10 第十章 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能

1、第十章 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的性能與計算,同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院建筑工程系顧祥林,混凝土結(jié)構(gòu)基本原理,一、基本概念 1. 預(yù)應(yīng)力混凝土的特點,,*提高剛度和抗裂度,*減輕結(jié)構(gòu)自重,*提高梁的抗扭和抗剪承載力，但不提高抗彎承載力,*提高梁的抗疲勞承載力保護(hù)鋼筋免受大氣腐蝕,一、基本概念 2. 先張法和后張法,一、基本概念 3. 有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,先張法生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件以及后張法張拉鋼筋后在孔道中灌漿所生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混

2、凝土構(gòu)件,受力性能好，裂縫分布均勻，裂縫寬度較小,一、基本概念 3. 有粘結(jié)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,后張法張拉鋼筋后不在孔道中灌漿所生產(chǎn)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,造價低，便于以后再次張拉或更換預(yù)應(yīng)力鋼筋,一、基本概念 4. 全預(yù)應(yīng)力和部分預(yù)應(yīng)力,全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,二、施加預(yù)應(yīng)力的方法 1. 張拉預(yù)應(yīng)力筋的方法,*直接張拉法：用千斤頂?shù)葯C(jī)械工具直接張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋,*電熱法：低電壓強電流通過鋼筋使其發(fā)熱伸長，達(dá)設(shè)

3、計要求時斷電,*連續(xù)配筋法：用旋轉(zhuǎn)工作臺將預(yù)應(yīng)力筋纏繞于混凝土塊體上或水池壁上,*自張法：用自應(yīng)力水泥制成混凝土，結(jié)硬時混凝土膨脹帶動混凝土中的鋼筋一起伸長，在混凝土中產(chǎn)生壓力,*直接加壓法：用千斤頂直接在構(gòu)件兩端加力使其獲得預(yù)壓力,二、施加預(yù)應(yīng)力的方法 2. 錨具和夾具,*夾具：主要依靠摩擦力來夾住鋼筋，它不留在構(gòu)件上，剪斷預(yù)應(yīng)力筋后夾具的作用即消失,*錨具：永久地留在構(gòu)件上，如錨具失效構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力將全部消失。,,,二、施加預(yù)應(yīng)

4、力的方法 2. 錨具和夾具,摩擦型錨具,二、施加預(yù)應(yīng)力的方法 2. 錨具和夾具,墩頭錨具,二、施加預(yù)應(yīng)力的方法 2. 錨具和夾具,粘結(jié)型錨具：利用構(gòu)件端部預(yù)留錐形自錨孔的后澆混凝土錨固預(yù)應(yīng)力鋼筋,二、施加預(yù)應(yīng)力的方法 2. 錨具和夾具,承壓型錨具：利用螺帽、墊板等的承壓作用將預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在端部,三、預(yù)應(yīng)力混凝土所用的材料 1. 鋼筋,,強度高；與混凝土間有足夠的粘結(jié)力；良好的加工性能和一定的塑性,要求,,,處于侵蝕

5、介質(zhì)中的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，不宜采用熱處理鋼筋、碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線等作為預(yù)應(yīng)力鋼筋,鋼筋,冷拉鋼筋、熱處理鋼筋、碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線、冷拔低碳鋼絲,注意,,對直接承受動荷載的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，不得采用有焊接接頭的冷拉鋼筋,三、預(yù)應(yīng)力混凝土所用的材料 2. 混凝土,,C30,一般預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,采用熱處理鋼筋、碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件,,C40,四、張拉控制應(yīng)力?con的確定 1. ?con對結(jié)構(gòu)的

6、影響,,使構(gòu)件出現(xiàn)脆性破壞,?con越大，混凝土中的預(yù)壓應(yīng)力越大，但過大會產(chǎn)生如下問題,,預(yù)應(yīng)力筋過早進(jìn)入流幅，降低其塑性,增加鋼筋的松弛損失,四、張拉控制應(yīng)力?con的確定 2. ?con的取值,,預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服強度的0.5~0.9,冷拉鋼筋,預(yù)應(yīng)力鋼筋極限抗拉強度的0.4~0.75,預(yù)應(yīng)力鋼筋極限抗拉強度的0.4~0.70,碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線,,冷拔低碳鋼絲、熱處理鋼筋,,五、預(yù)應(yīng)力損失值 1. 預(yù)應(yīng)力損失的種類,前期損

