預應力混凝土構件設計教學課件PPT.ppt

1,城市建設學院 羅,2,工程實例,3,第十一章 預應力混凝土構件設計,4,1.熟悉預應力混凝土的基本知識，分類方法、預應力損失及計算方法； 2.掌握建筑工程中軸心受拉構件各階段受力分析及計算方法； 3.熟悉預應力混凝土構件的施工工藝及構造要求。,難點：預應力軸心受拉構件的計算,重 難 點,5,1、在使用荷載作用下，一般是帶裂縫工作： tu=0.10.1510-3（即每m只能拉長0.10.15mm） 對使用上不允許開裂的構件，鋼筋的拉應力僅為2030n/mm2 對允許開裂的構件，當s=250n/mm2時，裂縫已達0.20.3mm，不宜用在處于高濕度或侵蝕性環(huán)境中的構件。 2.難以采用高強鋼筋：,一、鋼筋混凝土的缺點,11.1 預應力混凝土的基本知識,6,1、預應力砼：是指在構件受荷之前預先對砼受拉區(qū)施加壓力的結構。,預應力混凝土受彎構件,二、預應力砼的基本原理：,7,2、預應力混凝土的基本原理,8,3、預應力砼構件的基本特點：,（1）施加預應力可提高構件的抗裂度。 （2）預加力的大小以及作用點位置可根據(jù)需要進行調整； （3）預應力對構件正截面承載力無明顯影響； （4）預應力可提高構件的剛度，減小變形。,9,對下列結構應優(yōu)先采用預應力砼結構： 1）為滿足裂縫控制的要求（即裂縫控制等級較高的結構； 2）為滿足輕質高強的要求（以減小截面，減輕自重； 3）為滿足剛度和變形控制的要求。,對下列結構應優(yōu)先采用預應力砼結構：,10,全預應力：是在使用荷載作用下，構件截面混凝土不出現(xiàn)拉應力，即全截面受壓。 部分預應力：是在使用荷載作用下，構件截面混凝土允許出現(xiàn)拉應力，即部分截面受壓。,4、預應力混凝土的分類,預應力砼的分類,11,1、先張法（pretensioning method）：,三、施加預應力的方法：,2、后張法（ post-tensioning method ）：,12,3、兩種張拉方法的比較,13,四、預應力混凝土的材料：,1、混凝土： 預應力混凝土構件對混凝土的基本要求是： (1) 強度高； (2)收縮、徐變?。?(3)快硬、早強。 選擇砼等級時，應綜合考慮施工方法（先、后張法）、構件跨度、使用情況（如有無振動荷載）以及鋼筋種類等。一般先張法預應力損失較后張法大 。 規(guī)范規(guī)定：砼強度等級不宜低于c30；當用高強鋼絲或鋼絞線作預應力鋼筋的結構，特別是大跨度結構，混凝土強度等級不宜低于c40。,14,預應力砼結構中的鋼筋,預應力鋼筋,非預應力鋼筋,2、鋼材 ：,對鋼筋有較高的質量要求： (1)高強度。 (2)具有一定的塑性：為了避免構件發(fā)生脆性破壞，要求預應力筋在拉斷時具有一定的延伸率；一般要求極限伸長率6%(級)、8%（級）和10%（級），碳素鋼絲和鋼絞線4%。 (3)良好的加工性能。要求有良好的可焊性，同時鋼筋“鐓粗”后并不影響原來的物理力學性能等。 (4)與砼間有足夠的粘結強度：特別是靠粘結力完成的先張法構件。當采用光面高強鋼絲時，表面應經(jīng)“刻痕”或“壓波”等措施處理后方能使用。,15,11.2 預應力混凝土構件設計的一般規(guī)定,一、構件截面計算的內容： 一般包括以下兩個內容： 1、使用階段計算：包括承載力計算、裂縫控制驗算和變形驗算。 2、施工階段計算：包括張拉（或放松）鋼筋時構件承載力驗算；吊裝驗算和構件張拉端（錨固區(qū)）局部承壓的驗算。,16,1、概念：con在張拉預應力筋對構件施加預應力時，張拉設備（千斤頂油壓表）所控制的總張拉力np,con除以預應力筋面積ap得到的應力稱為張拉控制應力scon。