(精品)第十五章无粘结预应力混凝土课件.ppt

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1、无粘结预应力混凝土受弯构件计算无粘结预应力混凝土受弯构件计算 第十五章calculation of unbonded prestressed concrete beam flexural members本章主要内容：本章主要内容：无粘结预应力混凝土受弯构件的基本概念及分类。无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能及破坏特征。无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算。无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计。无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造。本章重点：本章重点：无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能及破坏形态；受弯构件的综合配筋指标的概念及计算方法；无粘结预应力钢筋的计算方法；无粘结部分预应力混凝土梁

2、正截面承载力计算；了解利用PPR的概念进行无粘结部分预应力混凝土梁的钢筋估算方法；本章难点：本章难点：无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能；受弯构件的综合配筋指标的概念及计算方法；无粘结预应力钢筋的应力计算及受弯构件截面设计理论。15.015.0无粘结预应力混凝土受弯构件概述无粘结预应力混凝土受弯构件概述 无粘结预应力混凝土梁，是指配置的主筋为无粘结预应力钢筋的后张法预应力混凝土梁。而无粘结预应力钢筋，是指由单根或多根高强钢丝、钢绞线或粗钢筋，沿其全长涂有专用防腐油脂涂料层和外包层，使之与周围混凝土不建立粘结力，张拉时可沿纵向发生相对滑动的预应力钢筋。无粘结预应力混凝土构件可采用类似于普通钢筋

3、混凝土构件的方法进行施工，无粘结筋像普通钢筋一样进行敷设，然后浇筑混凝土，待混凝土达到规定的强度后，进行预应力钢筋的张拉和锚固。省去了传统的后张法预应力混凝土的预埋管道、穿束、压浆等工艺，节省了施工设备，简化了施工工艺，缩短了工期，故综合经济性较好。15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能15.1.115.1.1无粘结预应力混凝土受弯构件的基本概念及分类无粘结预应力混凝土受弯构件的基本概念及分类 无粘结预应力混凝土梁，一般分为纯无粘结预应力混无粘结预应力混凝土梁，一般分为纯无粘结预应力混凝土梁和无粘结部分预应力混凝土梁。前者是指受力主筋全凝土梁和

4、无粘结部分预应力混凝土梁。前者是指受力主筋全部采用无粘结预应力钢筋；而后者是指其受力主筋采用无粘部采用无粘结预应力钢筋；而后者是指其受力主筋采用无粘结预应力钢筋与适当数量非预应力有粘结钢筋的混合配筋配结预应力钢筋与适当数量非预应力有粘结钢筋的混合配筋配筋梁。筋梁。15.1.215.1.2无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能及破坏特征无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能及破坏特征 1）纯无粘结预应力混凝土梁与有粘结预应力混凝土 梁受力性能及破坏特征的比较 15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能裂缝发展及破坏形态的比较 纯无粘结预应力混凝土梁在荷载

5、作用下随着裂缝宽度与高度的急剧增加，受压混凝土压碎而引起的破坏，具有明显的脆性破坏特征。荷载跨中挠度曲线的比较 有粘结预应力混凝土梁的荷载挠度曲线具有三直线形式，而纯无粘结预应力混凝土梁的曲线不仅没有第三阶段，连第二阶段也没有明显的直线段。梁最大弯矩截面上钢筋应力随荷 载变化的规律的比较 无粘结预应力筋的应力增量，总是低于有粘结预应力筋的应力增量，而且随着荷载的增大，这个差距也会越来越大。在梁的最大弯矩截面处，无粘结筋的应力增量比有粘结筋少。（图153）15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无

6、粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能 在构件混凝土开裂之前，由荷载作用引起无粘结筋的应力增量，可以通过纵向变形协调条件，即无粘结筋的总伸长应与沿其整个长度周围混凝土的总伸长相等的条件来求得。设无粘结筋梁任一截面上的弯矩为M，则M对该截面上任一一点引起的混凝土应变为 这时，沿无粘结筋全长，构件混凝土的总伸长为无粘结筋长度为 ,则无粘结筋的应变增量为15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结相应的应力增量为令 ，则可得到 现以承受均布荷载的直线无粘结筋配筋方式的

