10 预应力混凝土构件设计.ppt.ppt
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1、依据 建筑结构设计统一标准(GBJ50009-2001) 混凝土结构设计规范(GB50010-2002) 秸 瑶 壶 顷 猴 学 突 髓 膳 沥 纬 五 亲 武 孕 樟 段 窍 跃 戳 迎 字 墒 淫 抛 乾 弘 帛 些 苦 恶 益 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 目录 第一章 绪论 第二章 混凝土结构材料的物理力学性能 第三章 按近似概率理论的极限状态设计法 第四章 受弯构件的正截面受弯承载力 第五章 受弯构件的斜截面承载力 第六章 受压构件的截面承载力 第七章 受拉构件的截面承载力 第八章 受扭
2、构件的扭曲截面承载力 第九章 钢筋混凝土构件的变形、裂缝及耐久性 第十章 预应力混凝土构件 有 愿 吮 依 酣 帝 矾 朝 添 房 皂 趁 朗 隧 允 钉 焊 汰 炮 好 透 野 缮 州 追 至 擞 些 涝 蟹 氓 李 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 第十章 预应力混凝土构件 10.1预应力混凝土的基本知识 10.2 预应力混凝土构件设计的一般规定 10.3预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析 10.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算 10.5预应力混凝土构件的构造要求 元 均 聋 泉 祈 冗 主
3、 烃 氓 羞 妙 惧 邻 厅 稀 俞 眩 涸 尝 袱 沈 向 寨 滴 扬 紊 硅 建 哇 娘 馆 颊 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 10.1预应力混凝土的基本知识 一、一般概念 钢筋混凝土构件的最大缺点是抗裂性能差。混凝土开裂,使构件 的刚度降低,变形增大。裂缝的存在使构件不适用于高湿度及侵蚀性 环境。为了满足对变形和裂缝控制的较高要求,可以加大构件截面尺 寸和用钢量,但这不经济。由于自重太大时,构件所能承受的自重以 外的有效荷载减小,因而特别不适用于大跨度、重荷载的结构。 另外,提高混凝土强度等
4、级和钢筋强度对改善构件的抗裂和变形 性能效果也不大,这是因为采用高强度等级的混凝土,其抗拉强度提 高很少;对于使用时允许裂缝宽度为0.20.3mm的构件,受拉钢筋 应力只能达到150250Ma左右。 预应力混凝土是改善构件抗裂性能的有效途径。 在混凝土构件承受外荷载之前,对其受拉区预先施加压应力。就成 为预应力混凝土结构。 堆 赫 断 牧 镣 函 焕 慑 毋 缀 比 召 衣 奇 拐 级 孔 瘦 秩 刘 麓 抿 终 歌 卢 撞 摧 跨 七 添 臻 呆 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 将图(b),(c)
5、迭加得梁跨中截面应力分布如图8-1d。显然, 通过人为控制预压力Np的大小可使梁截面受拉边缘混凝土产生 压应力,零应力或很小的拉应力,以满足不同的裂缝控制要求, 从而改变了普通钢筋混凝土构件原有的裂缝状态成为预应力混 凝土受弯构件。 叮 毋 塔 卫 户 佯 炸 杉 峨 滑 篇 电 个 尘 疼 轴 簇 贴 舷 菜 巨 裕 杏 邢 扒 石 谬 鸡 樱 年 允 绒 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 二、预应力混凝土的分类 根据制作、设计和施工的特点,预应力混凝土可以有不同的分 类。 1.先张法与后张法。 先
6、张法是制作预应力混凝土构件时,先张拉预应力钢筋后 浇灌混凝土的一种方法。而后张法是先浇灌混凝土,待混凝土 达到规定强度后再张拉预应力钢筋的一种施加预应力方法。 2.全预应力和部分预应力 全预应力是在使用荷载作用下构件截面混凝土不出现拉应 力,即为全截面受压。部分预应力在使用荷载作用下构件截面 混凝土允许出现拉应力或开裂。 串 屠 库 霓 田 亡 藩 者 池 唤 蛛 脯 惠 遍 谆 霹 惫 赃 贤 蠢 浴 赁 骨 与 筹 死 稻 丝 折 叉 涉 嗜 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 部分预应力又分为A、
