预应力混凝土的原理及计算规定.ppt
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1、预应力混凝土的原理预应力混凝土的原理及计算规定及计算规定 预应力混凝土结构的原理及计算规定 产生上述问题原因主要是因为产生上述问题原因主要是因为混凝土的抗拉强度太低混凝土的抗拉强度太低,导致,导致受拉区混凝土过早开裂,截面抗弯刚度显著降低。受拉区混凝土过早开裂,截面抗弯刚度显著降低。钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时,如为增加刚度而加大截钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时,如为增加刚度而加大截面尺寸,会导致自重进一步增大,面尺寸,会导致自重进一步增大,形成恶性循环形成恶性循环。如增加钢筋来提高刚度,则钢材的强度得不到充分利用,造如增加钢筋来提高刚度,则钢材的强度得不到充分利用,造成浪费。成浪费。采用高
2、强钢筋,按正截面承载力要求可减少配筋,截面抗弯采用高强钢筋,按正截面承载力要求可减少配筋,截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低,故刚度基本与配筋面积成比例降低,故挠度变形控制挠度变形控制难以满足。难以满足。裂缝宽度与钢筋应力基本成正比裂缝宽度与钢筋应力基本成正比,一般,一般Ms=(0.60.8)My,如如配筋按正截面承载力计算,配筋按正截面承载力计算,Ms下下 ss=(0.50.7)fy。对于对于级钢级钢筋,筋,fy=300MPa,ss=150210MPa,裂缝宽度已达裂缝宽度已达(0.15 0.25)mm。如采用。如采用级高强钢筋,级高强钢筋,fy=580MPa,则则 ss=290 406
3、MPa,裂缝宽度已远远超过容许限值。裂缝宽度已远远超过容许限值。预应力混凝土结构的原理及计算规定二、预应力的基本概念二、预应力的基本概念 预应力混凝土结构的原理及计算规定由于预加应力由于预加应力 pc较大,受拉较大,受拉边缘仍处于受压状态,边缘仍处于受压状态,不会不会出现开裂;出现开裂;受拉边缘应力虽然受拉,但拉应力小于混受拉边缘应力虽然受拉,但拉应力小于混凝土的抗拉强度,凝土的抗拉强度,一般不会出现开裂;一般不会出现开裂;受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度,虽然会产受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度,虽然会产生裂缝,但比钢筋混凝土构件(生裂缝,但比钢筋混凝土构件(Np=0)的的开裂明开裂明显推迟
4、显推迟,裂缝宽度也显著减小裂缝宽度也显著减小。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定10.2 施加预应力的方法先张法先张法第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定后张法后张法(Pretension)第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定后张法后张法Post-tension第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定无粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土锚具的可靠性高强钢丝的可靠度一定要有非预应力筋第
5、十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定10.3 预应力混凝土的基本受力分析一、截面应力计算一、截面应力计算二、截面受力特点二、截面受力特点受荷以前受荷以后第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定预应力混凝土受弯构件是预应力混凝土受弯构件是依靠内力臂的变化依靠内力臂的变化来抵抗外来抵抗外弯矩的作用,在受力过程中预应力筋一直承受较大的弯矩的作用,在受力过程中预应力筋一直承受较大的拉力拉力Np,而截面混凝土则一直主要承受压力而截面混凝土则一直主要承受压力C。钢筋混凝土受弯构件开裂后,钢筋混凝土受弯构件开裂后,内力臂基本保持不变内力臂基本保持不变,而钢筋拉力而钢
6、筋拉力T和压区混凝土的压力和压区混凝土的压力C随弯矩增长而不断随弯矩增长而不断增大。增大。预应力混凝土的这种受力特点,充分利用了钢筋抗拉预应力混凝土的这种受力特点,充分利用了钢筋抗拉强度和混凝土抗压强度高特性,可以使得高强度材料强度和混凝土抗压强度高特性,可以使得高强度材料强度高的性能得以发挥。强度高的性能得以发挥。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定三、平衡荷载概念三、平衡荷载概念取第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定r当当w=gk时时,曲线预应力筋对混,曲线预应力筋对混凝土产生横向分布压力凝土产生横向分布压力恰好抵恰好抵消消梁均布恒荷载梁均布恒荷载gk。按这种方法设计的预应力混凝按
