混凝土结构设计原理预应力混凝土构件计算教学

第7章预应力混凝土构件计算多媒体辅助教学课程混凝土结构设计原理ConcreteStructure第7章预应力混凝土构件计算PrestressedConcreteStructure第7章预应力混凝土构件计算第7章预应力混凝土构件本节习题本节例题§7.1概述§7.2预应力混凝土轴心受拉构件承载力§7.3预应力混凝土受弯构件承载力§7.4预应力混凝土构件的构造要求§7.5部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土§7.6平衡荷载设计法的概念第7章预应力混凝土构件计算7.1.1预应力混凝土(prestressedconcrete)的基本概念§7.1预应力混凝土概述1.普通钢筋混凝土的缺点：（1）在使用荷载下带裂缝工作：影响耐久，功能！刚度！疲劳性！若不裂，加大截面面积增加自重。不开裂3=20～30M/a（2）难以利用高强度材料。与max对应的3=200N/mm2，而高强钢丝可达1800N/mm2。提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用不大。克服混凝土抗拉强度低的缺点，预应力混凝土结构。第7章预应力混凝土构件计算生活中预应力桶箍，使木板预受压，在使用中受水的张力，受拉搬书上架–双手对书施加预压力，书就不会掉下来2.预应力混凝土的发展第7章预应力混凝土构件计算木锯的锯条：锯条工作时受压，会发生压屈，但锯条的受拉性能好，拧紧拉绳使锯条受拉，不易产生压屈自行车的辐条：–辐条细，受载后受压易压屈；钢圈截面较大可受压，旋紧辐条，使辐条预先受拉，在受力时不会产生压屈橡皮筋捆饭票第7章预应力混凝土构件计算2.预应力混凝土的发展应用；初期阶段1886年前后，加利福尼亚旧金山工程师P.H.Jackson申请了在混凝土拱内张紧钢拉杆作楼板的专利1988年，德国的C.E.W.Doehring在混凝土楼板受荷前时拉力的钢筋来加强混凝土的专利1908年，美国的C.R.Steiner提出了二次张拉的建议1925年内布拉斯加州的R.E.Dill试用无粘结的做法第7章预应力混凝土构件计算法国的弗莱西奈E.Freyssinet在1928年考虑混凝土收缩和徐变产生的损失，提出预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土，这是预应力混凝土在理论上关键的突破工程实用阶段直到1939年，E.Freyssinet发明了短部锚固用的锥形契等，在工艺上提供了切实可行的方法，使预应力结构得到工程应用的真正推广40年代，弗莱西奈E.Freyssinet设计跨越法国马恩河，孔径为55m的luzancy桥，人们才接受预应力损失可以控制和计算的见解第7章预应力混凝土构件计算迅速发展阶段40年代：第二次世界大战结束后,预应力混凝土大规模推广，由于西欧对工业、交通、城市建设急待恢复和重建，钢材供应十分紧张的情况下，原先钢结构的工程纷纷改为预应力混凝土结构，应用范围，也从桥梁、工厂扩大到土木、建筑工程的各个领域1950年国际上成立了预应力混凝土协会（简称为FIP）1960年，预应力混凝土桥已经成为美国的标准做法第7章预应力混凝土构件计算世界普及阶段美国：大规模的预应力混凝土的推广，是第二次世界大战结束后，由于西欧对工业、交通、城市建设急待恢复和重建，钢材供应十分紧张的情况下，原先钢结构的工程纷纷改为预应力混凝土结构，应用范围，也从桥梁、工厂扩大到土木、建筑工程的各个领域日本德国比利时待续第7章预应力混凝土构件计算我国预应力的发展50、60年代：预制构件，3-6米的楼板，吊车梁，大型屋面板，12–18米的大梁，36米以内的屋架等－提倡工业化施工70年代，北京和江、浙一带建了不少的升板结构，和少量的预应力框架结构80年代：由于无粘结预应力混凝土的推广，多、高层大开间的预应力平板体系，大量地采用预应力混凝土结构桥梁，特种结构等大量采用预应力混凝土结构90年代：高层房屋的楼板跨度大；采用预应力梁减少新世纪：第7章预应力混凝土构件计算所谓预应力砼，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，而且其数值和分布有利于抵消使荷载产生的应力，称其为预应力混凝土。3.预应力砼的基本原理：a.预先在受拉区施加一对偏心压力Np，下边缘产生压应力σpcb.在外荷载作用下，下边缘产生拉应力σcc.截面上最后应力状态为前面两者叠加该结构也可认为是人为地引入某一反向荷载，用以抵消使用荷载的一种配筋混凝土epNppcc第7章预应力混凝土构件计算4.预应力混凝土的优点：(1)节省材料，减轻自重，增加跨越能力。(2)提高构件的抗裂性、增加截面刚度。(3)可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。(4)结构质量安全可靠。(5)预加力还可以作为结构构件的连接手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。5.预应力混凝土的缺点：(1)最主要的问题是在使用阶段如何保持有效预应力不至于降低到最小。(2)需要有一定的专门设备和配备一支技术熟练的专业队伍。(3)预应力反拱度不易控制。第7章预应力混凝土构件计算6.预应力混凝土的应用：大跨度结构（大跨度桥梁）；特种结构（防漏、防渗和压力容器）；对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件。第7章预应力混凝土构件计算预应力度预应力度（λ）：由预加应力大小确定的消压弯矩MO与外荷载产生的弯矩M的比值，即λ=M0/M式中：λ—预应力度；M0—消压弯矩。即将控制截面边缘由预加力产生的预压应力抵消为零时所施加的荷载弯矩；M—使用荷载（不包括预加力）作用下控制截面的弯矩。7.预应力混凝土分类第7章预应力混凝土构件计算(1)全预应力混凝土(2)有限预应力混凝土加筋混凝土结构的分类——截面受拉边缘不出现拉应力1——截面受拉边缘的拉应力不超过混凝土抗拉强度值01不施加预应力的混凝土结构1(3)部分预应力混凝土相当于我国《规范》的一级抗裂：严格要求不出现裂缝相当于我国《规范》的二级抗裂：一般要求不出现裂缝——允许截面受拉边缘产生大于其强度的拉应力相当于我国《规范》的三级抗裂：允许出现裂缝，但需限制最大裂缝宽度(4)普通钢筋混凝土第7章预应力混凝土构件计算按照张拉钢筋与浇捣混凝土的先后次序分为：先张法（pretensioningmethod）：张拉钢筋支模、浇砼砼达到一定强度剪丝产生预应力1.张拉方法先张法是靠粘结力来传递并保持预加应力的。顺序：预应力混凝土的施工§7.1.2第7章预应力混凝土构件计算后张法（post-tensioningmethod）：浇砼，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固孔道灌浆锚环契块后张法是靠工作锚具来传递并保持预加应力的。