,con是預應力筋在構件受荷以前所經(jīng)受的最大應力。,二、張拉控制應力con,17,1）con宜盡可能定得高一些： 但如果con過大時，可能出現(xiàn)下列問題: （1）個別鋼筋可能被拉斷。 （2）施工階段可能會引起構件某些部位受到拉力,甚至破壞,還可能使后張法構件端部混凝土產生局部受壓破壞。 （3）使開裂荷載與破壞荷載相近, 一旦裂縫，將很快破壞，即可產生無預兆的脆性破壞。 2）con與預應力鋼筋的鋼種有關： 冷拉熱軋鋼筋：塑性好，con可高些； 高強鋼絲和熱處理鋼筋，故con應低些。 3） con與施加預應力的方法有關： 對同種鋼筋，先張法取值高于后張法。,2、張拉控制應力con的確定,18,con上限:不宜超過上表規(guī)定的con； con下限:不應小于0.4fptk。,表中 為預應力鋼筋強度標準值。,允許張拉控制應力值 con,19,當符合下列情況之一時,上表所列數(shù)值可根據(jù)具體情況和施工經(jīng)驗作適當調整，可將其限值提高5%。 (1)為了提高構件制作、運輸及吊裝階段的抗裂性，而設置在使用階段受壓區(qū)的預應力鋼筋。 (2)為了部分抵消由于應力松弛、摩擦、分批張拉以及預應力鋼筋與張拉臺座間的溫差因素產生的預應力損失，對預應力鋼筋進行超張拉。,張拉控制應力con的調整,20,其值可按下式計算：,式中:a錨具變形及鋼筋回縮值,見下表；,1錨具變形和鋼筋內縮損失l1,定義：指預應力鋼筋張拉到con后，構件從制作到使用過程中，由于張拉工藝和材料特性等原因而不斷降低的現(xiàn)象。,三、預應力損失:,21,注：1、表中的錨具變形和鋼筋內縮值也可根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定； 2、其它類型的錨具變形和鋼筋內縮值應根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定.,錨具變形及鋼筋回縮值a,22,預應力損失如圖，宜按下式計算:,摩擦損失計算簡圖,若,當采用電熱后張法時,不考慮這項損失。,2. 孔壁摩擦損失l2,23,24,對于通常采用的拋物線形預應力鋼筋可以近似按圓弧形預應力鋼筋考慮，當圓心角 30時，則錨具變形損失l1按下面近似公式計算:,式中： 預應力筋與孔道壁摩擦系數(shù)，見表83 c圓弧曲線預應力筋曲率半徑（m）； 考慮每米孔道局部偏差對摩查影響的系數(shù)，見表83； 張拉端到計算截面的距離（m），這里0l,圓弧形預應力筋因錨具變形和鋼筋內宿縮引起的損失值,25,注： 1.表中系數(shù)也根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定； 2.當采用鋼絲束的鋼質錐形錨具及類似形式的錨具時，尚應考慮錨環(huán)口處的附加摩擦損失，其值可根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定；,偏差系數(shù)k和摩擦系數(shù)值,26,減少摩擦損失l2的措施,27,3.溫差損失l3,設養(yǎng)護升溫后，預應力筋與臺座的溫差為d t ，取鋼筋的溫度膨脹系數(shù)為110-5/，則有:,96,計算時,取d t =2025.,當在鋼模上生產預應力構件時,鋼模和預應力鋼筋同時被加熱,無溫差,則該項損失為零.,28,根據(jù)應力松弛的長期試驗結果，規(guī)范取,普通預應力鋼絲和鋼絞線：,為超張拉系數(shù)，一次張拉時，取=1； 超張拉時，取=0.9。