钢筋混凝土教学课件―第10章预应力混凝土构件

1第10章预应力混凝土构件(Pre-StressedConcreteMember)§10.1概述一.预应力混凝土的概念1.概念：在混凝土构件使用（承受使用荷载）以前预先施加作用使之产生的应力（如压应力）与使用荷载产生的应力（如拉应力）方向相反，从而抵消部分或全部荷载产生的应力（如拉应力）；2.意义：（1）提高混凝土构件的抗裂性能和刚度；（2）充分利用高强材料、降低构件自重。3.使用范围：裂缝控制等级要求高、大跨度、挠度控制要求高24.预应力简支梁的试验介绍（图10-1）二.预应力混凝土的分类1.我国规范对预应力混凝土分类的原则：根据裂缝控制程度划分；2.我国规范对预应力混凝土的具体分类（1）裂缝控制等级为一级：严格要求不出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区不允许出现拉应力；（2）裂缝控制等级为二级：一般要求不出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区允许出现小于混凝土抗拉强度的拉应力；（3）裂缝控制等级为三级：允许出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区允许出现小于规定的混凝土最大裂缝宽度的的裂缝。3.其他分类方法（仅供参考）3三.张拉预应力钢筋的方法对构件预先施加作用的原理：张拉钢筋；被张拉的钢筋称为预应力钢筋；预应力钢筋的回缩趋势即对构件产生作用（形成预应力）张拉钢筋根据施工工艺和结构适用条件分为两种。1.先张法(pre-tension)（1）施工工艺（如图10-2）；（2）预应力传递方式：钢筋与混凝土之间的粘结力。2.后张法（post-tension）（1）施工工艺（如图10-3）（2）预应力传递方式：预应力钢筋端部的锚具传递给构件端部。4四.夹具和锚具1.夹具和锚具的作用：固定预应力钢筋；2.夹具：能重复使用，一般用于先张法构件；3.锚具：不能重复使用，一般用于后张法构件；4.对锚具的要求：（P.246）1）~4）；5.常用锚具：（P.246）1）~4）；五.预应力混凝土材料1.混凝土：快硬、早强和收缩、徐变小，一般不低于C40；2.钢材：强度高、塑性好和表面有刻痕。六.张拉控制应力1.定义：张拉控制应力conpconAN/5N为总张拉力，可由仪器读出；为预应力钢筋截面面积；2.为何要控制张拉应力（1）太小时，产生的预应（压）力不足以抵消荷载产生的拉应力；（2）太大时，会使构件开裂、构件破坏无预兆和预应力钢筋脆断。3.控制要求（1）与张拉工艺有关；（2）同条件下，先张法的大于后张法；（3）规范的数值见表10-3；（4）一定条件下可略有提高。pA6七.预应力损失概念：在施工和使用阶段，预应力钢筋中的预应力（如张拉完毕时的控制应力）降低的现象。可能有六（七）种原因将导致此现象发生。1.锚具变形导致预应力钢筋内缩引起的预应力损失（1）计算公式为（10-1）；（2）一般在先张法构件中产生（直线形构件）；（3）减小的措施：A选择变形小的锚具和减少锚具个数；B增加台座长度；2.预应力钢筋与孔道摩擦引起的预应力损失（1）计算公式为（10-2）；1l1l2l7（2）一般在后张法构件中产生；（3）减小的措施：A两端张拉；B超张拉。3.养护构件时预应力钢筋与台座之间的温差引起的预应力损失（1）计算公式为（10-6）；（2）一般在先张法构件中产生；（3）减小的措施：A两次升温；B预应力钢筋与台座同时升温。4.预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失（1）计算公式视不同情况分别为（10-7）~（10-11）；（2）一般在先、后张法构件中均会产生；（3）减小的措施：超张拉。2l3l3l4l4l85.