预应力混凝土构.pptx

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1、1 混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低。其抗拉强度只有抗压强度的1/101/101/181/18，极限拉应变 仅 为 0.00010.0001 0.000150.00015，即 每 米 只 能 拉 长0.10.15mm0.10.15mm，超过后就会出现裂缝。而钢筋达到屈服强度时的应变却要大得多，约为0.00050.00050.00150.0015，如HPB235HPB235级钢筋就达110110-3-3。对使用上不允许开裂的构件，受拉钢筋的应力只能用到2030N/mm2030N/mm2 2，不能充分利用其强度。对于允许开裂的构件，当受拉钢筋应力达到250N/mm250N/mm2 2时，裂缝宽度

2、已达0.20.3mm.0.20.3mm.。第1页/共64页2 在构件承受外荷载之前，人为地预先通过张拉钢筋对结构使用阶段产生拉应力的混凝土区域施加压力，构件承受外荷载后，此项预压应力将抵消一部分或全部由外荷载所引起的拉应力；从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展。用人工方法预先使构件截面中产生预压应力的混凝土构件称为预应力混凝土构件.因而，钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能发挥其作用的。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也不大。第2页/共64页3预加压力在梁底部产生的压应力外加荷载产生的弯矩M在梁底部产生的拉应力预加偏心压力 和弯矩M叠加，在梁底部产生的拉应力第3页/共

3、64页4由于预加应力s spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。第4页/共64页5 由于采用了高强度混凝土和钢筋，从而节省材料和减轻结构自重，因此适用于跨度大或承受重型荷载的构件；提高了构件的刚度，减少构件的变形，因此适用于对构件的刚度和变形控制较高的结构构件；提高了结构或构件的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。预应力混凝土结构的缺点是需要增设施加预应力的设备，制作技术要求较高，施工周期较长。预应力混凝土结

4、构与普通混凝土结构相比,其主要优点是：提高构件的抗裂度，改善了构件的受力性能。因此适用于对裂缝要求严格的结构；第5页/共64页6 先张法：先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递。10.1.2 10.1.2 施加预应力的方法先张法的张拉台座设备第6页/共64页7第7页/共64页8先张法先张法预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。优点：用长线台座，批量生产，效率高；施工简单。缺点：需要专门台座，基建投资较大；施加的预应力较小，用于中小构件。主要工艺过程是：穿钢筋张拉钢筋浇筑混凝土并进行养护切断钢筋。第8页/共64页9第9页/共64

5、页10锚 具（一）第10页/共64页11锚具（二）第11页/共64页12后张法：后张法就是在混凝土结硬后再张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递。第12页/共64页13主要工艺过程：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道）并进行养护穿预应力钢筋张拉钢筋并用锚具锚固往孔道内压力灌浆第13页/共64页14后张法后张法主要工艺过程：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道）并进行养护穿预应力钢筋张拉钢筋并用锚具锚固往孔道内压力灌浆第14页/共64页15主要优点：预应力钢筋直接在构件上张拉，不需要张拉台座，所以后张法构件既可以在预制厂生产，也可在施工现场生产。大型构件在现场生产可以避免长

6、途搬运，故我国大型预应力混凝土构件主要采用后张法。主要缺点：生产周期较长；需要利用工作锚锚固钢筋，钢材消耗较多，成本较高；工序多，操作较复杂，造价一般高于先张法。第15页/共64页16（1）预应力混凝土结构对钢筋的要求 高强度 预应力混凝土构件在制作和使用过程中，由于种种原因，会出现各种预应力损失，为了在扣除预应力损失后，仍然能使混凝土建立起较高的预应力值，需采用较高的张拉应力，因此预应力钢筋必须采用高强钢筋（丝）；具有一定的塑性 为防止发生脆性破坏，要求预应方钢筋在拉断时，具有一定的伸长率；良好的加工性能 即要求钢筋有良好的可焊性，以及钢筋“镦粗”后并不影响原来的物理性能；10.1.3 10

