高等混凝土D-预应力-.ppt
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1、1 高等钢筋混凝土结构学预应力混凝土结构讲授者:何英明 2010.032主要内容:一、概 述二、预应力混凝土构件分类三、预应力损失四、无粘结预应力混凝土结构五、超静定预应力混凝土结构六、横张预应力混凝土结构的概念3一、概 述 1、预应力混凝土的概念 n预应力混凝土是预加应力混凝土的简称。n从应力角度出发:预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力,用以部分或全部抵消外荷载引起应力的一种加筋混凝土。n从荷载角度出发:“预应力混凝土是根据需要人为地引入某反向荷载,用以部分或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土”。n预加应力也可理解为产生与使用荷载(外力)方向相反的预加反向荷载(反向力)。4
2、2、预应力混凝土的特点 抗裂性好;耐久性好、刚度大、变形小;可充分利用高强度材料;提高构件的抗剪能力;提高抗疲劳性能;构件质量好;施工较复杂,技术要求高。53、预应力混凝土的发展和应用 l1888年,德国工程师道伦(W.Doehring)最早提出对混凝土结构施加预应力概念,但因当时材料强度太低而未获得实际结果。l1928年,法国工程师弗奈西涅(EFreyssinet)经长期研究后,明确了混凝土收缩和徐变对预应力巨大影响等问题并采用高强度钢丝(控制应力约大于400Nmm2),从而创造出在混凝土中建立有效预应力的方法,预应力混凝土才获得实际意义并真正开始应用到工程结构中。6n早期预应力混凝土主要用
3、于建造单层和多层房屋、电线杆、桩、油罐、公路和铁路桥梁、轨枕、压力管道、水塔、水池及水工建筑物等方面。n随着预应力技术和材料的发展,现在它巳扩大到高层建筑、地下建筑、压力容器、海洋结构、水工结构、电视塔、飞机跑道、大吨位船舶、核反应堆的保护壳等诸多领域。7二、预应力混凝土构件分类n加筋混凝土以钢材为配筋的混凝土结构。1、国外加筋混凝土结构的分类 1970年国际预应力混凝土联合会(FIP)欧洲混凝土委员会(CEB)建议,将加筋混凝土按预加应力的大小划分为如下四级:lI级全预应力。在全部荷载最不利组合下,截面混凝土不出现拉应力。l级有限预应力。在全部荷载最不利组合作用下,截面上混凝土允许出现拉应力
4、,但不超过其抗拉强度(即不出现裂缝);在长期持续荷载作用下,混凝土不出现拉应力。l级部分预应力。在全部荷载最不利组合作用下,构件截面上混凝土允许出现裂缝,但裂缝宽度不超过规定容许值。l级普通钢筋混凝土结构。82、国内加筋混凝土结构的分类n预应力混凝土结构:l全预应力混凝土在使用荷载下,截面上不允许出现拉应力,c-pcII0。l有限预应力混凝土在使用荷载下截面受拉边缘允许产生拉应力,但拉应力不得超过 ctftk,即 c-pcII ctftk。l部分预应力混凝土在使用荷载下允许出现裂缝,但对最大裂缝宽度加以限制,即 c-pcII ftk。n钢筋混凝土结构9早期的预应力混凝土结构大多设计成全预应力混
5、凝土。全预应力混凝土构件具有抗裂性好、刚度大等优点。但也存在着一些明显的缺点。适当降低预压力、设计成有限或部分预应力混凝土构件,既克服了全预应力混凝土的缺点,又用预应力改善了钢筋混凝土构件的受力性能,使开裂推迟、刚度增加,并减轻自重、降低造价。采用部分预应力混凝土结构已成为加筋混凝土结构系列中的重要发展趋势。103、其它分类方法n按预应力筋张拉方式分l先张法预应力混凝土;l后张法预应力混凝土n按预应力筋与混凝土的粘结方式分l有粘结预应力混凝土(包括缓粘结预应力混凝);l无粘结预应力混凝土;n按结构的约束条件分l静定预应力混凝土结构;l超静定预应力混凝土结构。11三、预应力损失n预应力钢筋中建立