7、失或第一批損失,如錨具變形、管道摩擦、臺座與鋼筋的溫差、鋼筋松弛損失等,后期損失或第二批損失,如混凝土收縮徐變、局部擠壓損失等,五、預(yù)應(yīng)力損失值 1. 預(yù)應(yīng)力損失的種類,前期損失或第一批損失,后期損失或第二批損失,預(yù)應(yīng)力損失值不宜籠統(tǒng)地估算，應(yīng)予分項計算，然后相加確定總的損失值,,但各項預(yù)應(yīng)力損失值又不是截然無關(guān)的。試圖求得各項預(yù)應(yīng)力損失的“凈值”是很困難的。,,五、預(yù)應(yīng)力損失值 2. 管道摩擦損失?l2,后張法中，張拉鋼筋時，鋼筋

8、在孔道中滑動，就會產(chǎn)生摩擦力,*孔道偏差等因素引起的,*曲線型孔道而引起的,五、預(yù)應(yīng)力損失值 2. 管道摩擦損失?l2,,負(fù)號表示dP1和Px方向相反,五、預(yù)應(yīng)力損失值 2. 管道摩擦損失?l2,,,五、預(yù)應(yīng)力損失值 2. 管道摩擦損失?l2,,,,五、預(yù)應(yīng)力損失值 2. 管道摩擦損失?l2,,,,考慮孔道每米長度局部偏差的摩擦系數(shù)，教材表10-3,,預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁間的摩擦系數(shù)，教材表10-3,五、預(yù)應(yīng)力損失值 2. 管道

9、摩擦損失?l2,采用兩端張拉可以減少?l2,五、預(yù)應(yīng)力損失值 2. 管道摩擦損失?l2,采用超張拉可以減少?l2,0,,1.1?con停2分鐘,,0.85?con停2分鐘,,?con,五、預(yù)應(yīng)力損失值 3. 錨具變形和鋼筋回縮損失?l1,由于錨具、墊塊本身的變形，其間裂縫的壓緊及鋼筋在錨具中的滑移引起的損失,,,張拉端至錨固端之間的距離,,預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量,,張拉端錨具的變形和鋼筋的內(nèi)縮值，見教材表10-2,五、預(yù)應(yīng)力損失值

10、3. 錨具變形和鋼筋回縮損失?l1,應(yīng)注意的幾個問題,*由塊體拼裝的結(jié)構(gòu)，尚應(yīng)考慮填逢間的預(yù)壓變形。當(dāng)采用混凝土或砂漿為填逢材料時，每條縫的預(yù)壓變形值為1mm,*先張法構(gòu)件，當(dāng)臺座長度超過100m時，可忽略?l1,*后張法構(gòu)件，?l1只考慮張拉端，因錨固端錨具在張拉過程中已被壓緊,五、預(yù)應(yīng)力損失值 3. 錨具變形和鋼筋回縮損失?l1,應(yīng)注意的幾個問題,*此式不適用于曲線配筋的后張法構(gòu)件（具體算法可參考相關(guān)文獻(xiàn)）,,,五、預(yù)應(yīng)力損失值

11、 4. 溫差應(yīng)力損失?l3,混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)時,預(yù)應(yīng)力鋼筋與臺座之間溫差引起的損失,,鋼筋的線膨脹系數(shù),*采用二次升溫法可減少?l3:先在常溫下養(yǎng)護(hù),當(dāng)混凝土的強度達(dá)到7.5~10N/mm2時再逐漸升溫,五、預(yù)應(yīng)力損失值 5. 應(yīng)力松弛損失?l4,鋼筋在高應(yīng)力作用下，長度不變而應(yīng)力隨時間逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛,鋼筋張拉后1小時內(nèi)約完成總松弛的50%，24小時內(nèi)完成總松弛的80%，以后逐漸收斂,,,采用超張拉時為0.9，不采用時為1.