7、这种方法设计的预应力混凝土结构称为平衡荷载法。土结构称为平衡荷载法。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定10.4 预应力混凝土的材料及锚夹具一、预应力钢筋一、预应力钢筋 预应力钢筋的强度越高越好预应力钢筋的强度越高越好。而且在预应力混凝土制作和使用过程中,由于种种原因,预而且在预应力混凝土制作和使用过程中,由于种种原因,预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失,因此,为使得扣除应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失,因此,为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力,应力损失后仍具有较高的张拉应力,也必须使用高强钢筋(丝)也必须使用高强钢筋(丝)作预应力筋作预应力筋。为避免在超载情况下发生脆性破断
8、,预应力筋还必须为避免在超载情况下发生脆性破断,预应力筋还必须具有一具有一定的塑性定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能,以满足对钢筋焊。同时还要求具有良好的加工性能,以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。接、镦粗的加工要求。对钢丝类预应力筋,还要求具有对钢丝类预应力筋,还要求具有低松弛性低松弛性和与混凝土良好的和与混凝土良好的粘结性能,通常采用粘结性能,通常采用刻痕刻痕或或压波压波方法来提高与混凝土方法来提高与混凝土粘结强度。粘结强度。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定1、冷拉低合金钢筋、冷拉低合金钢筋 通常将通常将级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋,抗拉强度可级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋,
9、抗拉强度可达达580MPa。为解决粗直径钢筋的连接问题,钢筋表面轧制成不带纵向为解决粗直径钢筋的连接问题,钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹,可用套筒直接连接。肋的精制螺纹,可用套筒直接连接。但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产,这种预应力但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产,这种预应力筋的应用已很少。筋的应用已很少。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定2、中高强钢丝、中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条,经过几次冷拔后得到。中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条,经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为中强钢丝的为8001200MPa,高强钢丝的强度为高强钢丝的强度为14701860MPa。钢丝
10、直径为钢丝直径为39mm。为增加与混凝土粘结强度,钢丝表面可采用为增加与混凝土粘结强度,钢丝表面可采用刻痕刻痕或或压波压波,也可制成螺旋肋。,也可制成螺旋肋。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定刻痕钢丝螺旋肋钢丝第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定消除应力钢丝:消除应力钢丝:钢丝经冷拔后,存在有较大的内应力,一般钢丝经冷拔后,存在有较大的内应力,一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高,例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高,塑性也有所改善。塑性也有所改
11、善。3、钢绞线、钢绞线 钢绞线是用钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋,股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋,其中以其中以7股钢绞线应用最多股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为股钢绞线的公称直径为9.515.2 mm,通常用于无粘结预应力筋,强度可高达,通常用于无粘结预应力筋,强度可高达1860MPa。2股和股和3股钢绞线用途不广,仅用于某些先张法构件,以提高与混凝土的股钢绞线用途不广,仅用于某些先张法构件,以提高与混凝土的粘结强度。粘结强度。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定无粘结预应力束无粘结预应力束4、热处理钢筋、热处理钢筋 用热轧中碳低合金钢经过调质热处理