锚具千斤顶波纹管施工顺序：第7章预应力混凝土构件计算(1)锚、夹具构件制作完后，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。其作用为固定力筋。7.1.3锚具与张拉设备第7章预应力混凝土构件计算1）对锚、夹具的要求：A.安全可靠，其本身具有足够的强度和刚度。B.应使预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力损失。C.构造简单，便于机械加工制作。D.使用方便，省材料、价格低。第7章预应力混凝土构件计算2)锚具的形式：锚具的型式繁多，按其传力锚固受力原理，可分为三类：依靠摩擦力锚固的锚具。依靠承压锚固的锚具。依靠粘结力锚固的锚具。如楔形锚、锥形锚和用于锚固钢绞线的JM锚与夹片式群锚等。如墩头锚、钢筋螺纹锚等。如先张法的筋束锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等。第7章预应力混凝土构件计算其它设备：2.预加应力的其它设备千斤顶制孔器抽拔橡胶管螺旋金属波纹管穿索机压浆机张拉台座（先张法）卷扬机油泵千斤顶第7章预应力混凝土构件计算第7章预应力混凝土构件计算3、锚具和夹具图螺丝端杆锚具10.4预应力混凝土的材料及锚夹具第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第7章预应力混凝土构件计算10.4预应力混凝土的材料及锚夹具第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第7章预应力混凝土构件计算10.4预应力混凝土的材料及锚夹具第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定夹片式锚具第7章预应力混凝土构件计算第7章预应力混凝土构件计算第7章预应力混凝土构件计算预应力混凝土的材料§7.一、混凝土——《规范》要求采用高强混凝土，一般预应力混凝土构件的混凝土不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C40。★可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；★有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；★具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩；★徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；★与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；★有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；★强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用第7章预应力混凝土构件计算（2）预应力钢材的种类：二、钢材（1）对钢材的要求：（1）高强度（fptk可达1860Mpa）（2）塑性好（3）低松弛（应力松弛：长度保持不变而应力随时间降低的现象）（4）耐腐蚀（应力腐蚀：高应力钢丝腐蚀速度增快）（5）与混凝土之间有足够的粘结强度（先张法）（6）良好的加工性能（后张法，镦头锚）（1）冷拉热轧钢筋等其他钢材（2）消除应力钢丝（3）钢绞线（4）热处理钢筋第7章预应力混凝土构件计算10.4预应力混凝土的材料及锚夹具◆预应力钢筋的强度越高越好。◆而且在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。◆为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。◆对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能，通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定（3）预应力钢筋第7章预应力混凝土构件计算1）冷拉低合金钢筋◆通常将Ⅳ级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。◆为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。◆但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。10.4预应力混凝土的材料及锚夹具第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定第7章预应力混凝土构件计算2）中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为800~1000MPa，高强钢丝的强度为1470~1860MPa。钢丝直径为3~9mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用‘刻痕’或‘压波’，也可制成螺旋肋。10.4预应力混凝土的材料及锚夹具第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定刻痕钢丝螺旋肋钢丝消除应力钢丝：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7章预应力混凝土构件计算3）钢绞线钢绞线是用2、3、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。7股钢绞线的公称直径为9.5~15.2mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。10.4预应力混凝土的材料及锚夹具第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定无粘结预应力束第7章预应力混凝土构件计算4）热处理钢筋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。10.4预应力混凝土的材料及锚夹具第十章预应力混凝土结构的原理及计算规定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，采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。a0.2%0.2fu第7章预应力混凝土构件计算预应力钢筋强度标准值和设计值（N/mm2）种类fptkfpyyf消除应力钢丝螺旋肋钢丝4~