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建筑结构 上册 第2版 教学课件 ppt 作者 宗兰 宋群 主编 第10章预应力混凝土构件

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    • 1、1,第十章 预应力混凝土构件 (Pre-Stressed Concrete Member) 第一节、预应力混凝土的基本知识 一.预应力混凝土的概念 1.概念:在混凝土构件使用(承受使用荷载)以前预先施加作用使之产生的应力(如压应力)与使用荷载产生的应力(如拉应力)方向相反,从而抵消部分或全部荷载产生的应力(如拉应力); 2.意义: (1)提高混凝土构件的抗裂性能和刚度; (2)充分利用高强材料、降低构件自重。 3.使用范围:裂缝控制等级要求高、大跨度、挠度控制要求高,2,4.预应力简支梁的试验介绍(图10-1) 二.预应力混凝土的分类 1.我国规范对预应力混凝土分类的原则:根据裂缝控制程度划分; 2.我国规范对预应力混凝土的具体分类 (1)裂缝控制等级为一级:严格要求不出现裂缝的构件,即在使用荷载下,构件受拉区不允许出现拉应力; (2)裂缝控制等级为二级:一般要求不出现裂缝的构件,即在使用荷载下,构件受拉区允许出现小于混凝土抗拉强度的拉应力; (3)裂缝控制等级为三级:允许出现裂缝的构件,即在使用荷载下,构件受拉区允许出现小于规定的混凝土最大裂缝宽度的的裂缝。 3.其他分类方法(仅供参

      2、考),3,三.张拉预应力钢筋的方法 对构件预先施加作用的原理:张拉钢筋; 被张拉的钢筋称为预应力钢筋; 预应力钢筋的回缩趋势即对构件产生作用(形成预应力) 张拉钢筋根据施工工艺和结构适用条件分为两种。 1.先张法(pre-tension) (1)施工工艺(如图10-2); (2)预应力传递方式:钢筋与混凝土之间的粘结力。 2.后张法(post-tension) (1)施工工艺(如图10-3) (2)预应力传递方式:预应力钢筋端部的锚具传递给构件端部。,4,四.夹具和锚具 1.夹具和锚具的作用:固定预应力钢筋; 2.夹具:能重复使用,一般用于先张法构件; 3.锚具:不能重复使用,一般用于后张法构件; 4.对锚具的要求:(P.156)1)4); 5.常用锚具:(P.156158) 五.预应力混凝土材料 1.混凝土:快硬、早强和收缩、徐变小,一般不低于C40; 2.钢材:强度高、塑性好和表面有刻痕。,5,第二节、预应力混凝土构件设计的一般规定,一、.张拉控制应力 1.定义:张拉控制应力 N为总张拉力,可由仪器读出; 为预应力钢筋截面面积;,6,2.为何要控制张拉应力 (1)太小时,产生的预应

      3、(压)力不足以抵消荷载产生的拉应力; (2)太大时,会使构件开裂、构件破坏无预兆和预应力钢筋脆断。 3.控制要求 (1)与张拉工艺有关; (2)同条件下,先张法的大于后张法; (3)规范的数值见表10-2; (4)一定条件下可略有提高。,7,二、.预应力损失 概念:在施工和使用阶段,预应力钢筋中的预应力(如张拉完毕时的控制应力)降低的现象。 可能有六(七)种原因将导致此现象发生。 1.锚具变形导致预应力钢筋内缩引起的预应力损失 (1)计算公式为(10-1); (2)一般在先张法构件中产生(直线形构件); (3)减小 的措施:A选择变形小的锚具和减少锚具个数; B增加台座长度; 2.预应力钢筋与孔道摩擦引起的预应力损失 (1)计算公式为(10-4);,8,(2)一般在后张法构件中产生; (3)减小 的措施:A两端张拉;B超张拉。 3.养护构件时预应力钢筋与台座之间的温差引起的预应力损失 (1)计算公式为(10-6); (2)一般在先张法构件中产生; (3)减小 的措施:A两次升温;B预应力钢筋与台座同时升温。 4.预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失 (1)计算公式视不同情况分别为(10-

      4、7)(10-12); (2)一般在先、后张法构件中均会产生; (3)减小 的措施:超张拉。,9,5.混凝土收缩、徐变引起的预应力损失 、 (1)计算公式根据先张法、后张法、受拉区和受压区分别为 (10-13)(10-16); (2)一般在先张法和后张法构件中均会出现; (3)减小 、 的措施:A采用高标号水泥;B提高密实性; C加强养护。 6.由于螺旋预应力钢筋对混凝土的挤压产生的预应力损失 (1)计算方法见P165; (2)一般在后张法环形(或圆形)截面构件中产生; (3)减小 的措施:避免采用小直径构件 7.分批张拉时产生的预应力损失。,10,三、预应力损失值的组合 1.预应力损失的特点 (1)有的在先张法构件中产生,有的在后张法构件中产生,有的 在先、后张法构件中均产生; (2)有的是单独产生,有的是和别的预应力损失同时产生; (3)前述各公式是分别计算,未考虑相互关系; 2.我国规范规定应进行相应组合,如表10-4。 3.预应力损失的最低值 (1)先张法构件: (2)后张法构件:,11,第三节、预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析 预应力构件从制作(施工) 使用 破坏可分为两大阶