7、矩形截面简支梁（图154）为例，来比较无粘结筋在弯矩作用下的应力增量。15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能设梁跨中截面弯矩为,预应力筋在跨中截面处的偏心矩为则跨中截面为处的弯矩（M）为由式（151）可得无粘结筋的应力增量为 15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能式中 恰为跨中截面处有粘结筋的应力增量。因此相同弯矩下无粘结筋的应力增量要比有粘结筋的应力增量小在直线布筋的情况下，无粘结筋的应力增量是有粘结筋的2/3.用同样的方法也可以计算到抛物线形式布置的无粘结筋应力增量（简支梁跨中截面）是有粘结

8、筋的应力增量的8/15.综合上述，纯无粘结筋梁的抗弯强度较有粘结筋梁要低；在荷载作用下，裂缝少且发展迅速；破坏呈明显脆性。这些不足，可采用附加有粘结非预应力钢筋的方法改变，即采用混合配筋的无粘结部分预应力混凝土梁，以获得较好的结构性能。15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能2）纯无粘结部分预应力混凝土梁与有粘结预应力混凝土梁受力性能及破坏特征的比较无粘结部分预应力混凝土梁的弯矩挠度曲线（图155）和有粘结部分预应力混凝土梁一样也具有三直线的形状。无粘结部分预应力混凝土梁的裂缝，由于受到非预应力普通钢筋的约束，其根数及裂缝间距与配有同样钢筋的普通

9、混凝土梁非常接近（图151c）在一般情况下，无粘结部分预应力混凝土梁，先是普通钢筋屈服，裂缝向上延伸直到受压区边缘混凝土达到极限压应变时，梁才呈现弯曲破坏。无粘结部分预应力钢筋，虽仍具有沿全长应力相等（忽略摩擦的影响）和在梁破坏时极限应力不超过条件屈服强度 的特点，但极限应力的量值较纯无粘结梁要大的多。无粘结部分预应力钢筋，在梁到达破坏时的应力增量 与梁的综合配筋指标 有密切的关系，其表达式为 -分别为无粘结预应力钢筋的截面面积和 有效预应力；-分别为有粘结非预应力钢筋的截面面积和 抗拉强度设计值；-梁的宽度 -无粘结预应力钢筋截面重心至截面受压边 缘的距离；-混凝土的抗压强度设计值。15.1

10、15.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能对于无粘结部分预应力混凝土梁，在三分点荷载作用下，跨高比对 无明显影响；在跨中一点荷载作用下，跨高比对 有一定的影响。当跨高比不同，值相近时，随跨高比的增加而降低；当跨高比相同且 值相近时，跨中一点集中荷载作用下的 低于三 分点荷载作用下的 值。15.115.1无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能无粘结预应力混凝土受弯构件的受力性能 包括无粘结部分预应力混凝土梁的截面极限承载能力计算、施工阶段和使用阶段的应力验算，以及变形、裂缝最大宽度验算（B B类构件）。类构件）。计算方法可参照公路桥规中有关条文或其它设计规范来

11、采用。这里，仅介绍关于无粘结预应力钢筋的计算方法。无粘结预应力钢筋的极限应力 无粘结预应力钢筋的极限应力值是无粘结部分预应力混凝土梁抗弯承载能力计算中的关键值。然而影响它的因素较多，例如无粘结筋的有效预应力、综合配筋指标、构件的跨比、加载条件等，因此受弯破坏时无粘结筋的极限应力必须通过试验分析得到。15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算 的一般表达式为 （153）式中 -无粘结预应力筋的有效预应力；-无粘结预应力筋在极限荷载作用下的 应力增量。无粘结预应力混

12、凝土结构技术规程规定，采用碳素钢丝、钢绞线作为无粘结预应力筋的受弯构件，在承载能力极限状态下无粘结筋的应力设计值按下列公式计算：跨高比 35的构件 （154）跨高比 35的构件 （154a）式中 -综合配筋指标，0.45；-材料分项系数，取1.2。同时 不应取大于无粘结预应力钢筋的抗拉强度设计值，不应小于无粘结预应力钢筋的有效应力 。中国土木工程学会编制的部分预应力混凝土结构建议，建议受弯构件无粘结预应力筋的极限应力公式（153）计算，而其中无粘结预应力钢筋在极限荷载下的应力增量 ，对于采用高强钢丝、钢绞线的无粘结预应力筋，可按照151查用。15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算