12、后制成的高强度钢筋,直用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋,直径为径为610mm,抗拉强度为抗拉强度为1470MPa。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定除冷拉低合金钢筋外,其余预除冷拉低合金钢筋外,其余预应力筋的应力应力筋的应力-应变曲线均无明应变曲线均无明显屈服点,采用残余应变为显屈服点,采用残余应变为0.2%的的条件屈服点条件屈服点作为抗拉强作为抗拉强度设计指标。度设计指标。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定二、混凝土二、混凝土预应力混凝土要求采用高强混凝土预应力混凝土要求采用高强混凝土可以施加较大的预压应力,提高预应力效率;可以施加较大的预压应力,提高预应力效率
13、;有利于减小构件截面尺寸,以适用大跨度的要求;有利于减小构件截面尺寸,以适用大跨度的要求;具有较高的弹性模量,有利于提高截面抗弯刚度,减少预压时具有较高的弹性模量,有利于提高截面抗弯刚度,减少预压时的弹性回缩;的弹性回缩;徐变较小,有利于减少徐变引起的预应力损失;徐变较小,有利于减少徐变引起的预应力损失;与钢筋有较大粘结强度,减少先张法预应力筋的应力传递长度;与钢筋有较大粘结强度,减少先张法预应力筋的应力传递长度;有利于提高局部承压能力,便于后张锚具的布置和减小锚具垫有利于提高局部承压能力,便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸;板的尺寸;强度早期发展较快,可较早施加预应力,加快施工速度,提高
14、强度早期发展较快,可较早施加预应力,加快施工速度,提高台座、模具、夹具的周转率,降低间接费用台座、模具、夹具的周转率,降低间接费用 一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30,当采用高,当采用高强钢丝时不低于强钢丝时不低于C40。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定三、三、锚具和夹具锚具和夹具第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定 第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定夹片式锚具夹片式锚具第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及
15、计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定10.5 10.5 张拉控制应力和预应力损失张拉控制应力和预应力损失 在张拉预应力筋对构件施加预应力时,张拉设备(千斤顶油在张拉预应力筋对构件施加预应力时,张拉设备(千斤顶油压表)所控制的压表)所控制的总张拉力总张拉力Np,con除以预应力筋面积除以预应力筋面积Ap得到的应得到的应力称为力称为张拉控制应力张拉控制应力 con。它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。张拉控制应力张拉控制应力 con取值越高,预应力筋对混凝土的预压作用越取值越高,预应力筋对混凝土的预压作用越大,可以使预应力筋充分发
16、挥作用。大,可以使预应力筋充分发挥作用。但但 con取值过高,可能会在张拉时引起破断事故,产生过大应取值过高,可能会在张拉时引起破断事故,产生过大应力松弛。力松弛。因此,规范规定了张拉控制应力限值因此,规范规定了张拉控制应力限值 con。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定 因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的,同时张拉因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的,同时张拉预应力筋也是对它进行的一次检验,所以表中预应力筋也是对它进行的一次检验,所以表中 con是以预应力是以预应力筋的标准强度给出的,且筋的标准强度给出的,且 con可不受抗拉强度设计值的限制可不受抗拉强度设计值的限制。在
17、下列情况下,在下列情况下,con可提高可提高0.05 fptk:为提高构件在施工阶段的抗裂性能,而在使用阶段受压区内为提高构件在施工阶段的抗裂性能,而在使用阶段受压区内设置的预应力筋;设置的预应力筋;为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损失。失。为避免为避免 con的取值过低,影响预应力筋充分发挥作用,规范的取值过低,影响预应力筋充分发挥作用,规范规定规定 con不应小于不应小于0.4 fptk。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定二、预应力损失二、预应力损失 预应力筋张拉后,由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上预应力筋张拉
18、后,由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因,原因,预应力筋中应力会从预应力筋中应力会从 con逐步减少逐步减少,并经过相当长的,并经过相当长的时间才会最终稳定下来,这种应力降低现象称为预应力损失。时间才会最终稳定下来,这种应力降低现象称为预应力损失。由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此,预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个因此,预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。关键的问题。过高或过低估计预应力损失,都会对结构的使用性能产生不过高或过低估计预应力损失,都会对结构的使用性能产生不利影响。利影
