同济大学混凝土课件第9章.ppt
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1、第9章 预应力混凝土构件教学要求:1理解预应力的各种损失及预应力损失值的组合;2理解后张法预应力轴心受拉构件各阶段的应力分析,会做后张法预应力轴心受拉构件的设计计算;3了解预应力混凝土受弯构件各阶段的应力分析,对其使用阶段正截面受弯承载力计,施工阶段抗裂度验算及构件弯形验算等也有所了解;4知道预应力混凝土构件的主要构造要求。9.1 9.1 概述概述图9-1 预应力混凝土简支梁(a)预压力作用下;(b)外荷载作用下;(c)预压力与外荷载共同作用下 预应力混凝土构件具有很多的优点,下列结构物宜优先采用预应力混凝土:(1)要求裂缝控制等级较高的结构;(2)大跨度或受力很大的构件;(3)对构件的刚度和
2、变形控制要求较高的结构构件,如工业厂房中的吊车梁、码头和桥梁中的大跨度梁式构件等。预应力混凝土构件的缺点是构造、施工和计算均较钢筋混凝土构件复杂,且延性也差些。9.1.2 预应力混凝土的分类 根据预加应力值对构件截面裂缝控制程度的不同,预应力混凝土构件分为全预应力全预应力的和部分预应力部分预应力的两类。在使用荷载作用下,不允许截面上混凝土出现拉应力的构件,在使用荷载作用下,不允许截面上混凝土出现拉应力的构件,一般称为全预应力混凝土一般称为全预应力混凝土,大致相当于混凝土结构设计规范中裂缝的控制等级为一级,即严格要求不出现裂缝的构件。在使用荷载作用下,允许出现裂缝,但最大裂缝宽度不超过在使用荷载
3、作用下,允许出现裂缝,但最大裂缝宽度不超过允许值的构件,一般称为部分预应力混凝土允许值的构件,一般称为部分预应力混凝土,大致相当于混凝土结构设计规范中裂缝的控制等级为三级,即允许出现裂缝的构件。在使用荷载作用下根据荷载组合情况,不同程度地保证混凝在使用荷载作用下根据荷载组合情况,不同程度地保证混凝土不开裂的构件,则称为限值预应力混凝土土不开裂的构件,则称为限值预应力混凝土,大致相当于混凝土结构设计规范中裂缝的控制等级为二级,即一般要求不出现裂缝的构件。限值预应力混凝土也属部分预应力混凝土。张拉预应力筋的方法主要有先张法和后张法两种。1 先张法在浇灌混凝土之前张拉在浇灌混凝土之前张拉预应力筋的方
4、法称为先张法。预应力筋的方法称为先张法。图9-2 先张法主要工序示意图(a)预应力筋就位;(b)张拉预应力筋;(c)临时固定预应力筋,浇灌混凝土并养护;(d)放松预应力筋,预应力筋回缩,混凝土受预压9.1.3 张拉预应力筋的方法2 后张法在结硬后的混凝土构件上张拉预应力筋的方法称为后张法。在结硬后的混凝土构件上张拉预应力筋的方法称为后张法。图9-3 后张法主要工序示意图(a)制作构件,预留孔道,穿入预应力筋;(b)安装千斤顶;(c)张拉预应力筋;(d)锚住预应力筋,拆除千斤顶,孔道压力灌浆9.1.4 锚具和夹具 锚具和夹具是在制作预应力结构或构件时锚固预应力筋的工具。锚具锚具:是指在后张法结构
5、或构件中,为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土内部的永久性锚固装置。夹具夹具:是指在先张法构件施工时,为保持预应力筋的拉力并将其固定在生产台座(或设备)上的临时性锚固装置;在后张法结构或构件施工时,在张拉千斤顶或设备上夹持预应力筋的临时性装置(又称工具锚)。图9-4 固定端握裹式锚具(a)P型挤压锚具;(b)H型压花锚具(1)固定端锚具 图9-5 圆柱体夹片式锚具(a)圆形单孔锚具;(b)圆形多孔锚具;(c)长方体扁形锚具(2)张拉端锚具1 夹片式锚具2 支承式锚具 图9-6 镦头锚具 1锚环;2螺母;3固定端锚板;4钢丝束图9-7 螺母锚具3 锥塞式锚具9.1.5 预应力混凝土材料1 混凝
