預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu).ppt

1、第十章 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) Prestressed Concrete Structure,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念,、普通鋼筋混凝土的缺點(diǎn)：,由于混凝土的抗拉強(qiáng)度低，所以： a. 在使用階段總會出現(xiàn)裂縫。 b. 對于大跨度結(jié)構(gòu)，難以滿足撓度和裂縫的要求。如果增大截面尺寸，則回導(dǎo)致自重增加，形成惡性循環(huán)；如果靠增加配筋，或用高強(qiáng)鋼筋，則鋼材的強(qiáng)度得不到充分利用，造成浪費(fèi)。 因此，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不能用于：對變形和裂縫寬度有嚴(yán)格限制；大跨度結(jié)構(gòu)和重載結(jié)構(gòu)。,為解決上述問題：,2、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)先對砼施加壓應(yīng)力。,手握拉緊的皮筋,預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Pres

2、tressedConcreteCylinderPipe）簡稱PCCP，是一種新型的鋼性管材。它是帶有鋼筒的高強(qiáng)度混凝土管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，噴以水泥砂漿保護(hù)層，采用鋼制承插口，同鋼筒焊在一起，承插口有凹槽和膠圈形成了滑動式膠圈的柔性接頭，是鋼板、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿幾種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，具有鋼材和混凝土各自的特性。根據(jù)鋼筒在管芯中位置的不同，可分為兩種：內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCPL）、埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCPE）。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）具有合理的復(fù)合結(jié)構(gòu)、承受內(nèi)外壓較高、接頭密封性好、抗震能力強(qiáng)、施工方便快捷、防腐性能好、維護(hù)方便等特性，被工程界所關(guān)注，廣泛應(yīng)用

3、于長距離輸水干線、壓力倒虹吸、城市供水工程、工業(yè)有壓輸水管線、電廠循環(huán)水工程下水管道、壓力排污干管等。與以往管材相比，PCCP具有適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)壽命長、抗震性能好、安裝方便、運(yùn)行費(fèi)用低，基本不漏水等優(yōu)點(diǎn)。我國引用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的水利工程有：山西萬家寨引黃工程、深圳東部引水工程、哈爾濱磨盤山引水工程等，在運(yùn)用過程中受到好評。,3、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)是：,提高構(gòu)件的抗裂度，因此適用于對裂縫要求嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)； 提高了構(gòu)件的剛度，減少構(gòu)件的總撓度；, 節(jié)省材料（可節(jié)省鋼材）和減輕結(jié)構(gòu)自重，因此適用于跨度大或承受重型荷載的構(gòu)件； 提高了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耐久性、耐疲勞性和抗震能力。,缺點(diǎn)

4、：需要增設(shè)施加預(yù)應(yīng)力的設(shè)備，制作技術(shù)要求較高，施工工序長。某些構(gòu)件如大跨度結(jié)構(gòu)，有時會產(chǎn)生反拱，影響正常使用。,4、 預(yù)應(yīng)力混凝土的分類 按照使用荷載下對截面拉應(yīng)力控制要求的不同，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件可分為三種： 全預(yù)應(yīng)力混凝土 指在全部荷載組合下構(gòu)件截面上均不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力。大致相當(dāng)于裂縫控制等級為一級的構(gòu)件。,有限預(yù)應(yīng)力混凝土 指在短期荷載作用下，容許混凝土承受不超過其抗拉強(qiáng)度的拉應(yīng)力值；但在長期荷載作用下，混凝土不得受拉的要求設(shè)計。相當(dāng)于裂縫控制等級為二級的構(gòu)件。,部分預(yù)應(yīng)力混凝土 部分預(yù)應(yīng)力混凝土是按在使用荷載作用下，容許出現(xiàn)裂縫，但最大裂寬不超過允許值的要求設(shè)計。相當(dāng)于裂縫控制等級為

5、三級的構(gòu)件。,全預(yù)應(yīng)力混凝土： 具有抗裂性和抗疲勞性好、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，但也存在構(gòu)件反拱值過大，延性差，預(yù)應(yīng)力鋼筋配筋量大，施加預(yù)應(yīng)力工藝復(fù)雜、費(fèi)用高等主要缺點(diǎn)。 有限或部分預(yù)應(yīng)力混凝土： ）介于全預(yù)應(yīng)力和普通鋼筋混凝土之間，有很大的選擇范圍，設(shè)計者可根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能要求和環(huán)境條件，選用不同的預(yù)應(yīng)力值以控制構(gòu)件的變形和裂縫； ）并在破壞前具有必要的延性； ）使總造價降低；減小過大的反拱。 因而是當(dāng)前的一個主要發(fā)展趨勢。,5、設(shè)計預(yù)應(yīng)力構(gòu)件時，其計算內(nèi)容包括： 使用階段 （）承載力計算 （）抗裂裂縫寬度計算 （）撓度驗算 施工階段 （）混凝土強(qiáng)度驗算 （）抗裂驗算,E N D,10.2.1 施加預(yù)應(yīng)