混凝土收缩、徐变引起的预应力损失、（1）计算公式根据先张法、后张法、受拉区和受压区分别为（10-12）~（10-15）；（2）一般在先张法和后张法构件中均会出现；（3）减小、的措施：A采用高标号水泥；B提高密实性；C加强养护。6.由于螺旋预应力钢筋对混凝土的挤压产生的预应力损失（1）计算公式为（10-19）；（2）一般在后张法环形（或圆形）截面构件中产生；（3）减小的措施：避免采用小直径构件7.分批张拉时产生的预应力损失。5l5l5l5l6l6l9八.预应力损失值的组合1.预应力损失的特点（1）有的在先张法构件中产生，有的在后张法构件中产生，有的在先、后张法构件中均产生；（2）有的是单独产生，有的是和别的预应力损失同时产生；（3）前述各公式是分别计算，未考虑相互关系；2.我国规范规定应进行相应组合，如表10-6。3.预应力损失的最低值（1）先张法构件：（2）后张法构件：2100mmN/280mmN/10九.先张法构件预应力钢筋的传递长度1.传递长度：预应力钢筋的应力从构件端部为0增长到某一稳定数值（如控制应力）所需要的长度，如上图中的；2.传递长度的计算公式为（10-20）；3.基本假定：在传递长度范围内，预应力钢筋（含混凝土）的预应力为线性变化，在传递长度末端达到最大值。concpltpltpl预应力钢筋的应力混凝土受到的预压应力tpl11十.后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算1.问题的提出：预应力通过构件端部传递给混凝土；由于锚具与构件端部接触面积较小，会使构件端部混凝土局部产生较大压应力，导致构件局部（端部）混凝土破坏并丧失预应力。2.锚固区受力特点：端部截面混凝土由于“套箍作用”而处于三向受压状态，其强度有所提高；锚固区内受力较复杂，如图10-14（b）、（c）所示；3.对锚固区的要求（1）为确保不产生裂缝和较大变形，应按公式（10-21）验算截面尺寸；（2）为确保有足够的承载力，应配置间接钢筋并按（10-23）验算。12§10.2预应力混凝土轴心受拉构件的计算一.轴心受拉构件各阶段的应力分析预应力构件从制作（施工）使用破坏可分为两大阶段，即施工阶段和使用阶段。1.先张法构件（参考表10-8，P.266）假定构件中布置有预应力钢筋和非预应力钢筋。（1）施工阶段1）张拉预应力钢筋：各材料的应力如表10-8中的b项；2）在混凝土受到预压应力之前（此时预应力钢筋未放松）：各材料的应力如表10-8中的c项，假定第一批预应力损失已完成；133）放松预应力钢筋：混凝土达到强度等级的75%以上方可放松预应力钢筋；此时构件受到压力作用，将产生压应变，对应的预应力钢筋增量应力为：（压）（a）对应的混凝土增量应力为：（压）（b）对应的非预应力钢筋增量应力为：（压）（c）由(b）式可得：（d）将（d）代入（a）式可得：此时，预应力钢筋总应力为：（拉）将（d）代入（c）式可得非预应力钢筋应力为：pcIpcIspeIEpcIpcIcpcIEcpcIpcIE/)/(/csEpcIEcspcIpeIEEEEsIpcIssIEpcIElIconpeIpcIEsI14现求此时混凝土的应力。如上图由力的平衡条件可得：预应力钢筋非预应力钢筋peIsIpcIsIsApAssIcpcIPpeIAAA)(pcII)(sII)(sII)(peII15将和的表达式代入上式即可得到公式（10-28）。4）混凝土受到预压应力，完成第二批损失后（即全部预应力损失完成）。此时，第二批损失将使预应力钢筋的应力减少，但混凝土的应力发生变化后还将影响预应力钢筋的应力，讨论之。A.由于预应力钢筋对混凝土的受压作用降低，将使构件产生增量（拉）应变，设为；B.对应混凝土产生增量拉应力：（拉）（e）此时混凝土应力设为，显然有关系：所以得：（拉）（f）将（f）代入（e）得：（g）peIsIlIIlIIpcIIpcIIcpcIIEpcIIpcIIpcIpcIIpcIIpcIpcII)(pcIIpcIcpcIIE116C.