工学ch预应力混凝土轴心受拉构件PPT学习教案

1、会计学1工学工学ch预应力混凝土轴心受拉构件预应力混凝土轴心受拉构件12.1.0 预备知识轴心受拉预应力钢筋混凝土构件中一般配有轴心受拉预应力钢筋混凝土构件中一般配有预应力钢筋预应力钢筋Ap和非预应力钢筋和非预应力钢筋As，而且应对称布，而且应对称布置，预应力钢筋一般布置于构件的中间部位，配置，预应力钢筋一般布置于构件的中间部位，配筋情况见图所示。筋情况见图所示。换算截面就是将钢筋和混凝土两种不同材料换算截面就是将钢筋和混凝土两种不同材料组成的截面，根据应变相等的原则换算成相应的组成的截面，根据应变相等的原则换算成相应的纯混凝土截面。所谓应变相等原则是指在截面的纯混凝土截面。所谓应变相等原则是

2、指在截面的同一纤维层上的钢筋应变同一纤维层上的钢筋应变s和混凝土应变和混凝土应变c是相是相等的。等的。第1页/共56页图预应力轴心受拉构件配筋示意图 第2页/共56页 普通钢筋的应变普通钢筋的应变 s=s/Es 预应力钢筋的应变预应力钢筋的应变 p=p/Es 混凝土的应变值混凝土的应变值 c=c/Ec 因应变相等，即因应变相等，即 s=c，故，故 s/Es=c/Ec 普通钢筋的合力普通钢筋的合力 sAs=cEAs 预应力筋的合力预应力筋的合力 pAp=cEAp 换算截面面积用换算截面面积用A0： A0=Ac+EAs+EAp 净截面面积净截面面积An 即：即： An=A0-EAp=Ac+EAs1

3、2.1.0 预备知识第3页/共56页12.1.1 先张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（1） 张拉预应力钢筋和浇筑混凝土。张拉预应力钢筋和浇筑混凝土。先张法构件在台座上按规定张拉好钢筋先张法构件在台座上按规定张拉好钢筋后，将预应力筋锚固在台座上，布置非预应后，将预应力筋锚固在台座上，布置非预应力筋，浇捣混凝土，养护。力筋，浇捣混凝土，养护。预应力钢筋应力为预应力钢筋应力为con第4页/共56页12.1.1 先张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（2） 张拉预应力钢筋和浇筑混凝土。张拉预应力钢筋和浇筑混凝土。预应力钢筋应力为预应力钢筋应力为p=con-l；混凝土和；混凝土和非预应力钢筋均未受压

4、，则相应的应力分别非预应力钢筋均未受压，则相应的应力分别为：为：pc=0和和s=0 ，详见图所示。，详见图所示。 第5页/共56页图12.7 放松预应力钢筋之前的受力状态 (a) 构件在台座上的情况；(b) 脱离体图 第6页/共56页12.1.1 先张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（3） 切断（放松）预应力钢筋。切断（放松）预应力钢筋。 混凝土压应力沿截面均匀分布，其值为混凝土压应力沿截面均匀分布，其值为pc；非预应力钢筋应力自然为；非预应力钢筋应力自然为s=epc；预应力钢筋因缩短，则应力为：预应力钢筋因缩短，则应力为：p=con-l-epc 由截面内力平衡条件可得由截面内力平衡条件可得

5、 :（见图（见图12.8) pcAc+sAs=(con-l-epc)Ap将上式整理得：将上式整理得： 00()conlIppIpcIANAA第7页/共56页图12.8 先张法构件放松预应力钢筋时的受力状态 第8页/共56页12.1.1 先张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（4） 完成第二批损失之后。完成第二批损失之后。 预应力总损失为预应力总损失为l=l+l。设此时的混。设此时的混凝土压应力为凝土压应力为pc，非预应力钢筋应力为，非预应力钢筋应力为s=l5+espc，预应力钢筋应力为，预应力钢筋应力为p=con-l-epc混凝土预压应力混凝土预压应力pc仍利用截面平衡条仍利用截面平衡条件求得

