結(jié)構(gòu)選型1課件

第八章:預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的一般知識

本章重點

1．了解預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念。2．了解施加預(yù)應(yīng)力的方法和在實際工程中的應(yīng)用。

3.了解產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失的各種原因及控制措施

4.理解軸心受拉構(gòu)件受力的全過程以及各階段的應(yīng)力狀態(tài)和計算方法。

5．注意預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件截面計算包括使用和施工兩個階段。使用階段包括承載力和抗裂度的計算；施工階段包括張拉鋼筋時對構(gòu)件的承載力驗算，構(gòu)件張拉端（錨固區(qū)）局部承壓的驗算；

6．熟悉預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求?！?-1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念

由于混凝土的抗拉強度較低，使普通鋼筋混凝土受拉、受彎等構(gòu)件存在以下缺陷：

1）通常是帶裂縫工作；

2）難以用于大跨度或承受動力荷載的結(jié)構(gòu)成為不可能或很不經(jīng)濟。

3）難以利用高強度鋼筋。與wmax對應(yīng)的s=200N/mm2。而高強鋼絲強度可達1600N/mm2以上。一、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的基本原理預(yù)應(yīng)力：在混凝土結(jié)構(gòu)承受使用荷載之前的制作階段預(yù)先對混凝土施加應(yīng)力。epNpspcsc

全預(yù)應(yīng)力混凝土部分預(yù)應(yīng)力混凝土有限預(yù)應(yīng)力混凝土施工階段使用階段日常生活中有許多應(yīng)用預(yù)應(yīng)力的例子。(1)用預(yù)應(yīng)力鋼筋對混凝土構(gòu)件施加預(yù)壓應(yīng)力

預(yù)應(yīng)力混凝土梁

在荷載作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力的地方，預(yù)先用預(yù)應(yīng)力鋼筋對它施加壓應(yīng)力，來部分或全部抵消荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

施加預(yù)應(yīng)力可提高混凝土構(gòu)件的抗裂性；利用預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反拱抵消恒載引起的撓度；更充分地利用高強鋼材的抗拉性能和高強混凝土的抗壓性能；可減小截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，以便應(yīng)用到大跨和高層中。qwf開裂很小或不開裂(2)不用預(yù)應(yīng)力鋼筋也可對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力預(yù)彎型鋼組合梁

預(yù)制起拱的焊接工字梁;對工字梁加載，使鋼梁變直,再澆筑部分混凝土；待混凝土達到一定強度后，卸下荷載，利用工字梁反彈，對混凝土施加預(yù)應(yīng)力；澆混凝土疊合層，形成疊合梁；施加使用荷載。

目前這種預(yù)彎型鋼組合簡支梁的跨度已達40

m

。若應(yīng)用二次澆筑，形成預(yù)彎型鋼組合連續(xù)梁，更能充分發(fā)揮這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，最大跨度可達80

m

。這種新型預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)自重輕、承載力高、撓度小、結(jié)構(gòu)高度小，又易于施工，在城市立交橋中有很好的應(yīng)用前景。Δp(2)不用預(yù)應(yīng)力鋼筋也可對結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力

設(shè)想在兩山之間要建一座無筋混凝土橋：搭臨時支架，鋪預(yù)制混凝土塊；用一排千斤頂對預(yù)制混凝土塊施加預(yù)應(yīng)力；在千斤頂之間澆筑混凝土；達到必要的強度后卸下千斤頂；在原千斤頂所占位置再補澆混凝土；拆下臨時支架，一座不用預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力橋梁就建成了。(這和用手搬書的道理是一樣的)

對一塊薄板施加預(yù)應(yīng)力會不會使薄板失穩(wěn)呢?

當(dāng)壓桿有偶然偏心或偶然側(cè)向力作用而彎曲后，附加的力矩可能使構(gòu)件越來越彎曲，甚至導(dǎo)致破壞，這就是失穩(wěn)。軸向力作用下的薄板或長細桿件有可能發(fā)生失穩(wěn)。(3)預(yù)應(yīng)力是一個內(nèi)力

