混凝土结构教案 混凝土学习课件 预应力混凝土结构.ppt
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1、1,第九章 预应力混凝土构件,预应力混凝土轴心受拉构件的计算预应力混凝土受弯构件的计算 预应力混凝土构件的构造 部分预应力混凝土与粘结预应力混凝土,2,1.普通混凝土 要求混凝土不开裂时,裂缝宽度,不能充分利用受拉钢筋的强度,因而,钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能发挥其作用的。为了要满足变形和裂缝控制的要求,则需增大构件的截面尺寸和用钢量,这将导致自重过大,使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。,9.1概述,一、预应力混凝土的概念,第九章 预应力混凝土构件,3,2.预应力混凝土,预应力混凝土结构就是构件在承受外荷载之前,人为地预先通过张拉钢筋对结构使用阶段产生
2、拉应力的混凝土区域施加压力,这个压应力称为预应力。构件承受外荷载后,此项预压应力将抵消一部分或全部由外荷载所引起的拉应力;从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展。,4,5,6,1)提高构件的抗裂度,改善了构件的受力性能。2)提高了构件的刚度,减少构件的变形。3)由于采用了高强度混凝土和钢筋,从而节省材料和减轻结构自重。4)需要增设施加预应力的设备,制作技术要求较高,施工周期较长,计算较繁。5)延性较差。,4.预应力混凝土主要应用范围1)对裂缝控制等级严格的结构。2)对构件的刚度和变形控制较高的结构构件。3)跨度大或承受重型荷载的构件。如水池、油罐、吊车梁、屋架、桥梁、大跨度梁板等。,3.预应力混凝
3、土优缺点,7,二、预类应力混凝土分类,1.全预应力和部分预应力混凝土,混凝土结构设计规范:全预应力:一级严格要求不出现裂缝的构件,按荷载标准组合计算时,构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。全预应力混凝土的特点是:(1)抗裂性能好。由于全预应力混凝土结构所施加的预应力大,混凝土不开裂,因而其抗裂性能好,构件刚度大,常用于对抗裂或抗腐蚀性能要求较高的结构,如贮液罐、核电站安全壳等。(2)抗疲劳性能好。预应力钢筋从张拉完毕直至使用阶段整个过程中,其应力值的变化幅度小,因而在重复荷载作用下抗疲劳性能好,如吊车梁等。(3)反拱值一般过大。由于预加应力较高,而恒载小,活荷载较大的结构中经常发生影响正常使用。
4、(4)延性较差,费用高。由于全预应力混凝土结构构件的开裂荷载与极限荷载较为接近,导致延性较差,对抗震不利。,部分预应力,有限预应力:二级一般要求不出现裂缝的构件,按荷载标准组合计算时,构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标准值。部分预应力(狭义):三级允许出现裂缝的构件:,8,部分预应力混凝土的特点是:(1)可合理控制裂缝节约钢材。由于可根据结构构件的不同使用要求,可变荷载作用情况及环境条件等对裂缝进行控制,降低了预加应力值,从而节约钢材。(2)控制反拱值不致过大。由于预加应力值相对较小,构件初始反拱值较小,徐变小。(3)延性较好。部分预应力混凝土构件由于配置了非预应力钢筋,可提高
5、构件延性,有利于结构抗震,改善裂缝分布,减小裂缝宽度。(4)与全预应力混凝土相比,其综合经济效果好。对于抗裂要求不高的结构构件,部分预应力混凝土是一种有应用前途的结构构件。,9,无粘结预应力混凝土指的是采用无粘结预应力筋(经涂抹防锈油脂,以减小摩擦力防止锈蚀,用聚乙烯材料包裹制成的专预用应力筋)的预应力混凝土。施工时,无粘结预应力筋可如同非预应力筋一样,按设置要求铺放在模板内,然后浇筑混凝土,待混凝土达到设计要求强度后,再张拉锚固。此时,无粘结预应力筋与混凝土不直接接触,而成无粘结状态。(1)结构自重轻。由于不需预留孔道,可减少构件截面尺寸,减轻自重。(2)施工简便,速度快。它无需预留孔道、穿
6、筋、灌浆等复杂工序,简化了施工工艺,加快了施工进度。特别适合用于构造复杂的曲线布筋构件或结构。无粘结预应力混凝土用于多层和高层建筑中的单向板、以及井字梁、悬臂梁、框架梁、扁梁等。无粘结预应力混凝土也适用于桥梁结构中的简支板(梁)、连续梁、预应力拱桥、桥梁下部结构、灌注桩的桥墩等,也可以应用于旧桥加固工程中。,2.有粘结与无粘结,10,11,12,预应力是通过张拉钢筋来实现的。张拉钢筋:机械及电热法,三、预应力混凝土施工方法,先张法:先张拉钢筋,后浇筑混凝土。预应力靠钢筋和混凝土之间的粘结力来实现。,后张法:先浇筑混凝土,后张拉钢筋。预应力靠锚具来实现,称为工作锚具。相同张拉力时,后张法建立的预
