PPT混凝土结构设计原理之预应力混凝土构件

第七章预预应力混混凝土构构件第一节预预应力混混凝土基基本知识识第二节预预应力的的施加第三节预预应力混混凝土轴轴心受拉拉构件计计算第四节预预应力损损失值计计算第五节预预应力混混凝土构构件的构构造措施施第一节预预应力混混凝土基基本知识识一、预应应力混凝凝土的分分类预应力混混凝土可可按制作作、构件件中预加加应力大大小的程程度、施施工方式式的不同同来划分分。(1)按制作划划分可分分为先张张法预应应力混凝凝土和后后张法预预应力混混凝土。。(2)按构件中中预加应应力大小小的程度度可划分分为全预预应力和和部分预预应力法法。(3)按施工方方式可划划分为有有黏结预预应力混混凝土和和无黏结结预应力力混凝土土。二、预应应力混凝凝土的原原理及特特点1.预应力混混凝土的的原理(1)预应力可可以改善善结构构构件的裂裂缝和变变形性能能。在使使用前预预先施加加的永久久性内应应力，以以及钢材材中的拉拉应力与与混凝土土中的压压应力组组成一个个自平衡衡系统。。(2)推动采用用预应力力混凝土土的主要要优点是是节约材材料。(3)预应力不不能提高高混凝土土构件的的强度。。下一页返回第一节预预应力混混凝土基基本知识识(4)通过消除除使用荷荷载下形形成的多多数裂缝缝，预加加应力能能大大改改善混凝凝土构件件的耐久久性。(5)预应力在在控制混混凝土构构件的挠挠度方面面是很有有用的。。2.超静定预预应力混混凝土结结构的特特点(1)优点:1)超静定结结构的跨跨中和支支座处的的弯矩分分布相对对较均匀匀，结构构中最大大弯矩较较小，因因而可减减小构件件截面尺尺寸，减减轻结构构自重。。2)超静定结结构会产产生内力力重分布布，因而而能承担担更大的的荷载。。3)超静定结结构的挠挠度较小小。4)预应力混混凝土框框架节点点采用刚刚接，将将增加结结构的刚刚性和稳稳定性。。下一页返回上一页第一节预预应力混混凝土基基本知识识5)预应力钢钢筋在后后张预应应力混凝凝土连续续梁或框框架梁中中可连续续布置，，同一束束预应力力钢筋既既能抵抗抗跨中弯弯矩，又又能抵抗抗支座弯弯矩，进进一步节节约了钢钢材，并并可减少少锚具用用量。(2)缺点:1)在多跨连连续结构构中，通通常预应应力钢筋筋随弯矩矩图连续续多波布布置，将将导致较较大的预预应力摩摩擦损失失。2)由于温度度、徐变变及地基基不均匀匀沉降等等因素的的影响，，超静定定结构中中将产生生一定的的，有时时是相当当大的超超静定内内力。3)超静定预预应力混混凝土结结构计算算较为麻麻烦，除除了需计计算由外外荷载所所产生的的内力之之外，还还需计算算由预应应力产生生的附加加内力。。4)施工难度度大。下一页返回上一页第一节预预应力混混凝土基基本知识识3.部分预应应力结构构的特点点(1)相同配筋筋率、不不同预应应力度有有黏结适适筋梁的的弯矩一一挠度曲曲线如图7-1所示。(2)为实现部部分预应应力有多多种方法法，在采采用钢绞绞线或碳碳素钢丝丝的构件件中，采采用高强强度预应应力筋与与非预应应力普通通钢筋(HRB335,HRB400级钢筋)混合配筋筋，是当当前部分分预应力力普遍的的方法。。由于非非预应力力筋有利利于控制制裂缝和和挠度的的发展，，故结构构延性好好。部分预应应力结构构的优点点主要有有:1)全预应力力设计常常由使用用荷载下下不出现现拉应力力的条件件控制，，其受弯弯承载力力安全系系数往往往偏大，，浪费钢钢材。部部分预应应力有利利于节约约预应力力筋。下一页返回上一页第一节预预应力混混凝土基基本知识识2)全预应力力结构，，特别是是在恒荷荷载小、、活荷载载大的条条件下会会发生长长期反拱拱的问题题。这是是由于预预压区混混凝土长长期处于于高压应应力状态态引起的的徐变，，使反拱拱不断增增长的缘缘故。部部分预应应力结构构由于预预加力较较小，可可避免过过大的长长期反拱拱问题。。