6、起的预应力(张拉控制应力)在构件施工及使用过程中将由于工艺和材性等原因不断降低,这就是预应力损失 l。n尽可能减少预应力损失并对其准确地估算,是预应力混凝土结构设计中的重要问题。n引起预应力损失的原因很多,而且许多因素相互制约、影响,精确计算十分困难。在结构设计时通常有两种考虑预应力钢筋应力损失的方法:l一种是用近似的办法估算预应力损失值;l另一种是采用分项计算然后按时序逐项迭加的办法。l根据我国工程设计的经验,以采用后者为宜。121、分项计算的预应力损失n由于锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失值l1;n预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失值l2;n混凝土加热养护时,受张拉的钢筋
7、与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失值l3;n预应力钢筋的应力松驰引起的预应力损失值l4;n混凝土收缩、徐变引起受拉区和受压区纵向预应力钢筋的预应力损失值l5、l5;n环形预应力筋由混凝土局部挤压引起的损失l6;n后张法构件的预应力钢筋采用分批张拉时,后批张拉钢筋在先批张拉钢筋中产生的混凝土弹性压缩(或伸长)引起的预应力损失值。132、近似的办法估算预应力损失值n预应力损失值的分项计算是繁琐的,且也难以做到精确;n在设计中估算预应力筋数量时就要知道预应力总损失值;n为此国内外规范和设计建议有很多方法可以近似估计预应力损失值。;n我国JGJ 92-2004无粘结预应力混凝土结构技术规程根据
8、1980年代以来的应用经验,提出无粘结预应力筋总损失的估计值,对板可取0.2 con,对梁可取0.3 con。14n林同炎提出,对取用一般性能的钢材与混凝土,在一般天气条件下养护的结构,预应力总损失及各组成因素损失的平均值,可用预加力的百分比表示。损损 失失 项项 目目后后 张张 ()先先 张张 ()混凝土弹性压缩混凝土弹性压缩混凝土收缩混凝土收缩混凝土徐变混凝土徐变钢材松弛钢材松弛 1 6 5 8 4 7 6 8总损失总损失 20 25上表已考虑了适当的超张拉以降低松弛和抵消摩擦与锚固损失,凡未被克服的摩擦损失必须另加。此外,当条件偏离一般情况时,应作相应的增减。例如,当构件的平均预压应力(
9、NpAc)较高,如大约为7MPa时,则后张法总损失应大约增加到25,先张法的增加到30。当平均应力(NpAc)较低,如约为1.7MPa时,则后张法和先张法的总损失应分别降低到大约15和18。15四、无粘结预应力混凝土结构 l在后张预应力混凝土结构中,凡张拉后不进行灌浆或不采用其他措施使预应力筋(束)与混凝土牢固地粘结在一起,而是容许预应力筋(束)与周围混凝土发生相对滑移的预应力混凝土结构称为无粘结预应力混凝土结构。l目前大多数无粘结预应力筋均采用挤压涂塑工艺制成,即对无粘结筋涂敷专用防腐建筑油脂,外包聚乙烯或聚丙烯套管。经过挤出成型机后,塑料套管一次成型在钢绞线或钢丝束上。l目前国内有 12和
10、 15高强钢纹线以及7 5高强钢丝三种无粘结筋规格。16l无粘结预应力混凝土结构的施工过程:按设计要求将预应力筋铺放在模板内;浇筑混凝土;待混凝土达到强度要求后,再张拉预应力筋并锚固;预应力筋与混凝土间没有粘结,张拉力全靠锚具传到构件混凝土上去。17(一)无粘结预应力混凝土结构的特点l优点:不需要预留孔道、穿筋及灌浆等复杂工序,操作方便,加快了施工进度,经济合理。无粘结预应力筋摩擦力小,结构性能好,且易弯成多跨曲线形状,特别适于建造需要复杂的连续曲线配筋的大跨度楼盖和屋盖。l缺点(仅配有无粘结预应力筋的混凝土梁):裂缝条数比有粘结梁要少得多,而裂缝宽度大许多。同时随着荷载的增长,裂缝宽度与长度