      5、段,即 施工阶段和使用阶段。 一.先张法构件(参考表10-5,P.167) 假定构件中布置有预应力钢筋和非预应力钢筋。 (1)施工阶段 1)张拉预应力钢筋:各材料的应力如表10-5中的b项; 2)在混凝土受到预压应力之前(此时预应力钢筋未放松):各材 料的应力如表10-5中的c项,假定第一批预应力损失已完成;,12,3)放松预应力钢筋:混凝土达到强度等级的75%以上方可放松预应力钢筋;此时构件受到压力作用,将产生压应变 , 对应的预应力钢筋增量应力为: (压)(a) 对应的混凝土增量应力为: (压)(b) 对应的非预应力钢筋增量应力为: (压)(c) 由(b)式可得: (d) 将(d)代入(a)式可得: 此时,预应力钢筋总应力为: (拉) 将(d)代入( c )式可得非预应力钢筋应力为:,13,将 和 的表达式代入上式即可得到公式(10-21)。 4)混凝土受到预压应力,完成第二批损失 后(即全部预应力损失完成)。此时,第二批损失将使预应力钢筋的应力减少 ,但混凝土的应力发生变化后还将影响预应力钢筋的应力,讨论之。A.由于预应力钢筋对混凝土的受压作用降低,将使构件产生增量(拉)应变,设

      6、为 ; B.对应混凝土产生增量拉应力: (拉)(e) 此时混凝土应力设为 ,显然有关系: 所以得: (拉)(f) 将(f)代入(e)得: (g),14,C.对应预应力钢筋产生增量拉应力: 将(g)代入上式得 因此预应力钢筋的总应力为: (拉)(h) 化简后得式: D.对应非预应力钢筋产生增量拉应力: (拉)(i) 将(g)代入上式得: 因此非预应力钢筋的总应力为: 化简后得: ,考虑混凝土受缩、徐变使非预应力钢筋产生压应力 ,最后得到非预应力钢筋的总应力为:,15,现求此时混凝土的应力。 如上图由力的平衡条件可得:,16,关于 的求解,仍由前述图形根据力的平衡条件可得到公式(10-24),即: 上式即为混凝土受到的“有效预压应力”的计算式,由于所有的预应力损失均已产生,所以在荷载作用前,混凝土受到的预压应力不会减少。 (2)使用阶段 1)加载至混凝土压应力为零 加载前,混凝土已有压应力 欲使混凝土应力为零,则应加施加,17,轴向拉力 ,在其作用下产生拉应力 及相应的拉应变 。 A.对应的预应力钢筋产生的拉应力增量为: 此时,预应力钢筋总应力为: B.对应的非预应力钢筋产生的拉应力增量为

      7、: 此时,非预应力钢筋总应力为: (压) C.对应的混凝土应力为零。,18,根据上图由平衡条件可得: 由(10-27)式得: 上式即为使混凝土应力为零所需施加的轴向拉力, 又称为“消压轴力”。 2)加载至裂缝即将出现时 A.混凝土即将开裂时的应力为 ,相应的应变为 ; B.对应的预应力钢筋应力增量为 ,此时预应力钢筋的总应力为 C.对应的非预应力钢筋应力增量为 ,此时非预应力钢筋的总应力为,19,由下图根据力的平衡条件可推出: 将 代入上式并注意公式(10-31)化简后得到: (10-30),20,关于上式的讨论: I.当其他条件相同时,若不张拉预应力钢筋,则开裂轴向拉力为: II.显然有关系: 说明预应力构件的抗裂性能远大于普通混凝土构件,其原因就是“有效预压应力”的存在。 3)加载至破坏 承载力极限状态时,所有钢筋均屈服,有力的平衡条件即可得到公式(10-31)。 2.后张法构件 受力分析原理同先张法,但注意如下几点: (1)由于预压力是通过构件端部传递的,所以构件在预压力的作,21,用下与预应力钢筋同时缩短,导致求得的“有效预压应力”计算公式的分母中用净截面面积; (2)荷载作用之后,由于预应力钢筋又能与混凝土共同工作,所以在相应的计算公式中采用换算截面面积; (3)承载力计算公式同先张法。 重要结论:预应力构件能较大幅度提高抗裂性; 欲提高构件的承载力,不宜施加预应力。,22,第四节、预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算,一、正截面受拉承载力 破坏时,混凝土退出工作,来有钢筋承担,钢筋应力达到设计强度 公式:,23,二、抗裂度验算及裂缝宽度验算 (1)抗裂度验算应满足的基本条件 , 即: 上式中, 为荷载产生的拉应力。 (2)规范的规定 根据上述原则和构件使用的环境,规范定义了裂缝控制的三类构件并作出了相应的具体规定,见P.174175。 三.(预应力)轴心受拉构件施工阶段的验算 1.张拉(后张法)或放松(先张法)预应力钢筋时,构件的承载力计算 ,按(10-56)进行。,24,2.(后张法)构件端部锚固区的局部受压承载力的验算,按公式(10-59)和(10-60)(10-61)进行。 3.预应力混凝土轴心受拉构件设计步骤,见例题10-1。,

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