7、压应力高于先张法。,13,14,15,先张法、后张法各有优缺点:先张法生产工序少,工艺简单,施工质量容易保证,不需在构件上设永久性锚具,生产成本低,在长线台座上,一次可生产多个构件。先张法主要适合于工厂内生产中、小型构件。后张法不需要台座,构件既可在工厂也可在现场制作;后张法构件只能单一逐个地施加预应力,工序多,操作也麻烦;而且需设永久性锚具,成本高;一般用于运输不便的大、中型构件。,16,四、锚具和夹具,*夹具:它不留在构件上,剪断预应力筋后夹具的作用即消失,能重复利用,*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。,17,承压型锚具(螺丝端杆锚具):利用螺帽、垫板等承压作用
8、将预应力钢筋锚固在端部,18,摩擦型锚具(锥形锚具),19,墩头锚具,20,JM12型锚具,21,XM型锚具,QM型锚具及配件,22,OVM型锚具 夹片式扁锚体系,23,24,25,26,五、预应力混凝土所用的材料,1.混凝土:要求高强、早强、收缩徐变小。预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40,且不应低于C30。2.钢筋:要求:1)高强、高屈服点。2)良好的塑性性能。3)良好的加工性。4)与混凝土有良好的粘结力。选用:1)钢绞线。2)中强度预应力钢丝。3)消除应力钢丝。4)预应力螺纹钢筋。,27,28,29,预应力混凝土用钢绞线:由光圆钢丝捻制成的钢绞线。公称直径:钢绞线外接圆直径的名
9、誉尺寸,30,预应力混凝土用螺纹钢筋:热轧成带有不连续的外螺纹的直条钢筋,该钢筋在任意截面处,均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固。,31,四、张拉控制应力con的确定张拉控制应力:是指张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值,其值为张拉设备所控制的总的张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值。1.影响con的因素,从充分发挥预应力优点的角度考虑,张拉控制应力宜尽可能地定得高一些,con定得高,形成的有效预压应力高,构件的抗裂性能好,且可以节约钢材,但如果控制应力过高,会出现以下问题:,con越高,构件的开裂荷载与极限荷载越接近,使构件在破坏前无明显预兆,构件的延性较差。在施工阶段会使
10、构件的某些部位受到拉力甚至开裂,对后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏。有时为了减少预应力损失,需对钢筋进行超张拉,由于钢材材质的不均匀,可能使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度,而使钢筋产生较大塑性变形或脆断,使施加的预应力达不到预期效果。使预应力损失增大。,32,con也不能定得过低,它应有下限值。否则预应力钢筋在经历各种预应力损失后,对混凝土产生的预压应力过小,达不到预期的抗裂效果。,33,先张法构件的con值适当高于后张法构件,原因在于先张法的张拉力是由台座承受,预应力钢筋受到实足的张拉力,当放松钢筋时,混凝土受到压缩,钢筋随之缩短,从而使预应力钢筋中的应力有所降低,而后张法的张
11、拉力是由构件承受,构件受压后立即缩短,所以张拉设备所指示的控制应力是已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力,为了使两种方法所得预应力保持在相同水平,故后张法的con应适当低于先张法。,有明显的流幅塑性较好,以屈服强度作为标准值,故con定得高,无明显流幅的钢筋,塑性差,且以极限抗拉强度作为标准值,故con定得低。,张拉控制应力大小的确定与预应力钢筋的品种和施加预应力的方法有关。,34,张拉控制应力限值,fptk预应力筋极限强度标准值;fpyk预应力螺纹钢筋屈服强度标准值。消除应力钢丝、钢绞线、中强度预应力钢丝的张拉控制应力值不应小于0.4fptk;预应力螺纹钢筋的张拉应力控制值不宜小于0.5fpyk
12、。当符合下列情况之一时,上述张拉控制应力限值可相应提高0.05fptk或0.05fpyk;1)要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋;2)要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。,35,七、预应力损失及其组合 预应力钢筋的张拉力,从开始张拉至构件使用;由于张拉工艺和材料特性等原因将不断降低,这种现象称为预应力损失。,1.锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,当为直线型预应力钢筋时,式中 a:张拉端锚具变形和钢筋回缩值mm;l:张拉端至锚固端之间的距离mm。(注意先后张法不同),减少此项损失的措施有:,选择