12、0,常數(shù)參見規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容,五、預(yù)應(yīng)力損失值 5. 應(yīng)力松弛損失?l4,采用超張拉可以減少?l4,0,,(1.05~1.1)?con停2~5分鐘,,0,,?con,,在高應(yīng)力下，本需1小時才能完成的損失，在2~5分鐘內(nèi)就完成了大部分,五、預(yù)應(yīng)力損失值 6. 混凝土收縮徐變損失?l5,收縮和徐變兩者相互有關(guān)，很難精確計算，為了簡化兩項損失可合并考慮,,受拉區(qū)或受壓區(qū)各自預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率,,,受拉區(qū)或受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋在各

13、自合力作用點處混凝土的法向壓應(yīng)力,高濕環(huán)境中可降低50%干燥環(huán)境中應(yīng)增加20~30%,系數(shù)A、B、C、D參見教材中的相關(guān)規(guī)定,五、預(yù)應(yīng)力損失值 6. 鋼筋擠壓混凝土損失?l6,采用螺旋式預(yù)應(yīng)力筋作為配筋的環(huán)形構(gòu)件，由于預(yù)應(yīng)力筋對混凝土的局部擠壓使構(gòu)件直徑減小所引起的損失,五、預(yù)應(yīng)力損失值 7. 預(yù)應(yīng)力損失的組合,預(yù)應(yīng)力總損失的下限值,,先張法構(gòu)件： ?l?100N/mm2,后張法構(gòu)件： ?l?80N/mm2,六、預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)受力

14、性能 1. 先張法預(yù)應(yīng)力筋預(yù)應(yīng)力傳遞長度,,,當(dāng)采用驟然放松預(yù)應(yīng)力鋼筋的施工工藝時，起點應(yīng)從距構(gòu)件末端0.25ltr處開始計算,六、預(yù)應(yīng)力筋錨固區(qū)受力性能 2. 后張法錨固區(qū)的局部承壓,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 1. 受力特征,開裂前，荷載-位移關(guān)系為線性的，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力增長較少,開裂后，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力急增，進(jìn)入非線性階段,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 1. 先張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,施工階段----張拉鋼筋,七、軸心受拉構(gòu)件的

15、分析 1. 先張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,施工階段----完成第一批預(yù)應(yīng)力損失,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 1. 先張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,施工階段----放松鋼筋,,,,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 1. 先張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,施工階段----完成第二批損失,,,,,混凝土中的有效預(yù)壓應(yīng)力,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 1. 先張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,加載階段----加載至混凝土中的應(yīng)力為0,,,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 1. 先張法

16、構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,加載階段----加載至混凝土開裂,,,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 1. 先張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,加載階段----加載到破壞,,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 2. 后張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,施工階段----穿鋼筋,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 2. 后張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,施工階段----張拉鋼筋完成第一批預(yù)應(yīng)力損失,,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 2. 后張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,施工階段----完成第二批損失,,混凝

17、土中的有效預(yù)壓應(yīng)力,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 2. 后張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,加載階段----加載至混凝土中的應(yīng)力為0,,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 2. 后張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,加載階段----加載至混凝土開裂,,七、軸心受拉構(gòu)件的分析 2. 后張法構(gòu)件各階段的應(yīng)力分析,加載階段----加載到破壞,,八、軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計 1. 基本內(nèi)容,使用階段的承載力驗算,施工階段的承載力驗算,抗裂和裂縫寬度驗算,構(gòu)造要求,八、軸心受拉構(gòu)

18、件的設(shè)計 2. 使用階段的承載力驗算,,非預(yù)應(yīng)力鋼筋的強度,,非預(yù)應(yīng)力鋼筋的截面積,八、軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計 3. 施工階段的承載力驗算,,放松鋼筋或張拉并錨固鋼筋時混凝土承受的預(yù)壓應(yīng)力,,放松鋼筋或張拉并錨固鋼筋時混凝土的軸心抗壓強度,放松鋼筋或張拉并錨固鋼筋時,,八、軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計 3. 施工階段的承載力驗算,后張法構(gòu)件端部的局部受壓承載力,,八、軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計 3. 施工階段的承載力驗算,后張法構(gòu)件端部的局部受壓承載

19、力,,八、軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計 4.抗裂度和裂縫寬度驗算,見第十一章中的相關(guān)內(nèi)容,,八、軸心受拉構(gòu)件的設(shè)計 5.構(gòu)造要求,鋼筋間距、保護(hù)層厚度,預(yù)留孔道的直徑、間距,孔道的灌漿,后張法構(gòu)件端部的構(gòu)造,非預(yù)應(yīng)力鋼筋的設(shè)置,可參見有關(guān)教材和資料,,九、受彎構(gòu)件的分析 1.受力特征,,,不考慮損失的反拱值,不考慮自重有效預(yù)應(yīng)力引起的反拱值,考慮自重的反拱值,下邊緣的應(yīng)力為0,開裂,進(jìn)入塑性,承載力極限,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)

