压应力,完成第二批预应力损失完完成成第第二二批损失批损
14、失完成第一批损失后,预应力钢筋的总预拉力完成第一批损失后,预应力钢筋的总预拉力平衡条件平衡条件完成全部损失后,预应力钢筋的总预拉力完成全部损失后,预应力钢筋的总预拉力预应力混凝土中所建立的预应力混凝土中所建立的“有效预压应力有效预压应力”2、使用阶段、使用阶段1)加载至混凝土应力为零)加载至混凝土应力为零消压状态消压状态由于混凝土预先受到预压应力由于混凝土预先受到预压应力s spc,因此轴向拉力因此轴向拉力N产生的拉产生的拉应力应力s sc,需先抵消需先抵消s spc ,才能使混凝土进入受拉。才能使混凝土进入受拉。混凝土应力混凝土应力预应力钢筋应力预应力钢筋应力非预应力筋应力非预应力筋应力由力
15、的平衡条件由力的平衡条件由由得得=spcEpeIIpsass+=00c消压状态消压状态N0N0所以所以N0混凝土应力为零时的轴向拉力。混凝土应力为零时的轴向拉力。2)加载至裂缝即将出现时)加载至裂缝即将出现时消压状态是预应力混凝土构件计算中的一个重要概念消压状态是预应力混凝土构件计算中的一个重要概念,它相当,它相当于非预应力构件的起始状态。于非预应力构件的起始状态。从消压状态开始,以后荷载增量(从消压状态开始,以后荷载增量(N-N0)产生的应力增量与产生的应力增量与非预应力混凝土构件从零开始加荷产生的应力类似。非预应力混凝土构件从零开始加荷产生的应力类似。当当轴向拉力超过轴向拉力超过N0后,混
16、凝土开始受拉。当荷载加至后,混凝土开始受拉。当荷载加至Ncr,即即混凝土拉应力达到其抗拉强度标准值混凝土拉应力达到其抗拉强度标准值ftk时,混凝土即将出现时,混凝土即将出现裂缝。裂缝。tkEppcrfass+=0tkcf=s开裂轴力开裂轴力NcrNcr混凝土应力混凝土应力非预应力筋应力非预应力筋应力由力的平衡条件由力的平衡条件预应力钢筋应力预应力钢筋应力3)加载至破坏时)加载至破坏时pypf=s极限轴力极限轴力NuNu二、后张法构件二、后张法构件Post-tension1、施工阶段、施工阶段1)浇筑混凝土,养护直至钢筋张拉前,截面中不产生任何)浇筑混凝土,养护直至钢筋张拉前,截面中不产生任何应
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