第10章 预应力混凝土构件的受力性能与设计-12学时03

混凝土结构设计原理学习目标▲掌握预应力混凝土结构的基本概念；▲掌握预应力损失的概念及计算方法；▲熟练掌握轴心受拉构件各阶段的应力状态及其设计计算方法；第十章预应力混凝土构件的受力性能与设计混凝土结构设计原理学习目标▲掌握受弯构件各阶段的应力状态及其设计计算方法；▲熟悉预应力混凝土结构的主要构造要求；▲了解部分预应力混凝土构件及无粘结预应力混凝土构件的概念。混凝土结构设计原理教学提示▲本章应对预应力混凝土结构的基本概念、各项预应力损失值的意义和计算方法、预应力混凝土构件各阶段的应力状态、设计计算方法作重点讲述。▲本章的难点是各项预应力损失值的意义和计算方法、预应力损失值的组合。10.1预应力混凝土的概念一、钢筋混凝土的缺点第十章预应力混凝土构件（1）抗裂性能差通常带裂缝工作，构件刚度小，耐久性差。（2）不能使用高强钢筋。第十章预应力混凝土构件第一：砼的极限拉应变一般为（0.1~0.15）×10-3，故砼开裂时，钢筋的应力只有20~30MPa；第二：对应于裂缝宽度为(0.2~0.3)mm时的钢筋应力约为250MPa。可见，普通砼中采用高强钢筋，不能发挥高强钢筋的强度优势。二、预应力的基本概念2hIeNANppppc2hIMc第十章预应力混凝土构件pccb)2(2hIeNANhIMpppb0pcctkpccfpc较大，全截面处于受压状态，不会开裂；称全预应力砼。拉应力超过混凝土的抗拉强度，会产生裂缝，称部分预应力砼。第十章预应力混凝土构件tkpccf0有小于混凝土抗拉强度的拉应力作用，一般不会开裂；称有限预应力砼。第十章预应力混凝土构件10.2施加预应力的方法先张法第十章预应力混凝土构件第十章预应力混凝土构件传递长度ltrptpcpc后张法第十章预应力混凝土构件10.2施加预应力的方法后张法第十章预应力混凝土构件pcp锚具下混凝土局部承压问题第十章预应力混凝土构件第十章预应力混凝土构件10.3预应力混凝土构件的基本分析方法方法一：利用材料力学公式计算截面应力认为开裂前材料是线弹性的，截面应力=预加力Np产生的应力+外力矩M产生的应力第十章预应力混凝土构件cpcyIMyIeNANppp受荷前受荷后方法二：采用与钢筋混凝土类同的计算方法（认为外力矩M由截面上的抵抗内力偶相平衡。）aCaNMpyIeaNANppp截面应力第十章预应力混凝土构件1、预应力混凝土受弯构件是依靠内力臂a的变化来抵抗外弯矩的作用，在受力过程中预应力筋一直承受较大的拉力Np，混凝土一直承受压力C,且Np、C的值变化较小。由方法二可知：第十章预应力混凝土构件2、而钢筋混凝土受弯构件开裂后，内力臂h0基本保持不变，而钢筋拉力T和压区混凝土的压力C随弯矩增长而不断增大。sAsMh0C第十章预应力混凝土构件3、预应力混凝土的这种受力特点，充分利用了钢筋抗拉强度和混凝土抗压强度高的特性，可以使得高强度材料的性能得以发挥。方法三：平衡荷载法)(212xlxgMg1、由外荷载g产生的弯矩epe02、布置预应力钢筋gx使预加力产生的弯矩Npep和外荷载g产生的弯矩Mg抵消第十章预应力混凝土构件yIMyIeNANgpppANp截面应力ppeN则222)(814lxlxNglpgM)(212xlxgpNgle2081且取220)(4lxlxeep取10.4预应力混凝土的材料及锚夹具（1）强度高：第一要在钢筋中建立起高应力；第二预应力混凝土会产生各种预应力损失（2）一定的塑性：避免超载、低温、冲击及地震时的脆性断裂。（3）良好的加工性能：以满足焊接、镦粗等加工要求。（4）低松弛性：以减小由于松弛而产生的预应力损失。（5）与混凝土良好的粘结性能：采用刻痕、压波等方法来提高粘结强度。一、预应力钢筋1、对预应力钢筋的性能要求第十章预应力混凝土构件2、预应力钢筋的种类是用3或7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。无粘结预应力束（1）钢绞线第十章预应力混凝土构件是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的强度为800~1200MPa，高强钢丝的强度为1570~1770MPa。