2021版混凝土结构设计原理第九章：预应力混凝土构件设计

第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助第九章预应力混凝土构件设计混凝土结构设计原理混凝土结构设计原理第第99章章预应力混凝土构件设计预应力混凝土构件设计研制单位：湖南大学高等教育出版社高等教育电子音像出版社第九章混凝土结构基本原理主  页目  录上一章下一章帮  助本章重点Ø预应力混凝土的概念及其优点 ；Ø  预应力混凝土构件的截面设计。Ø预应力损失的原因及其计算和组合；Ø预应力混凝土构件的受力性能分析；Ø施加预应力的方法及预应力混凝土材料的要求；第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助§9.1预应力砼的基本知识预应力砼的基本知识1.预应力砼的基本原理：9.1.1一般概念普砼的缺点：Ø在使用荷载下带裂缝工作，影响使用功能，耐久、刚度和抗疲劳性。Ø难以利用高强度钢筋。与wmax对应的s=200N/mm2。而高强钢丝强度可达1800N/mm2以上。第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助预应力砼的基本原理：预应力：在砼结构承受使用荷载之前的制作阶段预先对砼施加应力。图9-1预应力的基本概念epNpspcsc全预应力砼部分预应力砼有限预应力砼第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助日常生活中有许多应用预应力的例子。图9-2预应力的日常应用第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助2.预应力砼构件的受力特征：Ø提高了构件的抗裂性；Ø预应力的大小可根据需要调整。Ø在使用荷载下，预应力砼构件基本处于弹性工作阶段(未裂)。Ø施加预应力对构件的正截面承载力无明显影响。第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助3.预应力混凝土的优缺点：优点：b.增大了构件的刚度，减小挠度，耐久性好，耐疲劳，提高抗剪承载力。c.充分利用高强度材料的性能。预应力筋PuFPyd.扩大了构件的使用范围：减轻自重，加大跨度，提高适用能力。缺点：成本高，材料质量要求高。工序复杂，技术水平要求高。a.提高构件的抗裂能力。第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助9.1.2预应力混凝土的分类根据制作、设计和施工的特点，预应力混凝土可以有不同的分类：1.先张法和后张法钢筋张拉先于混凝土浇筑—先张法钢筋张拉后于混凝土浇筑—后张法部分截面受压—部分预应力2.全预应力和部分预应力全截面受压—全预应力3.有粘结预应力和无粘结预应力预应力筋与周围的混凝土粘结、握裹在一起—有粘结第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助1.先张法：张拉钢筋支模、浇砼砼达到一定强度剪丝产生预应力9.1.3预应力的建立方法①张拉钢筋②浇注混凝土③剪断钢筋图9-3先张法第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助浇砼，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固产生预应力孔道灌浆2.后张法：图9-4后张法①浇注混凝土②穿钢筋、张拉、锚固③灌浆第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助v先张法、后张法有各自适用范围和优缺点。非预应力钢筋图9-5后张无粘结预应力v无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合。第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助锚、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。同时所固定预应力筋不同，锚具则不同，回缩量也不同，尺寸外形对构件的影响也不同。9.1.4预应力砼构件的锚、夹具第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助(a)张拉端(b)分散式固定端(c)集中式固定端镦头锚具锥塞式锚具(a)JM12型锚具夹片式锚具(b)XM型与QM型锚具夹片(c)QM型单孔锚具(d)QM型多孔锚具QMXM常见的几种锚具图9-6第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助混凝土：一般要求不应低于C30，不宜低于C40。钢筋：预应力钢筋宜采用钢丝、钢铰线和预应力螺纹钢筋；普通钢筋宜采用HRB500、HRB400、HRBF400、HRBF500级钢筋，也可采用HRB335级钢筋。9.1.5预应力砼构件对材料的要求第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助1.使用阶段计算：Ø承载力计算：正截面：轴拉构件、受弯构件斜截面：受弯构件Ø裂缝控制验算：一级：严格不裂二级：一般不裂三级：允许不裂：裂缝宽度验算抗裂度验算§9.2预应力混凝土构件设计的一般规定预应力混凝土构件设计的一般规定9.2.1计算内容第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助指构件制作、运输、吊装等施工阶段承载力、抗裂或裂缝宽度验算。2.施工阶段验算：vcon：张拉钢筋时，张拉设备上的测力计所指示的总张拉力/预应力筋面积。vcon的确定原则：与预应力的施加方式及钢筋的强度标准值fptk有关。9.2.2张拉控制应力con第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助vcon过高，可能引起张拉时个别钢丝拉断，也只能适当；或Pcr与Pu过于接近。vcon过高，施工阶段可能引起构件某些部分受拉开裂或局部受压破坏。确定con时考虑的因素：vcon。产生的预应力大，抗裂性好。con0.4fptk（消除应力钢丝、钢绞线）con0.5fpyk（预应力螺纹钢筋）第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助预应力筋的张拉控制应力con应符合下列规定：1消除应力钢丝、钢绞线con≤0.75fptk2中强度预应力钢丝con≤0.70fptk3预应力螺纹钢筋con≤0.85fpyk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；要求部分抵消由于应力松弛、磨擦钢筋分批张拉以及预应力筋与张拉台座这间的温差等因素产生的预应力损失。以上情况张拉控制应力限值可以提高0.05fptk或0.05fpyk。第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助预应力筋按张拉后，由于各种原因会下降到一定的程度，这一现象称为预应力损失。引起预应力损失的原因有六大类。先分别找出这些损失出现的原因，再根据先张法和后张法的施工特点，了解不同预应力损失的组合。