6、土 预应力混凝土结构构件所用的混凝土,需满足下列要求:(1)强度高强度高。与钢筋混凝土不同,预应力混凝土必须采用高强度混凝土。强度高的混凝土对采用先张法的构件可提高钢筋与混凝土之间的粘结力,对采用后张法的构件,可提高锚固端的局部承压承载力。(2)收缩、徐变小收缩、徐变小。以减少因收缩、徐变引起的预应力损失。(3)快硬、早强快硬、早强。可尽早施加预应力,加快台座、锚具、夹具的周转率,以利加快施工进度。因此,混凝土结构设计规范规定,预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40,且不应低于C30。我国目前用于预应力混凝土结构或构件中的预应力筋,主要采用预应预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋力钢丝、
7、钢绞线和预应力螺纹钢筋。(1)预应力钢丝 常用的预应力钢丝为消除应力光面钢丝和螺旋肋钢丝,公称直径有5mm、7mm和9mm等规格。消除应力钢丝包括低松弛钢丝和普通松弛钢丝;按照其强度级别可分类为:中强度预应力钢丝其极限强度标准值为8001270N/mm2;高强度预应力钢丝为14701860N/mm2等。成品钢丝不得存在电焊接头。(2)钢绞线 钢绞线是由冷拉光圆钢丝,按一定数量(有2根、3根、7根等)捻制而成钢绞线,再经过消除应力的稳定化处理(为减少应用时的应力松弛,钢绞线在一定的张力下,进行的短时热处理),以盘卷状供应。(3)预应力螺纹钢筋 预应力混凝土用螺纹钢筋(也称精轧螺纹钢筋),是采用热
8、轧、轧后余热处理或或热处理等工艺制作成带有不连续无纵肋的外螺纹的直条钢筋。2钢材 张拉控制应力是指预应力筋在进行张拉时所控制达到的最张拉控制应力是指预应力筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。大应力值。其值为张拉设备(如千斤顶油压表)所指示的总张拉力除以预应力筋截面面积而得的应力值,以con表示。张拉控制应力的取值,直接影响预应力混凝土的使用效果,如果张拉控制应力取值过低,则预应力筋经过各种损失后,对混凝土产生的预压力过小,不能有效地提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度。如果张拉控制应力取值过高,则可能引起以下的问题:(1)在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力(称为预拉力)甚至开裂,对后张法构件
9、可能造成端部混凝土局压破坏;(2)构件出现裂缝时的荷载值与极限荷载值很接近,使构件在破坏前无明显的预兆,构件的延性较差;(3)为了减少预应力损失,有时需进行超张拉,有可能在超张拉过程中使个别预应力筋的应力超过它的实际屈服强度,使预应力筋产生较大塑性变形或脆断。9.1.6 张拉控制应力con 符合下列情况之一时,表9-1中的张拉控制应力限值可提高0.05fptk或0.05fpyk:(1)要求提高构件在施工阶段的抗裂性能,而在使用阶段受压区内设置的预应力筋;(2)要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。张拉控制应力值大小的确定,还与预应力
