[PPT]混凝土结构设计原理之预应力混凝土构件

1、第七章预应力混凝土构件 第一节预应力混凝土基本知识 第二节预应力的施加 第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算 第四节预应力损失值计算 第五节预应力混凝土构件的构造措施第一节预应力混凝土基本知识 一、预应力混凝土的分类 预应力混凝土可按制作、构件中预加应力大小的程度、施工方式的不同来划分。 (1)按制作划分可分为先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土。 (2)按构件中预加应力大小的程度可划分为全预应力和部分预应力法。 (3)按施工方式可划分为有黏结预应力混凝土和无黏结预应力混凝土。 二、预应力混凝土的原理及特点 1.预应力混凝土的原理 (1) 预应力可以改善结构构件的裂缝和变形性能。在使用前预先施

2、加的永久性内应力，以及钢材中的拉应力与混凝土中的压应力组成一个自平衡系统。 (2)推动采用预应力混凝土的主要优点是节约材料。 (3)预应力不能提高混凝土构件的强度。 下一页返回第一节预应力混凝土基本知识 (4)通过消除使用荷载下形成的多数裂缝，预加应力能大大改善混凝土构件的耐久性。 (5)预应力在控制混凝土构件的挠度方面是很有用的。 2.超静定预应力混凝土结构的特点 (1)优点: 1)超静定结构的跨中和支座处的弯矩分布相对较均匀，结构中最大弯矩较小，因而可减小构件截面尺寸，减轻结构自重。 2)超静定结构会产生内力重分布，因而能承担更大的荷载。 3)超静定结构的挠度较小。 4)预应力混凝土框架节

3、点采用刚接，将增加结构的刚性和稳定性。 下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识 5)预应力钢筋在后张预应力混凝土连续梁或框架梁中可连续布置，同一束预应力钢筋既能抵抗跨中弯矩，又能抵抗支座弯矩，进一步节约了钢材，并可减少锚具用量。(2)缺点: 1)在多跨连续结构中，通常预应力钢筋随弯矩图连续多波布置，将导致较大的预应力摩擦损失。 2)由于温度、徐变及地基不均匀沉降等因素的影响，超静定结构中将产生一定的，有时是相当大的超静定内力。 3)超静定预应力混凝土结构计算较为麻烦，除了需计算由外荷载所产生的内力之外，还需计算由预应力产生的附加内力。 4)施工难度大。下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本

4、知识 3.部分预应力结构的特点 (1)相同配筋率、不同预应力度有黏结适筋梁的弯矩一挠度曲线如图7-1所示。 (2)为实现部分预应力有多种方法，在采用钢绞线或碳素钢丝的构件中，采用高强度预应力筋与非预应力普通钢筋(HRB 335,HRB 400级钢筋)混合配筋，是当前部分预应力普遍的方法。由于非预应力筋有利于控制裂缝和挠度的发展，故结构延性好。 部分预应力结构的优点主要有: 1)全预应力设计常由使用荷载下不出现拉应力的条件控制，其受弯承载力安全系数往往偏大，浪费钢材。部分预应力有利于节约预应力筋。下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识 2)全预应力结构，特别是在恒荷载小、活荷载大的条件下会发

5、生长期反拱的问题。这是由于预压区混凝土长期处于高压应力状态引起的徐变，使反拱不断增长的缘故。部分预应力结构由于预加力较小，可避免过大的长期反拱问题。 3)与钢筋混凝土结构相比，部分预应力混凝土具有适量的预应力，在正常使用状态下，其裂缝经常是闭合的。即使当全部活荷载偶然出现时，构件将出现裂缝，但这些裂缝将随活荷载的移去而闭合或仅有微裂缝。可见裂缝对部分预应力结构的危害性并不像对钢筋混凝土结构那样严重，因为后者的裂缝始终存在且不闭合。 4)部分预应力结构由于配置有普通钢筋，在破坏时呈现的延性和能量吸收能力，较全预应力好，对结构抗震有利。下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识 5)当构件支座不能