6、（图）；件求得（图）；00()ppcconlpNAAA第9页/共56页图12.9 先张法构件完成第二批损失之后的受力状态 第10页/共56页12.1.1 先张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（4）非预应力钢筋对预应力的影响。）非预应力钢筋对预应力的影响。 非预应力钢筋对预应力既有有利的一面，非预应力钢筋对预应力既有有利的一面，也有不利的一面，综合考虑后，规范近似取也有不利的一面，综合考虑后，规范近似取混凝土的有效预压应力为混凝土的有效预压应力为 50()pcconlplsAAA第11页/共56页12.1.1 先张法构件2.2.使用阶段：使用阶段： 使用阶段在轴向力逐渐增加时，预应力使用阶段在

7、轴向力逐渐增加时，预应力轴心受拉构件不断伸长，混凝土预压应力逐轴心受拉构件不断伸长，混凝土预压应力逐渐减少至零；接着混凝土应力变为拉应力渐减少至零；接着混凝土应力变为拉应力（非预应力钢筋也会稍后一步受拉）；当拉（非预应力钢筋也会稍后一步受拉）；当拉应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值时，构应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值时，构件处于开裂极限状态；开裂后裂缝截面的内件处于开裂极限状态；开裂后裂缝截面的内力全部由钢筋承受，裂缝逐渐开展，当钢筋力全部由钢筋承受，裂缝逐渐开展，当钢筋达到屈服强度时，构件处于承载力极限状态。达到屈服强度时，构件处于承载力极限状态。第12页/共56页12.1.1 先张法构件2

8、.2.使用阶段：使用阶段：（1） 混凝土应力为零时。混凝土应力为零时。在外力在外力Np0的作用下，使建立起来的预压的作用下，使建立起来的预压应力应力pc全部抵消，混凝土应力为零，此状全部抵消，混凝土应力为零，此状态也称为消压状态。态也称为消压状态。由截面内、外力平衡条件可求得消压状由截面内、外力平衡条件可求得消压状态时的轴心拉力（图态时的轴心拉力（图)：Np0=(con-l)Ap-l5As=pcA0第13页/共56页图12.10 先张法构件消压状态时的受力状态 第14页/共56页12.1.1 先张法构件2.2.使用阶段：使用阶段：（2） 构件即将开裂时。构件即将开裂时。 外荷载继续增加，当混凝

9、土拉应力达到混外荷载继续增加，当混凝土拉应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值时，构件处于即将凝土轴心抗拉强度标准值时，构件处于即将开裂的极限状态（图开裂的极限状态（图)，此时混凝土应力为，此时混凝土应力为ftk，非预应力钢筋应力为非预应力钢筋应力为s=es ftk-l5，预应力钢，预应力钢筋应力为筋应力为p=con-l+e ftk，由内外力平衡条件，由内外力平衡条件可求得构件即将开裂时的轴心拉力可求得构件即将开裂时的轴心拉力Np,cr，即，即Np,cr=A0 ftk+pcA0=( ftk+pc)A0 即即 Np,cr=( ftk+pc)A0第15页/共56页图12.11 先张法构件即将开裂时的受力

10、状态 第16页/共56页12.1.1 先张法构件2.2.使用阶段：使用阶段：（3）构件开裂后）构件开裂后 此时荷载不再变化，混凝土中的应力全此时荷载不再变化，混凝土中的应力全部转化给钢筋和预应力筋。部转化给钢筋和预应力筋。 p=p0II+e ftk+ ftkAc/(Ap+As) =p0II+ ftkA0/(Ap+As) s=l5-e ftk- ftkAc/(Ap+As) =l5- ftkA0/(Ap+As) 第17页/共56页12.1.1 先张法构件2.2.使用阶段：使用阶段：（4）构件破坏时。）构件破坏时。当荷载继续再增加时，构件开裂并逐渐当荷载继续再增加时，构件开裂并逐渐贯穿整个截面。裂缝

