预应力混凝土结构的基本原理课件 陈静

1、预应力混凝土结构的基本原理工程结构设计理论节选主讲人：陈 静日 期：2014.11.5主要内容1. 预应力混凝土结构的基本概念2. 预应力混凝土结构的分类3. 预应力混凝土所用的材料4. 锚具5. 预应力损失6. 预应力传递和局部受压1 1、 预应力的基本概念预应力的基本概念 p1 1、 预应力的基本概念预应力的基本概念上式叠加结果可能产生以下三种情况上式叠加结果可能产生以下三种情况 施加荷后梁底边缘仍没有产生拉应力，故在梁使用阶段不会出现开裂。 施加荷载后梁底边缘虽然产生一定的拉应力，但其值小于混凝土的抗拉强度f tk，故一般不会出现开裂。 施加荷载后梁底边缘的拉应力超过了混凝土的抗拉强度f

2、 tk，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np =0）的开裂会明显推迟，裂缝宽度也将显著减小。 p1 1、 预应力的基本概念预应力的基本概念1.1 预应力混凝土结构原理 在构件承受外荷载前，用人工的方法对构件在使用阶段处于受拉区的混凝土预加压应力，用以减少或抵消构件受拉区混凝土由荷载产生的拉应力的一种混凝土结构。1.2 施加预应力的目的 利用混凝土的抗压强度来弥补混凝土的抗拉强度不足的缺陷，达到防止受拉区混凝土过早开裂的要求，从而可提高截面抗弯刚度和抗裂度，甚至可以做到在使用荷载下不出现裂缝。 1.3 预应力的实现方法张拉钢筋使之伸长，然后将伸长后的钢筋锚固于混凝土中，由于混凝土阻止钢筋的回

3、缩，使钢筋保持受拉，混凝土受压的预应力状态。1.4 与RC比较，钢筋与混凝土工作的区别RC中：仅将钢筋与混凝土结合在一起，由它们自然地共同工作。受拉区钢筋的作用是混凝土开裂后代替混凝土承受拉应力。PC中：（1）通过预加应力，使钢筋在高拉应力下工作（2）将部分混凝土从受拉状态转化为受压状态将高强钢筋与高强度混凝土有效地结合在一起，充分发挥了这两种材料各自的力学性能。预应力在日常生活中的应用预应力在日常生活中的应用1.5 1.5 预应力混凝土的优点预应力混凝土的优点 v提高抗裂度和刚度提高抗裂度和刚度：延缓裂缝的出现，减小裂缝宽度；截面刚度显著提高，挠度减小，可建造大跨度结构。v受剪承载力提高受剪

4、承载力提高：施加纵向预应力可延缓斜裂缝的形成，使受剪承载力得到提高。 v卸载后的结构变形或裂缝可得到恢复卸载后的结构变形或裂缝可得到恢复：由于预应力的作用，使用活荷载移去后，裂缝会闭合，结构变形也会得到复位。 v提高构件的疲劳承载力提高构件的疲劳承载力：预应力可降低钢筋的疲劳应力比，增加钢筋的疲劳强度。 v减轻结构自重：减轻结构自重：使高强钢材和高强混凝土得到应用，有利于减轻结构自重，节约材料，取得经济效益。v提高耐久性提高耐久性2、预应力混凝土结构的分类2.1 先张法和后张法预应力混凝土结构2.2 体内预应力和体外预应力混凝土2.3 部分预应力和全预应力混凝土结构2.4 其他预应力形式2.1

5、 先张法和后张法预应力混凝土结构（1） 先张法：先张拉预应力钢筋，再浇筑混凝土的预加力的方法。 其工艺如下：在生产台座上张拉钢筋至要求的控制应力，并将其临时锚固于台座上；制作混凝土构件；待混凝土构件达到一定强度（不低于混凝土强度设计值的75%）后，放松预应力筋。由于预应力筋的回缩收到混凝土构件束，混凝土构件受压力产生预应力。2.1 先张法和后张法预应力混凝土结构（2） 后张法：在混凝土结硬后再张拉钢筋的一种预加力方法。其工艺如下：制作混凝土构件，并在预应力筋处预留孔道；待混凝土达到一定强度后，穿颈应力筋，直接在构件上张拉；当预应力筋张拉至要求的控制应力时，用锚具锚固。2.2 体内预应力和体外预