7、.1.3 预应力混凝土结构对材料的要求 与混凝土之间有较好的粘结强度.先张法构件的预应力传递是靠钢筋和混凝土之间的黏结力完成的，因此需要有足够的黏结强度。第16页/共64页17 （2）预应力混凝土结构对混凝土的要求 强度高 预应力混凝土只有采用较高强度的混凝土，才能建立起较高的预压应力，并可减少构件截面尺寸，减轻结构自重。对先张法构件，采用较高强度的混凝土可以提高黏结强度，对后张法构件，则可承受构件端部强大的预压力；收缩、徐变小 这样可以减少由于收缩、徐变引起的预应力损失；快硬、早强 这样可以尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率，以利加快施工进度，降低间接费用。第17页/共64页18

8、10.1.4 10.1.4 张拉控制应力 con 张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值，其值为张拉设备所指示的总的张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值,用con表示。从充分发挥预应力优点的角度考虑，张拉控制应力宜尽可能地定得高一些，con定得高，形成的有效预压应力高，构件的抗裂性能好，且可以节约钢材，但如果控制应力过高，会出现以下问题：第18页/共64页19 con越高，构件的开裂荷载与极限荷载越接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力甚至开裂，对后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏。为了减少预应力损失，往往需对钢筋进行超张拉，由

9、于钢材材质的不均匀，可能使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度，而使钢筋产生较大塑性变形或脆断，使施加的预应力达不到预期效果。使预应力损失增大。con也不能定得过低，它应有下限值。否则预应力钢筋在经历各种预应力损失后，对混凝土产生的预压应力过小，达不到预期的抗裂效果。第19页/共64页20 先张法构件的con值适当高于后张法构件，原因在于先张法的张拉力是由台座承受，预应力钢筋受到实足的张拉力，当放松钢筋时，混凝土受到压缩，钢筋随之缩短，从而使预应力钢筋中的应力有所降低，而后张法的张拉力是由构件承受，构件受压后立即缩短，所以张拉设备所指示的控制应力是已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力，为了使两种方法

10、所得预应力保持在相同水平，故后张法的con应适当低于先张法。冷拉热轧钢筋塑性较好，有明显的流幅，以屈服强度作为标准值，故con定得高，冷拔低碳钢丝、钢绞线、热处理钢筋属于无明显流幅的钢筋，塑性差，且以极限抗拉强度作为标准值，故con定得低。预应力钢筋的张拉应力必须加以控制。张拉控制应力大小的确定与预应力钢筋的品种和施加预应力的方法有关。第20页/共64页21规范规定了张拉控制应力限值s scon 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s scon是以预应力筋的标准强度给出的，且s scon可不受抗拉强度设计值的限制。第21页/共64页22注

11、：下列情况，表中数值可提高0.05 fptk；要求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；要求部分抵消由于应力松驰、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差因素产生的预应力损失。为避免s scon的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，规范规定s scon不应小于0.4 fptk。第22页/共64页2310.2 10.2 预应力损失 由于张拉工艺和材料特性等原因，使预应力构件从开始张拉至构件使用，预应力钢筋的张拉控制应力将不断降低，这种预应力降低的现象称为预应力损失。预应力损失包括以下6项：10.2.1 锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1 当为直线型预应力

12、钢筋时 式中 a张拉端锚具变形和钢筋回缩值；l张拉端至锚固端之间的距离。第23页/共64页24第24页/共64页25先张法先张法后张法后张法发生发生l1损失损失发生发生l1损失损失第25页/共64页26 当为曲线型预应力钢筋时，由于钢筋回缩受到曲线型孔道反向摩擦力的影响，l1要降低,而且构件各截面所产生的损失值不尽相同，离张拉端越远，其值越小。至离张拉端某一距离lf，预应力损失l1降为零，此距离为反向摩擦影响长度。减少此项损失的措施有：选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具，尽量减少垫板数；对先张法构件，选择长台座。第26页/共64页2710.2.2 10.2.2 预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的

13、预应力损失 l2式中 k考虑孔道局部偏差对摩擦影响的系数：x张拉端至计算截面的孔道长度，可近似取该孔道在纵轴上的投影长度，预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数，从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线当的夹角（以弧度计）。第27页/共64页28 减少该项损失，可采取以下措施：对较长的构件可在两端进行张拉；采用超张拉，张拉程序可采用：当第一次张拉至1.1con时，预应力钢筋应力沿EHD分布，当张拉应力降至0.85con，由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响，预应力沿FGHD分布，当再张拉至con时，钢筋应力沿CFGHD分布，可见，超张拉钢筋中的应力比一次张拉至con的应力分布均匀，预应力损失要小一些。第28