3)与钢筋混混凝土结结构相比比，部分分预应力力混凝土土具有适适量的预预应力，，在正常常使用状状态下，，其裂缝缝经常是是闭合的的。即使使当全部部活荷载载偶然出出现时，，构件将将出现裂裂缝，但但这些裂裂缝将随随活荷载载的移去去而闭合合或仅有有微裂缝缝。可见见裂缝对对部分预预应力结结构的危危害性并并不像对对钢筋混混凝土结结构那样样严重，，因为后后者的裂裂缝始终终存在且且不闭合合。4)部分预应应力结构构由于配配置有普普通钢筋筋，在破破坏时呈呈现的延延性和能能量吸收收能力，，较全预预应力好好，对结结构抗震震有利。。下一页返回上一页第一节预预应力混混凝土基基本知识识5)当构件支支座不能能自由滑滑动时，，全预应应力构件件的纵向向缩短(收缩与徐徐变)，由于受受相邻构构件的约约束而引引起的拉拉应力能能造成严严重的裂裂缝。此此外，当当预压应应力过大大时会发发生沿预预应力筋筋方向的的水平裂裂缝。解解决的有有效方法法是改用用部分预预应力以以降低预预压应力力。三、预应应力混凝凝土构件件对材料料的要求求(1)预应力混混凝土结结构中的的钢筋包包括预应应力钢筋筋和非预预应力钢钢筋。非非预应力力钢筋宜宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，，也可采采用HPB235级和RRB400级钢筋。。预应力力钢筋必必须具有有很高的的强度，，《混凝土结结构设计计规范》(GB50010-2002)规定，预预应力钢钢筋宜采采用预应应力钢绞绞线、钢钢丝及热热处理钢钢筋。此此外，预预应力钢钢筋还应应具有一一定的塑塑性、良良好的可可焊性以以及用于于先张法法构件时时与混凝凝土有足足够的黏黏结力。。下一页返回上一页第一节预预应力混混凝土基基本知识识(2)预应力混混凝土结结构的混混凝土强强度等级级不应低低于C30;当采用钢钢绞线、、钢丝、、热处理理钢筋作作预应力力钢筋时时，混凝凝土强度度等级不不宜低于于C40。当采用用山砂混混凝土及及高炉矿矿渣混凝凝土时，，尚应符符合专门门标准的的规定。。(3)无黏结预预应力筋筋的规格格及性能能见表7-1。返回上一页第二节预预应力的的施加根据钢筋筋张拉与与混凝土土浇筑的的先后次次序不同同，预应应力筋张张拉的方方法可分分为先张张法和后后张法。。一、应力力计算分分析1.钢筋应力力无论先、、后张法法，非预预应力钢钢筋任何何相应时时刻的应应力公式式形式均均相同，，这是由由于两种种方法中中，非预预应力钢钢筋与混混凝土协协调变形形的起点点均是混混凝土应应力为零零。2.混凝土应应力施工阶段段，两种种张拉方方法的σpcІ、σpcП公式形式式相似，，如图7-2、图7-3所示。先先张法公公式中用用构件的的换算截截面面积积A0，而后张张法用构构件的净净截面面面积An。混凝土土预压应应力σpc公式:下一页返回第二节预预应力的的施加3.轴向应力力使用阶段段，构件件在各特特定时刻刻的轴向向拉力N0、Ncr及Nu，的公式式形式均均相同。。无论先先、后张张法，均均采用构构件的换换算截面面面积A0计算。(1)由Ncr=(σpc.П+ftk)A0=N0+ftkA0可知，预预应力混混凝土构构件比同同条件的的普通钢钢筋混凝凝土构件件的开裂裂荷载提提高了N0(2)预应力混混凝土轴轴心受拉拉构件的的极限承承载力Nu公式与截截面尺寸寸及材料料均相同同的普通通钢筋混混凝土构构件的极极限承载载力公式式相同，，而与预预应力的的存在及及大小无无关，即即施加预预应力不不能提高高轴心受受拉构件件的承载载力。但但后者因因裂缝过过大早已已不能满满足使用用要求。。下一页返回上一页第二节预预应力的的施加4.先张法应应力(1)施工阶段段:放松钢筋筋，压缩缩混凝土土(完成第一一批预应应力损失失)，如图7一4所示(7-4)(2)完成第二二批预应应力损失失后的应应力(7-5)下一页返回上一页第二节预预应力的的施加(3)使用阶段段:加荷至混混凝土预预压应力力被抵消消(图7-5)。