,4.鋼筋應力松弛損失l4,29,5.砼收縮徐變損失l5,一般情況下,對先張法構件的預應力損失，按下列公式計算：,先張法,a0=ac+apap+asas,30,計算公式為：,規(guī)范規(guī)定： 時， 時，,. 環(huán)形擠壓損失l6,31,各階段預應力損失值組合,規(guī)范規(guī)定當總損失值l =li +lii小于下列數(shù)值時： 先張法構件 100mpa 后張法構件 80mpa,四、預應力損失值的分階段組合,32,先張法預應力損失的組合,錨固變形損失l1,溫差損失l3,鋼筋松馳損失l4,第一批損失l,砼收縮徐變損失l5,第二批損失l,全部損失l,施工階段,使用階段,33,后張法預應力損失的組合,錨固變形損失l1,摩擦損失l2,第一批損失l,鋼筋松馳損失l4,第二批損失l,全部損失l,施工階段,使用階段,砼收縮徐變損失l5,環(huán)形擠壓損失l6,34,例1:24m預應力砼屋架下弦桿的截面尺寸bh=250140mm，采用后張法制作，在一端張拉并采用超張拉5% ?？椎?50為充壓橡皮管充壓抽芯成型, 直徑為55mm。砼強度等級為c40，達到設計規(guī)定的強度后張拉預應力鋼筋。預應力鋼筋采用鋼絞線（fptk=1720n/mm2），配置熱處理筋2束10ht6（ap=565mm2)。非預應力鋼筋為4根三級12mm(as=452mm2)的鋼筋.張拉控制應力con=0.75fptk=0.751470=955n/mm2.試計算預應力損失值。,已知下弦桿內力:n=670kn,nk=480kn , nq=365kn,裂縫控制等級為一級。對結構進行抗裂度驗算和承載力驗算。,35,習題: 18m預應力砼屋架下弦桿的截面尺寸bh=200150mm，采用后張法制作，在一端張拉并采用超張拉?？椎罏轭A埋金屬波紋管，直徑為55mm。砼強度等級為c40，達到設計規(guī)定的強度后張拉預應力鋼筋。預應力鋼筋采用鋼絞線（fptk=1720n/mm2），配置鋼絞線1束510.8（ap=297mm2)。非預應力鋼筋為4根三級10mm的鋼筋.張拉控制應力con=0.75fptk=1290n/mm2。試計算預應力損失值。,36,先張法:預應力傳遞長度ltr 及錨固長度la,）有效預應力沿構件長度的分布,37,規(guī)范預應力傳遞長度應按下式計算：,放張時預應力鋼筋的有效預應力值； 預應力鋼筋的外形系數(shù)，按下表采用； 與放張時混凝土立方抗壓強度相應的抗拉強度標準值。,注： 1、當采用驟然放松預應力鋼筋的施工工藝時，ltr的起點應從距構件0.25ltr末端處開始計算。 2、對熱處理鋼筋，可不考慮預應力傳遞長度ltr 。,鋼筋的外形系數(shù),38,預應力鋼筋的錨固長度應按下式計算：,式中：,預應力鋼筋抗拉強度設計值； 預應力區(qū)混凝土的抗拉強度設計值； 預應力鋼筋的直徑; 鋼筋的外形系數(shù),39,錨具下混凝土局部承壓問題,40,一般是指在預應力鋼筋外面涂防腐油脂外包塑料套管防止鋼筋與混凝土粘結，按后張法制作的預應力混凝土結構。,一定要有非預應力筋 錨具的可靠性 高強鋼絲的可靠度,）無粘性預應力混凝土結構,41,優(yōu)點：,.結構自重輕。 .施工簡便，速度快。 .抗腐蝕能力強。 .使用性能良好。 .防火性能好。 .抗震性能好。 .應用廣泛。