6、自由滑动时，全预应力构件的纵向缩短(收缩与徐变)，由于受相邻构件的约束而引起的拉应力能造成严重的裂缝。此外，当预压应力过大时会发生沿预应力筋方向的水平裂缝。解决的有效方法是改用部分预应力以降低预压应力。 三、预应力混凝土构件对材料的要求 (1)预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋和非预应力钢筋。非预应力钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋。预应力钢筋必须具有很高的强度，混凝土结构设计规范(GB 50010- 2002)规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝及热处理钢筋。此外，预应力钢筋还应具有一定的塑性、良好的可焊性以及用于先张法构件时与

7、混凝土有足够的黏结力。 下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识 (2)预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30;当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。当采用山砂混凝土及高炉矿渣混凝土时，尚应符合专门标准的规定。 (3)无黏结预应力筋的规格及性能见表7-1。返回上一页第二节预应力的施加 根据钢筋张拉与混凝土浇筑的先后次序不同，预应力筋张拉的方法可分为先张法和后张法。一、应力计算分析 1.钢筋应力 无论先、后张法，非预应力钢筋任何相应时刻的应力公式形式均相同，这是由于两种方法中，非预应力钢筋与混凝土协调变形的起点均是混凝土应力为零。 2.混凝土应力

8、施工阶段，两种张拉方法的pc、 pc公式形式相似，如图7-2、图7-3所示。先张法公式中用构件的换算截面面积A0，而后张法用构件的净截面面积An 。混凝土预压应力pc公式:下一页返回第二节预应力的施加 3.轴向应力 使用阶段，构件在各特定时刻的轴向拉力N0 、Ncr及Nu ，的公式形式均相同。无论先、后张法，均采用构件的换算截面面积A0计算。 (1)由Ncr= (pc.+ftk)A0= N0+ftkA0可知，预应力混凝土构件比同条件的普通钢筋混凝土构件的开裂荷载提高了N0 (2)预应力混凝土轴心受拉构件的极限承载力Nu公式与截面尺寸及材料均相同的普通钢筋混凝土构件的极限承载力公式相同，而与预应

9、力的存在及大小无关，即施加预应力不能提高轴心受拉构件的承载力。但后者因裂缝过大早已不能满足使用要求。下一页返回上一页第二节预应力的施加4.先张法应力 (1)施工阶段:放松钢筋，压缩混凝土(完成第一批预应力损失)，如图7一4所示 (7-4) (2)完成第二批预应力损失后的应力 (7-5)下一页返回上一页第二节预应力的施加(3)使用阶段:加荷至混凝土预压应力被抵消(图7-5)。 (7-6)5.后张法应力在构件上张拉预应力钢筋至con ，同时压缩混凝土，如图7一7所示。完成第一批预应力损失 (7-8)下一页返回上一页第二节预应力的施加完成第二批预应力损失 (7-9)在使用阶段，加荷至混凝土预压应力被

10、抵消 (7-10)继续加荷至混凝土即将开裂 (7-11)加荷直至构件破坏下一页返回上一页第二节预应力的施加二、基本工作程序 1.先张法 第一步:在台座(或钢模)上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，并用夹具临时固定，示意图如图7一8所示。 第二步:支模并浇筑混凝土，养护(一般为蒸汽养护)至其强度不低于设计值的75%时，切断预应力钢筋，示意图如图7一9所示。 2.后张法 第一步:浇筑混凝土制作构件，并预留孔道，如图7-10所示。 第二步:在孔道中穿筋，并在构件上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，在张拉端用锚具，锚住预应力钢筋，并在孔道内压力灌浆，如图7-11所示。返回上一页第三节预应力混凝土轴

11、心受拉构件计算一、使用阶段的计算1.受弯构件预应力度受弯构件预应力度的表达式为 =M0/M (7-14)因此，当框架大梁等受弯构件截面不开裂时，式(7-14 )可改变为 =pc/sc (7-15)按预应力度划分:全预应力混凝土 1部分预应力混凝土 10钢筋混凝土 =0下一页返回第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算 这里部分预应力采用了广义的定义，包括限值预应力与部分预应力两个部分。限值预应力指拉应力没有达到混凝土抗拉强度的设计值;部分预应力指混凝土拉应力没有限制，但应进行裂缝宽度验算。按照荷载的短期效应组合下正截面混凝土的应力状态，又将部分预应力混凝土分为以下两类: A类:正截面中混凝土的拉应力

