预应力混凝土结构的原理

1、第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 内容提要内容提要 1、预应力的概念（1）预应力：受荷载前预先对混凝土施加（压）应力（2）工作原理：预压力可减少甚至抵消荷载产生的拉力 2 施加预应力的目的（1）将混凝土变成弹性材料预应力是改变混凝土性能的手段无裂缝混凝土可用材料力学方法（2）利于使用高强钢材极限状态：承载力、裂缝、挠度问题：钢筋混凝土结构不能充分利用高强钢筋！（3）预加应力的目的是荷载平衡 预先施加与使用相反的荷载，抵消部分或全部外荷载 预压力作用下(a)外荷载作用下(b)预压力与外荷载共同作用(c)第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理

2、一、预应力混凝土的基本概念一、预应力混凝土的基本概念 3、预加应力的效果（1）预应力混凝土梁与钢筋混凝土梁的比较裂缝及变形：裂缝迟、裂宽小；刚度大，反拱，挠度很小。钢筋应力变化（工作机理）相同处：弯矩由钢筋和混凝土合力组成的力矩平衡不同处：rc梁主要靠钢筋应力的增加,内力臂的变化不大 pc梁主要靠内力臂增加，预应力筋处于高应力裂缝闭合：超载时可能开裂，但卸载后裂缝会闭合预应力被克服后：没有本质的不同，承载力与rc相同材料：预应力构件能较充分地利用高强材料 第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念一、预应力混凝土的基本概念 （2）预应力混凝土结构

3、的优点不开裂或延迟开裂、限制裂缝开展，提高结构的耐久性合理、有效地利用高强钢筋和高强混凝土提高结构或构件的刚度，使混凝土结构的应用范围扩大施加预应力是对结构作了一次检验，有利于保证质量重复荷载下的抗疲劳性能较好。具有良好的裂缝闭合性能。提高抗剪性能 第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念一、预应力混凝土的基本概念 4、预加应力的方法（1）先张法方法：在混凝土浇筑前张拉预应力筋主要工序：张拉钢筋并临时锚固；制作构件；放松钢筋预应力传递：通过预应力筋与混凝土之间的粘结力（2）后张法方法：直接在成型的构件上张拉预应力筋主要工序： 制作构件并预留孔道

4、；直接在构件上张拉；用锚具锚固预应力传递：锚具等 锚具凹槽第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念一、预应力混凝土的基本概念 5、预应力混凝土分类（1）按照预应力程度分 全预应力混凝土定义：在使用荷载作用下受拉区不出现拉应力优点：抗裂性好、刚度大和抗疲劳性能好缺点：费钢材；反拱大；预拉区开裂；延性差；施工费高部分预应力混凝土定义：在使用荷载作用下受拉区已出现拉应力或裂缝的优点：克服全预应力构件的不足，可合理控制裂缝（2）按照预应力筋与混凝土之间的粘结状态分有粘结: 预应力筋沿全长与周围混凝土粘结无粘结：预应力筋沿全长与混凝土不粘结、发生相对滑动

5、第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 一、预应力混凝土的基本概念一、预应力混凝土的基本概念 1 预应力混凝土材料（1）混凝土：高强度 、低徐变 、低收缩（2）预应力筋：高强度、低松驰、具有一定的塑性（3）灌浆材料（一般采用纯水泥浆）：强度、 流动性2、预应力混凝土结构的锚夹具（1）锚具和夹具夹具：能够重复使用的锚具：留在构件上不再取下的（2）几种预应力筋常用的锚具 群锚锚具 jm型锚具 螺丝端杆锚具 镦头锚具 弗式锚具第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 二、二、 预应力混凝土材料及锚夹具预应力混凝土材料及锚夹具1 张拉控制应力con（1）定

