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1、混凝土结构设计,第十章预应力混凝土结构的基本原理与计算原则,主要内容和学习重点,主要内容：预应力混凝土的基本原理预应力混凝土的分类预应力混凝土的材料预应力钢筋的张锚体系预应力混凝土结构计算的基本原则重点：预应力混凝土的基本概念 各项预应力损失的意义、计算方法、减小措施,普通钢筋混凝土的缺点：,a.在使用荷载下带裂缝工作，影响使用功能，耐久性、刚度和抗疲劳性。,b.难以利用高强度钢筋。与wmax对应的s=200N/mm2。而高强钢丝强度可达1600N/mm2以上。,一、基本概念,设计控制条件：一般RC梁承载力大跨RC梁挠度变形高强钢筋裂缝宽度,一、基本概念,*提高刚度和抗裂度,*减轻结构自重,*
2、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,预应力混凝土的优点,改善结构的使用性能：延缓裂缝的出现，减小裂缝宽度；截面刚度显著提高，挠度减小，可建造大跨度结构。受剪承载力提高：施加纵向预应力可延缓斜裂缝的形成，使受剪承载力得到提高。卸载后的结构变形或裂缝可得到恢复：由于预应力的作用，使用活荷载移去后，裂缝会闭合，结构变形也会得到复位。提高构件的疲劳承载力：预应力可降低钢筋的疲劳应力比，增加钢筋的疲劳强度。使高强钢材和高强混凝土得到应用：有利于减轻结构自重，节约材料，取得经济效益。,工程全长537.7米，分为两部分，一是长233米多的连接段，主要是一
3、座200米的三孔大跨桥梁，其最大跨径达84米；另一段为长304.3米的修复段，除中空墙体外还有几座敌楼。整个修复工程按照修旧如旧的原则，既恢复了古城风貌，又不影响城市交通，还给开发利用留下了空间。,二、分类 1.先张法和后张法,优点：1）张拉工序简单 2）不需放置永久性锚具 3）批量生产 缺点：1）需成批钢模，养护池，一次性投资大 2）适用于直线型面筋，对于曲线布置较困难,优点：1）后张法直接在构件上张拉，可布置钢筋的形状多样 2）适用于现场制作，块体拼接，特殊结构 缺点：1）永久性锚具量大 2）工序复杂，施工周期长,先张法,后张法,预应力建立的条件,钢筋与混凝土之间有可靠的力的传递，是保证混
4、凝土受到预压的条件。,先张法是通过钢筋与混凝土之间的粘结力来传递预压力,后张法是依靠锚具来传递预压力,二、分类 2.全预应力和部分预应力,全预应力混凝土构件,部分预应力混凝土构件,预加压力Np在梁底部产生的压应力,外加荷载产生的弯矩M在梁底部产生的拉应力,预加偏心压力Np和弯矩M叠加，在梁底部产生的拉应力,上式叠加结果可能产生以下三种情况,施加荷后梁底边缘仍没有产生拉应力，故在梁使用阶段不会出现开裂,施加荷载后梁底边缘虽然产生一定的拉应力，但其值小于混凝土的抗拉强度f tk，故一般不会出现开裂,施加荷载后梁底边缘的拉应力超过了混凝土的抗拉强度f tk，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=
5、0）的开裂会明显推迟，裂缝宽度也将显著减小。,二、分类 3.有粘结和无粘结预应力混凝土,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,受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小,二、分类 3.有粘结和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,造价低，便于以后再次张拉或更换预应力钢筋,三、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
6、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,三、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。,锚具,螺丝端杆锚具,锚具,镦头锚具,锥塞式锚具,锚具,夹片式锚具JM12型、QM型和XM型锚具,锚具,夹具,锥形夹具和楔形夹具,钢模张拉用梳子板夹具,三、施加预应力的方法 3.孔道成型与灌浆材料,四、预应力混凝土的材料 1.钢筋,强度越高越好 具有一定的塑性，避免超载时发生脆性拉断
7、破坏 具有良好的加工性能，满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求 具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能（钢丝类预应力筋）,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,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,要求采用高强混凝土 可以施加较大的预压应力，提高预应力效率 有利于减小构件截面尺寸和结构自重 具有较高的弹性模量，减少预压时的弹性回缩 徐变较小，有利于减少预应力损失 与钢筋具有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度 有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸 强度早期发展快，可较
8、早施加预应力，提高台座、模板、夹具的周转率，降低间接费用,四、预应力混凝土的材料 2.混凝土,四、预应力混凝土的材料 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,C40,五、张拉控制应力con的确定 1.con对结构的影响,张拉控制应力（controlling stress）是指张拉预应力钢筋时，张拉设备的测力仪表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。,张拉控制应力concon是施工时张拉预应力钢筋的依据，其取值应适当。若过大，则会产生如下问题：（1）个别钢筋可能被拉断；（2）施工阶段可能会引起构件某些部位受到拉力（称
9、为预拉区）甚至开裂，还可能使后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏；（3）使开裂荷载与破坏荷载相近，一旦裂缝，将很快破坏，即可能产生无预兆的脆性破坏。另外，还会增大预应力钢筋的松弛损失。因而对张拉控制应力应规定上限值。同时，为了保证构件中建立必要的有效预应力，张拉控制应力取值也不能过小，即也应有下限值。,五、张拉控制应力con的确定 2.con的取值,预应力钢筋屈服强度的0.50.9,冷拉低合金钢筋,预应力钢筋极限抗拉强度的0.40.75,预应力钢筋极限抗拉强度的0.40.70,碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线,冷拔低碳钢丝、热处理钢筋,张拉控制应力限值con,五、张拉控制应力con的确定,预应力筋张
10、拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中应力会从con逐步减少，并经过相当长的时间才最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果 预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响。,六、预应力损失值,凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失主要有：锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。温差损失：先张法中的热养护引起的温