12、不超过规定的限值，如对受弯构件为 o. 5ftk B类:允许正截面中拉应力超过规定的拉应力限值，但裂缝宽度不超过规定值。下一页返回上一页第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算2.预应力度强度比 预应力度强度比的表达式 (7-16) 3承载力计算 当预应力混凝土轴心受拉构件达到承载能力极限状态时，全部轴心拉力由预应力钢筋和普通钢筋承担，此时，预应力钢筋和普通钢筋均已屈服。于是，其正截面受拉承载力计算式为 (7-17)下一页返回上一页第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算 (1)一级严格要求不出现裂缝的构件。对使用阶段严格要求不出现裂缝的预应力混凝土轴心受拉构件，在荷载效应标准组合下应符合下列要求 ck

13、-pc0 (7-18) (2)二级一般要求不出现裂缝的构件。对使用阶段一般要求不出现裂缝的预应力混凝土轴心受拉构件，应符合下列要求: 在荷载效应的标准组合下 ck -pcftk (7-19) 在荷载效应的准永久组合下 (7-20) (7-21) (7-22) (7-23)下一页返回上一页第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算 (3)三级一允许出现裂缝的构件。对使用阶段允许开裂的轴心受拉构件，按荷载效应标准组合计算，并考虑荷载效应的准永久组合影响的最大裂缝宽度wmax，要求不应超过最大裂缝允许值wlim，即 wmax wmin (7-24) 裂缝宽度限值wlim :一类环境条件为0. 3 mm;二、

14、三类环境条件为0. 2 mm，最大裂缝宽度wmax 的计算及验算公式同普通钢筋混凝土构件的计算。 (7-25) (7-26)下一页返回上一页第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算 (7-26) (7-27) (7-28) (7-29)下一页返回上一页第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算 二、施工阶段的验算 在后张法预应力混凝土构件张拉预应力筋时，或先张法预应力混凝土构件放松预应力筋时，由于预应力损失尚未完成，混凝土受到的压力最大，而此时混凝土的强度一般最低(只达到设计强度的75%)。因此，为保证此时混凝土不被压碎，应予以验算。 对预应力混凝土轴心受拉构件，预压时一般处于全截面均匀受压。截面上混凝土法

15、向压应力cc应符合下列条件: (7-33) 先张法 (7-34) 后张法 (7-35)返回上一页第四节预应力损失值计算预应力损失值包括以下几种:(1)l1:张拉端锚具变形和钢筋内缩引起;计算公式如下:先张法 块体拼成的结构，其预应力损失尚应考虑块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填缝材料时，每条填缝的预压变形值可取为1 mm。 后张法:根据预应力曲线钢筋或折线钢筋与孔道壁之间反向摩擦影响长度lf范围内的预应力钢筋变形值等于锚具变形和钢筋内缩值的条件确定。 下一页返回第四节预应力损失值计算 减少损失的措施:由于a越小或l越大则l1越小，所以尽量少用垫板。 先张法采用长线台座张拉时l1较小;

16、而后张法中构件长度越大则l1越小。(2) l2预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦，主要对后张法有影响，计算公式如下: (7-39) ( 3 ) l3混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差，主要在先张法中， l3 =2t, t为混凝土加热养护时，受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之间的温差(0C)。 下一页返回上一页第四节预应力损失值计算 通常采用两阶段升温养护来减小温差损失:先升温20C25C，待混凝土强度达到7. 510 N/mm2后，混凝土与预应力钢筋之间已具有足够的黏结力而结成整体;当再次升温时，二者可共同变形，不再引起预应力损失。因此，计算时取t=2025 C。当在钢模上生

17、产预应力构件时，钢模和预应力钢筋同时被加热，无温差，则该项损失为零。 ( 4 ) l4预应力钢筋的应力松弛，计算公式如下: 预应力钢丝、钢绞线普通松弛 (7-40) 此处，一次张拉=1，超张拉 =0. 9 低松弛:下一页返回上一页第四节预应力损失值计算con0.7fptk (7-41)0.7fptkcon0.8fptk时： (7-42)当con/fptk0.8时，预应力钢筋的应力松弛损失值可取零。下一页返回上一页第四节预应力损失值计算(5) 15 :混凝土的收缩和徐变，计算公式如下:先张法 (7-43) (7-44)后张法 (7-45) (7-46)下一页返回上一页第四节预应力损失值计算 (