13、无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算配筋指标配筋指标10 20 10 20 0.05 500 500 0.20 350 300 0.10 500 500 0.25 250 200 0.15450 400 表151中,为梁的总长度；为无粘结预应力筋截面重心至混凝土受压边缘的距离，按式（152）计算。无粘结预应力钢筋在极限荷载下的应力增量表151当按式（153）计算得到的 时，建议规定 ，即取抗拉强度设计值且要求式中的 的值不宜低于 。无粘结预应力钢筋的摩擦损失计算 要计算预应力钢筋中的有效预应力 就必须估算其

14、预应力损失 。无粘结预应钢筋的预应力损失值的估算，可以参照第十三章中后张法预应力混凝土构件的相应公式计算。在由摩擦引起预应力损失的估算中，合理采用无粘结预应力筋与孔壁之间摩擦系数 、是很重要的。无粘结预应力钢筋，与周围混凝土之间的摩擦系数，随着所用涂料和外包材料、制作工艺不同，以及截面形式的差异，摩擦系数亦变化较大。15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算表152为我国无粘结预应力混凝土结构技术规程建议的无粘结筋的摩擦系数。无粘结预应力筋的摩擦系数 表152 无粘结部分预应力混凝土梁正截面承载力计算无粘结部分预应力混凝土梁正截面承载力计算方法，与

15、由粘结部分预应力混凝土梁的方法相同，但是对于无粘结钢筋，这时取其极限应力 而不是抗拉强度设计值 。15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结预应力筋种类 无粘结预应力筋种类 0.0035 0.10 0.0040 0.12 以仅在受拉区布置无粘结预应力筋 和非预应力筋 的矩形截面梁为例（图156），由隔离体平衡并参照公路桥 规的计算原则，则可以得到正截面承载力计算式为 （155）（156）15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算式（156）中截面有效高度 而 值可以按照下式计算 （157）式中 和

16、 分别为无粘结筋和非预应力钢筋截面重心至截面受拉边缘距离。计算的受压区高度 仍应满足条件：式中的 的取值参见表134。但中国土木工程学会的部分预应力混凝土结构建议，从考虑适当提高部分预应力混凝土受弯构件延性的要求出发，建议：对一般构件 对延性较高要求的构件 的意义及计算见表151的说明。15.215.2无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算无粘结部分预应力混凝土受弯构件的计算 在部分预应力混凝土结构设计计算中，为了满足构件使用性能的要求，设计时须选择施加一个合适的预应力量值，由此可确定预应力钢筋的数量和张拉控制应力，或在混合配筋中确定预应力钢筋与非预应力钢筋的配置比例，这就是在第12章和第14章

17、中介绍的预应力度。利用预应力度的概念可以进行无粘结部分预应力混凝土梁的钢筋估算。除了预应力度法外，在无粘结部分预应力混凝土梁的钢筋估算中还常用部分预应力比率法。部分预应力比率（Partial Prestressing Ratio），是以预应力钢筋提供的极限抵抗弯矩 与全部受拉钢筋（混合配筋时）提供的抵抗弯矩 之比来表示。15.315.3无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计当部分预应力比率以预应力钢筋和非预应力钢筋特征来表时，可写成 （15-8）式中 -分别为预应力钢筋的截面积和极限拉力；-分别为非预应力钢筋的截面积和抗拉强 度设计值。下面以矩形截面来

18、介绍无粘结部分预应力混凝土梁钢筋估算 的 法。按正截面承载能力计算 由图156可以看到，由于 15.315.3无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计故 （15-9）由式（15-6），取 ，则可以得到 解得 （15-10）由式（15-5），以及式（15-8）可得到 15.315.3无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计代入式（15-6），取 ，则可得到由式（15-11）可求得以上是采用预应力比率法估算 和 得计算式，具体步骤可概括为：15.315.3无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计无粘结部分预应力混凝土受

19、弯构件的截面设计假定PPR。可在0.70.95范围内优选。假设预应力钢筋和非预应力钢筋重心到梁截面下缘距离分别为 和 ，计算 ，按式（15-9）求 。按式（15-10）求得 值，检查是否满足 。若不满足，应该调整PPR值或修改截面尺寸，重新计算。假设无粘结钢筋极限应力 。根据已设计得桥梁经验，可取 。由式（15-12）和式（15-13）分别计算 、用量。按施工和使用阶段的要求进行估算这时，主要进行无粘结预应力钢筋面积的 估算对于部分预应力混凝土A类构件，可参照第13章介绍的方法进行；对于部分预应力混凝土B类构件，按使用阶段要求估算时，可取允许名义拉应力来估算 值。15.315.3无粘结部分预应