11、的发展也很快,破坏形式都是脆性的;无粘结后张梁的极限抗弯强度比相应的有粘结梁的一般要低1030;18原因:由于在有粘结梁中,最大弯矩截面处的钢筋应变最大,而在无粘结梁中,钢筋的应变沿梁全长是均匀的,这样导致,当梁受压区混凝土达到极限应变使梁破坏时,最大弯矩截面处有粘结筋一般均达屈服强度,而无粘结筋的应变将小于相应有粘结筋的应变,所以其强度一般达不到屈服。由于上述原因,无粘结预应力混凝土的抗弯性能、裂缝宽度、变形和极限强度均比有粘结预应力混凝土的相应性能差。无粘结混凝土结构的上述缺点可由在无粘结筋下部配置非预应力的有粘结钢筋(即普通钢筋)的混合配筋法得到改善。19在整个加载过程中,无粘结预应力筋
12、的应力总是低于有粘结筋的应力,而且这种差距随荷载增大而增大。当构件达到极限荷载时,无粘结预应力筋的应力达不到极限强度fpu。裂缝形态图(a)有粘结预应力;(b)纯无粘结预应力;(c)无粘结部分预应力纯无粘结预应力混凝土构件仅在最大弯矩截面附近出现一条或少数几条裂缝,裂缝分布较为集中。裂缝出现后其宽度与高度都发展较快。粘结力对预应力混凝土梁挠度影响的示意图;拉区混凝土开裂以后,纯无粘结预应力混凝土构件挠度迅速增大,荷载挠度曲线呈渐近水平的曲线,表明构件刚度降低较快。20(二)无粘结预应力混凝土结构的预应力损失n无粘结筋的预应力损失与后张法有粘结筋的预应力损失一样,也包含:张拉端锚具变形和预应力筋
13、内缩损失 l1;预应力筋的摩擦损失 l2;预应力筋的应力松弛损失 l4;混凝土的收缩和徐变损失 l5;采用分批张拉时,张拉后批预应力筋所产生的混凝土弹性压缩损失等。n主要差别在摩擦系数取值不同。n无粘结预应力混凝土的孔道局部偏差对摩擦的影响系数k大于有粘结预应力混凝土的相应值,而摩擦系数 小于有粘结预应力混凝土的相应值。n其原因是无粘结筋外部为塑料套管,浇筑混凝土时易局部偏差,故k值大;塑料管内的无粘结筋涂有油脂,值小。21孔道成型方式k预埋金属波纹管0.00150.25预埋钢管0.00100.30橡胶管或钢管抽芯成型0.00140.55预埋铁皮管0.00300.35注1:表中系数也可根据实测
14、数据确定;注2:当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式锚具时,尚应考虑锚环口处的附加摩擦损失,其值可根据实测数据确定。钢绞线公称直径dn(mm)k9.5、12.7、15.2、15.70.0040.09 表中系数也可根据实测数据确定;l无粘接预应力筋的摩擦系数 l无粘接预应力筋的摩擦系数 22(三)无粘结预应力筋的极限应力 在受弯构件中,当弯矩最大截面受压边缘混凝土应变达到极限压应变时,无粘结预应力筋的应力(应变)增量较有粘结筋的要低,其应力一般达不到屈服强度。n1 无粘结预应力筋极限应力pu的影响因素l无粘结预应力筋的有效预应力pe。pe,pu。l无粘结钢筋配筋率p。p,pu。l构件的跨高比l/
15、h、加荷方式、支承条件。l/h,pu。l材料性能。混凝土fc,pu。l合理地确定无粘结预应力筋的极限应力pu,是受弯构件设计的关键。23n2 无粘结预应力筋极限应力pu的计算l各国规范均采用了pu=pe+p的形式来计算无粘结预应力筋的极限应力。l各国规范对p的取值原则、考虑因素却大不相同。lWarwaruk等人建议公式(1962):pe扣除全部预应力损失后的无粘结预应力 筋的有效预应力;p无粘结预应力筋配筋率,p=Ap/(bhp);fc混凝土圆柱体抗压强度。应力单位:N/mm224l美国规范ACI 318-1995:ACI 318规范考虑了跨高比、混凝土强度、无粘结预应力筋配筋率的影响,没有考
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