预应力混凝土构件性能与设计.pptx
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1、10.1.110.1.1一般概念n 预应力预应力的概念的概念第1页/共118页10.1.1一般概念n 预应力预应力的概念的概念n 预应力预应力混凝土的定义混凝土的定义p美国混凝土协会(ACI)对预应力混凝土下的定义是:“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力,用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。第2页/共118页10.1.1一般概念n 预应力预应力混凝土的发展混凝土的发展p1888年,美国工程师杰克逊(PHJackson)首次将预应力技术应用于混凝土结构;p1908年,美国的斯坦纳(CRSteiner)提出收缩徐变发生后,再张拉预应力筋;美国的狄尔(REDill)采
2、用带有涂层的预应力筋来避免混凝土与预应力筋间的粘结,但没有解决根本预应力损失问题;p1928年,法国工程师弗莱西奈(EFreyssinet)成功研制出预应力混凝土,指出预应力混凝土必须使用高强钢筋和高强混凝土,预应力混凝土进入实用阶段;p1979年,东南大学吕志涛教授参与设计的上海色织四厂,主体工程设计采用大跨度双跨部分预应力混凝土框架结构是我国最早使用的预应力技术。第3页/共118页wmax=0.3mmMk (kN.m)As (mm2)fy (N/mm2)M (kN.m)gk/qk (kN/m)bh (mm2)L0 (m)设计参数10.1.1一般概念n 普通钢筋混凝土的不足普通钢筋混凝土的不
3、足C30L00.2550.70584.39(3B16)HRB335/30067.605.0/10.02004505.2基本条件0.33405.602109.25(7B20)HRB335/300513.7620.0/10.040090010.4跨度增加1倍0.544867.2011529.23(9B40)HRB335/3005948.8080.0/10.0800190020.8跨度增加2倍0.7550.70584.39热处理钢筋/104067.605.0/10.02004505.2采用高强钢筋p不同设计参数条件下,简支梁的裂缝宽度比较第4页/共118页10.1.1一般概念n 预应力混凝土的基本原
4、理预应力混凝土的基本原理p受弯构件+=n第一种概念:预加应力能使混凝土在使用状态下成为弹性材料;n第二种概念:预加应力能使高强钢筋和高强混凝土结合并发挥各自的潜力;n第三种概念:预加应力实现荷载平衡。第5页/共118页10.1.2 预应力混凝土的分类n 先张法与后张法先张法与后张法n 全预应力和部分预应力全预应力和部分预应力n 有粘结预应力与无粘结预应力有粘结预应力与无粘结预应力n 线预加应力或环预加应力线预加应力或环预加应力n 体内预应力与体外预应力体内预应力与体外预应力n 电热法电热法n 现浇、预制、组合式预应力混凝土结构现浇、预制、组合式预应力混凝土结构第6页/共118页10.1.2 预
5、应力混凝土的分类n 无粘结预应力无粘结预应力无粘结预应力平板的曲线式铺筋第7页/共118页1010.1 1.2 2 预应力混凝土的分类预应力混凝土的分类n 无粘结预应力无粘结预应力无粘结预应力平板的钢筋锚固第8页/共118页1010.1 1.2 2 预应力混凝土的分类预应力混凝土的分类n 体外预应力体外预应力无粘结预应力钢筋第9页/共118页1010.1 1.2 2 预应力混凝土的分类预应力混凝土的分类n 电热法电热法大同煤矿贮煤仓第10页/共118页10.1.3 施加预应力的方法n 先张法先张法第11页/共118页10.1.3 施加预应力的方法n 先张法施工过程演示先张法施工过程演示n 后张
6、法施工过程演示后张法施工过程演示先张法的基本工序后张法的基本工序 第12页/共118页10.1.4 锚具n锚具的定义锚具的定义p锚具是锚具是后张法后张法中为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝中为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上的永久性锚固装置。土上的永久性锚固装置。n锚具的性能要求锚具的性能要求p定义锚具效率系数定义锚具效率系数ha等于或大于等于或大于0.95p预应力筋总应变预应力筋总应变eapu等于或大于等于或大于2.0%n夹具夹具p是是先张法先张法中为保持预应力筋的拉力并将其固定在台座上的中为保持预应力筋的拉力并将其固定在台座上的临时性锚固装置;或后张法中夹持预应力筋的临时性锚固临时
