10 第十章 预应力混凝土结构的受力性能

第十章预应力混凝土结构的性能与计算同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林一、基本概念1.预应力混凝土的特点加载加载*提高刚度和抗裂度*减轻结构自重*提高梁的抗扭和抗剪承载力，但不提高抗弯承载力*提高梁的抗疲劳承载力保护钢筋免受大气腐蚀一、基本概念2.先张法和后张法张拉钢筋并在台座上固定浇注混凝土构件混凝土强度达设计强度的70%以上时剪断钢筋浇混凝土构件，并在构件中预留孔道在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉锚固灌浆一、基本概念3.有粘结和无粘结预应力混凝土有粘结预应力混凝土先张法生产的预应力混凝土构件以及后张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件特点受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小一、基本概念3.有粘结和无粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土后张法张拉钢筋后不在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件特点造价低，便于以后再次张拉或更换预应力钢筋一、基本概念4.全预应力和部分预应力使用荷载下不出现拉应力或裂缝全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部分预应力混凝土构件二、施加预应力的方法1.张拉预应力筋的方法*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*连续配筋法：用旋转工作台将预应力筋缠绕于混凝土块体上或水池壁上*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*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二、施加预应力的方法2.锚具和夹具*夹具：主要依靠摩擦力来夹住钢筋，它不留在构件上，剪断预应力筋后夹具的作用即消失*锚具：永久地留在构件上，如锚具失效构件中的预应力将全部消失。二、施加预应力的方法2.锚具和夹具摩擦型锚具二、施加预应力的方法2.锚具和夹具墩头锚具二、施加预应力的方法2.锚具和夹具粘结型锚具：利用构件端部预留锥形自锚孔的后浇混凝土锚固预应力钢筋灌浆口（灌浆锚固）6~8螺旋筋8箍筋3铅丝线圈预应力筋二、施加预应力的方法2.锚具和夹具承压型锚具：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三、预应力混凝土所用的材料1.钢筋强度高；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三、预应力混凝土所用的材料2.混凝土C30一般预应力混凝土构件采用热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线的预应力混凝土构件C40四、张拉控制应力con的确定1.con对结构的影响ApconApconApconApcon使构件出现脆性破坏con越大，混凝土中的预压应力越大，但过大会产生如下问题预应力筋过早进入流幅，降低其塑性增加钢筋的松弛损失四、张拉控制应力con的确定2.con的取值ApconApconApconApcon预应力钢筋屈服强度的0.5~0.9冷拉钢筋预应力钢筋极限抗拉强度的0.4~0.75预应力钢筋极限抗拉强度的0.4~0.70碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线冷拔低碳钢丝、热处理钢筋五、预应力损失值1.预应力损失的种类ApconApconApconApcon前期损失或第一批损失如锚具变形、管道摩擦、台座与钢筋的温差、钢筋松弛损失等发生在预应力传到混凝土之前后期损失或第二批损失如混凝土收缩徐变、局部挤压损失等发生在预应力传到混凝土之后五、预应力损失值1.预应力损失的种类前期损失或第一批损失ApconApconApconApcon后期损失或第二批损失预应力损失值不宜笼统地估算，应予分项计算，然后相加确定总的损失值但各项预应力损失值又不是截然无关的。试图求得各项预应力损失的“净值”是很困难的。五、预应力损失值2.管道摩擦损失l2PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxddPxPx-dP1dP1dxrdP2dPxPx-dP2dxrP后张法中，张拉钢筋时，钢筋在孔道中滑动，就会产生摩擦力主要由两部分组成*孔道偏差等因素引起的*曲线型孔道而引起的五、预应力损失值2.管道摩擦损失l2PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxddPxPx-dP1dP1dxrdxkPrdkPdPxx1负号表示dP1和Px方向相反五、预应力损失值2.管道摩擦损失l2PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxddPxPx-dP1dP1dxrdP2dPxPx-dP2dxrP'dPxPxddP2+dP1Px-dPxdPPx'dPPdPx'2五、预应力损失值2.管道摩擦损失l2PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxddPxPx-dP1dP1dxrdP2dPxPx-dP2dxrP'dPxPxddP2+dP1Px-dPxdPdxkPdPdPdPxxx21xPPxxdkdxPdPx00kxPPxln)(kxxePP五、预应力损失值2.