预应力混凝土结构的基本原理与计算原则.ppt

预应力混凝土的基本原理预应力混凝土的基本原理预应力混凝土的分类预应力混凝土的分类预应力混凝土的材料预应力混凝土的材料预应力钢筋的张锚体系预应力钢筋的张锚体系预应力混凝土结构计算的基本原则预应力混凝土结构计算的基本原则预应力混凝土的基本概念预应力混凝土的基本概念 各项预应力损失的意义、计算方法、减小措施各项预应力损失的意义、计算方法、减小措施 普通钢筋混凝土的缺点：普通钢筋混凝土的缺点：a.在使用荷载下带裂缝工作，影响使用功能，耐久性、在使用荷载下带裂缝工作，影响使用功能，耐久性、刚度和抗疲劳性。刚度和抗疲劳性。b.难以利用高强度钢筋。与难以利用高强度钢筋。与wmax对应的对应的 s=200N/mm2。而高强钢丝强度可达而高强钢丝强度可达1600N/mm2以上以上。一、基本概念设计控制条件：一般RC梁承载力大跨RC梁挠度变形高强钢筋裂缝宽度一、基本概念加载加载*提高刚度和抗裂度提高刚度和抗裂度*减轻结构自重减轻结构自重*提高梁的抗扭和抗剪承载力，提高梁的抗扭和抗剪承载力，但不提高抗弯承载力但不提高抗弯承载力*提高梁的抗疲劳承载力保护钢提高梁的抗疲劳承载力保护钢筋免受大气腐蚀筋免受大气腐蚀 预预应应力力混混凝凝土土的的优优点点预应力混凝土的优点预应力混凝土的优点 改善结构的使用性能：改善结构的使用性能：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。受剪承载力提高：受剪承载力提高：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。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。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。使高强钢材和高强混凝土得到应用：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。预应力的日常应用预应力的日常应用工程全长537.7米，分为两部分，一是长233米多的连接段，主要是一座200米的三孔大跨桥梁，其最大跨径达84米；另一段为长304.3米的修复段，除中空墙体外还有几座敌楼。整个修复工程按照修旧如旧的原则，既恢复了古城风貌，又不影响城市交通，还给开发利用留下了空间。二、分类 1.先张法和后张法张拉钢筋并在台座上固定浇注混凝土构件混凝土强度达设计强度的70%以上时剪断钢筋浇混凝土构件，并在构件中预留孔道在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉锚固灌浆优点：1）张拉工序简单 2）不需放置永久性锚具 3）批量生产 缺点：1）需成批钢模，养护池，一次性投资大 2）适用于直线型面筋，对于曲线布置较困难 优点：1）后张法直接在构件上张拉，可布置钢筋的形状多样 2）适用于现场制作，块体拼接，特殊结构 缺点：1）永久性锚具量大 2）工序复杂，施工周期长 先张法后张法 预应力建立的条件预应力建立的条件 钢筋与混凝土之间有可靠的力的传递，是保证混凝土受到预压的条件。先张法先张法是通过钢筋与混凝土之间的粘结力来传递预压力 后张法后张法是依靠锚具来传递预压力 二、分类 2.全预应力和部分预应力使用荷载下不出现拉应力或裂缝全预应力混凝土构件使用荷载下允许混凝土受拉区产生宽度不大的裂缝部分预应力混凝土构件 预加压力预加压力Np在梁底部产生的压应力在梁底部产生的压应力 外加荷载产生的弯矩外加荷载产生的弯矩M在梁底部产生的拉应力在梁底部产生的拉应力 预加偏心压力预加偏心压力Np和弯矩和弯矩M叠加，在梁底部产生的拉应力叠加，在梁底部产生的拉应力 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 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。二、分类 3.有粘结和无粘结预应力混凝土有粘结预应力混凝土先张法生产的预应力混凝土构件以及后张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件特点受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小二、分类 3.有粘结和无粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土后张法张拉钢筋后不在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件特点造价低，便于以后再次张拉或更换预应力钢筋三、施加预应力的方法 1.张拉预应力筋的方法*直接张拉法：用千斤顶等机械工具直接张拉法：用千斤顶等机械工具直接张拉预应力钢筋直接张拉预应力钢筋*电热法：低电压强电流通过钢筋使电热法：低电压强电流通过钢筋使其发热伸长，达设计要求时断电其发热伸长，达设计要求时断电*连续配筋法：用旋转工作台将预应力筋缠绕于混凝土块体上或水池连续配筋法：用旋转工作台将预应力筋缠绕于混凝土块体上或水池壁上壁上*自张法：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土自张法：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土中的钢筋一起伸长，在混凝土中产生压力中的钢筋一起伸长，在混凝土中产生压力*直接加压法：用千斤顶直接在构件两端加力使其获得预压力直接加压法：用千斤顶直接在构件两端加力使其获得预压力三、施加预应力的方法 2.锚具和夹具*夹具：主要依靠摩擦力来夹住钢筋，夹具：主要依靠摩擦力来夹住钢筋，它不留在构件上，剪断预应力筋后它不留在构件上，剪断预应力筋后夹具的作用即消失夹具的作用即消失*锚具：永久地留在构件上，如锚具锚具：永久地留在构件上，如锚具失效构件中的预应力将全部消失。失效构件中的预应力将全部消失。锚具螺丝端杆锚具锚具镦头锚具锥塞式锚具 锚具夹片式锚具夹片式锚具JM12型、型、QM型和型和XM型锚具型锚具 锚具夹具、锥锥形形夹夹具具和和楔楔形形夹夹具具用于锚固单根或双根冷轧带肋钢筋、锥锥形形夹夹具具和和楔楔形形夹夹具具用于锚固单根或双根冷轧带肋钢筋锥形夹具和楔形夹具 钢模张拉用梳子板夹具 三、施加预应力的方法 3.孔道成型与灌浆材料四、预应力混凝土的材料 1.