13、变形小或预应力钢筋内缩小的锚具,尽量减少垫板数;对先张法构件,选择长台座。,36,37,2.预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 l2,式中 k考虑孔道每米长度局部偏差对摩擦影响的系数:x张拉端至计算截面的孔道长度,可近似取该孔道在纵轴上的投影长度,预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数,从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线的夹角(以弧度计)。,当,38,39,减少该项损失,可采取以下措施:,对较长的构件可在两端进行张拉;,采用超张拉,张拉程序可采用:,当第一次张拉至1.1con时,预应力钢筋应力沿EHD分布,当张拉应力降至0.85con,由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响,预应力沿FGHD分布
14、,当再张拉至con时,钢筋应力沿CGHD分布,可见,超张拉钢筋中的应力比一次张拉至con的应力分布均匀,预应力损失要小一些。,40,3.混凝土加热养护时,受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失 l3,为了缩短先张法构件的生产周期,混凝土常采用蒸汽养护办法。升温时,新浇的混凝土尚未结硬,预应力筋与台座之间的温差t使钢筋受热自由伸长,但两端的台座是固定不动的,即距离保持不变,于是钢筋就松了,钢筋的应力降低;降温时,预应力钢筋与混凝土已黏结成整体,加上两者的温度线膨胀系数相近,二者能够同步回缩,放松钢筋时因温度上升钢筋伸长的部分已不能回缩,因而产生了温差损失。仅先张法构件有该项损失。,41,
15、减少此项损失的措施有:,采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土强度等级达到C7.5C10,再逐渐升温至规定的养护温度,这时可认为钢筋与混凝土已结成整体,能够一起胀缩而不引起预应力损失;在钢模上张拉预应力钢筋。由于钢模和构件一起加热养护,升温时两者温度相同,可不考虑此项损失。,42,4.钢筋应力松弛引起的预应力损失l4,钢筋的应力松弛是指钢筋在高应力作用下及钢筋长度不变条件下,其应力随时间增长而降低的现象。,钢筋应力松弛有以下特点:应力松弛与时间有关,开始快,以后慢;应力松弛与钢材品种有关。软钢比硬钢要小;张拉控制应力con高,应力松弛大。,43,44,采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张
16、拉程序为:,因为在较高应力下持荷两分钟所产生的松弛损失与在较低应力下经过较长时间才能完成的松弛损失大体相当,所以经过超张拉后再张拉至con时,一部分松弛损失已完成。,5.混凝土的收缩徐变引起的预应力损失l5,混凝土结硬时产生体积收缩,在预压力作用作用下,混凝土会发生徐变,这都会使构件缩短,构件中的预应力钢筋跟着回缩,造成预应力损失。,45,先张法构件,后张法构件,式中 pc,pc分别为完成第一批预应力损失后受拉区、受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向压应力;,fcu施加预应力时混凝土的实际立方体抗压强度。一般fcu不等于构件混凝土的立方体强度fcu,但要求 fcu0.75 fcu;,当结构处于年
17、平均相对湿度低于40%环境下,该项损失应增加30%。,46,,受拉区、受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率。,先张法构件,后张法构件,式中 Ap,Ap分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积,对称配筋的构件,取,此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算;A0,An分别为混凝土换算截面积、净截面面积。,47,后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小,原因是后张法构件在施加预应力时,混凝土的收缩已完成一部分。以上公式适用于一般相对湿度环境,高湿度环境下,l5,l5应降低,反之则增加。,减少此项损失的措施有:,采用高标号水泥,减少水泥用量,降低水灰比;采用级配良好的骨料,加强振捣,提高混凝土的密实性;加
18、强养护,以减少混凝土的收缩,控制混凝土应力pc,要求,以防止发生非线性徐变。,48,6.用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6 仅后张法有这项损失。当D3m,l6=30MPa,当D3m,不考虑该项损失。此处D为环形构件的直径。,七、预应力损失值的组合 为了计算方便,规范把预应力损失分为两批,混凝土受预压前产生的预应力损失为第一批预应力损失l,而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批预应力损失l。,49,规范同时还规定,当按上述规定计算求得的预应力总损失值小于下列数值时,则按下列数值取用:先张法构件100N/mm2;后张法构件80N/mm2。,50,七 先张法