14、页/共64页2910.2.3 10.2.3 热养护损失热养护损失s sl3 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。升温时，新浇混凝土尚未结硬，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，因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低，产生预应力损失s sl3。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结作用，两者共同回缩，已产生预应力损失s sl3无法恢复。设养护升温后，预应力筋与台座的温差为D D t，取钢筋的温度膨胀系数为110-5/，则有，第29页/共64页30减少此项损失的措施有：采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土强度等级达到C

15、7.5C10，再逐渐升温至规定的养护温度，这时可认为钢筋与混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不引起预应力损失;在钢模上张拉预应力钢筋。由于钢模和构件一起加热养护，升温时两者温度相同，可不考虑此项损失。第30页/共64页3110.2.4 10.2.4 预应力钢筋松弛损失预应力钢筋松弛损失s sl4 钢筋在高应力长期作用下具有随时间增长产生塑性变形的性质。在长度保持不变的条件下，应力值随时间增长而逐渐降低，这种现象称为松弛。应力松弛与初始应力水平和作用时间长短有关。根据应力松弛的长期试验结果，规范取普通预应力钢丝和钢绞线：为超张拉系数:一次张拉时，取=1；超张拉时，取=0.9。当s scon0.5f

16、ptk时，可不考虑应力松弛损失，即取s sl4=0。第31页/共64页32 采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张拉程序为:因为在较高应力下持荷两分钟所产生的松弛损失与在较低应力下经过较长时间才能完成的松弛损失大体相当，所以经过超张拉后再张拉至con时，一部分松弛损失已完成。10.2.5 混凝土的收缩徐变引起的预应力损失l5 混凝土结硬时产生体积收缩，在预压力作用作用下，混凝土会发生徐变，这都会使构件缩短，构件中的预应力钢筋跟着回缩，造成预应力损失。第32页/共64页33先张法构件 后张法构件 式中 pc,pc分别为完成第一批预应力损失 后受拉区、受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向压应力；f

17、cucu施加预应力时混凝土的实际立方体抗压强度。一般fcucu不等于构件混凝土的立方体强度fcu cu，但要求 fcucu0.75 0.75 fcucu；第33页/共64页34 ，受拉区、受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率。先张法构件 后张法构件 式中 Ap,Ap分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积，对称配筋的构件，取，此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算；A A0 0 ,A An n分别为混凝土换算截面积、净截面面积。第34页/共64页35 后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小，原因是后张法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已完成一部分。以上公式适用于一般相对湿度环境，高湿度环境下，

18、l5，l5应降低，反之则增加。减少此项损失的措施有：采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比；采用级配良好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；加强养护，以减少混凝土的收缩，控制混凝土应力pc，要求 ,以防止发生非线性徐变。第35页/共64页3610.2.6 用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6 仅后张法有这项损失。当d3m，l6=30MPa，当d3m，不考虑该项损失。此处d为环形构件的直径。10.2.7 预应力损失值的组合 为了计算方便，规范把预应力损失分为两批，混凝土受预压前产生的预应力损失为第一批预应力损失l，而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批

19、预应力损失l 。各阶段预应力损失值的组合 预应力损失值的组合 先张法构件 后张法构件 混凝土预压前（第一批）的损失l l1+l2+l3+l4 l1+l2 混凝土预压后（第二批）的损失 l l5 l4+l5+l6 第36页/共64页37第37页/共64页3810.3 10.3 后张法预应力混凝土轴心受拉构件 预应力混凝土轴心受拉构件从张拉钢筋开始直至构件破坏，截面中钢筋和混凝土应力的变化分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。每个阶段又包括了若干特征受力过程。在设计时,除应进行荷载作用下的承载力计算、抗裂度和裂缝宽度验算外，还要对各个受力过程的承载力和抗裂度进行验算。第38页/共64页39 10.3.