钢筋 强度越高越好 具有一定的塑性，避免超载时发生脆性拉断破坏 具有良好的加工性能，满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求 具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能（钢丝类预应力筋）要求处于侵蚀介质中的预应力混凝土构件，不宜采用热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线等作为预应力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要求采用高强混凝土要求采用高强混凝土 可以施加较大的预压应力，提高预应力效率 有利于减小构件截面尺寸和结构自重 具有较高的弹性模量，减少预压时的弹性回缩 徐变较小，有利于减少预应力损失 与钢筋具有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度 有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸 强度早期发展快，可较早施加预应力，提高台座、模板、夹具的周转率，降低间接费用四、预应力混凝土的材料 2.混凝土四、预应力混凝土的材料 2.混凝土C30一般预应力混凝土构件采用热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线的预应力混凝土构件C40五、张拉控制应力con的确定 1.con对结构的影响ApconApconApconApcon 张拉控制应力（张拉控制应力（controlling stress）是指张拉预应力）是指张拉预应力钢筋时，张拉设备的测力仪表所指示的总张拉力除钢筋时，张拉设备的测力仪表所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值。以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值。张拉控制应力张拉控制应力con是施工时张拉预应力钢筋的依据，其取值应适当。若过大，则会产生如是施工时张拉预应力钢筋的依据，其取值应适当。若过大，则会产生如下问题：（下问题：（1）个别钢筋可能被拉断；（）个别钢筋可能被拉断；（2）施工阶段可能会引起构件某些部）施工阶段可能会引起构件某些部位受到拉力（称为预拉区）甚至开裂，还可能使后张法构件端部混凝土产生位受到拉力（称为预拉区）甚至开裂，还可能使后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏；（局部受压破坏；（3）使开裂荷载与破坏荷载相近，一旦裂缝，将很快破坏，）使开裂荷载与破坏荷载相近，一旦裂缝，将很快破坏，即可能产生无预兆的脆性破坏。另外，还会增大预应力钢筋的松弛损失。因即可能产生无预兆的脆性破坏。另外，还会增大预应力钢筋的松弛损失。因而对张拉控制应力应规定上限值。而对张拉控制应力应规定上限值。同时，为了保证构件中建立必要的有效预应力，张拉控制应力取值也不同时，为了保证构件中建立必要的有效预应力，张拉控制应力取值也不能过小，即也应有下限值。能过小，即也应有下限值。五、张拉控制应力con的确定 2.con的取值ApconApconApconApcon预应力钢筋屈服强度的0.50.9冷拉低合金钢筋预应力钢筋极限抗拉强度的0.40.75预应力钢筋极限抗拉强度的0.40.70碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线冷拔低碳钢丝、热处理钢筋 张拉控制应力限值con五、张拉控制应力con的确定 预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中应力会从原因，预应力筋中应力会从 concon逐步减少，并经过相当长的逐步减少，并经过相当长的时间才最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。时间才最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果 预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。问题。过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响。利影响。六、预应力损失值凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失主要有：锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。温差损失：先张法中的热养护引起的温差损失松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，会引起预应力损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失：是引起损失的主要部分u螺旋钢筋挤压混凝土：当环形构件采用缠绕螺旋式预应力钢筋时，混凝土在环向预应力的挤压作用下产生局部压陷，预应力钢筋环的直径减少，造成应力损失 六、预应力损失值 1.预应力损失的种类ApconApconApconApcon前期损失或第一批损失如锚具变形、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后期损失或第二批损失如混凝土收缩徐变、局部挤压损失等发生在预应力传到混凝土之后六、预应力损失值 1.预应力损失的种类前期损失或第一批损失ApconApconApconApcon后期损失或第二批损失预应力损失值不宜笼统地估算，应予分项计算，然后相加确定总的损失值但各项预应力损失值又不是截然无关的。试图求得各项预应力损失的“净值”是很困难的。六、预应力损失值 2.管道摩擦损失l2PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxddPxPx-dP1dP1dxrdP2dPxPx-dP2dxrP后张法中，张拉钢筋时，钢筋在孔道中滑动，就会产生摩擦力主要由两部分组成*孔道偏差等因素引起的*曲线型孔道而引起的)11()(2kdxconle考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，教材表10-3预应力钢筋与孔道壁间的摩擦系数，教材表10-3x张拉端到计算截面的距离，曲线预应力筋近似取x=r，以米计（m）；张拉端与计算截面曲线部分的切线夹角，以弧度(rad)计；刮碰摩擦系数；预应力钢筋与孔壁摩擦系数。当上式中的 ，可近似 六、预应力损失值 2.管道摩擦损失l2采用两端张拉或超张拉可以减少l2建议的张拉程序为01.1con停2分钟0.85con停2分钟con六、预应力损失值 3.锚具变形和钢筋回缩损失l1由于锚具