6、力的方法,先張法,預(yù)應(yīng)力是靠鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)力傳遞。,基建投資比較大，可以成批生產(chǎn)。,后張法,后張法,預(yù)應(yīng)力是靠兩端的工作錨傳遞給混凝土的。 可現(xiàn)場制作，多用于大型構(gòu)件。 增加了留口、灌漿等工序，施工比較復(fù)雜。,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土,鋼筋和混凝土之間能滑動。,一定要有非預(yù)應(yīng)力筋，適合于采用混合配筋。,自張法施加于應(yīng)力，稱為自應(yīng)力混凝土。,10.2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土的材料,（1）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對鋼筋的要求,高強(qiáng)度 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在制作和使用過程中，由于種種原因，會出現(xiàn)各種預(yù)應(yīng)力損失，為了在扣除預(yù)應(yīng)力損失后，仍然能使混凝土建立起較高的預(yù)應(yīng)力值，需采用較高的張拉應(yīng)力，因此預(yù)應(yīng)力鋼筋必須采用高

7、強(qiáng)鋼筋（絲）； 具有一定的塑性 為防止發(fā)生脆性破壞，要求預(yù)應(yīng)方鋼筋在拉斷時，具有一定的伸長率； 良好的加工性能 即要求鋼筋有良好的可焊性，以及鋼筋“鐓粗”后并不影響原來的物理性能；,與混凝土之間有較好的黏結(jié)強(qiáng)度、先張法構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力傳遞是靠鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)力完成的，因此需要有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度。,（2）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對混凝土的要求 強(qiáng)度高 預(yù)應(yīng)力混凝土只有采用較高強(qiáng)度的混凝土，才能建立起較高的預(yù)壓應(yīng)力，并可減少構(gòu)件截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重。對先張法構(gòu)件，采用較高強(qiáng)度的混凝土可以提高黏結(jié)強(qiáng)度，對后張法構(gòu)件，則可承受構(gòu)件端部強(qiáng)大的預(yù)壓力； 收縮、徐變小 這樣可以減少由于收縮、徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失；

8、,快硬、早強(qiáng) 這樣可以盡早施加預(yù)應(yīng)力，加快臺座、錨具、夾具的周轉(zhuǎn)率，以利加快施工進(jìn)度，降低間接費(fèi)用。,一般預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級不低于C30，當(dāng)采用高強(qiáng)鋼絲時不低于C40。,10.2.3 錨具和夾具,錨、夾具：用于固定鋼筋,構(gòu)件制作完后，能取下重復(fù)使用夾具,用于永久固定鋼筋、作為構(gòu)件的一部分 錨具,不同種類的錨具，有不同的固定原理。同時固定預(yù)應(yīng)力筋不同。錨具不同則回縮量不同，尺寸外形對構(gòu)件的影響不同。,先張法單根冷軋帶肋鋼筋的張拉,采用粗鋼筋作為預(yù)應(yīng)力筋時，對于單根鋼筋最常用的辦法是在鋼筋端部，連接一工具式螺桿，螺桿穿過臺座的活動鋼橫梁后，用螺母固定。利用普通千斤頂推動活動鋼橫梁就可

9、以張拉鋼筋，如圖所示。,后張法的錨具,鋼絲束的張拉：常采用圖所示的錐形錨具配用外夾式雙作用千斤頂進(jìn)行張拉。錐形錨具由鋼錨圈及帶齒的園錐體錨塞組成，錨塞中間有小孔，作為錨固后灌漿用。施工時，由雙作用千斤頂先張拉鋼絲，之后又將錨塞頂壓入錨圈內(nèi)。,鋼筋束或鋼鉸線的張拉：可采用圖a所示的JM12型錨具。JM12型錨具由錨環(huán)和夾片組成，夾片可為36片，用以錨固36根直徑為1214 mm的鋼筋，或56根7股4 mm的鋼鉸線。施工時，用JM12型錨具配用穿心式千斤頂進(jìn)行張拉。 單根粗鋼筋的張拉：可采用圖b所示的螺絲端桿錨具。施工時，將要張拉單根預(yù)應(yīng)力鋼筋與螺絲端桿錨具焊接，螺絲端桿錨具的另一端與張拉設(shè)備相連