(7-6)5.后张法应力在构件上张拉拉预应力钢筋筋至σcon，同时压缩混混凝土，如图7一7所示。完成第一批预预应力损失(7-8)下一页返回上一页第二节预应力力的施加完成第二批预预应力损失(7-9)在使用阶段，，加荷至混凝凝土预压应力力被抵消(7-10)继续加荷至混混凝土即将开开裂(7-11)加荷直至构件件破坏下一页返回上一页第二节预应力力的施加二、基本工作作程序1.先张法第一步:在台座(或钢模)上用张拉机具具张拉预应力力钢筋至控制制应力，并用用夹具临时固固定，示意图图如图7一8所示。第二步:支模并浇筑混混凝土，养护护(一般为蒸汽养养护)至其强度不低低于设计值的的75%时，切断预应应力钢筋，示示意图如图7一9所示。2.后张法第一步:浇筑混凝土制制作构件，并并预留孔道，，如图7-10所示。第二步:在孔道中穿筋筋，并在构件件上用张拉机机具张拉预应应力钢筋至控控制应力，在在张拉端用锚锚具，锚住预预应力钢筋，，并在孔道内内压力灌浆，，如图7-11所示。返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算一、使用阶段段的计算1.受弯构件预应应力度受弯构件预应应力度的表达达式为λ=M0/M(7-14)因此，当框架架大梁等受弯弯构件截面不不开裂时，式式(7-14)可改变为λ=σpc/σsc(7-15)按预应力度划划分:全预应力混凝凝土λ≥1部分预应力混混凝土1<λ>0钢筋混凝土λ=0下一页返回第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算这里部分预应应力采用了广广义的定义，，包括限值预预应力与部分分预应力两个个部分。限值值预应力指拉拉应力没有达达到混凝土抗抗拉强度的设设计值;部分预应力指指混凝土拉应应力没有限制制，但应进行行裂缝宽度验验算。按照荷荷载的短期效效应组合下正正截面混凝土土的应力状态态，又将部分分预应力混凝凝土分为以下下两类:A类:正截面中混凝凝土的拉应力力不超过规定定的限值，如如对受弯构件件为o.5γftkB类:允许正截面中中拉应力超过过规定的拉应应力限值，但但裂缝宽度不不超过规定值值。下一页返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算2.预应力度强度度比预应力度强度度比的表达式式(7-16)3·承载力计算当预应力混凝凝土轴心受拉拉构件达到承承载能力极限限状态时，全全部轴心拉力力由预应力钢钢筋和普通钢钢筋承担，此此时，预应力力钢筋和普通通钢筋均已屈屈服。于是，，其正截面受受拉承载力计计算式为(7-17)下一页返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算(1)一级——严格要求不出出现裂缝的构构件。对使用用阶段严格要要求不出现裂裂缝的预应力力混凝土轴心心受拉构件，，在荷载效应应标准组合下下应符合下列列要求σck-σpc≤0(7-18)(2)二级——一般要求不出出现裂缝的构构件。对使用用阶段一般要要求不出现裂裂缝的预应力力混凝土轴心心受拉构件，，应符合下列列要求:在荷载效应的的标准组合下下σck-σpc≤ftk(7-19)在荷载效应的的准永久组合合下(7-20)(7-21)(7-22)(7-23)下一页返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算(3)三级一允许出出现裂缝的构构件。对使用用阶段允许开开裂的轴心受受拉构件，按按荷载效应标标准组合计算算，并考虑荷荷载效应的准准永久组合影影响的最大裂裂缝宽度wmax，要求不应超超过最大裂缝缝允许值wlim，即wmax≤wmin(7-24)裂缝宽度限值值wlim:一类环境条件件为0.3mm;二、三类环境境条件为0.2mm，最大裂缝宽宽度wmax的计算及验算算公式同普通通钢筋混凝土土构件的计算算。