,42,平衡條件,一、先張法軸心受拉構件 、施工階段 （）放松預應力鋼筋，壓縮混凝土（完成第一批預應力損失）,解：,11.3 預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析,先,43,（）完成第二批損失,由平衡條件,先,44,、使用階段 （）消壓狀態(tài),由平衡條件得：,先,45,（2）開裂軸力：,平衡條件：,先,46,（）加荷至構件破壞,平衡條件：,上式可作為使用階段對構件進行承載力計算的依據(jù)。,先,47,平衡條件,、施工階段,（）在結構上張拉預應力鋼筋至con，同時壓縮混凝土,二、后張法軸心受拉構件,后,48,（）完成第一批損失,平衡條件,后,49,（）完成第二批損失,由平衡條件：,后,50,（）消壓狀態(tài),由平衡條件：,、使用階段,后,51,（2）開裂軸力：,平衡條件：,后,52,（）加荷至構件破壞,平衡條件：,注意：后張法中,后,53,先張法,后張法,2、使用階段：表達式相同,先、后張法計算公式比較,1、施工階段,54,一、軸心受壓構件的計算內容： 施工階段： 包括張拉或放張鋼筋對構件的承載力驗算； 吊裝驗算； 構件張拉端或錨固區(qū)局部承壓的驗算； 對于受彎構件還要驗算變形。 使用階段：包括承載力驗算和抗裂度驗算。,11.4 預應力混凝土軸心受拉構件的計算和驗算 （工05級無）,55,式中：,軸向拉力設計值； 結構截面所能承受的軸向拉力設計值； 預應力鋼筋抗拉強度設計值； 非預應力鋼筋抗拉強度設計值。,二、使用階段正截面承載力計算計算公式：,56,1、一級 嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件，在荷載效應標準組合下應符合下列要求：,2、二級 一般要求不出現(xiàn)裂縫的構件 、在荷載效應標準組合下應符合下列要求：,三、使用階段裂縫控制驗算,在荷載效應的準永久組合下應符合下列要求：,式中：,荷載效應標準組合、準永久組合下抗裂驗算邊緣混凝土法向應力：,57,.三級允許開裂的軸心受拉構件 要求最大裂縫寬度，應符合下列規(guī)定：,最大裂縫寬度的計算公式：,58,混凝土法向應力等于零時，全部縱向預應力和非預應力鋼筋的合力；,后張法,其中：先張法,按荷載短期效應組合計算的預應力構件縱向受拉鋼筋的等效應力。,59,鋼筋的相對黏結特性系數(shù)i,注：對環(huán)氧樹脂涂層帶肋鋼筋，其相對粘結系數(shù)應按表中的0.8倍取用。,60,混凝土法向應力應符合下列規(guī)定：,對先張法,對后張法,四、施工階段的承載力驗算,61,. 構件截面尺寸驗算 截面尺寸應符合下列要求：,fl局部受壓面上作用的局部荷載或局部壓力設計值；在后張法中的錨頭局壓區(qū)的壓力設計值，應取1.2倍con； al混凝土的局部受壓面積； l混凝土局部受壓時的強度提高系數(shù)； aln混凝土局部受壓凈面積；對后張法構件，應在混凝土局部受壓面積中扣除孔道，凹槽部分的面積； ab局部受壓時的計算底面積，可由局部受壓面積與計算底面積按同心，對稱原則確定。,五、施工階段后張法構件局部受壓承載力驗算,62,局部受壓的計算底面積ab,63,當配置方格網(wǎng)式或螺旋式間接鋼筋且其核心面積aconal時，局部受壓承載力應按下列公式計算：,2、局部受壓承載力驗算,64,當為方格網(wǎng)配筋時，其體積配筋率應按下式計算：,此時，在鋼筋網(wǎng)兩個方向的單位長度內，其鋼筋截面面積相差不大于1.5倍。 當為螺旋鋼筋時，其體積配筋率應按下式計算：,65,式中： cor配置間接鋼筋局部受壓承載力提高系數(shù)； acor配置方格網(wǎng)或螺栓式間接鋼筋內表面范圍內的砼核芯面積，但不應大于，且其重心應與重心重合，計算中仍按同心，對稱原則取值； v間接鋼筋體積配筋率（核心面積范圍內單位砼體積所含間接鋼筋體積）；,66,間接鋼筋配置在下圖規(guī)定的h范圍內。 