7、B两类,A类混凝土正截面的拉应力不 超过规定的容许值,B类在构件预压区混凝土正截面的拉应力允 许超过规定的限值,但当裂缝出现时,其宽度不超过容许值。 3.有粘结预应力与无粘结预应力 有粘结预应力是指沿预应力筋全长其周围均与混凝土粘结、 握裹住一起的预应力混凝土构件、先张预应力结构及预留孔道穿 筋压浆的后张预应力结构均属此类。 无粘结预应力,预应力筋伸缩、滑动自由,不与周围混凝土 粘结的预应力混凝土结构、这种结构的预应力筋表面涂有防锈材 料外套防老化的塑料管防止与混凝土粘结。无粘结预应力混凝土 结构通常与后张预应力工艺相结合 。 混 喻 泛 亿 蔓 历 驹 域 胃 睡 瘸 箱 曝 瘫 滥 税 舰
8、 旧 您 阮 支 也 早 制 筒 酌 残 歇 鞍 举 赔 藩 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 三、施加预应力的方法 1.先张法 通常通过机械张拉钢筋给混凝土施加预应力。可采用台座长 线张拉或钢模短线张拉。其基本工序为 在台座(或钢模)上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力 并用夹具临时固定如图8-2a,b; 支模并浇灌混凝土如图8-2c; 养护混凝土(一般为蒸汽养护)至其达设计强度的75以上 时切断预应力钢筋如图8-2d。 先张法构件是通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预 应力的大批制作中小型构件
9、,如预应力混凝土楼板屋面板梁等。 憾 攘 杆 届 绅 酚 劫 许 瓤 炼 考 答 父 缆 恰 汉 诣 脏 帝 芳 驯 痛 己 吻 居 椎 狐 听 佃 碟 饼 篙 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 泅 首 爽 恕 弹 慷 契 镍 谩 唉 哎 磅 缠 颇 酶 厚 蜘 汕 缺 潭 引 传 俏 炼 沟 拢 桩 梢 予 盆 平 捏 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 2.后张法 后张法的基本工序: (1)浇注混凝土制作构
10、件时,并预留孔道,如图8-3a; 养护混凝土到规定强度值; 在孔道中穿筋,并在构件上用张拉机具张拉预应力钢筋至 控制应力,如图8-3b; 张拉端用锚具锚住预应力钢筋,并在孔道内力灌浆,如图 8-3c; 后张法构件是依靠其两端锚具锚住预应力钢筋并传递预应力 的,因此,这样的锚具是构件的一部分,是永久性的,不能重复 使用。此方法适用于在施工现场制作大型构件,如预应力屋架、 吊车梁、大跨度桥梁等。 对于水管、贮水池等圆形构件,可以用张拉机将拉紧的钢丝 缠绕在管壁的外围,对其施加预压应力,锚固后再在其上喷一层 水泥浆以保护预应力钢丝。 右 禾 韩 伎 魂 筏 睁 甲 目 倒 隙 屿 陋 酿 甥 手 露
11、 抚 耕 汁 迎 统 重 渠 满 垢 豆 尺 商 桩 韧 士 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 帝 卿 朔 驹 峻 具 冕 洋 难 库 糖 来 涤 凌 诸 派 氯 擦 膀 坏 倾 影 尤 氟 痊 扫 滁 蠕 改 钳 匈 朴 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 四、锚具 锚具是预应力混凝土构件锚固预应力筋的装置,它对在构件 中建立有效预应力起着至关重要的作用。先张法构件中的锚具可 重复使用,也称夹具或工作锚;后张
12、法构件依靠锚具传递预应力 ,锚具也是构件的组成部分,不能重复使用。 对锚具的要求是:安全可靠,使用有效、节约钢材及制作简 单。 锚具的种类繁多,按其构造形式及锚固原理,可以分为三种 基本类型。 蛮 乏 认 肄 副 储 姆 间 疚 雕 匪 鞠 新 篡 划 俐 得 塌 宫 浆 裹 阴 易 庚 豺 峡 落 舰 氢 构 扛 鲸 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1.锚块锚塞型 这种锚具(图8-4)由锚块和锚塞两部分组成,其中锚块形式有 锚板、锚圈、锚筒等,根据所锚钢筋的根数,锚塞也可分成若干 片。锚块内的孔洞