6、应力混凝土结构体内预应力混凝土结构就是将预应力筋置于混凝土内，即常见的预应力混凝土结构。体外预应力混凝土结构是指将预应力筋设置在混凝土体外，只是将预应力筋锚固在专门为之设计的钢筋混凝土锚固块上。2.3 部分预应力和全预应力钢筋混凝土结构部分预应力混凝土：在正常使用荷载作用下受拉区已出现拉应力或裂缝的预应力混凝土构件。全预应力混凝土：在正常使用荷载作用下受拉区不出现拉应力的预应力混凝土构件。比较： （1）全预应力混凝土抗裂性好、刚度大和抗疲劳性好，但是也存在一些缺点：浪费钢材、反拱值较大、预拉区易开裂、延性较差以及施工难度大、费用高。 （2）而部分预应力混凝土与全预应力相比，克服延性差、反拱值大

7、等的不足，同时也简化了施工，比较经济合理，应用于抗裂度要求不高的建筑。2.4 其他预应力形式除上述之外还有：外部和内部预应力混凝土结构、线预加应力和环预加应力结构、有无粘结预应力混凝土结构、拉压预应力结构等等。3、预应力混凝土所用的材料3.3.1 1 钢筋钢筋高强度、低松弛高强度、低松弛 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）；具有一定的塑性具有一定的塑性 为防止发生脆性破坏，要求预应力钢筋在 拉断时，具有一定的伸长率；良好的加工性能良好的加工

8、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；与混凝土之间有较好的黏结强度与混凝土之间有较好的黏结强度 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。性性能能要要求求处于侵蚀介质中的预应力混凝土构件，不宜采用碳素钢丝、钢绞线等作为预应力钢筋钢筋选用预应力钢丝、钢绞线、预应力螺纹钢筋注意对直接承受动荷载的预应力混凝土构件，不得采用有焊接接头的冷拉钢筋3.3.1 1 钢筋钢筋强度高 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，

9、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。 3.2 混凝土性性能能要要求求3.2 混凝土不应低于C30一般预应力混凝土构件采用碳素钢丝、钢绞线的预应力混凝土构件不宜低于C404、锚具* *工具锚：工具锚：主要依靠摩擦力来夹住钢主要依靠摩擦力来夹住钢筋，它不留在构件上，剪断预应力筋，它不留在构件上，剪断预应力筋后锚具的作用即消失筋后锚具的作用即消失* *工作锚：工作锚：永久地留在构件上，如锚永久地留在构件上，如锚具失效构件中的预应力将全部

10、消失。具失效构件中的预应力将全部消失。性能要求：性能要求：受力可靠；预应力损失小；构造简单；受力可靠；预应力损失小；构造简单； 施工方便；用材省、价格低。施工方便；用材省、价格低。锚具锚具是指在制作预应力混凝土构件时锚固预应力钢筋的工具。是指在制作预应力混凝土构件时锚固预应力钢筋的工具。锚具工作原理：锚具工作原理：主要依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或主要依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或 锚住预应力钢筋。锚住预应力钢筋。锚具分类按传递预应力的方式不同分为按传递预应力的方式不同分为1、摩擦型锚具摩擦型锚具工作原理工作原理：预应力摩檫力锚环承压板混凝土优点优点：锚固方便，尺寸较小，便于在梁上布置缺点

11、：缺点：内缩量大，锚固预应力损失可达5%。位置：位置：固定端、张拉端均可应用。锚环锚塞弗氏锚具XM系列锚具锚具分类2、承压式锚具、承压式锚具预应力筋垫板螺丝杆端螺母对焊接头墩头锚具工作原理工作原理：利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部螺母锚环钢丝束张拉端固定端锚板螺丝端杆锚具锚具分类3、粘结型锚具粘结型锚具：利用构件端部预留锥形自锚孔的后浇混凝土锚固预应力钢筋灌浆口（灌浆锚固）6 8螺旋筋8箍筋3铅丝线圈预应力筋5.预应力损失5.1 张拉控制应力 张拉控制应力con是张拉预应力筋时，张拉设备所控制的总张力除以预应力钢筋截面面积得到的应力值。 张拉控制应力的数值与钢筋的种类和施加预应