19、响。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定10.5 张拉控制应力和预应力损失 由于预应力的通过张拉预应力筋得到,由于预应力的通过张拉预应力筋得到,凡是能使预应力筋凡是能使预应力筋产生缩短的因素,都将引起预应力损失产生缩短的因素,都将引起预应力损失,主要有:主要有:锚固损失:锚固损失:锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移 摩擦损失:摩擦损失:在预应力筋张拉过程中,后张法在预应力筋张拉过程中,后张法预应力筋与孔道预应力筋与孔道壁之间的摩擦壁之间的摩擦,先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的,先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦
20、,也会使张拉应力造成损失。摩擦,也会使张拉应力造成损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失混凝土的收缩和徐变引起的损失 松弛损失松弛损失:长度不变的预应力筋,在高应力的长期作用下会:长度不变的预应力筋,在高应力的长期作用下会产生产生松弛松弛,会引起预应力损失。,会引起预应力损失。温差损失:温差损失:先张法中的先张法中的热养护引起的温差损失热养护引起的温差损失 弹性压缩损失:弹性压缩损失:混凝土弹性压缩,后张法中后拉束对先张拉混凝土弹性压缩,后张法中后拉束对先张拉束造成的压缩变形而产生束造成的压缩变形而产生分批张拉损失分批张拉损失等。等。1 1、锚固损失、锚固损失 l1 预应力筋张拉后锚固时,由于锚具
21、受力后变形、垫板缝隙的挤预应力筋张拉后锚固时,由于锚具受力后变形、垫板缝隙的挤紧以及钢筋在锚具种的内缩引起的预应力损失记为紧以及钢筋在锚具种的内缩引起的预应力损失记为 l1。对直线预应力筋,对直线预应力筋,第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定2 2、摩擦损失、摩擦损失 l2 摩擦损失是指在摩擦损失是指在后张法后张法张拉钢筋时,由于预应力筋与周围接张拉钢筋时,由于预应力筋与周围接触的混凝土或套管之间存在摩擦,引起预应力筋应力随距张拉触的混凝土或套管之间存在摩擦,引起预应力筋应力随距张拉端距离的增加而逐渐减少的现象。端距离的增加而逐渐减少的现象。直线预应力筋曲线预应力筋第十章 预应力混凝土结构
22、的原理及计算规定取取dx=rdq q,Np=pAp第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定q q 为张拉端与计算截面曲线部为张拉端与计算截面曲线部分的切线夹角(分的切线夹角(rad)设该夹角很小,可近似取张拉设该夹角很小,可近似取张拉端到计算截面的距离端到计算截面的距离 x=rq q,则摩擦损失则摩擦损失 l2为,为,若若第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定 对于曲线预应力筋张拉锚固时,由于锚具变形和钢筋内缩对于曲线预应力筋张拉锚固时,由于锚具变形和钢筋内缩a(mm),使预应力筋有回缩的趋势,从而产生使预应力筋有回缩的趋势,从而产生反向摩擦力反向摩擦
23、力以阻以阻止其内缩。止其内缩。反向摩擦力只在一定的影响长度反向摩擦力只在一定的影响长度lf(m)内发生,内发生,即在距张拉端即在距张拉端lf处,预应力筋的内缩值为零。处,预应力筋的内缩值为零。第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定设反向摩擦和正向摩擦相同设反向摩擦和正向摩擦相同D D=2 l2内缩值内缩值第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定设反向摩擦和正向摩擦相同设反向摩擦和正向摩擦相同D D=2 l2一端张拉一端张拉两端张拉两端张拉超张拉超张拉减少摩擦损失的措施第十章 预应力混凝土结构的原理及计算规定3 3、热养护损失、热养护损失 l3 为缩短先
24、张法构件的生产周期,常采用蒸汽养护加快混凝土为缩短先张法构件的生产周期,常采用蒸汽养护加快混凝土的凝结硬化。的凝结硬化。升温时升温时,新浇混凝土尚未结硬新浇混凝土尚未结硬,钢筋受热膨胀,但张拉预应力,钢筋受热膨胀,但张拉预应力筋的台座是固定不动的,亦即钢筋长度不变,因此预应力筋中筋的台座是固定不动的,亦即钢筋长度不变,因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低,产生预应力损失的应力随温度的增高而降低,产生预应力损失 l3。降温时降温时,混凝土达到了一定的强度,与预应力筋之间已具有粘,混凝土达到了一定的强度,与预应力筋之间已具有粘结作用,结作用,两者共同回缩,两者共同回缩,已产生预应力损失已产生预应
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