20、力混凝土受弯构件的截面设计无粘结部分预应力混凝土受弯构件的截面设计由上述两方面考虑选择合适的 和 值，同时应满足：的要求。15.415.4无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造 有关无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造问题，在由粘结部分预应力混凝土的构造要求的基础上，针对无粘结特点，叙述如下：无粘结钢筋应尽量采用碳素钢丝、钢绞线和热处理钢筋，相应的，混凝土强度等级不宜低于 。非预应力钢筋宜选用热轧 、钢筋，钢筋直径宜选用12mm或14mm，不应超过20mm。采用混合配筋的受弯构件，应将非预应力钢筋布置靠近截面受拉边缘并且有足够的满足规范要求的混凝土保护层厚度，

21、而将无粘结预应力钢筋布置在非预应力钢筋位置的上方，即使得 ，以增大无粘结预应力筋的混凝土保护层厚度，而且一旦裂缝出现，可由非预应力钢筋控制裂缝宽度。非预应力钢筋的最小数量，应满足：而 的取用值不得大于400MPa。为了保证无粘结预应力混凝土梁的耐久性，首先需要保证无粘结预应力钢筋在构件使用中不锈蚀。因此，必须沿预应力钢筋全长的表面上涂刷防腐蚀材料。防腐处理的方法可采涂沥青、沥青玛蹄脂、黄油石蜡等材料。目前，工厂生产的无粘结预应力钢筋，多采用化学稳定性好，对周围外包层及 15.415.4无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造混凝土无腐蚀作用、防水性能优良、润滑性

22、能好的专用油脂来处理。在施工中，对涂刷的材料层应特别加以保护，例如可以采用外加塑料套管、或缠绕防水塑料纸袋等，并保证形成保护层与预应力钢筋间有一定的空隙，使无粘结预应力钢筋能相对滑动。无粘结预应力钢筋的锚具，必须按照“预应力筋用锚具、夹具和连接器”（GB/T-14370-93）的规定程序进行试验验收，合格者方可使用。结构上的锚具应采取可靠的长期防腐蚀保护措施，可采用后浇混凝土封闭等的方法。15.415.4无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造例例15-1 15-1 无粘结部分预应力混凝土矩形截面梁，其截面尺寸为 （图15-7），无粘结预应力钢筋采用钢绞 线 ，

23、面积 ；非预应力钢筋采用HRB335 钢筋，的面积 ；混凝土 。无粘结预应 力钢筋的有效预应力为 。梁计算跨径为8m，全长为8.5m。构件处于一般大气环境中，结构重要性等级 为二级。梁跨中截面作用的弯矩为：梁恒载产生的弯矩 ，二期恒载产生的弯矩 ；汽车 荷载产生的弯矩 。试进行该梁的正截面承载 能力计算。解：根据公路桥规规定，梁跨中截面按承载能力极限状态设计时作用效应值基本组合值计算为 15.415.4无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造无粘结部分预应力混凝土受弯构件的构造结构重要性等级系数取 1.0（1）无粘结预应力钢筋的极限拉应力。现采用部分预应力混凝土结构建议的方法进行计算。由图15-7

24、所示截面布置的 ，可求得 ，则 而综合配筋指标 按式（15-2）计算，即 得由 及 ，查表15-1得到应力增量由式（15-3）可求得无粘结预应力钢筋的极限拉应力（）为而 符合非预应力钢筋最小含量要求。(2)求截面受压高度 由式（15-5），可得到 （按建议的延性要求）（按公路桥规要求）满足要求。（3）正截面承载力复核由式（15-7）可得到 则截面有效高度 。由式（15-6）可求得梁跨中截面的抗弯承载能力为满足设计要求。复习思考题与习题复习思考题与习题纯无粘结预应力混凝土梁相比有粘结梁而言，受力性能上有何明显不同，可采用什么措施进行改进？无粘结预应力混凝土梁载进行截面承载力计算时，其预应力钢筋的应力如何取值，为什么？普通非预应力钢筋对于改善无粘结预应力混凝土梁的力学性能有何作用？