20、力分析----先張法,放松鋼筋出現(xiàn)第一批損失時,,鋼筋的合力,合力的位置,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,放松鋼筋出現(xiàn)第一批損失時,任一點處混凝土的應(yīng)力,,折算截面積,,折算慣性矩,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,放松鋼筋出現(xiàn)第一批損失時,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,,壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點處混凝土的法向應(yīng)力,,拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點處混凝土的法向應(yīng)力,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析--

21、--先張法,出現(xiàn)第二批損失時,鋼筋的合力,合力的位置,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,出現(xiàn)第二批損失時,任一點處混凝土的應(yīng)力,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,開裂前,+,=,,荷載引起混凝土截面的應(yīng)力,荷載引起鋼筋的應(yīng)力,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,開裂前,全截面受壓,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,開裂前---

22、-受拉邊緣混凝土的預(yù)壓應(yīng)力為0,,換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,開裂前----受拉邊緣混凝土的預(yù)壓應(yīng)力為0,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,開裂時,,受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù),九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,開裂時,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----先張法,破壞時,當(dāng)x?xb時

23、，Ap能屈服，但Ap’不一定屈服。計算分析方法同普通混凝土梁。,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,張拉鋼筋時,鋼筋的合力,合力的位置,注意：分批張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時，要考慮混凝土回縮引起的損失！,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,張拉鋼筋時,任一點處混凝土的應(yīng)力,,凈截面積,,凈截面慣性矩,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,完成第一批損失時,鋼筋的合力,合力的位置,九、

24、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,完成第一批損失時,任一點處混凝土的應(yīng)力,,凈截面積,,凈截面慣性矩,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,完成第二批損失時,鋼筋的合力,合力的位置,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,完成第二批損失時,任一點處混凝土的應(yīng)力,,凈截面積,,凈截面慣性矩,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,開裂前----受拉邊緣混凝土的預(yù)壓

25、應(yīng)力為0,,換算截面受拉邊緣的彈性抵抗矩,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,開裂前----受拉邊緣混凝土的預(yù)壓應(yīng)力為0,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,開裂時,,受拉區(qū)混凝土塑性影響系數(shù),九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,開裂時,預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,九、受彎構(gòu)件的分析 2.各階段的應(yīng)力分析----后張法,破壞時,當(dāng)x?xb時，Ap能屈服，但Ap’

26、不一定屈服。計算分析方法同普通混凝土梁。,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,放松鋼絲時預(yù)拉區(qū)不允許開裂----先張法,,,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,張拉并錨固鋼筋時預(yù)拉區(qū)不允許開裂----后張法,,,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,放松鋼絲時預(yù)拉區(qū)允許開裂無Ap’----先張法,,,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,張拉并錨固鋼筋時預(yù)拉區(qū)允許開裂無Ap’----后張法,,,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計

27、1.施工階段的驗算,后張法錨具處的局部受壓計算,同軸心受拉構(gòu)件！,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,吊裝或運輸時預(yù)拉區(qū)不允許開裂----先張法,,,,動力系數(shù),,自重引起計算截面的彎矩,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,吊裝或運輸時預(yù)拉區(qū)不允許開裂----后張法,,,,動力系數(shù),,自重引起計算截面的彎矩,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,吊裝或運輸時預(yù)拉區(qū)允許開裂----先張法,,,,動力系數(shù),,自重引起計算截面

28、的彎矩,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 1.施工階段的驗算,吊裝或運輸時預(yù)拉區(qū)允許開裂----后張法,,,,動力系數(shù),,自重引起計算截面的彎矩,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 2.使用階段正截面承載力的計算,基本計算公式,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 2.使用階段正截面承載力的計算,界限受壓區(qū)相對高度----有屈服點的鋼筋,,受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點處混凝土法向應(yīng)力為0時預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,先張法,后張法,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 2.使用階段正截面承載力的計算,界限受壓

29、區(qū)相對高度----無屈服點的鋼筋,,受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點處混凝土法向應(yīng)力為0時預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,先張法,后張法,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 2.使用階段正截面承載力的計算,?p’的取值,先張法,后張法,,受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點處混凝土法向應(yīng)力為0時預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 3.使用階段斜截面承載力的計算,,計算截面上混凝土法向應(yīng)力為0時預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力的合力,,,十、受彎構(gòu)件的設(shè)計 3.使用階段斜截面承載力的計算,,先張