12、力的方法有关.规范规定的张拉控制应力允许值见下表。5.2 预应力损失 概念：概念：由于预应力施工工艺、材料性能等原因，使得预 应力筋的初始预应力在制作、运输、安装及使用构成中不断降低，这种现象称为预应力损失。有效预应力有效预应力：经过预应力损失后，预应力筋中的应力值。 有效预应力决定构件的预应力效果。5.3 预应力损失的种类ApconApconApconApcon如锚具变形、管道摩擦、台座与钢筋的温差、钢筋松弛损失等发生在预应力传到混凝土之前如混凝土收缩徐变、局部挤压损失、混凝土弹压损失等发生在预应力传到混凝土之后5.3 预应力损失的种类瞬时损失长期损失钢筋松弛损失混凝土收缩、徐变损失 对于不

13、同种类的锚具、不同施工方法，可能还存在其他预应力损失。如：锚圈口摩阻损失等，应根据具体情况逐项考虑其影响。预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失锚具变形和钢筋内缩引起的损失温差损失混凝土弹压损失局部挤压损失 5.3.1 管道摩擦损失l2PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxd()xkxPPe()1(1)xkxPPPe2()1(1)lconkxe考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，教材表10-4预应力钢筋与孔道壁间的摩擦系数，教材表10-4计算公式计算公式0.2x简化为2()lconx按泰勒积数展开，2311!2!3!nyyyyyen 5.3.1 管道摩擦损失l2采用超张拉建议的张拉程序

14、为01.1con停2分钟0.85con停2分钟con减少损失的措施减少损失的措施减少值，曲率半径不宜小于（5080）d预留孔道直径宜比d 大1015mm对于曲线配筋或长度20m的直线配筋的构件,宜采用一端张拉,另一端补拉,或两端张拉或超张拉方法（预应力筋直径） 5.3.2 锚具变形和钢筋回缩损失l1由于锚具、垫块本身的变形，其间裂缝的压紧及钢筋在锚具中的滑移引起的损失plEla1张拉端至锚固端之间的距离预应力钢筋的弹性模量张拉端锚具的变形和钢筋的内缩值忽略摩擦影响,假定滑移沿全长均匀分布原理计算公式直线配预应力筋 5.3.2 锚具变形和钢筋回缩损失l1应注意的几个问题plEla1u由块体拼装的

15、结构，尚应考虑填由块体拼装的结构，尚应考虑填逢间的预压变形。当采用混凝土或逢间的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填逢材料时，每条缝的预压砂浆为填逢材料时，每条缝的预压变形值为变形值为1mm1mmu先张法构件，当台座长度超过先张法构件，当台座长度超过100m100m时，可忽略时，可忽略l1u后张法构件，后张法构件，l1只考虑张拉端，因锚固端锚具在张拉过程只考虑张拉端，因锚固端锚具在张拉过程中已被压紧中已被压紧 5.3.3 温差应力损失l3温度为t0时的应力为con温度升到t1时由于混凝土未结硬此处的应力为con温度回落到t0时由于混凝土已结硬和钢筋同时回缩，此处的应力为con con混凝土蒸汽养护

16、时,预应力钢筋与台座之间温差引起的损失3520.000012 102(/)lptEtt N mm 钢筋的线膨胀系数*采用二次升温法可减少采用二次升温法可减少l3:先在常先在常温下养护温下养护, ,当混凝土的强度达到当混凝土的强度达到7.510N/mm2时再逐渐升温时再逐渐升温*钢模生产钢模生产减少l3的措施计算原理： 5.3.4 钢筋应力松弛损失l4钢筋在高应力作用下，长度不变而应力随时间逐渐降低的现象称为应力松弛钢筋张拉后1小时内约完成总松弛的50%，24小时内完成总松弛的80%，以后逐渐收敛conptconlbfa)(4采用超张拉时为0.9，不采用时为1.0常数参见规范的相关内容 5.3.

