第十章 预应力混凝土结构的性能与计算,同济大学土木工程学院建筑工程系顾祥林,混凝土结构基本原理,一、基本概念 1. 预应力混凝土的特点,*提高刚度和抗裂度,*减轻结构自重,*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,一、基本概念 2. 先张法和后张法,一、基本概念 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预应力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,一、基本概念 3. 有粘结和无粘结预应力混凝土,后张法张拉预应力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筋,一、基本概念 4. 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,二、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筋,*电热法：低电压强电流通过预应力筋使其发热伸长，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：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土中的预应力筋一起伸长，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,二、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。,二、施加预应力的方法 2. 锚具和夹具,摩擦型锚具,二、施加预应力的方法 2. 锚具和夹具,墩头锚具,二、施加预应力的方法 2. 锚具和夹具,粘结型锚具：利用构件端部预留锥形自锚孔的后浇混凝土锚固预应力筋,二、施加预应力的方法 2. 锚具和夹具,承压型锚具：利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力筋锚固在端部,三、预应力混凝土所用的材料 1. 预应力筋,强度高；与混凝土间有足够的粘结力；良好的加工性能和一定的塑性,要求,处于侵蚀介质中的预应力混凝土构件，不宜采用碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线等作为预应力筋,预应力筋,冷拉钢筋、预应力螺纹钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线、冷拔低碳钢丝,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,三、预应力混凝土所用的材料 2. 混凝土,不应低于C30,预应力混凝土构件,不宜低于C40,四、张拉控制应力con的确定 1. con对结构的影响,使构件出现脆性破坏,con越大，混凝土中的预压应力越大，但过大会产生如下问题,预应力筋过早进入流幅，降低其塑性,增加钢筋的松弛损失,四、张拉控制应力con的确定 2. con的取值,预应力钢丝、钢绞线极限抗拉强度的0.40.75,预应力钢筋极限抗拉强度的0.4预应力钢筋屈服抗拉强度0.85,钢丝、钢绞线,预应力螺纹钢筋,五、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,五、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,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。,五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2,后张法中，张拉钢筋时，预应力筋在孔道中滑动，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,五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2,负号表示dP1和Px方向相反,五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2,五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2,五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2,考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，教材表10-3,预应力筋与孔道壁间的摩擦系数，教材表10-3,五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2,采用两端张拉可以减少l2,五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2,采用超张拉可以减少l2,0,1.1con停2分钟,0.85con停2分钟,con,五、预应力损失值 3. 锚具变形和预应力筋回缩损失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10-2,五、预应力损失值 3. 锚具变形和预应力筋回缩损失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,五、预应力损失值 3. 锚具变形和预应力筋回缩损失l1,应注意的几个问题,*此式不适用于曲线配筋的后张法构件（具体算法可参考相关文献）,五、预应力损失值 4. 温差应力损失l3,混凝土蒸汽养护时,预应力筋与台座之间温差引起的损失,预应力筋的线膨胀系数,*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,五、预应力损失值 5. 应力松弛损失l4,预应力筋在高应力作用下，长度不变而应力随时间逐渐降低的现象称为应力松弛,预应力筋张拉后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,五、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,(1.051.1)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,五、预应力损失值 6. 混凝土收缩徐变损失l5,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筋和非预应力钢筋的配筋率,受拉区或受压区预应力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2030%,系数A、B、C、D参见教材中的相关规定,五、预应力损失值 6. 钢筋挤压混凝土损失l6,采用螺旋式预应力筋作为配筋的环形构件，由于预应力筋对混凝土的局部挤压使构件直径减小所引起的损失,五、预应力损失值 7. 