(7-25)(7-26)下一页返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算(7-26)(7-27)(7-28)(7-29)下一页返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算二、施工阶段段的验算在后张法预应应力混凝土构构件张拉预应应力筋时，或或先张法预应应力混凝土构构件放松预应应力筋时，由由于预应力损损失尚未完成成，混凝土受受到的压力最最大，而此时时混凝土的强强度一般最低低(只达到设计强强度的75%)。因此，为保保证此时混凝凝土不被压碎碎，应予以验验算。对预应力混凝凝土轴心受拉拉构件，预压压时一般处于于全截面均匀匀受压。截面面上混凝土法法向压应力σcc应符合下列条条件:(7-33)先张法(7-34)后张法(7-35)返回上一页第四节预应力力损失值计算算预应力损失值值包括以下几几种:(1)σl1:张拉端锚具变变形和钢筋内内缩引起;计算公式如下下:先张法块体拼成的结结构，其预应应力损失尚应应考虑块体间间填缝的预压压变形。当采采用混凝土或或砂浆为填缝缝材料时，每每条填缝的预预压变形值可可取为1mm。后张法:根据预应力曲曲线钢筋或折折线钢筋与孔孔道壁之间反反向摩擦影响响长度lf范围内的预应应力钢筋变形形值等于锚具具变形和钢筋筋内缩值的条条件确定。下一页返回第四节预应力力损失值计算算减少损失的措措施:由于a越小或l越大则σl1越小，所以尽尽量少用垫板板。先张法采用长长线台座张拉拉时σl1较小;而后张法中构构件长度越大大则σl1越小。(2)σl2预应力钢筋与与孔道壁之间间的摩擦，主主要对后张法法有影响，计计算公式如下下:(7-39)(3)σl3混凝土加热养养护时，受张张拉的钢筋与与承受拉力的的设备之间的的温差，主要要在先张法中中，σl3=2△t,△△t为混凝土加热热养护时，受受张拉的预应应力钢筋与承承受拉力的设设备之间的温温差(0°C)。下一页返回上一页第四节预应力力损失值计算算通常采用两阶阶段升温养护护来减小温差差损失:先升温20°C~25°C，待混凝土强强度达到7.5~10N/mm2后，混凝土与与预应力钢筋筋之间已具有有足够的黏结结力而结成整整体;当再次升温时时，二者可共共同变形，不不再引起预应应力损失。因因此，计算时时取△t=20~25°C。当当在在钢钢模模上上生生产产预预应应力力构构件件时时，，钢钢模模和和预预应应力力钢钢筋筋同同时时被被加加热热，，无无温温差差，，则则该该项项损损失失为为零零。。(4)σl4预应应力力钢钢筋筋的的应应力力松松弛弛，，计计算算公公式式如如下下:预应应力力钢钢丝丝、、钢钢绞绞线线普普通通松松弛弛(7-40)此处处，，一一次次张张拉拉ψ=1，超超张张拉拉ψ=0.9低松松弛弛:下一一页页返回回上一一页页第四四节节预预应应力力损损失失值值计计算算σcon≤0.7fptk(7-41)0.7fptk<σcon≤0.8fptk时：：(7-42)当σcon/fptk≤0.8时，，预预应应力力钢钢筋筋的的应应力力松松弛弛损损失失值值可可取取零零。。下一一页页返回回上一一页页第四四节节预预应应力力损损失失值值计计算算(5)σ15:混凝凝土土的的收收缩缩和和徐徐变变，，计计算算公公式式如如下下:先张张法法(7-43)(7-44)后张张法法(7-45)(7-46)下一一页页返回回上一一页页第四四节节预预应应力力损损失失值值计计算算(6)σ16:用螺螺旋旋式式预预应应力力钢钢丝丝(或钢钢筋筋)作配配筋筋的的环环形形结结构构构构件件，，由由于于螺螺旋旋式式预预应应力力钢钢丝丝(或钢钢筋筋)挤压压混混凝凝土土引引起起的的预预应应力力损损失失。。