10、，張拉完畢后，通過螺帽和墊板將預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在構(gòu)件上。,鋼絲束或鋼鉸線的張拉。,E N D, fptk 表示預(yù)應(yīng)力鋼筋的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。 fpyk表示預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼鉸線的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 。 不宜超過表中數(shù)值。但也不宜過低，而不能充分利用鋼筋的強(qiáng)度： 項次1和項次2： ； 項次3： 。 規(guī)范還規(guī)定,當(dāng)符合一定情況時（書上）, con可以提高0.05 fptk或提高0.05 fptk：,10.3.1 預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉控制應(yīng)力,10.3.2 預(yù)應(yīng)力損失, 定義：預(yù)應(yīng)力筋張拉后，由于混凝土和鋼材的性質(zhì)以及制作方法上原因，預(yù)應(yīng)力筋中應(yīng)力會從scon逐步減少，并經(jīng)過相當(dāng)長的時間才會最終穩(wěn)定下來，這種應(yīng)力降低現(xiàn)象稱為

11、預(yù)應(yīng)力損失。 由于最終穩(wěn)定后的應(yīng)力值才對構(gòu)件產(chǎn)生實際的預(yù)應(yīng)力效果。因此，預(yù)應(yīng)力損失是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中的一個關(guān)鍵的問題。 過高或過低估計預(yù)應(yīng)力損失，都會對結(jié)構(gòu)的使用性能產(chǎn)生不利影響。,主要有： 錨固損失sl1：錨具變形引起預(yù)應(yīng)力筋的回縮、滑移 摩擦損失sl2 ：后張法預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間的摩擦，先張法預(yù)應(yīng)力筋與錨具之間以及折點(diǎn)處的摩擦。 溫差損失sl3 ：先張法中的熱養(yǎng)護(hù)引起的溫差損失 松弛損失sl4 ：預(yù)應(yīng)力筋在高應(yīng)力的長期作用下會產(chǎn)生松弛。 混凝土的收縮和徐變引起的損失sl5 環(huán)形構(gòu)件中 由于混凝土的 擠壓引起的預(yù)應(yīng)力損失sl6 。,1）錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預(yù)應(yīng)力損失l1,當(dāng)

12、為直線型預(yù)應(yīng)力鋼筋時,式中 a張拉端錨具變形和鋼筋回縮值； l張拉端至錨固端之間的距離。,當(dāng)為曲線型預(yù)應(yīng)力鋼筋時，由于鋼筋回縮受到曲線型孔道反向摩擦力的影響，l1要降低,而且構(gòu)件各截面所產(chǎn)生的損失值不盡相同，離張拉端越遠(yuǎn)，其值越小。至離張拉端某一距離lf，預(yù)應(yīng)力損失l1降為零，此距離為反向摩擦影響長度。,減少此項損失的措施有：,選擇變形小或預(yù)應(yīng)力鋼筋內(nèi)縮小的錨具，盡量減少墊板數(shù)； 對先張法構(gòu)件，選擇長臺座。,2）預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失 l2,式中 k考慮孔道局部偏差對摩擦影響的系數(shù)，查表： x張拉端至計算截面的孔道長度，可近似取該孔道在縱軸上的投影長度， 預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁

13、的摩擦系數(shù)， 從張拉端至計算截面曲線型孔道部分切線的夾角（以弧度計）。,當(dāng) 近似公式：,減少該項損失，可采取以下措施：,對較長的構(gòu)件可在兩端進(jìn)行張拉；,采用超張拉，張拉程序可采用：,3）混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時，受張拉的鋼筋與承受拉力的設(shè)備之間溫差引起的損失 l3,為了縮短先張法構(gòu)件的生產(chǎn)周期，混凝土常采用蒸汽養(yǎng)護(hù)辦法。升溫時，新澆的混凝土尚未結(jié)硬，預(yù)應(yīng)力筋與臺座之間的溫差t使鋼筋受熱自由伸長，但兩端的臺座是固定不動的，即距離保持不變，于是鋼筋就松了，鋼筋的應(yīng)力降低；降溫時，預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土已黏結(jié)成整體，加上兩者的溫度線膨脹系數(shù)相近，二者能夠同步回縮，放松鋼筋時因溫度上升鋼筋伸長的部分已不能回縮，因