11、差损失松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，会引起预应力损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失：是引起损失的主要部分螺旋钢筋挤压混凝土：当环形构件采用缠绕螺旋式预应力钢筋时，混凝土在环向预应力的挤压作用下产生局部压陷，预应力钢筋环的直径减少，造成应力损失,六、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,如锚具变形、管道摩擦、台座与钢筋的温差、钢筋松弛损失等,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,六、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,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,
12、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。,六、预应力损失值 2.管道摩擦损失l2,后张法中，张拉钢筋时，钢筋在孔道中滑动，就会产生摩擦力,*孔道偏差等因素引起的,*曲线型孔道而引起的,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,x张拉端到计算截面的距离，曲线预应力筋近似取x=r，以米计（m）；张拉端与计算截面曲线部分的切线夹角，以弧度(rad)计；刮碰摩擦系数；预应力钢筋与孔壁摩擦系数。,当上式中的，可近似,六、预应力损失值 2.管道摩擦损失l2,采用两端张拉或超张拉可以减少l2,0,1.1con停
13、2分钟,0.85con停2分钟,con,六、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,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,直线形预应力钢筋,六、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,*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,六、预应力损失值 3.锚具变形
14、和钢筋回缩损失l1,(2)后张法曲线预应力钢筋,rc圆弧形曲线预应力钢筋的曲率半径（m）；预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数，按表10.3取用；考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，按表10.3取用；x张拉端至计算截面的距离（m）；a 张拉端锚具变形和钢筋内缩值（mm），按表10.2取用。,减小l1的措施：选择锚具变形和钢筋内缩值较小的锚具；尽量减少垫板的数量；对先张法，可增加台座的长度,六、预应力损失值 4.温差应力损失l3,六、预应力损失值 4.温差应力损失l3,*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7.510N/mm2时再逐渐升温,如果作为承力支座，并与构件一起进行蒸
15、汽养护，无温差损失；对于后张法构件，无温差损失,六、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,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,六、预应力损失值 5.应力松弛损失l4,采用超张拉可以减少l4,0,(1.051.16)con停25分钟,0,con,在高应力下，本需1小时才能完成的损失，在25分钟内就完成了大部分,六、预应力损失值 6.混凝土收缩徐变损失l5,混凝土的收缩和徐变，都会导致预应力混凝土构件长度的缩短，预应力筋随
16、之回缩，引起预应力损失。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,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30%,系数A、B、C、D参见教材中的相关规定,（1）后张法中构件的l5与l5比先张法构件的小，这是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。（2）公式中l5与相对初应力pc/f cu为线性关系，公式给出的是线性徐变下的预应力损失，因此要求pcI（pcI）0.5f cu。否则，将发生非线性徐变，由此所引起的预应力损失将显著增大。,过大的预加
17、应力以及过低的混凝土放张时的抗压强度是不妥的,混凝土收缩和徐变引起的预应力损失l5在预应力总损失中占的比重较大，约为40%50%，在设计中应注意采取措施减少混凝土的收缩和徐变。可采取的措施有：采用高标号水泥，以减少水泥用量；采用高效减水剂，以减小水灰比；采用级配好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；加强养护，以减小混凝土的收缩。,六、预应力损失值 6.钢筋挤压混凝土损失l6,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 对水管、蓄水池等圆形结构物，可采用后张法施加预应力。把钢筋张拉完毕锚固后，由于张紧的预应力钢筋挤压混凝土，钢筋处构件的直径减小,一圈内钢筋的周长减
18、小，预拉应力下降，即产生了预应力损失。规范规定：当构件直径d3m时，N/mm2；当构件直径d3m时，。,1.锚固损失：（先张、后张）小变形夹具，减少垫板，增加台座长度2.摩擦损失：（后张法，先张法钢筋折线时酌情）减少摩擦，两端张拉3.温差损失：（先张）蒸汽养护采用二次升温养护4.松驰损失：（先张、后张）超张拉，减少l4，让l4先部分完成5.混凝土收缩，徐变：（先张、后张）控制pc(完成第一批损失后的混凝土预应力)，pc0.5f cu，f cu不太小。减小收缩徐变的一些措施。6.螺施式预应力筋挤压混凝土损失（后张法）,不同的施加预应力方法，产生的预应力损失也不相同。一般地，先张法构件的预应力损失
19、有；而后张法构件有（当为环形构件时还有）。在实际计算中，以“预压”为界，把预应力损失分成两批。各阶段预应力损失值的组合,9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定,六、预应力损失值 7.预应力损失的组合,考虑到预应力损失计算值与实际值的差异，并为了保证预应力混凝土构件具有足够的抗裂度，应对预应力总损失值做最低限值的规定。规范规定，当计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，应按下列数值取用：先张法构件 100N/mm2；后张法构件 80N/mm2。,9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定,8.预应力钢筋的传递长度和锚固长度,预应力传递长度:,思考题：与普通钢筋混凝土构件相比，预应力混凝土构件有何优点？何谓先张法预应力混凝土？何谓后张法预应力混凝土？何谓有粘结预应力混凝土？何谓无粘结预应力混凝土？何谓张拉控制应力？引起预应力损失的因素有哪些？如何减小各项预应力损失？作业：P203：10-1,