預(yù)應(yīng)力是一個內(nèi)力，當(dāng)一塊預(yù)應(yīng)力薄板發(fā)生偶然彎曲后，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的附加力矩以及彎曲后的預(yù)應(yīng)力筋對混凝土板的側(cè)壓力與偶然彎曲方向相反，將使構(gòu)件變直?？梢?，預(yù)應(yīng)力不但不會使壓桿失穩(wěn)，而且會使壓桿更加穩(wěn)定。這就不難理解為什么有時我們會對預(yù)制長柱、長樁施加預(yù)應(yīng)力了。桿件截面中心（4）預(yù)應(yīng)力的其他應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力的概念還有更普遍的意義。上面提到預(yù)應(yīng)力可使不能受拉的木盆拼縫“受拉”，同樣也可使抗拉強度很低的混凝土變得似乎可以承受很大的“拉應(yīng)力”。事實上，預(yù)應(yīng)力只是把受拉的過程轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)壓應(yīng)力減少的過程。根據(jù)同樣的原理，也可施加預(yù)拉應(yīng)力，使不能受壓的材料變得似乎可以受壓。氣球薄膜本不能受壓，若充氣打壓先使薄膜承受拉應(yīng)力，只要預(yù)拉應(yīng)力足夠大，超過荷載作用下薄膜的壓應(yīng)力，則此結(jié)構(gòu)就可以承受荷載。

應(yīng)用此原理可以建造各式充氣結(jié)構(gòu)。（4）充氣結(jié)構(gòu)(BalloonStructure)

氣承式充氣結(jié)構(gòu)，氣壓較低。取出頂部1m2的屋面來分析，薄膜材料一般自重不會超過q=100

N/m2

，只要內(nèi)部氣壓p＞q

，就可將薄膜托起。大家知道，一個標(biāo)準大氣壓相當(dāng)約10

m

水柱壓力，即100000

N/m2

，可見只要室內(nèi)氣壓比室外氣壓高出約1/1000

，就可把薄膜托起。這樣的壓差只用一個普通的鼓風(fēng)機就能實現(xiàn)。通常，這種氣承式充氣結(jié)構(gòu)只要在入口處采用密閉旋轉(zhuǎn)門，并用風(fēng)機不斷補氣，保持150～300

N/m2

的氣壓差，就足以承受覆蓋層的重力,并使薄膜中保持一定的預(yù)應(yīng)力，以保證這種氣承式充氣結(jié)構(gòu)的整體剛度，室內(nèi)外壓差只有1.5/1000～3/1000

，這一點誤差人們是感覺不到的。

氣管式充氣結(jié)構(gòu)，又稱氣壓式充氣結(jié)構(gòu)，氣管內(nèi)的氣壓約為1.5～2.0kN/m2

。這種氣管有一定的剛度和抗彎、抗壓能力，可用來作為拱圈組合成屋蓋。氣管式充氣結(jié)構(gòu)管內(nèi)壓力比氣承式結(jié)構(gòu)大得多，但也只有汽車內(nèi)胎壓力(約為2000kN/m2)的1/1000左右，很容易達到。（4）充氣結(jié)構(gòu)(BalloonStructure)氣管（囊）式充氣結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)隔熱性能好，但工作壓力稍大，對材料的強度、氣密性等質(zhì)量要求也較高，造價也比氣承式充氣結(jié)構(gòu)高。

充氣結(jié)構(gòu)與其他結(jié)構(gòu)混合使用，效果也很好。

充氣結(jié)構(gòu)自重輕,造價低，便于裝拆，特別適合跨度大的市場、展覽、臨時性的演出場地、比賽場館等。（5）張拉膜(Membranceintension)張拉膜

近年在旅游景點出現(xiàn)的張拉膜結(jié)構(gòu)也是預(yù)應(yīng)力概念的應(yīng)用實例之一

預(yù)應(yīng)力的概念有著廣泛的工程應(yīng)用價值可伸長的撐桿（6）預(yù)應(yīng)力錨桿

黃河小浪底工程預(yù)防山體滑坡的預(yù)應(yīng)力錨桿擋土墻的錨桿預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的優(yōu)缺點提高構(gòu)件的抗裂度和剛度；可以合理地、有效地采用高強度鋼筋和混凝土、節(jié)約鋼材；預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋和混凝土的應(yīng)力變化幅度小，在重復(fù)荷載下，抗疲勞性能較好。但其缺點是構(gòu)造、施工和計算均較鋼筋混凝土構(gòu)件復(fù)雜，且延性較差；且抗震延性差一些