11、截面上全部荷载由钢筋贯穿整个截面。裂缝截面上全部荷载由钢筋承担。当钢筋达到屈服时构件宣告破坏（图承担。当钢筋达到屈服时构件宣告破坏（图)，即达到其承载力极限状态。即达到其承载力极限状态。由平衡条件可得，极限承载能力由平衡条件可得，极限承载能力Nu为：为：Nu=fpyAp+fyAs 第18页/共56页图12.12 先张法构件破坏时的受力状态 第19页/共56页12.1.2 后张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（1） 张拉阶段张拉阶段张拉同时，混凝土及非预应力钢筋受压，张拉同时，混凝土及非预应力钢筋受压，但同时预应力钢筋产生摩擦损失但同时预应力钢筋产生摩擦损失l2，预应力，预应力钢筋拉应力为钢筋

12、拉应力为 con- l2 。 第20页/共56页12.1.2 后张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（2） 张拉至预应力钢筋锚固后。张拉至预应力钢筋锚固后。非预应力钢筋的应力为非预应力钢筋的应力为espc，预应力，预应力钢筋的应力则为钢筋的应力则为p=con-l。混凝土预压应力混凝土预压应力pc由平衡条件（图由平衡条件（图)求求得：得：pcAc+sAs=pAp整理后得：整理后得： ()pcIconlIpnAA第21页/共56页图12.13 后张法构件预应力筋锚固后的受力状态 第22页/共56页12.1.2 后张法构件1.1.施工阶段：施工阶段：（3） 完成第二批预应力损失之后。完成第二批预应力

13、损失之后。此时已完成全部预应力损失此时已完成全部预应力损失l, l=l+l；设混凝土预应力为；设混凝土预应力为pc，则非预，则非预应力钢筋应力为应力钢筋应力为s=espc+l5,预应力钢筋预应力钢筋应力为应力为p=con-l.混凝土有效预压应力混凝土有效预压应力pc可由平衡条件可由平衡条件（图（图)求得：求得：pcAc+sAs=pAp 经推导和整理得：经推导和整理得： 5()pcconlplsnAAA第23页/共56页图12.14 后张法构件完成第二批损失后的受力状态 第24页/共56页12.1.2 后张法构件2.2.使用阶段：使用阶段：（1） 混凝土应力等于零时。混凝土应力等于零时。此状态为

14、消压状态。此时预应力钢筋的此状态为消压状态。此时预应力钢筋的应力为应力为p0=con-l+epc，非预应力钢筋应，非预应力钢筋应力为力为s0=l5（压）。（压）。由截面平衡条件可求得消压状态时构件由截面平衡条件可求得消压状态时构件的轴向拉力的轴向拉力Np0为（图为（图)：Np0=p0Ap-l5As=pcA0第25页/共56页图12.15 后张法构件处于消压状态时的受力状态 第26页/共56页12.1.2 后张法构件2.2.使用阶段：使用阶段：（2） 构件即将开裂时。构件即将开裂时。 与先张法构件相似，此时混凝土的应力为与先张法构件相似，此时混凝土的应力为ftk，非预应力筋的应力为，非预应力筋的

15、应力为s=esftk-l5，预应，预应力钢筋的应力为力钢筋的应力为 p=con-l+epc+eftk。由平衡条件可求得构件开裂时的轴心拉由平衡条件可求得构件开裂时的轴心拉力力Np,cr为为Np,cr=ftkAc+sAs+pAp=(ftk+pc)A0第27页/共56页12.1.1 先张法构件2.2.使用阶段：使用阶段：（3）构件开裂后）构件开裂后 此时荷载不再变化，混凝土中的应力全此时荷载不再变化，混凝土中的应力全部转化给钢筋和预应力筋。部转化给钢筋和预应力筋。 p=p0II+e ftk+ ftkAc/(Ap+As) =p0II+ ftkA0/(Ap+As) s=l5-e ftk- ftkAc/