为增加与混凝土的粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或压波，也可制成螺旋肋。（2）中高强钢丝第十章预应力混凝土构件螺旋肋钢丝刻痕钢丝消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。第十章预应力混凝土构件用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋。直径为6~10mm，抗拉强度为1470MPa。除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点，取残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。a0.2%0.2fu（3）热处理钢筋第十章预应力混凝土构件种类符号d(mm)fyk钢绞线1×3s8.6、10.81860、1720、157012.91720、15701×79.5、11.1、12.7186015.21860、1720清除应力钢丝光面螺旋助PH4、51770、1670、157061670、15707、8、91570刻痕I5、71570热处理钢筋40Si2MnHT6147048Si2Mn8.245Si2Cr10预应力钢筋强度标准值（N/mm2）第十章预应力混凝土构件（1）高强度：一是可施加较大的预压应力；二是可减小截面尺寸、自重，实现大跨。（2）具有较高的弹性模量：可提高截面抗弯刚度；可减少预压时的弹性回缩，减少预应力损失。（3）收缩、徐变小：可减少预应力损失。（4）与钢筋有较大粘结强度：可减少先张法预应力筋的应力传递长度。二、混凝土1、对预应力“混凝土”的性能要求第十章预应力混凝土构件（5）快硬、早强：有利于较早施加预应力，加快施工进度，提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用2、对预应力“混凝土”强度等级要求不应低于C30；当采用高强钢绞线、钢丝和热处理钢筋时不宜低于C40。第十章预应力混凝土构件三、锚具和夹具第十章预应力混凝土构件组成及组装1、单孔夹片锚单孔夹片锚及相应锚垫板组成2、多孔夹片锚多孔夹片锚、锚垫板及螺旋筋组成3、扁锚扁锚扁锚施工现场第十章预应力混凝土构件挤压锚具锚杯及异形钢丝环4、挤压锚第十章预应力混凝土构件挤压机镦头锚及镦头器5、镦头锚镦头锚具—高强钢丝组装件压花锚及压花机6、压花锚拉索锚具及其结构组成7、拉索锚具拉索锚具应用钢筋长度不足时，可通过连接器来接长。普通钢筋的连接：8、连接器单孔连接器预应力筋的连接器：多孔连接器扁型锚具连接器多孔连接器及配套护筒第十章预应力混凝土构件10.5张拉控制应力和预应力损失1、con的定义：张拉预应力钢筋时，张拉设备（千斤顶或油泵）上的压力表所控制的总张拉力Np,con除以预应力钢筋面积Ap得到的应力称为张拉控制应力con。pconpconAN,一、张拉控制应力con▲它是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。第十章预应力混凝土构件2、con的取值（1）取值的一般概念：张拉控制应力con取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，可以使预应力筋充分发挥作用。（2）con的上限值con取值过高，第一可能发生预应力钢筋拉断事故；第二会产生过大的应力松弛。因此，《规范》规定了张拉控制con的上限值。张拉控制应力限值张拉方法钢筋种类先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线热处理钢筋0.75fptk0.70fptk0.75fptk0.65fptk第十章预应力混凝土构件（3）con的下限值con的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，《规范》规定con不应小于0.4fptk。