二、施加預(yù)應(yīng)力的方法通常通過機械張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋來給混凝土施加預(yù)應(yīng)力。按照張拉鋼筋與澆灌混凝土的先后次序，分為以下兩種。先張法——鋼筋張拉先于混凝土澆筑后張法——鋼筋張拉后于混凝土澆筑1、先張法①張拉鋼筋②澆注混凝土③剪斷鋼筋張拉鋼筋支模、澆混凝土混凝土達到一定強度剪鋼絲產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力2、后張法①澆注混凝土②穿鋼筋、張拉、錨固③灌漿澆混凝土，預(yù)留孔道達到強度，穿筋張拉鋼筋，錨固產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力孔道灌漿金屬波紋管

思考二種張拉方式是依靠什么來傳遞預(yù)應(yīng)力的！先張法靠鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力來傳遞預(yù)應(yīng)力。

后張法依靠鋼筋端部的錨具來傳遞和保留預(yù)應(yīng)力。三、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的錨具和夾具（用于張拉單根預(yù)應(yīng)力筋）墩頭錨具JM-12錨具錨固端圖張拉端圖波紋管（內(nèi)鋼絞線）四、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件對材料的要求

1.鋼筋

預(yù)應(yīng)力鋼筋宜采用鋼絲、鋼鉸線，也可采用熱處理鋼筋；

2.混凝土

一般要求不應(yīng)低于C30；采用鋼絲，鋼鉸線，熱處理鋼筋作預(yù)應(yīng)力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于

C40。7股鋼絞線強度可高達1860MPa§8-2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計的一般規(guī)定一、張拉控制應(yīng)力σcon

con：張拉鋼筋時，張拉設(shè)備上的測力計所指示的總張拉力除以預(yù)應(yīng)力筋面積。

con的確定原則：與預(yù)應(yīng)力的施加方式及鋼筋的強度標(biāo)準值fptk有關(guān)。確定con時考慮的因素con

增加。產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力大，抗裂性好。

所以

con>0.4fptk。con

過高，可能引起張拉時個別鋼絲拉斷，所以

，控制應(yīng)力的大小必須適當(dāng)。con

過高，施工階段可能引起構(gòu)件某些部分受拉開裂或局部受壓破壞。張拉控制應(yīng)力限值

熱處理鋼筋消除應(yīng)力鋼絲、鋼絞線0.75fptk

后張法

先張法

鋼筋種類

張拉方法0.75fptk0.70fptk0.65fptk在考慮提高施工階段的抗裂性及減少應(yīng)力松馳、摩擦、鋼筋分批張拉及臺座之間的溫差損失時，可以提高0.05fptk。二、預(yù)應(yīng)力損失l

預(yù)應(yīng)力筋張拉后，由于各種原因其張拉應(yīng)力會下降，這一現(xiàn)象稱為預(yù)應(yīng)力損失。引起預(yù)應(yīng)力損失的原因有六大類。先分別找出這些損失出現(xiàn)的原因，再根據(jù)先張法和后張法的施工特點，了解不同預(yù)應(yīng)力損失的計算和組合。

pe=con–l最終有效預(yù)應(yīng)力：1、張拉端錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失l1直線：張拉端錨具變形和鋼筋回縮量張拉臺座的長度減少此項損失的措施：①選擇錨具變形小或使預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)縮小的錨具、夾具，盡量少用墊板，每增加一塊墊板，α值就增加1mm。②增加臺座長度L。2、預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的損失l2

指在后張法構(gòu)件張拉鋼筋時，由于預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦而引起。減少摩擦損失的措施

①兩端張拉

②超張拉

3、受張拉的鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間溫差△t引起的預(yù)應(yīng)力損失l3減少此項損失的措施

①采用兩次升溫養(yǎng)護。

②鋼摸上張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋4、預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛引起的損失l4

應(yīng)力松弛現(xiàn)象：指鋼筋在高應(yīng)力狀態(tài)下，由于鋼筋的塑性變形而使應(yīng)力隨時間的增長而降低的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛損失的特點：與預(yù)應(yīng)力鋼筋種類有關(guān)；與張拉時間有關(guān)