管道摩擦损失l2PPxPx-dPx预应力筋轴线张拉端锚固端xdxddPxPx-dP1dP1dxrdP2dPxPx-dP2dxrP'dPxPxddP2+dP1Px-dPx)(kxxePP)11()(kxxePPP)11()(2kxconle考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，教材表10-3预应力钢筋与孔道壁间的摩擦系数，教材表10-3五、预应力损失值2.管道摩擦损失l2采用两端张拉可以减少l2张拉端锚固端con张拉端con张拉端con五、预应力损失值2.管道摩擦损失l2采用超张拉可以减少l2建议的张拉程序为01.1con停2分钟0.85con停2分钟con张拉端锚固端con张拉端锚固端1.1con0.85concon五、预应力损失值3.锚具变形和钢筋回缩损失l1由于锚具、垫块本身的变形，其间裂缝的压紧及钢筋在锚具中的滑移引起的损失plEla1张拉端至锚固端之间的距离预应力钢筋的弹性模量张拉端锚具的变形和钢筋的内缩值，见教材表10-2五、预应力损失值3.锚具变形和钢筋回缩损失l1应注意的几个问题plEla1*由块体拼装的结构，尚应考虑填逢间的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填逢材料时，每条缝的预压变形值为1mm*先张法构件，当台座长度超过100m时，可忽略l1*后张法构件，l1只考虑张拉端，因锚固端锚具在张拉过程中已被压紧五、预应力损失值3.锚具变形和钢筋回缩损失l1应注意的几个问题plEla1*此式不适用于曲线配筋的后张法构件（具体算法可参考相关文献）锚固前的应力图锚固后的应力图摩擦力l1l1/2lfcon（0）五、预应力损失值4.温差应力损失l3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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混凝土蒸汽养护时,预应力钢筋与台座之间温差引起的损失)/(210200001.000001.0253mmNtttEpl钢筋的线膨胀系数*采用二次升温法可减少l3:先在常温下养护,当混凝土的强度达到7.5~10N/mm2时再逐渐升温五、预应力损失值5.应力松弛损失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钢筋张拉后1小时内约完成总松弛的50%，24小时内完成总松弛的80%，以后逐渐收敛conptconlbfa)(4采用超张拉时为0.9，不采用时为1.0常数参见规范的相关内容五、预应力损失值5.应力松弛损失l4采用超张拉可以减少l4建议的张拉程序为0(1.05~1.1)con停2~5分钟0con在高应力下，本需1小时才能完成的损失，在2~5分钟内就完成了大部分五、预应力损失值6.混凝土收缩徐变损失l5收缩和徐变两者相互有关，很难精确计算，为了简化两项损失可合并考虑DCfBAcupcl5受拉区或受压区各自预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率受拉区或受压区预应力钢筋在各自合力作用点处混凝土的法向压应力高湿环境中可降低50%干燥环境中应增加20~30%系数A、B、C、D参见教材中的相关规定五、预应力损失值6.钢筋挤压混凝土损失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五、预应力损失值7.预应力损失的组合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/mm2六、预应力筋锚固区受力性能1.先张法预应力筋预应力传递长度ltrltrpepcdfltpetr当采用骤然放松预应力钢筋的施工工艺时，起点应从距构件末端0.25ltr处开始计算ltr六、预应力筋锚固区受力性能2.后张法锚固区的局部承压2a2bAA七、轴心受拉构件的分析1.受力特征PPP预应力混凝土构件（使用荷载下不带裂缝）普通混凝土构件（使用荷载下常带裂缝）预应力钢筋开裂前，荷载-位移关系为线性的，预应力钢筋的应力增长较少开裂后，预应力钢筋的应力急增，进入非线性阶段七、轴心受拉构件的分析1.先张法构件各阶段的应力分析施工阶段----张拉钢筋conp钢筋应力：0c混凝土应力：七、轴心受拉构件的分析1.先张法构件各阶段的应力分析施工阶段----完成第一批预应力损失lIconp钢筋应力：0c混凝土应力：浇注混凝土但不受力七、轴心受拉构件的分析1.先张法构件各阶段的应力分析施工阶段----放松钢筋pcIElIconp钢筋应力：0)(AAplIconcpI混凝土应力：pcIpEAAA)1(0csEEEppcIElIconppcIAAA)()(七、轴心受拉构件的分析1.先张法构件各阶段的应力分析施工阶段----完成第二批损失pcIIElIIlIconp钢筋应力：0)(AAplIIlIconpcII混凝土应力：pcIIpEAAA)1(0csEEEppcIIElIIlIconppcIIAAA)()(混凝土中的有效预压应力七、轴心受拉构件的分析1.先张法构件各阶段的应力分析加载阶段----加载至混凝土中的应力为0pcIIElIIlIconp0c混凝土应力：plIIlIconpAN)(0c=0Np0lIIlIconp钢筋应力：七、轴心受拉构件的分析1.先张法构件各阶段的应力分析加载阶段----加载至混凝土开裂lIIlIconptcf混凝土应力：)()(ptptElIIlIconcrAAfAfNtElIIlIconpf钢筋应力：ftNcr七、轴心受拉构件的分析1.先张法构件各阶段的应力分析加载阶段----加载到破坏0c混凝土应力：ppyuAfNpypf钢筋应力：Nu七、轴心受拉构件的分析2.后张法构件各阶段的应力分析施工阶段----穿钢筋conp钢筋应力：0c混凝土应力：0p钢筋应力：0c混凝土应力：七、轴心受拉构件的分析2.后张法构件各阶段的应力分析施工阶段----张拉钢筋完成第一批预应力损失lIconp钢筋应力：nplIconpcIAA)(混凝土应力：pnAAA净面积：pcIpcIElIconp钢筋应力：0)(AAplIcon