6、义：张拉设备控制的总张拉力除以预应力钢筋面积（2）要求不宜过低：使混凝土获得较高的预压应力不宜过高：构件开裂时的荷载与破获时的荷载接近 施工时(一束中)可能个别钢筋屈服或断裂规定：最小值：不宜小于0.4fptk 最大值：与材料和施工方法有关第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失三、张拉控制应力和预应力损失 2、预应力损失（1）定义及影响定义：由于工艺和材料等原因，初始预应力在将不断降低影响：会降低预应力的效果（2）损失原因、特点、影响因素、计算方法和减少措施锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失原因：锚具变形、缝隙压缩和钢筋在锚具中内缩滑移等特

7、点：先、后张法均有，张拉端有锚固端无，瞬时完成计算模式：（对直线钢筋）： 减少措施：减少垫片数量，增加台座的长度 slela1第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失三、张拉控制应力和预应力损失 钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失原因：预应力钢筋与孔道壁（转向装置）之间的摩擦作用特点：先、后张法均有，与位置有关，瞬时完成计算模式 减少措施：两端张拉，超张拉加热养护时预应力筋与承拉设备间温差引起的预应力损失原因：t砼未成型,钢筋伸长(变松)，t共同变形特点：先张法有，与升温时砼结硬程度有关计算方法：减少措施：两次升温，在钢模上张拉（共同升温

8、）)11 (2xconlettesl23第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失三、张拉控制应力和预应力损失 预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失原因：钢筋松驰和徐变特点：先、后张法均有，需要时间（初期快）计算方法（与钢筋种类、强度和控制应力有关）： 措施：超张拉 混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失原因：混凝土的收缩和徐变特点：先、后张法均有，需要时间（初期快）计算方法 ：l5=(45(25)+220pc/fcu)/(1+15)修正：高湿度环境可降低；干燥环境应增加。 可考虑荷载作用时间的影响，乘以不大于1的系数措施：混凝土质量，控制pc/f

9、cu0.5，增加非预应力钢筋4lcon第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失三、张拉控制应力和预应力损失 螺旋式预应力钢筋局部挤压混凝土引起的预应力损失原因：用螺旋预应力筋作配筋，混凝土受挤压变形计算方法：与直径有关，d3m时忽略。分批张拉引起的损失原因：分批张拉时，受后批张拉使构件压缩(或伸长)计算方法：与在已张拉筋处产生的混凝土法向应力有关（3）各阶段预应力损失的组合 分批组合内容混凝土预压前的损失li ：混凝土预压后的损失lii： l（li+lii）最小限量：100（先张法），80（后张法） pcie4321llll21ll5l654

10、lll第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 三、张拉控制应力和预应力损失三、张拉控制应力和预应力损失 1、先张法预应力筋的应力传递长度和锚固长度（1）预应力筋的预应力传递长度先张法构件的 “自锚”原因：钢筋和混凝土的粘结作用应力特点：端部为零，逐渐增大至最大。传递长度：应力由零增至最大所需长度说明：ltr内预应力效果差，应按实际应力（按照线性） ltr与预应力筋的种类和直径、混凝土强度等有关 （2）预应力筋的锚固长度 预应力筋的锚固长度la应较其传递长度ltr大。 ppct rt rt r第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 四、预应力的传递

11、和局部承压四、预应力的传递和局部承压2、局部受压承载力计算（1）特点后张法构件锚具的垫板下的混凝土承受较大的局部应力局部应力分布复杂（2）局部受压承载力计算要求：不开裂，无过大变形（下陷） 足够的局部抗压承载力截面尺寸验算：fl1.35clfcaln 受压承载力验算： 间接钢筋对混凝土约束的折减系数 v间接钢筋的体积配筋率ln)2(9 . 0afffycorvclcl第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 四、预应力的传递和局部承压四、预应力的传递和局部承压混凝土局部受压时的强度提高系数 局部压力设计值， fl=1.2conap 局部受压时的计算底面积，按同心、对称的原

12、则确定cor配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数 lblaabalcoraa/方格网配筋螺旋式配筋第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 四、预应力的传递和局部承压四、预应力的传递和局部承压1、各阶段应力分析（1）施工阶段完成第一批损失先张法构件：pap作用于换算截面a0(=ac+eas+eap)上 pci = (conli )ap/a0 = npi /a0 后张法构件：pap作用于换算截面an(=ac+eas，)上 pci =(conli)ap/an = npi /an 完成第二批损失先张法构件：pap作用于a0上 pc = (conli lii)ap/a0 = np