10、的钢种有关。由于预应力混凝土采用的都为高强度钢筋,其塑性较差,故控制应力不能取得太高。混凝土结构设计规范规定,在一般情况下,张拉控制应力不宜超过表9-1的限值。9.1.7 预应力损失 在预应力混凝土构件施工及使用过程中,由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上的原因,预应力筋的张拉力值是在不断降低的,称为预应力损失预应力损失。引起预应力损失的因素很多,一般认为预应力混凝土构件的总预应力损失值,可采用各种因素产生的预应力损失值进行叠加的办法求得。1 直线预应力筋由于锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失值l1 锚具损失只考虑张拉端,锚固定端因在张拉过程中已被挤紧,故不考虑其所引起的应力损失。对于块体
11、拼成的结构,其预应力损失尚应计及块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆填缝材料时,每条填缝的预压变形值可取1mm。减少减少l1l1的措施有:的措施有:(1)选择锚具变形小或使预应力筋内缩小的锚具、夹具,并尽量少用垫板,因每增加一块垫板,值就增加1mm;(2)增加台座长度。因l1值与台座长度成反比,采用先张法生产的构件,当台座长度为100m以上时,l1可忽略不计。后张法构件曲线预应力筋或折线预应力筋,由于锚具变形和预应力内缩引起的预应力损失值l1,应根据曲线预应力筋或折线预应力筋与孔道壁之间反向摩擦影响长度lf范围内的预应力筋变形值等于锚具变形和预应力筋内缩值的条件确定。l1可按混凝土结构设计
12、规范附录J进行计算。2 预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失值l2图9-9 摩擦引起的预应力损失(1)张拉曲线预应力筋时,由于曲线孔道的曲率,使预应力筋和孔道壁之间产生法向正压力而引起的摩擦阻力图9-10 预留孔道中张拉钢筋与孔道壁的摩擦力减少减少l2l2的措施有:的措施有:(1)对于较长的构件可在两端进行张拉,则计算中孔道长度可按构件的一半长度计算。比较图9-11(a)及图9-11(b),两端张拉可减少摩擦损失是显而易见的。但这个措施将引起l1的增加,应用时需加以注意。(2)采用超张拉图9-11 一端张拉、两端张拉及超张拉对减少摩擦损失的影响3 混凝土加热养护时预应力筋与承受拉力的设备
13、之间温差引起的预应力损失值l3减少减少l3l3的措施有:的措施有:(1)采用两次升温养护。先在常温下养护,待混凝土达到一定强度等级,例如达C7.5C10时,再逐渐升温至规定的养护温度,这时可认为预应力筋与混凝土已结成整体,能够一起胀缩而不引起应力损失。(2)在钢模上张拉预应力筋。由于预应力筋是锚固在钢模上的,升温时两者温度相同,可以不考虑此项损失。4 预应力筋应力松弛引起的预应力损失值l4 预应力筋在高应力长期作用下其塑性变形具有随时间而增长的性质,在预应力筋长度保持不变的条件下预应力筋的应力会随时间的增长而逐渐降低,这种现象称为预应力筋的应力应力松弛松弛。另一方面,在预应力筋应力保持不变的条