预应力损失的组合,预应力总损失的下限值,先张法构件： l100N/mm2,后张法构件： l80N/mm2,六、预应力筋锚固区受力性能 1. 先张法预应力筋预应力传递长度,当采用骤然放松预应力钢筋的施工工艺时，起点应从距构件末端0.25ltr处开始计算,六、预应力筋锚固区受力性能 2. 后张法锚固区的局部承压,七、轴心受拉构件的分析 1. 受力特征,开裂前，荷载-位移关系为线性的，预应力钢筋的应力增长较少,开裂后，预应力钢筋的应力急增，进入非线性阶段,七、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的受力分析,施工阶段张拉预应力筋,七、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的受力分析,施工阶段完成第一批预应力损失,七、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的受力分析,施工阶段放松预应力筋,七、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的受力分析,施工阶段完成第二批损失,混凝土中的有效预压应力,七、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的受力分析,加载阶段加载至混凝土中的应力为0,七、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的受力分析,加载阶段加载至混凝土开裂,七、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的受力分析,加载阶段加载到破坏,七、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的受力分析,施工阶段穿预应力筋,七、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的受力分析,施工阶段张拉钢筋完成第一批预应力损失,七、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的受力分析,施工阶段完成第二批损失,混凝土中的有效预压应力,七、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的受力分析,加载阶段加载至混凝土中的应力为0,七、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的受力分析,加载阶段加载至混凝土开裂,七、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的受力分析,加载阶段加载到破坏,八、轴心受拉构件的设计 1. 基本内容,使用阶段的承载力验算,施工阶段的承载力验算,抗裂和裂缝宽度验算,构造要求,八、轴心受拉构件的设计 2. 使用阶段的承载力验算,非预应力钢筋的强度,非预应力钢筋的截面积,八、轴心受拉构件的设计 3. 施工阶段的承载力验算,放松钢筋或张拉并锚固钢筋时混凝土承受的预压应力,放松钢筋或张拉并锚固钢筋时混凝土的轴心抗压强度,放松预应力筋或张拉并锚固预应力筋时,八、轴心受拉构件的设计 3. 施工阶段的承载力验算,后张法构件端部的局部受压承载力,八、轴心受拉构件的设计 3. 施工阶段的承载力验算,后张法构件端部的局部受压承载力,八、轴心受拉构件的设计 4.抗裂度和裂缝宽度验算,见第十一章中的相关内容,八、轴心受拉构件的设计 5.构造要求,钢筋间距、保护层厚度,预留孔道的直径、间距,孔道的灌浆,后张法构件端部的构造,非预应力钢筋的设置,可参见有关教材和资料,九、受弯构件的分析 1.受力特征,不考虑损失的反拱值,不考虑自重有效预应力引起的反拱值,考虑自重的反拱值,下边缘的应力为0,开裂,进入塑性,承载力极限,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,放松预应力筋出现第一批损失时,预应力筋的合力,合力的位置,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,放松预应力筋出现第一批损失时,任一点处混凝土的应力,折算截面积,折算惯性矩,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,放松预应力筋出现第一批损失时,预应力筋的应力,压区预应力钢筋合力点处混凝土的法向应力,拉区预应力钢筋合力点处混凝土的法向应力,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,出现第二批损失时,预应力筋的合力,合力的位置,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,出现第二批损失时,任一点处混凝土的应力,预应力筋的应力,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,开裂前,+,=,荷载引起混凝土截面的应力,荷载引起预应力筋的应力,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,开裂前,全截面受压,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,开裂前受拉边缘混凝土的预压应力为0,换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,开裂前受拉边缘混凝土的预压应力为0,预应力筋的应力,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,开裂时,受拉区混凝土塑性影响系数,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,开裂时,预应力筋的应力,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析先张法,破坏时,当xxb时，Ap能屈服，但Ap不一定屈服。计算分析方法同普通混凝土梁。,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析后张法,张拉预应力筋时,预应力筋的合力,合力的位置,注意：分批张拉预应力筋时，要考虑混凝土回缩引起的损失！,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析后张法,张拉预应力筋时,任一点处混凝土的应力,净截面积,净截面惯性矩,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析后张法,完成第一批损失时,预应力筋的合力,合力的位置,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析后张法,完成第一批损失时,任一点处混凝土的应力,净截面积,净截面惯性矩,九、受弯构件的分析 2.各阶段的应力分析后张法,完成第二批损失时,预应力