17、4 应力松弛损失l4影响松弛量的因素钢种 。 软钢小,硬钢大初始应力。与初始应力成正比。con/fptk0.5，l4 取为0。减少l4的措施：u 采取超张拉程序0 1.05con con ，比一次张拉程序0 c o n可减少松弛损失10；也可采用0 1.03conl超张拉程序 ，松弛率虽然增加了，但剩余预应力仍比一次张拉程序大。l持 荷2min u 采用低松弛钢丝或低松弛钢绞线，其松弛率可减少 7080。 5.3.5 混凝土收缩徐变损失l5收缩和徐变两者相互有关，很难精确计算，为了简化两项损失可合并考虑影响收缩徐变的主要因素影响收缩徐变的主要因素混凝土的预压应力值，当 ，发生线形徐变加载时混凝

18、土的强度构件配筋率环境湿度构件尺寸时间0.5pcIcuf 5.3.5 混凝土收缩徐变损失l55pcculABfCD受拉区或受压区各自预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率加载瞬间加载瞬间受拉区或受压区预应力钢筋在各自合力作用点处受拉区或受压区预应力钢筋在各自合力作用点处混凝土的法向压应力。混凝土的法向压应力。分别为放张（先张）或张拉完毕（后张）时，即完成第批预应力损失后，受拉区预应力钢筋Ap和受压区预应力钢筋Ap合力点处混凝土的预压应力 。应0.5fcu,如为拉应力，取为0.施加预应力时混凝土所达到的立方体抗压强度施加预应力时混凝土所达到的立方体抗压强度，规范要求一般不低于混凝土设计强度等级的75%

19、 高湿环境中可降低，干燥环境中应增加规范规定，年平均相对湿度低于40%，应增加30%终极值的计算方法 5.3.6 钢筋挤压混凝土损失l6采用螺旋式预应力筋作为配筋的环形构件，由于预应力筋对混凝土的局部挤压使构件直径减小所引起的损失当d3m时Mpal306 5.4 预应力损失的组合预应力总损失的下限值先张法构件： l100N/mm2后张法构件： l80N/mm26、预应力传递和局部受压6.1 先张法构件预应力钢筋的传递长度concpltpltpl预应力钢筋的应力混凝土受到的预压应力1.1.传递长度传递长度： 预应力钢筋的应力从构件端部为预应力钢筋的应力从构件端部为0 0增长到某一稳定数值（如控制

20、应力）增长到某一稳定数值（如控制应力）所需要的长度，如上图中的所需要的长度，如上图中的 ；tplpetrtkldf原理：传递长度上粘结力的累加值等于传递长度末端预应力钢筋的合力。基本假定：基本假定：在传递长度范围内，预应力钢筋的预应力为线性变化，在传在传递长度范围内，预应力钢筋的预应力为线性变化，在传递长度末端达到最大值递长度末端达到最大值。2 2、传递长度的计算、传递长度的计算3 3、传递长度内预应力计算、传递长度内预应力计算6.2 后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算1、问题的提出：预应力通过构件端部传递给混凝土；由于锚具与构件端部接触面积较小，会使构件端部混凝土局部产生较大压应力，导致构件局部（端部）混凝土破坏并丧失预应力。2、对锚固区的要求（1）不产生裂缝和较大变形 措施：保证局部承压截面尺寸（2）有足够的承载力 措施：应配置间接钢筋并按受压验算承载力3、局部承压区截面尺寸验算 ln1.35lclcFf A 对需要配置间接钢筋的局部受压区，要求其截面尺寸满足：局部受压面上作用的局部荷载设计局部受压面上作用的局部荷载设计值。值。在计算后张法构件锚具下局部受压时，取 1.2lconpFA混凝土强度影响系数。混凝土强度影响系数。当fcu,k50时，取c =1.0；当fcu,k=80时，取c =0.8；其间按直线内插法取值。 混凝土局部受压时混凝土局部受压时的强度