14、件下,其应变会随时间的增长而逐渐增大,这种现象称为预应预应力筋的徐变力筋的徐变。预应力筋的松弛和徐变均将引起预应力筋中的应力损失,这种损失统称为预应力筋应力松弛损失l4。(1)对预应力钢丝、钢绞线规定:1)普通松弛 一次张拉:超张拉:2)低松弛时,当时,当(2)中强度预应力钢丝:(3)预应力螺纹钢筋:试验表明,预应力筋应力松弛与下列因素有关:(1)应力松弛与时间有关,开始阶段发展较快,第一小时松弛损失可达全部松弛损失的50%左右,24h后可达80%左右,以后发展缓慢。(2)应力松弛损失与钢材的初始应力和极限强度有关,当初应力小于0.7fptk时,松弛与初应力呈线性关系,初应力高于0.7fptk
15、时,松弛显著增大。(3)张拉控制应力值高,应力松弛大;反之,则小。减少减少l4的措施有:的措施有:进行超张拉,先控制张拉应力达1.05con1.1con,持荷25min,然后卸荷再施加张拉应力至con,这样可以减少松弛引起的预应力损失。因为在高应力短时间所产生的松弛损失可达到在低应力下需经过较长时间才能完成的松弛数值,所以,经过超张拉部分松弛损失业已完成。5 混凝土收缩、徐变引起受拉区和受压区纵向预应力筋的损失值l5、l51)l5与相对初应力pc/fcu为线性关系,公式所给出的是线性徐变条件下的应力损失,因此要求符合pc0.5fcu的条件。否则,将导致预应力损失值显著增大。由此可见,过大的预加
16、应力以及放张时过低的混凝土抗压强度均是不妥的。2)后张法构件l5的取值比先张法构件低,因为后张法构件在施加预应力时,混凝土的收缩已完成了一部分。当结构处于年平均相对湿度低于40%的环境下,l5和l5应增加30%。先张法构件后张法构件减少减少l5l5的措施有:的措施有:采用高强度等级水泥,减少水泥用量,降低水灰比,采用干硬性混凝土;采用级配较好的骨料,加强振捣,提高混凝土的密实性;加强养护,以减少混凝土的收缩。(2)对重要的结构构件 当需要考虑与时间相关的混凝土收缩、徐变及预应力筋应力松弛预应力损失值时,可按混凝土结构设计规范附录K进行计算。6 用螺旋式预应力筋作配筋的环形构件,由于混凝土的局部
17、挤压引起的预应力损失l6 采用螺旋式预应力筋作配筋的环形构件,由于预应力筋对混凝土的局部挤压,使环形构件的直径有所减小,预应力筋中的拉应力就会降低,从而引起预应力钢筋的应力损失l6。l6的大小与环形构件的直径d成反比,直径越小,损失越大,故混凝土结构设计规范规定:上述的六项预应力损失,它们有的只发生在先张法构件中,有的只发生在后张法构件中,有的两种构件均有,而且是分批产生的。为了便于分析和计算,混凝土结构设计规范规定,预应力构件在各阶段的预应力损失值宜按表9-4的规定进行组合。考虑到各项预应力损失值的离散性,实际损失值有可能比按混凝土结构设计规范的计算值高,所以当计算求得的预应力总损失值l小于
18、下列数值时,应按下列数值取用。先张法构件:100N/mm2 后张法构件:80N/mm2 当后张法构件的预应力筋采用分批张拉时,应考虑后批张拉预应力筋所产生的混凝土弹性压缩(或伸长)对于先批张拉预应力筋的影响,可将先批张拉预应力筋的张拉控制应力值con增加(或减小)Epci。此处,pci为后批张拉预应力筋在先批张拉预应力筋重心处产生的混凝土法向应力。9.1.8 预应力损失值的组合9.1.9 先张法构件预应力筋的传递长度图9-13 预应力的传递(a)放松预应力筋时预应力钢筋的回缩;(b)预应力筋表面的粘结应力及截面A-A的应力分布;(c)粘结应力、预应力筋拉应力及混凝土预压应力沿构件长度之分布9.