對柱接頭，h尚不應小于15倍縱向鋼筋直徑。配置方格網(wǎng)鋼筋不應少于4片，配置螺旋式鋼筋不應少于4圈。,鋼筋及螺旋鋼筋的配置,67,1）先張法構件 預應力鋼筋（絲）的凈間距 預應力鋼筋、鋼絲的凈間距應根據(jù)便于澆灌混凝土、保證鋼筋（絲）與混凝土的粘結錨固、以及施加預應力（夾具及張拉設備的尺寸）等要求來確定。 當預應力鋼筋為鋼筋時，其凈距不應小于鋼筋直徑及25mm； 當預應力鋼筋為鋼絲時，其凈距不宜小于15mm。,六、預應力混凝土構件的構造要求,68, 混凝土保護層厚度 為保證鋼筋與混凝土的粘結強度，防止放松預應力鋼筋時出現(xiàn)縱向劈裂裂縫，必須有一定的混凝土保護層厚度。 當采用鋼筋作預應力筋時，其保護層厚度要求同鋼筋混凝土構件； 當預應力鋼筋為光面鋼絲時，其保護層厚度不應小于15mm。 鋼筋、鋼絲的錨固 先張法預應力混凝土構件應保證鋼筋（絲）與混凝土之間有可靠的粘結力，宜采用變形鋼筋、刻痕鋼絲、螺旋肋鋼絲、鋼絞線等。,69, 端部附加鋼筋 為防止放松預應力鋼筋時構件端部出現(xiàn)縱向裂縫，對預應力鋼筋端部周圍的混凝土應設置附加鋼筋： 當采用單根預應力鋼筋，其端部宜設置長度不小于150mm螺旋筋。當鋼筋直徑d16mm時，也可利用支座墊板上的插筋，但插筋根數(shù)不應少于4根，其長度不宜小于120mm。 當采用多根預應力鋼筋時，在構件端部10倍預應力鋼筋直徑范圍內，應設置35片與預應力鋼筋垂直的鋼筋網(wǎng)。 采用鋼絲配筋的預應力薄板，在端部100mm范圍內，應適當加密橫向鋼筋。,70,2) 后張法 預留孔道的構造要求 預留孔道的布置應考慮到張拉設備的尺寸、錨具尺寸及構件端部砼局部受壓承載力的要求等因素。 孔道直徑應比預應力鋼筋束外徑、鋼筋對焊接頭處外徑及錐形螺桿錨具的套筒等外徑大1015mm，以便于穿入預應力鋼筋，并保證孔道灌漿質量。 孔道間的凈距不應小于25mm；孔道至構件邊緣的凈距不應小于25mm，且不宜小于孔道的半徑。 構件兩端及跨中應設置灌漿孔或排氣孔，孔距不宜大于12m?？椎拦酀{所用的水泥砂漿強度等級不應低于m20，水灰比宜為0.40.45，為減少收縮，宜摻入0.01%水泥用量的鋁粉。 凡需要起拱的構件，預留孔道宜隨構件同時起拱。,71, 曲線預應力鋼筋的曲率半徑 鋼絲束、鋼絞線束以及鋼筋直徑d12mm的鋼筋束，不宜小于4m。 1225mm的鋼筋，不宜小于15mm。,72, 端部構造 為防止施加預應力時，構件端部產生沿截面中部的縱向水平裂縫，宜將一部分預應力鋼筋在靠近支座區(qū)段彎起，并使預應力鋼筋盡可能沿構件端部均勻布置。 如預應力鋼筋在構件端部不能均勻布置而需集中布置在端部截面下部時，應在構件端部0.2倍截面高度范圍內設置豎向附加焊接鋼筋網(wǎng)等構造鋼筋。 預應力鋼筋錨具及張拉設備的支承處，應采用預埋鋼墊板，并設置上述附加鋼筋網(wǎng)和附加鋼筋。當構件端部有局部凹進時，為防止端部轉折處產生裂縫，應增設折線構造鋼筋。,73,1.何為預應力混凝土？與普通鋼筋混凝土構件相比，預應力混凝土結構有何優(yōu)缺點？ 2.為什么預應力混凝土構件必須采用高強鋼材，且應盡可能采用高強度等級的混凝土？ 3.預應力混凝土分為哪幾類？各有何特點？ 4.施加預應力的方法有哪幾種？先張法和后張法的區(qū)別何在？試簡述它們的優(yōu)缺點及應用范圍。,思考題,74,5.什么是張拉控制應力？為什么張拉控制應力取值不能高也不能低？ 6.預應力損失有哪幾種？各種損失產生的原因是什么？計算方法及減小措施如何？先張法、后張法各有