预应力混凝土结构构件

1预应力混凝土结构构件(1)掌握预应力混凝土的基本概念；(2)熟悉预应力混凝土轴心受拉构件和受弯构件的计算原理；(3)理解预应力混凝土轴心受拉构件和受弯构件在施工阶段和使用阶段的受力特征。教学目标28.1预应力混凝土的一般概念8.1.1预应力混凝土的受力特征3加载加载（1）提高抗裂度和刚度，★裂缝控制等级为一级和二级的构件一定是预应力混凝土构件。4（2）可按需要调整预应力的大小(3)开裂前可按弹性方法分析(4)可提高梁的抗剪承载力，但不提高抗弯承载力(5)为高强度材料的应用创造了条件(6)构件自重减轻5（1）全预应力混凝土构件使用荷载下不出现拉应力（2）限值预应力混凝土构件使用荷载下允许出现拉应力但不出现裂缝（3）部分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68.2施加预应力的方法使混凝土获得预应力的方法，总的概念是让钢筋(称为预应力钢筋)在弹性范围内伸长获得拉应力;再利用钢筋的回弹,使该拉应力反作用于混凝土，从而使混凝土获得压应力。▲直接张拉法：用千斤顶等机械工具直接张拉预应力钢筋;▲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▲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▲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78.2.1先张法8(a)张拉预应力钢筋钢筋先在台座(或钢模)上张拉并锚固(b)支模并浇捣混凝土(c)放松并截断预应力钢筋待混凝土达到一定强度后(按计算确定，且至少不低于强度设计值的75%)剪断(或放松)钢筋。钢筋放松后将产生弹性回缩，但钢筋与混凝土之间的粘结力阻止其回缩，因而混凝土获得预应力。★因此,对于先张法构件，预应力的传递是通过钢筋与混凝土的粘结力实现的。98.2.2后张法10(a)制作混凝土构件先制作构件并预留孔道(b)张拉钢筋混凝土达到一定强度后在孔道内穿入预应力钢筋、在构件上进行张拉(c)张拉端锚固并对孔道灌浆用锚具将钢筋在构件端部锚固，从而对构件施加预应力。钢筋锚固后，应对孔道进行压力灌浆。★后张法构件的预应力是通过构件端部的锚具直接挤压混凝土而获得的118.3锚具和夾具锚、夹具：用于固定钢筋构件制作完后，能取下重复使用–––夹具用于永久固定钢筋、作为构件的一部分–––锚具不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时固定预应力筋不同。锚具不同则回缩量不同，尺寸外形对构件的影响不同。12常见的锚具有：摩擦型锚具13夹片式锚具14利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部预应力筋垫板螺丝杆端螺母对焊接头螺丝端杆锚具15墩头锚具16HVM张拉端——圆形锚工作锚板、夹片、锚垫板、螺旋筋、波纹管17HVM张拉端——BM型扁锚181920强度高；与混凝土间有足够的粘结力；良好的加工性能和一定的塑性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钢筋冷拉钢筋、热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线、冷拔低碳钢丝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8.4.1钢筋8.4预应力混凝土构件的材料218.4.2混凝土预应力混凝土构件的混凝土要承受很大的预压应力，因此必须有很高的抗压强度。★预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，不宜低于C40。同时，为尽早施加预应力、加快施工进度，应采用快硬、早强混凝土；并应采用收缩小和徐变小的混凝土。施加预应力时，所需混凝土立方体抗压强度应经计算确定，且不宜低于设计混凝土强度等级值的75%。228.5张拉控制应力及预应力损失8.5.1张拉控制应力con张拉控制应力(controlstressbyspreadout)是指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。