7、性锚固装置;或后张法中夹持预应力筋的临时性锚固装置。装置。n夹具的性能要求夹具的性能要求p自锚性、自锁性、松锚性、重复使用性、防锈性。自锚性、自锁性、松锚性、重复使用性、防锈性。第13页/共118页10.1.4 锚具n 锚具的分类锚具的分类n 夹具的分类夹具的分类第14页/共118页10.1.4 锚具n 锚具和夹具图例锚具和夹具图例DM型镦头锚具螺母锚具pJM12锚具演示pOVM锚具演示第15页/共118页10.1.4 锚具n 锚具和夹具图例锚具和夹具图例QM型锚具 灌浆孔 锚垫板 锚板 预留孔道用的螺旋管螺旋筋第16页/共118页10.1.5 预应力混凝土的材料n 钢筋钢筋预应力钢筋强度设计
8、值(N/mm2)预应力钢绞线刻痕钢丝光面螺旋肋种种 类类符符 号号fptkfpyf py钢绞线钢绞线13S18601320390172012201570111017186013203901220消除应消除应力钢丝力钢丝光面光面螺旋肋螺旋肋PH177012504101670118015701110刻痕刻痕I15701110410热处理热处理钢筋钢筋40Si2MnHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr第17页/共118页10.1.5 预应力混凝土的材料n 混凝土混凝土p预应力混凝土结构中,混凝土强度等级越高,能够承受的预应力混凝土结构中,混凝土强度等级越高,能够承受的预压应力也越高
9、;预压应力也越高;p采用高强度等级的混凝土与高强钢筋相配合,可以获得较采用高强度等级的混凝土与高强钢筋相配合,可以获得较经济的构件截面尺寸;经济的构件截面尺寸;p高强度等级的混凝土与钢筋的粘结力也高,这一点对依靠高强度等级的混凝土与钢筋的粘结力也高,这一点对依靠粘结传递预应力的先张法构件尤为重要。粘结传递预应力的先张法构件尤为重要。p混凝土结构设计规范混凝土结构设计规范规定规定n预应力混凝土结构的混凝土强度等级预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于不应低于C30;n当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时,混当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时,混凝土强度等级凝土强度等级不宜低于
10、不宜低于C40。第18页/共118页10.1.6 预应力混凝土的特点n 预应力混凝土的特点预应力混凝土的特点n优点优点p提高了构件的抗裂能力提高了构件的抗裂能力p增大了构件的刚度增大了构件的刚度p充分利用高强度材料充分利用高强度材料p扩大了构件的应用范围扩大了构件的应用范围n局限性局限性p施工工序多施工工序多p施工技术要求高施工技术要求高p造价高造价高第19页/共118页p 张拉控制应力p 预应力损失p 预应力损失的分类第20页/共118页10.2.1 张拉控制应力sconn 张拉控制应力的定义张拉控制应力的定义p张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时,张拉设备的张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时,张
11、拉设备的测力仪表测力仪表所指示的总所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值,以张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值,以s scon表示。表示。p对对于于如如钢钢制制锥锥形形锚锚具具等等一一些些因因锚锚具具构构造造影影响响而而存存在在锚锚圈圈口口摩摩阻阻力力的的锚锚具具,s scon是是指指经经过过锚锚具具、扣扣除除此此摩摩阻阻力力后后的的(锚锚下下)应应力力值值。因因此此,s scon是是指指张张拉拉预预应应力力筋筋时时的锚下张拉控制应力。的锚下张拉控制应力。第21页/共118页10.2.1 张拉控制应力sconn s scon过大时可能出现的问题过大时可能出现的问题p 个别
12、钢筋可能被拉断个别钢筋可能被拉断p 施工阶段可能会引起构件开裂施工阶段可能会引起构件开裂p 后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏p 使开裂荷载与破坏荷载相近,可能产生脆性破坏使开裂荷载与破坏荷载相近,可能产生脆性破坏p 增大预应力钢筋的松弛损失增大预应力钢筋的松弛损失n 张拉控制应力张拉控制应力上限值上限值钢筋种类钢筋种类张拉方法张拉方法先张法先张法后张法后张法消除应力钢丝、钢绞线消除应力钢丝、钢绞线0.75fptk0.75fptk热处理钢筋热处理钢筋0.70fptk0.65fptkn 张拉控制应力张拉控制应力下限值下限值:0.4 fptk第22页/共118