9.2.3预应力损失lpe=con–l最终有效预应力：第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助图9-7圆弧形曲线损失1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1直线：…9－1曲线：…9－2第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助rc–––曲线的曲率半径m,k–––预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数及局部偏差的摩擦系数。x–––张拉端至计算截面的距离xlfl–––张拉端～锚固端距离lf–––反向摩擦影响长度(m)…9－3a–––张拉端锚具变形和钢筋回缩量式中：第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助2.预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失l2x–––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)。当（+kx）0.2时，l2=con(kx+)…9－4第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助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l3加热养护：此时砼未结硬。钢筋自由伸长，而台座不动。钢筋松了–––产生温差损失。小钢模生产的构件无此项损失。…9－5第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助4.预应力钢筋的应力松弛引起的损失l4应力松弛现象：指钢筋在高应力状态下，由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的增长而降低的现象。钢筋长度不变，应力随时间增长而降低。v与时间有关，先快后慢。第一小时为50%，24小时完成80%。应力松弛损失的特点：v与钢种有关，钢种不同，则损失大小不同；第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助利用超张拉工序可以减少l4超张拉工序：第一种：从01.03con第二种：从01.05con(持荷2min)con原理：超张拉的持荷2min，已将部分的松弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少l4的目的。第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助普通松驰：消除应力钢丝、钢铰线：中强度预应力钢丝：l4=0.08con低松驰：预应力螺纹钢筋：l4=0.03con当con/fptk≤0.5时，l4=0第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助5.由于砼收缩、徐变引起的预应力损失l5收缩、徐变将引起构件缩短，钢筋回缩，引起l5。此时预应力损失值的大小，与纵筋含钢率ρ、混凝土预压应力的大小pc及混凝土抗压强度f'cu有关。先张法：…9－6…9－7第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助、'–––受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋的含钢率。pc、'pc–––产生第一批预应力损失后，受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处砼的法向压应力。后张法：…9－9…9－8第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助6.混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6后张法中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件：电杆、水池、压力管道等，直接在混凝土上进行预应力钢筋的张拉。这时钢筋对构件产生外壁的径向压力，使砼局部挤压，构件的直径局部减小，带来一圈内钢筋周长的减小，因而钢筋松驰，引起l6。d3m，l6=0d3m，取l6=30N/mm2第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助总损失：l=lI+lII先张法：ls100N/mm2后张法：ls80N/mm29.2.4预应力损失值的组合砼预压前lI=l1+l3+l4砼预压后lII=l5先张法构件：砼预压前lI=l1+l2砼预压后lII=l4+l5+l6后张法构件：第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助针对引起不同预应力损失的原因，寻找措施:l1：小变形夹具，减少垫板，增加台座长度。l2：减少摩擦，两端张拉；超张拉。l3：采用二次升温养护：t020C使砼达到一定强度，再升温。l4：超张拉，减少l4，让l4先部分完成。l5：控制pc(完成第一批损失后的砼预应力)，'pc0.5f'cu，f'cu不太小。减小收缩徐变的一些措施。9.2.5减少预应力损失的措施第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助§9.3轴心受拉构件的应力分析轴心受拉构件的应力分析9.3.1先张法轴拉构件(a)放张前(b)放张后(c)完成第二批损失图9-8先张法施工阶段受力分析1.施工阶段学会分析学会总结规律第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助张拉预应力筋到锚固前：pe=conpc=0s=0第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助放松预应力筋之后：pe=con–lI–EpcI（拉）s=EspcI(压)pc=pcI(压)第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助由截面平衡条件：peAp=pcIAc+sAs(con–lI–EpcI)Ap=pcIAc+EspcIAs式中：A0=Ac+Es·As+E·Ap－换算截面面积。扣除孔道、钢筋等后的截面上的砼截面面积。完成第一批损失之后：…9－10第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助完成第二批损失之后：预应力筋：pe=con–l–EpcII非预应力筋：s=EspcII+l5混凝土：pc=pcII同理由截面平衡条件得：…9－11第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助2.使用阶段受力过程的三个特征点：NN0(c=0)Ncr(c=ftk)Nu(pe=fpy)(a)施加轴力前(b)消压状态(c)开裂轴力(d)极限轴力NuN0N0NcrNcrNu（+）（－）图9-9使用阶段受力分析第九章混凝土结构基本原理主页目录上一章下一章帮助v加载至砼应力为零：pc=0s=l5pe=p0=con–l式中N0–––消压轴力，抵消截面上混凝土有效预压应力所需的轴向力。N0=p0Ap–sAs=(con–l)Ap–l5As=pcII·A0…