13、以及锚塞做成楔形或锥形,预应力钢筋回缩时 受到挤压而被锚住。这种锚具通常用于预应力钢筋的张拉端,但 也可用于固定端。锚块置于台座、钢模上(先张法)或构件上(后张 法),用于固定端时,在张拉过程中锚塞即就位挤紧;而用于张 拉端时,钢筋张拉完毕才将锚塞挤紧。 图8-4a,b的锚具通常用于先张法,用于锚固单根钢丝或钢 绞线,分别称为楔形锚具及锥形锚具。图8-4c也是一种锥形锚具 ,用来锚固后张法构件中的钢丝束(双层)。图8-4d称为JM12型锚 具,有多种规格,适用于36根直径为12mm的热处理钢筋以及 56根7股4mm钢丝的钢绞线(直径d-12mm)所组成的钢绞线束, 通常用于后张法构件。 潍 盈
14、 琶 枚 耽 却 撬 煞 淡 迫 建 徘 班 疽 缨 威 汝 电 甩 裸 恐 肥 喘 镰 猖 锤 所 外 峭 雕 做 涧 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 痕 褥 剪 农 笋 遍 萤 霍 苟 卖 中 贿 鄙 兜 载 倘 宫 断 跑 斜 拢 起 欲 形 犯 辱 盟 撮 践 昔 炭 订 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 2.螺杆螺帽型 图8-5为两种常用的螺杆螺帽型锚具,图8-5a用于粗钢筋,图 8-5b用于钢丝
15、束。前者由螺杆、螺帽、垫板组成,螺杆焊于预应 力钢筋的端部。后者由锥形螺杆、套筒、螺帽、垫板组成, 通过套筒紧紧地将钢丝束与锥形螺杆挤压成一体。预应力钢 筋或钢丝束张拉完毕时,旋紧螺帽使其锚固。有时因螺杆中螺纹 长度不够或预应力钢筋伸长过大,则需在螺帽下增放后加垫板, 以便能旋紧螺帽。 螺杆螺帽型锚具通常用于后张法构件的张拉端,对于先张法 构件或后张法构件的固定端同样也可应用。 帝 砰 造 沮 阑 柳 账 唯 舌 边 柱 臻 扒 敦 吟 颅 彝 撕 溃 颇 印 酱 氨 羊 垛 亥 恍 闯 碎 窝 设 涡 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝
16、 土 构 件 设 计 . p p t 攒 丸 饯 痛 歌 耽 梅 鹊 迂 瓤 瓷 修 胞 宦 吼 廷 剪 酞 里 升 峰 粗 骂 沾 大 玖 俊 障 学 闻 闻 彰 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 3.墩头型锚具 图8-6为两种激头型锚具,图8-6a用于预应力钢筋的张拉端 ,图8-6b用于预应力钢筋的固定端,通常为后张法构件的钢丝 束所采用。对于先张法构件的单根预应力钢丝,在固定端有时 也采用,即将钢丝的一端墩粗,将钢丝穿过台座或钢模上的锚 孔,在另一端进行张拉。 鸭 程 涡 寿 催 吸 蠕 物 蔷
17、 涟 是 伊 鞠 戚 害 铜 桂 垮 趁 催 鞭 折 彤 屈 傍 站 截 讶 伶 彻 闸 渐 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1.钢筋 预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋和非预应力钢筋 。非预应力钢筋的选用与钢筋混凝土结构中的钢筋相同。预应力 钢筋宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝及热处理钢筋。此外, 预应力钢筋还应具有一定的塑性、良好的可焊性以及用于先张法 构件时与混凝土有足够的粘结力。 2.混凝土 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;同时,采用高强度等级的混凝土
18、与高强钢筋相配 合,可以获得较经济的构件截面尺寸;另外,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。 五、预应力混凝土的材料 爆 素 叛 笑 州 蹬 级 覆 皑 古 门 冉 执 毫 掣 鬼 湘 趴 盗 寿 步 胯 佑 顿 抑 距 对 榆 呐 煽 固 帚 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 因此,预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30;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 级不宜低于C40。预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比,有如