预应力钢筋的截面面积力张拉设备所显示的总拉conApconApconApconApcon23产生的预应力大，抗裂性好确定张拉控制应力的原则是：①尽量高一些。ApconApconApconApcon▲con不应低于0.4fptk24②不能过高，以避免个别预应力钢筋被拉断，避免构件的预拉区或端部开裂，同时，过高的预应力会使破坏前缺乏预兆。张拉控制应力应按表8.1的规定取用。钢种张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线0.75fptk0.75fptk中强度预应力钢丝0.70fptk0.70fptk预应力螺纹钢筋0.85fpyk0.85fpyk258.5.2预应力损失值及其组合1.预应力损失★任何使预应力钢筋回缩的原因及阻止预应力钢筋获得有效拉应力的原因都将产生预应力损失。(1).由于锚具变形和预应力钢筋内缩引起的损失预应力直线钢筋的该项损失值可由虎克定律求得:slEla126(2).预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失值2lkxle11con2x––从张拉端至计算截面的孔道长度(m)，可用投影长度。––从张拉端至计算截面曲线孔道长度的夹角(rad)。k－考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，教材表μ－预应力钢筋与孔道壁间的摩擦系数，教材表当+kx0.2时，l2=con(kx+)27温度回落到t0时由于混凝土已结硬和钢筋同时回缩，此处的应力为con’’con温度为t0时的应力为con温度升到t1时由于混凝土未结硬此处的应力为con’(3)受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失值tl2328(4)预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失l4钢筋在高应力作用下，长度不变而应力随时间逐渐降低的现象称为应力松弛应力松弛的特点与下列因素有关1）钢种【软钢小而硬钢大】2）时间先快后慢。【一小时完成50%，一天完成80%，以后逐渐收敛】3）张拉方法29(5)混凝土的收缩、徐变引起的预应力损失值混凝土受到预压后，混凝土的收缩和徐变变形将引起受拉区和受压区预应力钢筋的预应力损失和(收缩和徐变都导致构件长度缩短，预应力钢筋回缩)。在总的预应力损失中，此项损失值最大，约占总损失值的一半以上。30先张法构件后张法构件151340605cupclf，15130055'5cupclf31式中—受拉区预应力钢筋在合力点处混凝土法向压应力，此时仅考虑混凝土预压前(第一批)的预应力损失值，(计算公式后面述及)，即，且不得大于0.5非预应力钢筋中的应力值应取为零;—施加预应力时的混凝土立方体抗压强度，不低于0.75；pcpc'cuf5l'cuf32式中—受拉区预应力钢筋在合力点处混凝土法向压应力，此时仅考虑混凝土预压前(第一批)的预应力损失值，(计算公式后面述及)，即，且不得大于0.5非预应力钢筋中的应力值应取为零;—施加预应力时的混凝土立方体抗压强度，不低于0.75；pcpc'cuf5l'cuf33ρ—受拉区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率；对先张法构件对后张法构件对于对称配置预应力钢筋和非预应力钢筋的构件，取ρ=ρ’，此时配筋率应按其钢筋截面面的一半进行计算；A0、An—换算截面面积、净截面面积，计算方法详后。0AAAspnspAAA34(6)用螺旋式预应力筋做配筋的环形构件对混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6采用螺旋式预应力筋作为配筋的环形构件，由于预应力筋对混凝土的局部挤压使构件直径减小所引起的损失当d3m时Mpal306352预应力损失的组合前期损失(混凝土预压前)称第一批损失后期损失(混凝土预压后)称第二批损失预应力损失的组合先张法构件后张法构件第一批损失lIl1+(l2)+l3+l4l1+l2第二批损失lIIl5l4+l5+(l6)36预应力总损失的下限值▲先张法构件：l100N/mm2▲后张法构件：l80N/mm2总损失：l=li+lII373.