14、而產(chǎn)生了溫差損失。僅先張法構(gòu)件有該項損失。,l3=2t （N/mm2）,減少此項損失的措施有：,采用二次升溫養(yǎng)護(hù)。先在常溫下養(yǎng)護(hù)至混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C7.5C10，再逐漸升溫至規(guī)定的養(yǎng)護(hù)溫度，這時可認(rèn)為鋼筋與混凝土已結(jié)成整體，能夠一起脹縮而不引起預(yù)應(yīng)力損失; 在鋼模上張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋。由于鋼模和構(gòu)件一起加熱養(yǎng)護(hù)，升溫時兩者溫度相同，可不考慮此項損失。,4）鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失l4,鋼筋的應(yīng)力松弛是指鋼筋在高應(yīng)力作用下及鋼筋長度不變條件下，其應(yīng)力隨時間增長而降低的現(xiàn)象。,鋼筋應(yīng)力松弛有以下特點(diǎn)： 應(yīng)力松弛與時間有關(guān)，開始快，以后慢； 應(yīng)力松弛與鋼材品種有關(guān)。冷拉鋼筋、熱處理鋼筋的應(yīng)力松弛損

15、失比碳素鋼絲、冷拔低碳鋼絲、鋼絞線要小； 張拉控制應(yīng)力con高，應(yīng)力松弛大。,采用超張拉可使應(yīng)力松弛損失有所降低。超張拉程序為:,因為在較高應(yīng)力下持荷兩分鐘所產(chǎn)生的松弛損失與在較低應(yīng)力下經(jīng)過較長時間才能完成的松弛損失大體相當(dāng)，所以經(jīng)過超張拉后再張拉至con時，一部分松弛損失已完成。,5）混凝土的收縮徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失l5 （占全部損失的40%50%）,混凝土結(jié)硬時產(chǎn)生體積收縮，在預(yù)壓力作用作用下，混凝土?xí)l(fā)生徐變，這都會使構(gòu)件縮短，構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力鋼筋跟著回縮，造成預(yù)應(yīng)力損失。,先張法構(gòu)件,后張法構(gòu)件,式中 pc, pc分別為完成第一批預(yù)應(yīng)力損失 后受拉區(qū)、受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)處混凝土法向壓

16、應(yīng)力；,fcu施加預(yù)應(yīng)力時混凝土的實際立方體抗壓強(qiáng)度。一般fcu不等于構(gòu)件混凝土的立方體強(qiáng)度fcu ，但要求 fcu0.75 fcu；,， 受拉區(qū)、受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率。,先張法構(gòu)件,后張法構(gòu)件,式中 Ap ,Ap分別為受拉區(qū)和受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積，對稱配筋的構(gòu)件，取，此時配筋率應(yīng)按鋼筋截面面積的一半進(jìn)行計算； A0 ,An分別為混凝土換算截面積、凈截面面積。,后張法構(gòu)件收縮徐變損失比先張法構(gòu)件小，原因是后張法構(gòu)件在施加預(yù)應(yīng)力時，混凝土的收縮已完成一部分。以上公式適用于一般相對濕度環(huán)境，高濕度環(huán)境下，l5，l5應(yīng)降低，反之則增加。,減少此項損失的措施有：,采用高標(biāo)號水泥，

17、減少水泥用量，降低水灰比； 采用級配良好的骨料，加強(qiáng)振搗，提高混凝土的密實性； 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，以減少混凝土的收縮， 控制混凝土應(yīng)力pc，要求 ,以防止發(fā)生非線性徐變。,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l6 僅后張法有這項損失。當(dāng)D3m，l6=30MPa，當(dāng)D3m，不考慮該項損失。此處D為環(huán)形構(gòu)件的直徑。,（2）預(yù)應(yīng)力損失值的組合 為了計算方便，規(guī)范把預(yù)應(yīng)力損失分為兩批，混凝土受預(yù)壓前產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失為第一批預(yù)應(yīng)力損失l，而混凝土受預(yù)壓后產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失為第二批預(yù)應(yīng)力損失l 。,各階段預(yù)應(yīng)力損失值的組合 預(yù)應(yīng)力損失值的組合 先張法構(gòu)件 后張法構(gòu)件 混凝土預(yù)壓

18、前（第一批）的損失l l1+l2+l3+l4 l1 +l2 混凝土預(yù)壓后（第二批）的損失 l l5 l4+l5+l6,考慮到預(yù)應(yīng)力損失計算的誤差，在總損失計算值過小時，產(chǎn)生不利影響，規(guī)范規(guī)定當(dāng)總損失值l =lI +lII小于下列數(shù)值時，按下列數(shù)值取用， 先張法構(gòu)件 100MPa 后張法構(gòu)件 80MPa,E N D,10.4 預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件的應(yīng)力分析,（1）放張前,（2）放張后,（3）完成第二批損失,施工階段,有效預(yù)應(yīng)力,（4）消壓狀態(tài),（5）開裂軸力,使用階段,開裂后,（6）極限承載力,Nu=fpyAp+ fyAs,（1）放張前,（2）放張后,（3）完成第二批損失,施工階段,1、后張法除施工階段與先張法不同外