13、页1010.2 2.2 2 预应力损失预应力损失n 预应力损失的种类预应力损失的种类p张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失s sl1p预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失s sl2p混凝土加热养护时,受张拉钢筋与承受拉力的设备之间温混凝土加热养护时,受张拉钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失差引起的预应力损失s sl3p预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失s sl4p混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失s sl5p用螺旋式预
14、应力钢筋作配筋的环形构件,由于混凝土的局用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件,由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失部挤压引起的预应力损失s sl6第23页/共118页10.2.2 预应力损失p预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失s sl2n预应力筋受力示意图预应力筋受力示意图n受力特点受力特点NF预应力筋运动方向sconApsconsl2sconApp长度效应:接触摩擦力,与钢筋的拉力和长度成正比;p曲率效应:挤压摩擦力,与表面压力成正比;p距离张拉端越远,摩擦阻力的累积值越大第24页/共118页p s sl2的公式建立的公式建立n 法向平衡条
15、件法向平衡条件10.2.2 预应力损失dqdxApsxAp(sx+dsx)dPdFdqsconsl2sconApxn切向平衡条件切向平衡条件n摩擦力由曲率效应和长度效应两部分组成摩擦力由曲率效应和长度效应两部分组成第25页/共118页p s sl2的公式建立的公式建立n 对上式积分对上式积分10.2.2 预应力损失n当时当时孔道成型方式孔道成型方式k/m-1m预埋金属波纹管预埋金属波纹管0.00150.25预埋钢管预埋钢管0.00100.30橡胶管或橡胶管或钢管抽芯成型钢管抽芯成型0.00140.55p 摩擦系数摩擦系数的的取值取值p 减少减少s sl2的方法的方法n一端张拉另一端补拉一端张拉
16、另一端补拉n两端同时张拉两端同时张拉n超张拉超张拉n超张拉的程序超张拉的程序第26页/共118页10.2.2 预应力损失p张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失s sl1(先张法先张法)n计算公式计算公式(直线预应力筋直线预应力筋)锚具类别锚具类别a(mm)支承式锚具支承式锚具(钢丝束镦头锚具等钢丝束镦头锚具等)螺帽缝隙螺帽缝隙1每块后加垫板的缝隙每块后加垫板的缝隙1锥塞式锚具锥塞式锚具(钢丝束的钢质锥形锚具等钢丝束的钢质锥形锚具等)5夹片式锚具夹片式锚具有顶压时有顶压时5无顶压时无顶压时68n张拉端锚具变形和钢筋内缩值张拉端锚具变形和钢筋内缩值 a
17、的取值的取值n减少损失的方法减少损失的方法p尽量少用垫板尽量少用垫板 第27页/共118页10.2.2 预应力损失p张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失s sl1 (后张法后张法)sconApn 正向摩擦正向摩擦p张拉过程中预应力筋与孔道之张拉过程中预应力筋与孔道之间的摩擦叫正向摩擦,产生的间的摩擦叫正向摩擦,产生的损失为正向摩擦损失。损失为正向摩擦损失。p张拉端正向摩擦损失为零,距张拉端正向摩擦损失为零,距张拉端越远,损失越大。张拉端越远,损失越大。n 反向摩擦反向摩擦p钢筋回缩时与张拉时所受到的钢筋回缩时与张拉时所受到的摩擦力反向,称为反向摩擦。
18、摩擦力反向,称为反向摩擦。p张拉端的回缩量最大,越远,张拉端的回缩量最大,越远,回缩量越小。回缩量越小。p在钢筋回缩力与反向摩擦力平在钢筋回缩力与反向摩擦力平衡点处,回缩停止,相应的长衡点处,回缩停止,相应的长度为度为反向摩擦影响长度反向摩擦影响长度 lf。sconApsconsconlf第28页/共118页10.2.2 预应力损失p张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失s sl1 (后张法后张法)sconsconAplfsl1n损失损失s sl1的公式建立的公式建立rcux假设正向与反向摩擦损失的大小相等第29页/共118页10.2.2 预应力损失p
19、张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失s sl1 (后张法后张法)n反向摩擦影响长度反向摩擦影响长度 lf 的取值的取值x与lf的量纲为m,a的量纲为mmn 减少损失的方法减少损失的方法p尽量少用垫板尽量少用垫板 p选用变形小的锚具选用变形小的锚具p采用超张拉工艺采用超张拉工艺第30页/共118页10.2.2 预应力损失p加热养护时,张拉钢筋与设备之间温差引起的预应力损失加热养护时,张拉钢筋与设备之间温差引起的预应力损失s sl3n产生原因产生原因n 减少损失的方法减少损失的方法p两阶段升温养护两阶段升温养护p升温时,混凝土未结硬,台座固定不动,钢筋长