減少l4的措施有：進行超張拉。5、混凝土收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失l5

此項損失約占預(yù)應(yīng)力總損失的一半以上。6、用螺旋式預(yù)應(yīng)力鋼筋作配筋的環(huán)形構(gòu)件，由于混凝土的局部擠壓引起的預(yù)應(yīng)力損失l6d≤3m時σι6=30N/mm2

d>3m時σι6=0三、預(yù)應(yīng)力損失值的組合⑴混凝土預(yù)壓前（第一批）完成的損失lI；⑵混凝土預(yù)壓后（第二批）完成的損失lII。

預(yù)應(yīng)力損失的組合先張法構(gòu)件后張法構(gòu)件第一批損失lIl1+l2+l3+l4l1+l2第二批損失lIIl5l4+l5+l6總損失l=lI+lII

規(guī)定不得小于100N/mm280N/mm2預(yù)應(yīng)力損失值的組合表§8-3預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計算的一般原理一、計算內(nèi)容1、使用階段包括承載力和抗裂度的計算；2、施工階段包括張拉（或放松）鋼筋對構(gòu)件的承載力驗算，構(gòu)件張拉端（錨固區(qū)）局部承壓的驗算，受彎構(gòu)件還需進行抗裂度驗算。在使用階段計算中，除承載力計算同普通鋼筋凝土一樣外，抗裂度計算也必須予以充分重視。

二、預(yù)應(yīng)力軸心受拉構(gòu)件的計算和驗算

注意：混凝土開裂前截面應(yīng)力可按材料力學(xué)方法分析；開裂后及破壞階段，材料力學(xué)公式不再適用。（一）先張法構(gòu)件1.施工階段(a)放張前(b)放張后(c)完成第二批損失放松預(yù)應(yīng)力筋之前：p=con–lIpc=0

s=0放松預(yù)應(yīng)力筋之后：

p=con–lI–EpcIs=EspcI(壓)

pc=pcI(壓)

預(yù)應(yīng)力筋的有效拉應(yīng)力

混凝土受到壓應(yīng)力

非預(yù)應(yīng)力筋受到壓應(yīng)力

澆注混凝土但不受力pcII砼有效預(yù)應(yīng)力

σp

σs

pcIIps完成第二批損失之后：預(yù)應(yīng)力筋：pII=con–

l

–

EpcII非預(yù)應(yīng)力筋：sII=EspcII+l5混凝土：pc=pcII由截面平衡條件得：式中：A0－換算截面面積，A0

=Ac+Es·As+E·Ap?？鄢椎馈摻畹冉孛婷娣e后截面上的混凝土截面面積。2.使用階段受力過程的三個特征點：NNp0(c=0)Np,cr(c=ftk)Nu(p=fpy)(a)施加軸力前(b)消壓狀態(tài)(c)開裂軸力(d)極限軸力NuN0N0Ncr

NcrNu（+）（－）

加載至混凝土應(yīng)力為零：c=0s=l5p=p0=con–l

Np0=p0Ap–sAs=(con–l)Ap–l5As=pcII·A0

Np0截面凈增拉力分析：Np0截↑，pcII↑

加載至構(gòu)件破壞：c=0s=fyp=fpy

由截面平衡條件：Nu=fpy·Ap+fy·As

式中，Nu–––極限承載力。(預(yù)應(yīng)力的存在不能提高正截面承載力？)（二）后張法構(gòu)件1.施工階段

預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固后：(完成lI)c=pcIs=EspcIp=con–lI

截面平衡：pAp=c·Ac+s·

As式中:

An–––構(gòu)件的凈截面面積，An=A0–EAp=Ac+Es·As

完成第二批損失后：c=pcIIs=EspcII+

l5(壓)p=con–l截面平衡：pAp=cAc+s·

As2.使用階段

消壓(加載到混凝土應(yīng)力為零)c=0s=EspcII+

l5–

EspcII=l5(壓)p=con–l

+EpcII截面平衡：

Np0=pAp–Ass=pcII·A0

構(gòu)件加載達到極限承載力：c=0s=fyp=fpyNu=fpy·Ap+fy·As先張法、后張法軸心受力構(gòu)件各階段的應(yīng)力狀態(tài)及公式的表達有什么共同點和差異。想一想：先張法、后張法應(yīng)力計算公式比較

張拉方法應(yīng)力階段先張法后張法施工階段（完成全部預(yù)應(yīng)力損失后）使用階段（消壓狀態(tài)）相同使用階段（開裂狀態(tài)）相同承載力極限狀態(tài)相同（三）使用階段計算1.正截面承載力計算r0N