19、1.10 后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算图9-14 构件端部混凝土局部受压时的内力分布1 构件局部受压区截面尺寸 试验表明,当局压区配筋过多时,局压板底面下的混凝土会产生过大的下沉变形,为限制下沉变形不致过大,对配置间接钢筋的混凝土结构构件,其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求:图9-15 局部受压的计算底面积Ab 局部受压的计算底面积,可根据局部受压面积与计算底面积按同心、对称同心、对称的原则确定,对常用情况可按图9-15取用图9-16 有垫板时预应力传至混凝土的受压面积 混凝土的局部受压面积;当有垫板时可考虑预压力沿垫板的刚性扩散角4545扩散扩散后传至混凝土的受压面积,见图9-
20、16。在锚固区段配置间接钢筋(焊接钢筋网或螺旋式钢筋)可以有效地提高锚固区段的局部受压强度,防止局部受压破坏。当配置方格网式或螺旋式间接钢筋,且其核心面积AcorAl时,见图9-17,局部受压承载力应按下列公式计算 当Acor大于Ab时,取Acor=Ab;当Acor不大于混凝土局部受压面积Al的1.25倍时,cor=1.0间接钢筋对混凝土约束的折减系数,当混凝土强度等级不超过C50时,取1.0;当混凝土强度等级为C80时,取0.85;当混凝土强度等级为C50与C80之间时,按线性内插法确定;Acor配置方格网或螺旋式间接钢筋内表面范围内的混凝土核心截面面积(不扣除孔道面积),应大于混凝土局部受
21、压面积AR,其重心应与Al的重心重合,计算中按同心对称的原则取值2 局部受压承载力计算图9-17 局部受压区的间接钢筋(a)方格网式配筋;(b)螺旋式配筋v间接钢筋的体积配筋率(核心面积Acor范围内的单位混凝土体积所含间接钢筋的体积),且要求v0.5%。当为螺旋式配筋时(图9-17b)9.2 9.2 预应力混凝土轴心受拉构件的计算预应力混凝土轴心受拉构件的计算9.2.1 轴心受拉构件各阶段的应力分析 预应力混凝土轴心受拉构件从张拉预应力筋开始直到构件破坏,截面中混凝土和预应力筋应力的变化可以分为两个阶段:施工阶段和使用阶段。1先张法构件(1)施工阶段1)张拉预应力筋。在台座上张拉截面面积为A
22、p的预应力筋至张拉控制应力con,这时预应力筋的总拉力为conAp。普通钢筋不承担任何应力。2)在混凝土受到预压应力之前,完成第一批损失。张拉预应力筋完毕,将预应力筋锚固在台座上,浇灌混凝土,蒸汽养护构件。因锚具变形、温差和部分预应力筋松弛而产生第一批预应力损失值l。预应力筋的拉应力由con降低到pe=con-l。此时,由于预应力筋尚未放松,混凝土应力pc=0,普通钢筋应力s=0。3)放松预应力筋。当混凝土达到75%以上的强度设计值后,放松预应力筋,预应力筋回缩,依靠预应力筋与混凝土之间的粘结力使混凝土受压缩,预应力筋亦将随之缩短,拉应力减小。设放松预应力筋时混凝土所获得的预压应力为pc,由于
23、预应力筋与混凝土两者的变形协调,则预应力筋的拉应力相应减小了Epc。即同时,普通钢筋也得到预压应力由力的平衡条件求得4)混凝土受到预压应力,完成第二批损失之后。随着时间的增长,因预应力筋进一步松弛,混凝土发生收缩、徐变而产生第二批预应力损失值l。这时,混凝土和钢筋将进一步缩短,混凝土压应力由pc降低至pc,预应力钢筋的拉应力也由pe降低至pe,普通钢筋的压应力降至s,于是由力的平衡条件求得 此时,普通钢筋所得到的压应力s除有Epc外,考虑到因混凝土收缩、徐变而在普通钢筋中产生的压应力l5,所以(2)使用阶段1)加载至混凝土应力为零。由轴向拉力N0产生的混凝土拉应力恰好全部抵消混凝土的有效预压应
24、力pc,使截面处于消压状态,即pc=0。这时,预应力筋的拉应力p0是在pe的基础上增加Epc,即普通钢筋的压应力s由原来压应力s的基础上,增加了一个拉应力Epc,轴向拉力N0可由力的平衡条件求得因此2)加载至裂缝即将出现时。当轴向拉力超过N0后,混凝土开始受拉,随着荷载的增加,其拉应力亦不断增长,当荷载加至Ncr,即混凝土拉应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值ftk时,混凝土即将出现裂缝,这时预应力筋的拉应力pcr是在p0的基础上再增加Eftk,即普通钢筋的应力s由压应力l5转为拉应力,其值为轴向拉力Ncr可由力的平衡条件求得 由于预压应力pc的作用(pc比ftk大得多),使预应力混凝土轴心受拉构
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