16、(Ap+As) =l5- ftkA0/(Ap+As) 第28页/共56页12.1.2 后张法构件2.2.使用阶段：使用阶段：（4）构件破坏时。）构件破坏时。 与先张法构件一样，裂缝截面上的内力与先张法构件一样，裂缝截面上的内力部分由钢筋承担，承载力公式为部分由钢筋承担，承载力公式为Nu=fpyAp+fyAs。第29页/共56页 根据构件破坏时的受力状态（图)，可得计算公式为： 0NfyAs+fpyAp 12.2.1 正截面承载力正截面承载力图12.16 预应力轴心受拉构件承载力计算简图 第30页/共56页混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范根据构件对裂根据构件对裂缝控制的要求，将混凝土结构构件

17、的裂缝控缝控制的要求，将混凝土结构构件的裂缝控制等级划分为以下三级：一级、二级和三级。制等级划分为以下三级：一级、二级和三级。对裂缝控制等级为一、二级的预应力混对裂缝控制等级为一、二级的预应力混凝土轴心受拉构件，可分别按下列规定进行凝土轴心受拉构件，可分别按下列规定进行抗裂验算：抗裂验算： 1.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合下应符合下列规定：在荷载效应的标准组合下应符合下列规定：ck-pc0 12.2.2 抗裂验算抗裂验算第31页/共56页2.一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合下应符合下列规在荷载效应的标准组合下应符合下

18、列规定：定：ck-pcftk在荷载效应的准永久组合下宜符合下列在荷载效应的准永久组合下宜符合下列规定：规定：cq-pc0 第32页/共56页1. 混凝土轴心受压承载力验算混凝土轴心受压承载力验算 规范规定，张拉钢筋（后张法）或切断规范规定，张拉钢筋（后张法）或切断预应力筋（先张法）时，构件应满足下列条预应力筋（先张法）时，构件应满足下列条件：件：ccck+Mk/W0其中，对先张法构件其中，对先张法构件cc按下式计算：按下式计算：对后张法构件：对后张法构件： 12.2.3 施工阶段验算施工阶段验算0()conlIpccAAconpccnAA第33页/共56页2. 后张法构件锚固区局部受压承载力计

19、算后张法构件锚固区局部受压承载力计算后张法构件中，预压应力是通过锚具传后张法构件中，预压应力是通过锚具传给垫板，再由垫板传递给混凝土的。预压应给垫板，再由垫板传递给混凝土的。预压应力在构件的端面上是集中于垫板下一定的范力在构件的端面上是集中于垫板下一定的范围之内，然后在构件内逐步扩散，经过一定围之内，然后在构件内逐步扩散，经过一定的扩散长度后就均匀地分布到构件的全截面的扩散长度后就均匀地分布到构件的全截面上，一般取扩散长度等于构件的截面宽度上，一般取扩散长度等于构件的截面宽度b(图图)。 规范规定，在预应力筋锚具下及张拉设规范规定，在预应力筋锚具下及张拉设备的支承处，应配置预埋钢垫板及附加横向

20、备的支承处，应配置预埋钢垫板及附加横向钢筋网片或螺旋式间接钢筋（图钢筋网片或螺旋式间接钢筋（图)。 第34页/共56页（1） 局部受压承载力计算局部受压承载力计算当配置方格网式或螺旋式间接钢筋且其当配置方格网式或螺旋式间接钢筋且其核心面积核心面积AcorAl时，构件锚固区的局部受压时，构件锚固区的局部受压承载力应按下式计算（图）：承载力应按下式计算（图）：Fl0.9(clfc+2vcorfy)Aln 当配置方格网时（图当配置方格网时（图12.20(a)）v=(n1As1l1+n2As2l2)/Acors 当配置螺旋式配筋时（图当配置螺旋式配筋时（图12.20(b)v=4Ass1/dcors第3