σ16的大大小小与与构构件件直直径径有有关关，，构构件件直直径径越越小小，，预预应应力力损损失失越越大大。。当当结结构构直直径径大大于于3m时，，σ16可不不计计;当结结构构直直径径小小于于或或等等于于3m时，，σ16可取取为为30N/mm2。混凝土预压前前(第一批)预应力损失值值，先张法为为:σ=σ11十σ12十σ13+σ14，后张法为:σ=σ11+σ12混凝土预压后后(第二批)的损失，先张张法为:σ=σ15后张法为:σ=σ14十σ15十σ16返回上一页第五节预应力力混凝土构件件的构造措施施一、先张法预预应力混凝土土构造1.先张法预应力力钢筋尺寸及及预留孔道尺尺寸(1)先张法预应力力钢筋最小净净间距见表7一5。(2)预留孔道的内内径应比预应应力钢丝束或或钢绞线束外外径及需穿过过孔道的连接接器外径大10~15mm。这是施工时时穿筋布置预预应力钢丝束束或钢绞线束束及锚具的起起码条件。(3)端面孔道的相相对位置应综综合考虑锚夹夹具的尺寸、、张拉设备压压头的尺寸、、端面混凝土土的局部承压压能力等因素素而妥善布置置，必要时应应适当加大端端面尺寸，以以避免施工误误差等意外因因素造成张拉拉施工的困难难。(4)对预制构件，，孔道之间的的水平净间距距不宜小于50mm;孔道至构件边边缘的净间距距不宜小于30mm，且不宜小于于孔道直径的的一半。下一页返回第五节预应力力混凝土构件件的构造措施施(5)框架梁在支座座处承受负弯弯矩而在跨中中承受正弯矩矩，因此预应应力钢筋往往往作曲线配置置。在框架梁梁中，曲线的的预留孔道在在竖直方向的的净间距不应应小于孔道外外径，水平方方向的净间距距不应小于l.5倍孔道外径;从孔壁算起的的混凝土保护护层厚度，在在梁侧不宜小小于40mm而在梁底不宜宜小于50mm。(6)大跨度受弯构构件往往在制制作时需要预预先起拱，以以抵消正常使使用时产生的的过大挠度，，此时预留孔孔道宜随构件件同时起拱，，以免引起计计算以外的次次应力。2.先张法构件端端部加固措施施(1)对于单根预应应力钢筋或钢钢筋束，可以以在构件端部部设置螺旋钢钢筋圈。(2)如果在支座处处布置螺旋钢钢筋有困难，，为满足预制制构件与搁置置支座连接的的需要，有时时在构件端部部预埋支座垫垫板，并相应应配有埋件的的锚筋。下一页返回上一页第五节预应力力混凝土构件件的构造措施施(3)对分散布置的的多根预应力力钢筋，每根根钢筋都加螺螺旋钢筋圈有有困难，则可可以在构件端端部10d(d为预应力钢筋筋的公称直径径)范围内应设置置3~5片与预应力钢钢筋垂直的钢钢筋网;钢筋网片一般般用细直径钢钢筋焊接或绑绑扎，如图7-21所示。(4)对采用预应力力钢丝配筋的的薄板，由于于端面尺寸有有限，前述局局部加强配筋筋的措施均难难以执行。可可以在板端100mm范围内适当加加密横向钢筋筋，其数量不不少于2根，如图7-22所示。二、后张法预预应力混凝土土构造(1)对预应力屋面面梁、起重机机梁等构件，，宜将一部分分预应力钢筋筋在靠近支座座处弯起，弯弯起的预应力力钢筋宜沿构构件端部均匀匀布置，如图7-23所示。(2)出于构件安装装的需要，预预制构件端部部预应力筋锚锚固处往往有有局部凹进。。此时应增设设折线形的构构造钢筋，连连同支座垫板板上的竖向构构造钢筋(插筋或埋件的的锚筋)共同构成对锚锚固区域的约约束，如图7-24所示。下一页返回上一页第五节预应力力混凝土构件件的构造措施施(3)由于构件端部部尺寸有限，，集中的应力力来不及扩散散，端部局部部承压区以外外的孔道仍可可能劈裂。因因此，在局部部受压间接钢钢筋配置区以以外，在构件件端部长度不不小于3e(e为截面重心线线上部或下部部预应力钢筋筋的合力点至至邻近边缘的的距离)但不大于1.2h(h构件端部截面面高度)、高度为2e的附加配筋区区范围内，应