对应预应力钢筋产生增量拉应力：将（g）代入上式得：（拉）（h）因此预应力钢筋的总应力为：化简后得（10-19）式：D.对应非预应力钢筋产生增量拉应力：（拉）（i）将（g）代入上式得：因此非预应力钢筋的总应力为：化简后得：，考虑混凝土受缩、徐变使非预应力钢筋产生压应力，最后得到非预应力钢筋的总应力为：pcIIspeIIE)()(pcIIpcIEpcIIpcIcspeIIEE)(pcIIpcIElIIpcIElIconpeIIpcIIElconpeIIpcIIssIIE)(pcIIpcIEsII)(pcIIpcIEpcIEsIIpcIIEsII5l17关于的求解，仍由前述图形根据力的平衡条件可得到公式（10-31），即：上式即为混凝土受到的“有效预压应力”的计算式，由于所有的预应力损失均已产生，所以在荷载作用前，混凝土受到的预压应力不会减少。（2）使用阶段1）加载至混凝土压应力为零加载前，混凝土已有压应力欲使混凝土应力为零，则应加施加5lpcIIEsIIpcII055AANAAAAAslpIIpEsEcslplconpcII)(pcII18轴向拉力，在其作用下产生拉应力及相应的拉应变。A.对应的预应力钢筋产生的拉应力增量为：此时，预应力钢筋总应力为：B.对应的非预应力钢筋产生的拉应力增量为：此时，非预应力钢筋总应力为：（压）C.对应的混凝土应力为零。0NpcIIpcIIpcIIEp0lconp0pcIIEs5ls0NpAsA5l5l0ppAsA19根据上图由平衡条件可得：由（10-31）式得：上式即为使混凝土应力为零所需施加的轴向拉力，又称为“消压轴力”。2）加载至裂缝即将出现时A.混凝土即将开裂时的应力为，相应的应变为；B.对应的预应力钢筋应力增量为，此时预应力钢筋的总应力为C.对应的非预应力钢筋应力增量为，此时非预应力钢筋的总应力为slplconslPpAAAAN5500)(00ANpcIItkftktkEftkElconpcrftkEf5ltkEsf20由下图根据力的平衡条件可推出：将代入上式并注意公式（10-31）化简后得到：（10-34）pApAsAsAcrNtkfsspcrctkssPpcrcrAfAANspcr和0AfNtkpcIIcr)(21关于上式的讨论：I.当其他条件相同时，若不张拉预应力钢筋，则开裂轴向拉力为：II.显然有关系：说明预应力构件的抗裂性能远大于普通混凝土构件，其原因就是“有效预压应力”的存在。3）加载至破坏承载力极限状态时，所有钢筋均屈服，有力的平衡条件即可得到公式（10-35）。2.后张法构件受力分析原理同先张法，但注意如下几点：（1）由于预压力是通过构件端部传递的，所以构件在预压力的作0AfNtkcrcrtkcrNAfN022用下与预应力钢筋同时缩短，导致求得的“有效预压应力”计算公式的分母中用净截面面积；（2）荷载作用之后，由于预应力钢筋又能与混凝土共同工作，所以在相应的计算公式中采用换算截面面积；（3）承载力计算公式同先张法。3.有关讨论见P.272（1）~（4）；重要结论：预应力构件能较大幅度提高抗裂性；欲提高构件的承载力，不宜施加预应力。二.（预应力）轴心受拉构件使用阶段的计算1.使用阶段承载力计算利用公式（10-42）计算232.抗裂度验算及裂缝宽度验算（1）抗裂度验算应满足的基本条件，即：上式中，为荷载产生的拉应力。（2）规范的规定根据上述原则和构件使用的环境，规范定义了裂缝控制的三类构件并作出了相应的具体规定，见P.273~275。三.（预应力）轴心受拉构件施工阶段的验算1.张拉（后张法）或放松（先张法）预应力钢筋时，构件的承载力计算，按（10-52）进行。0AfNNtkpcIIcr)(tkpcIIctkpcIIcffAN或0c242.（后张法）构件端部锚固区的局部受压