20、度不变,因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低,产生预应力损失。p降温时,混凝土达到一定强度,与预应力筋之间已具有粘结作用,两者共同回缩,已产生预应力损失无法恢复。n计算方法计算方法第31页/共118页10.2.2 预应力损失p预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失s sl4n应力松弛的定义应力松弛的定义n 减少损失的方法减少损失的方法p 超张拉超张拉p 超张拉的张拉程序超张拉的张拉程序p应力松弛是指钢筋受力后,在长度不变的条件下,钢筋应力随时间的增长而降低的现象。n 超张拉的工作原理超张拉的工作原理n超张拉下短时间内发生的损失在低应力下需要较长时间;超张拉下
21、短时间内发生的损失在低应力下需要较长时间;n持荷持荷2 2分钟可使相当一部分松弛损失发生在钢筋锚固之前,则锚固分钟可使相当一部分松弛损失发生在钢筋锚固之前,则锚固后损失减小。后损失减小。第32页/共118页10.2.2 预应力损失p预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失s sl4n松弛损失的计算松弛损失的计算 当scon0.7fptk时当0.7fptkscon0.8fptk时第33页/共118页时间时间(d)松弛损失系数松弛损失系数收缩徐变损失系数收缩徐变损失系数20.50-100.770.33200.880.37300.950.40401.000.43600
22、.50900.601800.750.8536510951.00p预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失s sl4n时间对预应力损失的影响时间对预应力损失的影响10.2.2 预应力损失p考虑时间影响的预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失值,可由上述的预应力损失值计算公式乘以以下表中相应的系数(随时间变化的预应力损失系数)确定。随时间变化的预应力损失系数第34页/共118页10.2.2 预应力损失p混凝土收缩和徐变混凝土收缩和徐变引起的预应力损失引起的预应力损失s sl5n混混凝凝土土的的收收缩缩和和徐徐变变,都都会会导导致致预预应应力力混混凝凝土土构构件件长长度度
23、的的缩短,预应力筋随之回缩,引起预应力损失。缩短,预应力筋随之回缩,引起预应力损失。n由由于于收收缩缩和和徐徐变变是是同同时时随随时时间间产产生生的的,且且二二者者的的影影响响因因素素、变化规律较为相似,变化规律较为相似,规范规范将二者合并考虑。将二者合并考虑。n影响预应力损失的主要因素影响预应力损失的主要因素p 构件配筋率构件配筋率p 张拉预应力钢筋时混凝土的预压应力值张拉预应力钢筋时混凝土的预压应力值p 混凝土的强度等级混凝土的强度等级第35页/共118页10.2.2 预应力损失p混凝土收缩和徐变混凝土收缩和徐变引起的预应力损失引起的预应力损失s sl5n预应力损失的计算方法预应力损失的计
24、算方法先张法后张法n 减少损失的措施p 所有能够减少混凝土的收缩和徐变的措施都可以降低预 应力损失第36页/共118页10.2.2 预应力损失p螺旋式预应力筋环形构件砼局部挤压引起的预应力损失螺旋式预应力筋环形构件砼局部挤压引起的预应力损失s sl6n环形构件的施工环形构件的施工用混凝土或喷射砂浆建造池壁缠丝机沿圆周方向把钢丝缠绕在池壁上并锚固池壁敷设喷射砂浆作保护层缠丝机的施工n损失的计算方法损失的计算方法当构件直径 d3m时,sl6=30N/mm2;当构件直径 d3m时,sl6=0。第37页/共118页10.2.2 预应力损失p预应力预应力损失的分阶段组合损失的分阶段组合n先张法与后张法的
25、预应力损失组合先张法与后张法的预应力损失组合第38页/共118页10.2.2 预应力损失p预应力预应力损失的分阶段组合损失的分阶段组合n 在实际计算中,以“预压”为界,把预应力损失分成两批。n 预压的定义p对先张法,指放松预应力筋,开始给砼施加预应力的时刻;p对后张法,指张拉预应力筋至 scon 并加以锚固的时刻。n 各阶段预应力损失值的组合预应力损失值的组合预应力损失值的组合先张法构件先张法构件后张法构件后张法构件预压前预压前(第一批第一批)的损失的损失 s slIs sl1+s sl2+s sl3+s sl4s sl1+s sl2预压后预压后(第二批第二批)的损失的损失 s slIIs s
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