20、1 后张法轴心受拉构件在施工阶段的应力变化 1）在施工阶段，构件截面没有开裂，可以把预应力混凝土视作弹性材料，因而可以用材料力学的分析方法对构件截面的应力进行计算，在使用阶段构件开裂前，材料力学的方法仍然适用。此时预应力混凝土构件可看做承受两个力系，一个是由外荷载所产生，另一个是把全部预应力钢筋的合力看作反向作用在构件上的外力所产生。2）抓住施工中的特征受力状态，搞清各个状态已经发生的预应力损失，以及与该状态相应的混凝土强度。第39页/共64页40 养护至张拉钢筋前，截面中无任何应力。1.浇灌混凝土N预应力筋的应力2.张拉应力为con时混凝土应力普通钢筋的应力第40页/共64页41N即平衡方程

21、得:An为构件的净面积在张拉端,l2=0,pc最大:此式可作为施工阶段承载力验算的依据第41页/共64页42N预应力筋的应力3.完成第一批预应力损失时混凝土应力普通钢筋的应力张拉完毕,锚固预应力筋,即完成第一批应力损失.即平衡方程得:pcI用来计算l5第42页/共64页43N预应力筋的应力4.完成第二批预应力损失时混凝土应力普通钢筋的应力钢筋松驰混凝土收缩徐变即平衡方程得:pcII 即为后张法构件中最终建立的混凝土有效预压应力。第43页/共64页4424m屋架预应力混凝土下弦拉杆如图,后张法,一端张拉.孔道直径50mm,预埋波纹管成孔.每个孔道配3根直径15的普通松驰钢铰线,预应力筋总面积Ap

22、=840mm2,fptk=1570N/mm2,非预应力筋用4根HRB335钢筋,总面积As=452mm2.采用夹片式锚具,张拉控制应力0.65fptk。混凝土为C40,达到混凝土强度时施加预应力,即fcu=40N/mm2.确定各项预应力损失并组合.第44页/共64页451.消压状态预应力筋的应力普通钢筋的应力N0消压轴力10.3.2 使用阶段混凝土应力第45页/共64页462.开裂轴力当 时，混凝土即将开裂预应力筋的应力得开裂轴力普通钢筋的应力Ncr平衡条件第46页/共64页473.开裂后：NNcr，在裂缝截面轴力全部由钢筋承担，即 4.极限轴力：当预应力筋和非预应力筋的应力达到抗拉强度时，相

23、应的轴力为极限轴力5.后张法中用到的几个面积符号净截面面积换算截面面积混凝土截面面积Nu是使用阶段对构件进行承载能力极限状态计算的依据.第47页/共64页48第48页/共64页49v预应力混凝土构件与钢筋混凝土构件相比较：预应力混凝土构件与普通钢筋混凝土构件在施工阶段，二者钢筋和混凝土两种材料所处的应力状态不同，普通钢筋混凝土构件中，钢筋和混凝土均处于零应力状态，而预应力混凝土构件中，钢筋和混凝土均有初应力，其中钢筋处于拉应力状态，混凝土处于受压状态，一旦预压应力被抵消，预应力混凝土和普通钢筋混凝土之间没有本质的不同。预应力混凝土构件出现裂缝比普通钢筋混凝土构件迟得多，但裂缝出现的荷载与破坏荷

24、载比较接近。预应力混凝土构件与条件相同的未加预应力的钢筋混凝土构件承载能力相同，故预加应力能推迟裂缝出现，但不能提高承载能力。第49页/共64页50 10.4 后张法预应力混凝土轴心受拉构件在使用阶段的计算 使用阶段的计算内容包括：正截面强度计算、抗裂度验算、裂缝宽度验算、端部锚固区局压验算等。式中 Nu 结构重要性系数；预应力钢筋抗拉强度设计值。10.4.1 构件截面承载力计算第50页/共64页511 1、对严格要求不出现裂缝的构件（一级构件）10.4.2 构件抗裂验算如果轴力标准值不超过开裂轴力，那么就不会开裂。即也即 实际预应力构件因功能要求、环境条件不同，需要不同的抗裂安全储备，规范采