19、构件预应力钢筋传递长度在先张构件预应力钢筋中的预拉应力通过粘结应力方式转变为混凝土的预压应力,显然这需要一定的长度,只要达到此长度后才能保证钢筋与混凝土之间不发生滑移,即无粘结应力,该长度称为传递长度 ltr。,51,当采用骤然放张预应力的施工工艺时,对光面预应力钢丝ltr的起点应从距构件末端ltr4处开始计算。,52,八、后张法构件端部锚固区局部受压验算 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高度。,53,锚固区抗
20、裂度主要取决于垫板与构件的端部尺寸,端部截面局部承压强度则通过配置间接钢筋来满足。,式中 Fl 局部受压面上作用的局部压力设计值;,、端部受压截面尺寸验算:局部受压区截面尺寸应符合下列要求。,c 混凝土强度的影响系数;,l 混凝土局部受压承载力强度的提高系数;,54,fc 张拉时混凝土的轴心抗压强度设计值。,Ab 局部受压时的计算底面积,按与局部承压面积“同心、对称”原则确定。,Aln 混凝土局部受压净面积,应在中扣孔道、凹槽部分面积;,Al 混凝土局部承压面积。当有垫板时;可考 虑预压力沿锚具垫圈边缘在垫板中按450扩散后传至混凝土的受压面积;,不满足时:加大端部面积;调整锚具位置;加大垫板
21、厚度;提高混凝土强度级别,55,56,、局部受压承载力计算,式中 cor 配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数,且当Acor大于Ab时,Acor取Ab;当Acor不大于混凝土局部受压面积Al的1.25倍时,cor取1.0;,Acor 方格网式或螺旋式间接钢筋内表面范围内的混凝土核心截面面积,应大于混凝土局部受压面积Al,其重心应与Al的重心重合,计算中按同心、对称的原则取值;,v 间接钢筋的体积配筋率,要求0.5。,57,当为方格网配筋时 当为螺旋式配筋时 式中 l1,l2 钢筋网两个方向长度,l1 l2;n1,As1 l1方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积;n2,As2 l2方向的钢筋根数和
22、单根钢筋的截面面积;s 方格网或螺旋筋的间距;Ass1螺旋式单根间接钢筋的截面面积;dcor螺旋钢筋范围以内的混凝土直径。,58,59,计算需要的间接钢筋应均匀地配置在规定的h范围内,且其体积配筋率v不应小于0.5%。对方格网配筋,在hl1范围内配置的方格网钢筋不应少于4片;对螺旋式配筋,在hdcor范围内配置的螺旋式钢筋不应少于4圈。,60,9.2 预应力混凝土轴心受拉构件的计算,9.2.1预应力混凝土轴心受拉构件各阶段应力分析,预应力混凝土轴心受拉构件从张拉钢筋开始直至构件破坏,截面中钢筋和混凝土应力的变化分为两个阶段:施工阶段和使用阶段。每个阶段又包括了若干特征受力过程。,1)在施工阶段
23、,构件截面没有开裂,可以把预应力混凝土视作弹性材料,因而可以用材料力学的分析方法对构件截面的应力进行计算;在使用阶段构件开裂前,材料力学的方法仍然适用。此时预应力混凝土构件可看做承受两个力系,一个是由外荷载所产生,另一个是把全部预应力钢筋的合力看作反向作用在构件上的外力所产生。,2)抓住施工、使用阶段中的特征受力状态,搞清各个状态已经发生的预应力损失,以及与该状态相应的混凝土强度。,61,施工阶段的两个典型受力状态是:,先张法构件放松预应力钢筋时,后张法构件完成第一批损失后;,使用阶段的典型受力状态是:,消压状态,即加荷至混凝土受到的预压应力为零(pc);,开裂状态,即外加荷载增至Ncr使混凝
24、土即将开裂;,破坏状态,即预应力钢筋和非预应力钢筋应力达到屈服时的状态,先、后张法构件完成第二批预应力损失后。,3)掌握施工阶段预应力的传递途径,搞清换算截面面积A0及净截面面积An的意义及应用。,62,一、先张法构件各阶段的应力分析,1.施工阶段1)张拉钢筋,2)完成第一批预应力损失,63,3)放松钢筋,NP:完成第一批预应力损失后预应力钢筋计算张拉力。不等于实际张拉力。,换算截面面积。,64,NP:完成第二批预应力损失后预应力钢筋计算张拉力。不等于实际张拉力。,换算截面面积。,4)完成第二批损失,65,1)加载至N0:使混凝土中的应力为零,2.使用阶段,2)加载至混凝土即将开裂,3)加载至
25、最大承载力,66,预应力混凝土与普通混凝土的区别:(1)预应力筋始终处于高应力状态,混凝土在N0之前始终处于受压状态。(2)预应力混凝土开裂荷载和极限荷载接近,延性差。(3)预应力混凝土与普通混凝土承载力相同。,67,二、后张法 1.施工阶段 1)张拉钢筋并完成第一批损失,NP:完成第一批预应力损失后预应力钢筋计算张拉力。等于实际张拉力。,净截面面积。,68,NP:完成第二批预应力损失后预应力钢筋计算张拉力。等于实际张拉力。,净截面面积。,2)完成第二批损失,69,1)加载至N0:使混凝土中的应力为零,2.使用阶段,2)加载至混凝土即将开裂,3)加载至最大承载力,70,3.先、后张法异同1)施
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