21、5页/共56页（2） 局部受压区的截面尺寸要求。局部受压区的截面尺寸要求。 规范规定，为了防止构件端部局部受压面规范规定，为了防止构件端部局部受压面积太小而在使用阶段出现裂缝，混凝土局部受积太小而在使用阶段出现裂缝，混凝土局部受压区的截面尺寸应符合下列要求：压区的截面尺寸应符合下列要求：FlclfcAln （3）间接钢筋的构造要求。）间接钢筋的构造要求。计算需要的间接钢筋应均匀地配置在图规计算需要的间接钢筋应均匀地配置在图规定的范围内，且其体积配筋率定的范围内，且其体积配筋率v不应小于不应小于0.5%。对方格网配筋，在。对方格网配筋，在hl1范围内配置的方范围内配置的方格网钢筋不应少于格网钢筋

22、不应少于4片；对螺旋式配筋，在片；对螺旋式配筋，在hdcor范围内配置的螺旋式钢筋不应少于范围内配置的螺旋式钢筋不应少于4圈。圈。第36页/共56页图12.17 构件端部锚固区的应力传递 第37页/共56页图12.18 预埋钢垫板及附加横向钢筋网 第38页/共56页图12.19 确定局部受压计算底面积Ab 第39页/共56页图12.20 钢筋网及螺旋钢筋的配置 第40页/共56页12.3.1 截面形式及尺寸截面形式及尺寸第41页/共56页12.3.2 构件端部的构造钢筋构件端部的构造钢筋为防止预应力构件端部及预拉区的裂缝，对为防止预应力构件端部及预拉区的裂缝，对各种预制构件应按下述构造措施配置

23、防裂钢筋：各种预制构件应按下述构造措施配置防裂钢筋：（1） 对于槽形板类构件，应在构件端部对于槽形板类构件，应在构件端部100mm范围内沿构件板面设置附加的横向钢筋，范围内沿构件板面设置附加的横向钢筋，其数量不少于其数量不少于2根，如图所示。根，如图所示。 （2） 在预应力混凝土屋面梁、吊车梁等构在预应力混凝土屋面梁、吊车梁等构件靠近支座的斜向主拉应力较大部位，宜将一部件靠近支座的斜向主拉应力较大部位，宜将一部分预应力钢筋弯起。分预应力钢筋弯起。（3） 当构件在端部有局部凹进时，应增设当构件在端部有局部凹进时，应增设折线构造钢筋或其它有效的构造钢筋（图折线构造钢筋或其它有效的构造钢筋（图)。

24、第42页/共56页（4） 对预应力钢筋在构件端部全部弯对预应力钢筋在构件端部全部弯起的受弯构件或直线配筋的先张法构件，当起的受弯构件或直线配筋的先张法构件，当构件端部与下部支承结构焊接时，应考虑混构件端部与下部支承结构焊接时，应考虑混凝土收缩、徐变及温度变化所产生的不利影凝土收缩、徐变及温度变化所产生的不利影响，宜在构件端部可能产生裂缝的部位设置响，宜在构件端部可能产生裂缝的部位设置足够的非预应力纵向构造钢筋。足够的非预应力纵向构造钢筋。第43页/共56页图12.21 附加横向钢筋 第44页/共56页图12.22 端部凹进处构造配筋 1折线构造钢筋；2竖向构造钢筋 第45页/共56页12.3.

25、3 先张法构件的构造要求先张法构件的构造要求1.钢筋（丝）间距钢筋（丝）间距先张法预应力钢筋之间的净间距应根据先张法预应力钢筋之间的净间距应根据浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固等要求浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固等要求确定。确定。预应力钢筋之间的净间距不应小于其公预应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径或等效直径的倍，且应符合下列规定：称直径或等效直径的倍，且应符合下列规定：对热处理钢筋及钢丝，不应小于对热处理钢筋及钢丝，不应小于15mm；对；对三股钢绞线，不应小于三股钢绞线，不应小于20mm；对七股钢绞；对七股钢绞线，不应小于线，不应小于25mm。第46页/共56页2.钢丝的并筋配筋方式钢