18、6) 16 :用螺旋式预应力钢丝(或钢筋)作配筋的环形结构构件，由于螺旋式预应力钢丝(或钢筋)挤压混凝土引起的预应力损失。 16的大小与构件直径有关，构件直径越小，预应力损失越大。当结构直径大于3 m时， 16可不计;当结构直径小于或等于3 m时，16可取为30N/mm2 。 混凝土预压前(第一批)预应力损失值，先张法为: = 11 十12十13 + 14 ，后张法为: = 11 + 12混凝土预压后(第二批)的损失，先张法为: = 15后张法为: = 14 十15十16返回上一页第五节预应力混凝土构件的构造措施一、先张法预应力混凝土构造1.先张法预应力钢筋尺寸及预留孔道尺寸(1)先张法预应力

19、钢筋最小净间距见表7一5。(2)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1015 mm。这是施工时穿筋布置预应力钢丝束或钢绞线束及锚具的起码条件。(3)端面孔道的相对位置应综合考虑锚夹具的尺寸、张拉设备压头的尺寸、端面混凝土的局部承压能力等因素而妥善布置，必要时应适当加大端面尺寸，以避免施工误差等意外因素造成张拉施工的困难。(4)对预制构件，孔道之间的水平净间距不宜小于50 mm;孔道至构件边缘的净间距不宜小于30 mm，且不宜小于孔道直径的一半。 下一页返回第五节预应力混凝土构件的构造措施(5)框架梁在支座处承受负弯矩而在跨中承受正弯矩，因此预应力钢筋往往作曲线

20、配置。在框架梁中，曲线的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应小于l.5倍孔道外径;从孔壁算起的混凝土保护层厚度，在梁侧不宜小于40 mm而在梁底不宜小于50 mm。(6)大跨度受弯构件往往在制作时需要预先起拱，以抵消正常使用时产生的过大挠度，此时预留孔道宜随构件同时起拱，以免引起计算以外的次应力。2.先张法构件端部加固措施 (1)对于单根预应力钢筋或钢筋束，可以在构件端部设置螺旋钢筋圈。 (2)如果在支座处布置螺旋钢筋有困难，为满足预制构件与搁置支座连接的需要，有时在构件端部预埋支座垫板，并相应配有埋件的锚筋。下一页返回上一页第五节预应力混凝土构件的构造措施 (3)

21、对分散布置的多根预应力钢筋，每根钢筋都加螺旋钢筋圈有困难，则可以在构件端部10d (d为预应力钢筋的公称直径)范围内应设置3 5片与预应力钢筋垂直的钢筋网;钢筋网片一般用细直径钢筋焊接或绑扎，如图7-21所示。(4)对采用预应力钢丝配筋的薄板，由于端面尺寸有限，前述局部加强配筋的措施均难以执行。可以在板端100 mm范围内适当加密横向钢筋，其数量不少于2根，如图7-22所示。 二、后张法预应力混凝土构造 (1)对预应力屋面梁、起重机梁等构件，宜将一部分预应力钢筋在靠近支座处弯起，弯起的预应力钢筋宜沿构件端部均匀布置，如图7-23所示。 (2)出于构件安装的需要，预制构件端部预应力筋锚固处往往有

22、局部凹进。此时应增设折线形的构造钢筋，连同支座垫板上的竖向构造钢筋(插筋或埋件的锚筋)共同构成对锚固区域的约束，如图7-24所示。下一页返回上一页第五节预应力混凝土构件的构造措施 (3)由于构件端部尺寸有限，集中的应力来不及扩散，端部局部承压区以外的孔道仍可能劈裂。因此，在局部受压间接钢筋配置区以外，在构件端部长度不小于3e (e为截面重心线上部或下部预应力钢筋的合力点至邻近边缘的距离)但不大于1. 2h (h构件端部截面高度)、高度为2e的附加配筋区范围内，应均匀配置附加箍筋或网片，其体积配筋率y应不小于0.5%，如图7-25所示。 (4)如果构件端部预应力钢筋无法均匀布置而需集中布置在截面下部，或集中布置在上部和下部时，应在构件端部0. 2h(h为构件端部截面高度)的范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封