13、ii /a0 后张法构件：pap作用于an上 pc=(conli lii)ap/an = npii /an 第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件五、预应力轴心受拉构件（2）使用阶段消压施加拉力n0使c由pc 降至0 n0=pc(ac+eas+eap)=pca0 开裂施加拉力ncr使c由0加至ftk ncr=(pc+ftk) a0 破坏施加拉力至钢筋屈服 nu = fyas + fypap2、承载力计算（1）应力特点：混凝土开裂，钢筋屈服。（2）承载力计算公式 p s 0 kqt kp c +( ) ppysyafafn0 s p p y py

14、s sy第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件五、预应力轴心受拉构件3、使用阶段抗裂度及裂缝宽度验算（1）一级严格要求不出现裂缝的构件 在荷载的标准组合下： （2）二级一般要求不出现裂缝的构件在荷载的标准组合下： 在荷载的准永久组合下：混凝土法向应力荷载的标准组合下：荷载准永久组合下： （3）三级允许出现裂缝的构件 0pccktkpcckf0pccq0/ckkna0/ anqcq第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件五、预应力轴心受拉构件4、施工阶段的验算（1）现象：后张法张拉预应力筋，先张法放松预

15、应力筋时：预应力损失尚未完成，混凝土受到的压力最大；混凝土的强度一般最低（2）张拉或放松钢筋时的强度验算验算公式： cc的计算： 先张法构件：cc=(con-l1)ap/a0后张法构件：cc=conap/an 局部承压验算 8 . 0ckccf第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 五、预应力轴心受拉构件五、预应力轴心受拉构件1、正截面受弯承载力（1）计算简图受拉预应力和普通钢筋：屈服，否则为超筋梁受拉混凝土：忽略不计受压混凝土：等效矩形应力图受压普通钢筋：假设屈服（有条件）受压预应力钢筋（简化）：对先张法构件： 对后张法构件： (0pyppf0lconp0pcelco

16、np第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 六、六、预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件 （2）基本公式矩形截面t形截面第一类t形截面：按宽度为bf的矩形截面计算。第二类t形截面：（3）适用条件 保证受拉钢筋屈服： xbh0 保证受压钢筋屈服： 否则，m=fpyap(h-ap-as)+fyas(h-as-as)+(p0-fpy)ap (ap-as) 1cs0()yyspypppypf bxf af afafa1c0000(/2)()()()yssppyppmf bx hxf a hafa ha0sc1)()(ppypppysyyffafafafafhbbbxf)()

17、()()2()()2(000010c1pppypssyfffcahafahafhhhbbfxhbxfm2ax 第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 六、六、预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件 界限破坏截面受压区高度系b 对有屈服点的钢筋对预应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋： 2、正截面抗裂度、裂缝宽度及变形验算（1）正截面抗裂度验算：参照轴拉构件（2）正截面裂缝宽度验算（3）变形验算：要考虑反拱。 cuspsbef011cuspscubef01002. 01第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 六、六、预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构

18、件 3 斜截面受剪承载力计算（1）预（压）应力的影响：提高抗剪能力提高量：vp=0.05np0np0法向应力为零时钢筋的合力，np00.3fca0 np0=p0ap+p0ap-l5as-l5as （2）斜截面受剪承载力计算公式：vvu=vcs+vp+0.8fyasbsinas+0.8fpyapbsinap（3）适用条件： 当hw/b4时 v0.25fcbh0 当hw/b6时 v0.20fcbh0 当4hw/b6时，按直线内插法取用。 第七章第七章: :预应力混凝土结构的原理预应力混凝土结构的原理 六、六、预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件 4 斜截面抗裂度验算要点（1）方法：验算混凝土主拉应力和主压应力（2）要求及标准严格要求不出现裂缝在荷载标准组合下主拉应力应满足：tp0.85ftk 主压应力应满足：cp0.6fck一般要求不出现裂缝在荷载标准组合下主拉应力应满足：t