随时间，预应力钢筋中的应力从con逐步减少，这种应力的降低现象称为“预应力损失”。二、预应力损失1、预应力损失的概念▲只有稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，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问题。第十章预应力混凝土构件（1）锚固损失：由“锚具变形”引起。（2）摩擦损失：在“张拉过程”中发生。后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦；先张法预应力钢筋与锚具之间以及折点处的摩（3）混凝土的收缩和徐变引起的损失。（4）松弛损失：在高应力的长期作用下，预应力钢筋的松弛，引起的“预应力损失”。（能使“预应力钢筋”产生缩短的一切因素）2、引起预应力损失的因素第十章预应力混凝土构件第十章预应力混凝土构件（6）混凝土的局部挤压损失直径3m的环形构件中的螺旋式预应力钢筋。（7）弹性压缩损失“后”张拉钢筋对“先”张拉钢筋造成的压缩等。（5）温差损失先张法构件加热养护时，由“预应力钢筋与台座之间的温差”引起。第十章预应力混凝土构件（a）l1的概念锚具的受力变形垫板缝隙的挤紧钢筋在锚具中的内缩（b）l1的计算slEla13、预应力损失的种类（1）锚固损失l1▲对直线预应力钢筋的l1引起的损失－－l1锚具变形和钢筋内缩值a（mm）锚具类别a支承式锚具（钢丝束镦头锚具等）：螺帽缝隙每块后加垫板的缝隙11锥塞式锚具（钢丝束的钢质锥形锚具等）5有顶压时5夹片式锚具无顶压时6~8第十章预应力混凝土构件（c）减小l1的措施一是选择变形小的锚夹具,少用垫板；二是增加台座长度l后张法张拉钢筋时“存在摩擦”，而引起的预应力钢筋中应力的减少值称为摩擦损失l2（2）摩擦损失l2conxxl2x)(con211xle（b）l2的计算(了解）第十章预应力混凝土构件（a）l2的概念（c）减少l2的措施超张拉程序为：01.1con持荷2min0.85con持荷2mincon第十章预应力混凝土构件▲两端张拉▲超张拉两端张拉一端张拉（张拉端）（3）热养护时，温差引起的损失l3第十章预应力混凝土构件（先张法构件，缩短生产周期）升温时，混凝土尚未结硬钢筋受热膨胀台座不动，即钢筋长度不变引起的损失－－l3降温时，混凝土与预应力筋之间已有粘结作用，两者共同回缩，l3无法恢复。温差Dt℃，钢筋的温度膨胀系数为1×10-5/℃减少l3的措施:两阶段升温养护。浇砼∆t1=200cf’cu=7.5~10Mpa至养护温度0.7~1.0fcu10153tEslDDt55102101tD2第十章预应力混凝土构件则有（a）l4的概念高应力作用钢筋长度不变（4）钢筋松弛损失l4第十章预应力混凝土构件影响l4的因素而产生的钢筋应力的降低值--l4初始应力水平作用时间长短钢筋种类▲对于普通松弛的预应力钢丝和钢绞线conptkconlf)5.0(4.04Ψ--为超张拉系数：一次张拉时，ψ=1超张拉时，ψ=0.9第十章预应力混凝土构件（b）l4的计算（了解）（根据试验结果，《规范》取）当con≤0.7fptk时，conptkconlf)5.0(125.04当0.7fptkcon≤0.8fptk时，conptkconlf)5.0(2.04▲对于低松弛的预应力钢丝和钢绞线第十章预应力混凝土构件▲对于热处理钢筋一次张拉：l4=0.05con；超张拉时：l4=0.035con（c）减少l4的措施:超张拉程序为：01.03con或1.05con持荷2mincon第十章预应力混凝土构件构件长度缩短预应力筋回缩（5）收缩徐变损失l5第十章预应力混凝土构件收缩徐变（a）l5的概念引起引起的损失－－l5151280455cupclf151280455cupclf先张法151280355cupclf151280355cupclf后张法第十章预应力混凝土构件（b）l5的计算--《规范》计算公式（了解）0AAAsp0AAAsp先张法An=Ac+asAsnspAA