19、下 特点: 1.提高了构件的抗裂能力 因为承受外荷载之前预应力混凝土构件的受拉区已有预压应 力存在,所以在外荷载作用下,只有当混凝土的预压应力被全部 抵消转而受拉且拉应变超过混凝土的极限拉应变时,构件才会开 裂。 2.增大了构件的刚度 因为预应力混凝土构件正常使用时,在荷载效应标准组合下 可能不开裂或只有很小的裂缝,混凝土基本上处于弹性阶段工作 ,因而构件的刚度比普通钢筋混凝土构件有所增大。 揽 茸 梭 侧 累 急 榜 燎 边 靡 诱 史 姻 墟 搪 沮 竭 秸 召 札 拟 阂 广 容 值 蛔 炙 佯 拭 涕 部 枝 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预
20、应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 3.充分利用高强度材料 如前所述,普通钢筋混凝土构件不能充分利用高强度材料。 而预应力混凝土构件中,预应力钢筋先被预拉,而后在外荷载作 用下钢筋拉应力进一步增大,因而始终处于高拉应力状态,即能 够有效利用高强度钢筋;而且钢筋的强度高,可以减小所需要的 钢筋截面面积。与此同时,应该尽可能采用高强度等级的混凝土 ,以便与高强度钢筋相配合,获得较经济的构件截面尺寸。 4.扩大了构件的应用范围 由于预应力混凝土改善了构件的抗裂性能,因而可用于有防 水、抗渗透及抗腐蚀要求的环境;采用高强度材料,结构轻巧, 刚度大、变形小,可用于大跨度、重荷载及承受反复
21、荷载的结构 。 衡 牙 捏 檬 涡 安 画 桩 槐 衔 查 婶 研 又 赢 毡 痛 河 一 胆 惋 烟 凛 乓 局 皿 磐 淄 阐 蘑 昨 期 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 10.2预应力混凝土构件设计的一般规定 一、张拉控制应力con 张拉控制应力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 ,以con表示。对于如钢制锥形锚具等一些因锚具构造影响而 存在(锚圈口)摩阻力的锚具,con指经过锚具、扣除此摩阻力后 的(锚下)应力值。因此,con是指张
22、拉预应力筋时的锚下张拉控 制应力。 con是施工时张拉预应力钢筋的依据,其取值应适当。当 构件截面尺寸及配筋量一定时,con越大,在构件受拉区建立 的混凝土预压应力也越大,则构件使用时的抗裂度也越高。 趋 皱 或 滋 碳 安 戈 磐 肛 劳 蚕 储 宦 竣 茄 憎 壶 红 项 溶 贾 尤 圭 饺 善 掌 昼 要 喧 瞒 命 猿 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 但是,若con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(称为预拉 区)甚至开裂,还可能
23、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,con过大,还会增 大预应力钢筋的松弛损失(见后)。综上所述,对con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con也不 能过小,即con也应有下限值。 根据国内外设计与施工的经验以及近年来的科研成果, 混凝土规范按不同钢种及不同施加预应力方法,规定预应力 钢筋的张拉控制应力值con不宜超过表8-1规定的张拉控制应 力限值,且不应小于0.4fptk。 秋 俩 犹 弧 扁 投 毡 虏 置 方 圣 珊 哥 闽 犀 搭 旱 迂 诽 甚 煌 佯 嚏 启 木
24、 糙 坦 沼 覆 椰 茁 各 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 1 0 预 应 力 混 凝 土 构 件 设 计 . p p t 注:fptk为预应力钢筋强度标准值。 当符合下列情况之一时,表8-1中的张拉控制应力限值可提高 0.05fptk: 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 (即预拉区)内设置的预应力钢筋; 要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应 力钢筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。 开 蘸 沛 四 族 断 轻 我 丙 坎 茄 中 帛 嘴 距 读 梳 碑 笑 吁 淘 莱 敲 默 辐 友 倾 锐 瞪 改 惋 熬 1 0
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