减少预应力损失的措施①采用强度等级较高的混凝土和高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用级配好的骨料，加强振捣和养护，以减少混凝土的收缩、徐变损失。②控制预应力钢筋放张时的混凝土立方体抗压强度并控制混凝土的预压应力，以减少由于混凝土非线性徐变所引起的损失。③对预应力钢筋进行超张拉，以减小钢筋松弛损失。④对后张法构件的曲线预应力钢筋采用两端张拉的方法，以减少预应力钢筋与管道壁之间的摩擦损失；但应与进行比较后确定。⑤选择变形小和钢筋内缩小的锚夹具,尽量减少垫板的数量,增加先张法台座长度，以减少由于锚具变形和钢筋内缩的预应力损失。⑥按程序进行“两阶段升温养护”,减少σl3388.6预应力混凝土轴心受拉构件的计算8.6.1应力分析预应力轴心受拉构件经历承受外荷载前的施工阶段和承受外荷载后的使用阶段。在施工阶段，预应力钢筋的控制应力由于损失而下降、拉应力减少，混凝土及非预应力钢筋则承受压应力。在使用阶段，预应力钢筋拉应力增加、直至受拉屈服；而混凝土则经历压应力逐渐减少至零、拉应力增加至受拉开裂。非预应力钢筋也经历压应力逐渐减少至零、拉应力增加、直至受拉屈服。在施工阶段和使用阶段中，先张法和后张法构件又有不同的特点。39预应力钢筋应力：非预应力钢筋应力：混凝土应力：pspcpcIACpAPsAscsEsEEcpEpEE或c符号规定：401).施工阶段①张拉预应力钢筋conp0c预应力钢筋的应力混凝土的应力非预应力钢筋的应力0s1、先张法构件各阶段的应力分析41②完成第一批预应力损失•预应力钢筋未放张预应力钢筋应力σp=σcon-σlI非预应力钢筋应力σs=00c混凝土应力：浇注混凝土但不受力42从构件端部开始起,取出隔离体,利用力的平衡条件和应变协调预应力钢筋应力σp=σcon-σlI-αEpσpcI钢筋应力σs=αEσpcIpcI放张(截断)预应力钢筋,混凝土受压430)(AAplIconcpI混凝土应力：A0称为换算截面面积A0=A+(αE-1)As+(αEp-1)Ap44③完成第二批损失也即完成全部预应力损失,此时的混凝土压应力称为混凝土的有效预压应力σpcII预应力钢筋中的拉力称为有效预拉力Np。预应力钢筋应力σpII=σcon-σl-αEpσpcIINp=σpAp45pcIIEslA5slpcIIEcpcIIppcIIEplconAAA)(505AAAslplconpcIIpcIIEplconpII5lpcIIEsII非预应力钢筋的压应力，一部分为，另一部分则因混凝土收缩、徐变而产生，取为，(近似考虑普通钢筋对混凝土收缩、徐变的阻止作用，该阻止作用使非预应力钢筋受压而使混凝土受拉，从而抵消部分预压应力)，则由平衡条件，可得整理后，有（拉）（压）46—完成全部预应力损失后的混凝土预压应力，该应力对使用阶段的构件性能发生影响，故也称为“有效预压应力”；—预应力钢筋在完成全部损失后的拉应力，称为预应力钢筋的有效预拉力；pcIIpII472)使用阶段----加载至混凝土中的应力为0c=0Np0此时,预应力钢筋拉应力在外荷载Np0作用下增加,而混凝土中的应力由减小为0,有预应力钢筋应力σp=σcon-σl钢筋应力σs=σl5(压)Np0=(σcon-σl)Ap-σl5As=σpcIIA048----加载至混凝土开裂即将开裂时,混凝土达到抗拉强度ftkftkNcr预应力钢筋应力σp=σcon-σl+αEpftk钢筋应力σs=αEftk-σl5开裂时外荷载Ncr=(σpcII+ftk)A049----构件达到承载能力极限状态当预应力钢筋和非预应力钢筋受拉屈服，构件达到承载能力极限状态时,有syppyuAfAfN501)施工阶段①完成第一批损失浇混凝土构件，并在构件中预留孔道在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉2、后张法构件各阶段的应力分析51sI=EspcI（压）pI=con–lI由截面平衡：pIAp=pcIAc+sIAs非预应力筋应力：预应力筋应力：混凝土应力为：np