26、丝的并筋配筋方式当先张法预应力钢丝按单根方式配筋困当先张法预应力钢丝按单根方式配筋困难时，可采用相同直径钢丝并筋的配筋方式。难时，可采用相同直径钢丝并筋的配筋方式。并筋的等效直径，对双并筋应取为单筋直径并筋的等效直径，对双并筋应取为单筋直径的倍，对三并筋应取为单筋直径的倍。的倍，对三并筋应取为单筋直径的倍。并筋的保护层厚度、锚固长度及预应力并筋的保护层厚度、锚固长度及预应力传递长度等均应按等效直径考虑。传递长度等均应按等效直径考虑。当预应力钢绞线、热处理钢筋采用并筋当预应力钢绞线、热处理钢筋采用并筋方式时，应有可靠的构造措施。方式时，应有可靠的构造措施。第47页/共56页3.钢筋的保护层钢筋的

27、保护层纵向预应力钢筋的保护层厚度取值同普通纵向预应力钢筋的保护层厚度取值同普通钢筋混凝土构件。钢筋混凝土构件。4.端部附加钢筋端部附加钢筋先张法预应力混凝土构件，预应力钢筋端先张法预应力混凝土构件，预应力钢筋端部周围的混凝土应采取下列加强措施：部周围的混凝土应采取下列加强措施：（1） 对单根预应力钢筋，其端部宜设置长对单根预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于度不小于150mm且不少于且不少于4圈的螺旋筋（图圈的螺旋筋（图12.23(a)）；当有可靠经验时，亦可利用支座垫）；当有可靠经验时，亦可利用支座垫板上的插筋代替螺旋筋，但插筋数量不应少于板上的插筋代替螺旋筋，但插筋数量不应少于4根，其长度不

28、宜小于根，其长度不宜小于120mm(图图12.23(b)。第48页/共56页（2） 对分散布置的多根预应力钢筋，对分散布置的多根预应力钢筋，在构件端部在构件端部10d(d为预应力钢筋的公称直径）为预应力钢筋的公称直径）范围内应设置范围内应设置35片与此预应力钢筋垂直的钢片与此预应力钢筋垂直的钢筋网。筋网。（3） 对采用预应力钢丝配筋的薄板，对采用预应力钢丝配筋的薄板，在板端在板端100mm范围内应适当加密横向钢筋。范围内应适当加密横向钢筋。 第49页/共56页图12.23 端部附加钢筋的插筋 第50页/共56页12.3.4 后张法构件的构造要求后张法构件的构造要求1.预留孔道预留孔道（1） 对

29、预制构件，孔道之间的水平净距不对预制构件，孔道之间的水平净距不宜小于宜小于50mm；孔道至构件边缘的净距不宜小于；孔道至构件边缘的净距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的一半。，且不宜小于孔道直径的一半。（2） 在框架梁中，预留孔道在竖直方向的在框架梁中，预留孔道在竖直方向的净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不应小于倍孔道外径；从孔壁算起的混凝土保护层应小于倍孔道外径；从孔壁算起的混凝土保护层厚度：梁底不宜小于厚度：梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于，梁侧不宜小于40mm。（3） 预留孔道的内径应比预应力钢丝束或预留孔道的内径应比预应力钢丝束或钢绞线束外径及需穿过孔道的连接器外径大钢绞线束外径及需穿过孔道的连接器外径大1015mm。第51页/共56页（4） 在构件两端及跨中应设置灌浆孔在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，其孔距不宜大于或排气孔，其孔距不宜大于12m。（5） 凡制作时需要预先起拱的构件，凡制作时需要预先起拱的构件，预留孔道宜随构件同时起拱。预留孔道宜随构件同时起拱。2.曲线预应力钢筋的曲率半径曲线预应力钢筋的曲率半径后张法预应力混凝土构件中