25、用三个裂缝控制等级进行验算。第51页/共64页522 2、对一般要求不出现裂缝的构件（二级构件）荷载效应的标准组合、准永久组合下构件抗裂验算边缘的混凝土法向应力；式中：在荷载效应的标准组合下满足：在荷载效应的准永久组合下满足：第52页/共64页53 按荷载效应的标准组合，并考虑长期作用的影响，计算的最大裂缝宽度应满足：其中sk为按荷载效应标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋的等效应力：3 3、对允许出现裂缝的构件（三级构件）式中 混凝土法向应力为零时，全部预应力钢筋和非预应力钢筋的合力。第53页/共64页54 式中，有效受拉混凝土截面面积 ,对先张法构件取构件截面面积，对后张法构件取扣除

26、孔道后的构件截面面积。第54页/共64页55 10.5 后张法轴拉构件施工阶段验算 后张法预应力混凝土构件在张拉预应力钢筋完毕（时，混凝土受到的预压应力最大，而这时混凝土的强度通常仅达到设计强度的75，构件承载力和端部锚固区局部受压承载力是否足够，应予验算。10.5.1 张拉预应力钢筋时构件承载力验算 式中 张拉完毕时混凝土所受的 预压应力；张拉完毕时混凝土的轴心抗压强度设计值。第55页/共64页56 后张法构件按不考虑损失计算，即 第56页/共64页57 后张法构件张拉预应力时，锚具下有较大的局部压应力，要经过一段距离才能扩散的较大的混凝土受力面积上。在局部受压区域，除正压应力外s sx外，

27、还存在横向应力s sy和s sz，处于三向应力状态。在锚具垫板附近，横向应力s sy和s sz为压应力，而距构件端部一定距离后，横向应力s sy和s sz为则拉应力。当拉应力超过ft时，将出现纵向裂缝，导致局部受压破坏。10.5.2 后张法构件端部锚固区局部受压验算第57页/共64页58为提高局部抗压承载力，需在局部受压区内配置横向钢筋网或螺旋钢筋等间接钢筋。但当局部压应力过大，间接钢筋配置过多时，会产生过大的局部下陷变形，使预应力失效。Aln扣除孔道面积的混凝土局部受压净面积，可按沿锚具边缘在垫板中以 45角扩散后传到混凝土的受压面积计算；Al为混凝土局部受压面积；Ab为局部受压的底面积，可

28、根据局部受压面积与计算底面积同心、对称的原则按图取值。b bl 局压强度提高系数。为避免孔道愈大，b bl 愈高的不合理现象，计算b bl 时，Al和Ab均不扣除孔道面积。b bc混凝土强度影响系数，见P81式5-171、端部受压截面尺寸验算规范规定局部受压面积应满足第58页/共64页59第59页/共64页602、局部受压承载力计算采用方格网时，采用螺旋配筋时，a a是间接钢筋对混凝土约束的折减系数,见p293表9-7第60页/共64页61因此需进行锚具下混凝土的抗裂度和强度的验算。锚固区抗裂度主要取决于垫板与构件的端部尺寸，端部截面局部承压强度则通过配置间接钢筋来满足。式中 Fl 局部受压面

29、上作用的局部压力设计值；、端部受压截面尺寸验算：局部受压区截面尺寸应符合下列要求。A Aln 混凝土局部受压净面积，应在中扣孔道、凹槽部分面积；c 混凝土强度的影响系数；l 混凝土局部受压承载力强度的提高系数；Al 混凝土局部承压面积。当有垫板时；可考 虑预压力沿锚具垫圈边缘在垫板中按45450扩散后传至混凝土的受压面积；第61页/共64页62fc 张拉时混凝土的轴心抗压强度设计值。Ab 局部受压时的计算底面积，按与局部承压面积“同心、对称”原则确定。、局部受压承载力计算式中 cor 配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数，A Acorcor 钢筋网或螺旋筋以内的混凝土核芯面积，重心应与 Al的重心重合，且满足 ApAcorAl；第62页/共64页63 v v 间接钢筋的体积配筋率，要求0.5。当为方格网配筋时 当为螺旋式配筋时 式中 l1，l2 钢筋网两个方向长度，l1 l2；n1，As1 l1方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积；n2，As2 l2方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积；s 方格网或螺旋筋的间距；Ass1螺旋式单根间接钢筋的截面面积；dcor螺旋钢筋范围以内的混凝土直径。第63页/共64页64谢谢您的观看！第64页/共64页