第二章梁板結構

1、混凝土結構設計,東北電力大學建筑工程學院 秦力,,,Concrete Structure Design,混凝土結構設計內容結構方案設計（結構選型、構件布置及傳力途徑）作用及作用效應分析（內力組合）結構的極限狀態(tài)設計（配筋、裂縫、撓度）結構及構件的構造、連接措施耐久性及施工的要求滿足特殊要求結構的專門性能設計,,,,工程實際結構,,混凝土結構設計部分重點解決,,樓蓋（單向板）預應力混凝土構件單層廠房砌體結構多層框架

2、結構高層建筑結構,,第九章預應力混凝土構件,學 習 目 標,預應力混凝土結構的基本概念；各項預應力損失值的意義和計算方法；預應力損失值的組合；預應力軸心受拉構件各階段的應力狀態(tài)、設計計算方法和主要構造要求；部分預應力混凝土構件及無粘結預應力混凝土構件的設計計算要點。,,1.普通鋼筋混凝土結構的缺欠,簡支梁計算跨度5.6m，截面尺寸200×500mm，混凝土強度等級C30，鋼筋采用HRB400，恒荷載標準值 gk=

3、12.4kN/m，均布活荷載標準值 qk=8kN/m。,9.1 概 述9.1.1預應力混凝土的概念,,▼,★,▲,,★主要原因是混凝土抗拉強度太低，受拉區(qū)混凝土過早開裂，截面彎曲剛度顯著降低?！锶缂哟蠼孛娉叽?，會導致自重進一步增大，形成惡性循環(huán)?！锶缭黾愉摻睿瑒t鋼材的強度得不到充分利用，造成浪費?！锶绮捎酶邚婁摻睿瑒t截面彎曲剛度降低，故撓度變形控制難以滿足。,,裂縫寬度與鋼筋應力基本成正比一般Ms=(0.6~0.8)My，如

4、配筋按正截面承載力計算，Ms下 =(0.5~0.7)fy。對于HRB400級鋼筋， =180~252MPa，裂縫寬度已達(0.15~ 0.25) mm。采用高強鋼筋，則 = 325 ~455 MPa，裂縫寬度已遠遠超過容許限值。,▼,,,*提高剛度和抗裂度,*減輕結構自重,*提高梁的抗扭和抗剪承載力，但不提高抗彎承載力,*提高梁的抗疲勞承載力,保護鋼筋免受大氣腐蝕,2.預應力混凝土的概念,壓,壓,拉,

5、拉,壓,壓,,,,,不會出現開裂；,一般不會出現開裂；,開裂明顯推遲，裂縫寬度顯著減小。,,優(yōu)點：抗裂性高、抗疲勞性能好、剛度大、設計計算簡單。適用于對抗裂有很高要求的結構。如有防滲漏要求的壓力容器（核反應堆壓力容器和安全殼）、儲液罐；嚴重腐蝕環(huán)境下需防止鋼材銹蝕的結構；承受高頻反復荷載易產生疲勞破壞的結構。,,缺點：預應力筋配筋量由抗裂要求控制，而不是由承載力條件確定；反拱過大，混凝土處于長期高預壓應力狀態(tài)，引起徐變和反

6、拱不斷增長，影響結構正常使用；從開裂到破壞的過程很短，且破壞后延性?。粚埨O備、錨具等有較高要求，制作費用高。,,,生活中使用預應力的例子,,生活中使用預應力的例子,9.1.2 預應力混凝土的分類,全預應力混凝土構件:最不利荷載效應組合下，混凝土不允許出現拉應力。,部分預應力混凝土構件：最不利荷載效應組合下，允許混凝土開裂,但應控制裂縫寬度。,限值預應力混凝土構件:最不利荷載效應組合下，允許出現低于抗拉強度的拉應力。,美

7、國混凝土協(xié)會（ACI）：預應力混凝土是根據需要人為地引入某一分布與數值的內應力，用以全部或部分抵消外荷載應力的一種加筋混凝土。,,其它產生裂縫的的因素溫度、收縮徐變、沉降、水化熱等；局部高壓應力產生橫向拉應力；剪力和扭轉產生斜拉應力。 細微裂縫寬度對結構耐久性并無影響預應力構件，裂縫還可以重新閉合。,,有限預應力或部分預應力混凝土，可使設計更加合理和經濟。◆節(jié)約預應力鋼材、有效地控制反拱、提高延性；部分開裂有助于結構內力調

8、整，減小由于約束變形（如溫差、不均勻沉降等）而產生的內力。,因此，要完全靠預應力來保證結構中不出現裂縫，不僅技術很難做到，而且在經濟上也是不合理的。,,9.1.3 張拉預應力筋的方法,,,,,1.先張法,依靠鋼筋與混凝土之間的粘結力來傳遞預應力.,,,,,,,2.后張法:,,,,依靠構件兩端的工作錨具傳遞預應力.,,3.先張法和后張法的比較,,4.有粘結預應力混凝土,先張法；后張法：張拉鋼筋后在孔道中灌漿,受力性能好，裂縫分布均勻，

9、裂縫寬度較小,,5.無粘結預應力混凝土,后張法：張拉鋼筋后不在孔道中灌漿,無粘結鋼絞線:在普通鋼絞線外表涂一層油脂,然后外包一層0.8mm厚塑料套管（PE管）。優(yōu)點：造價低，便于以后再次張拉或更換預應力鋼筋。,無粘結預應力束,,,,*直接張拉法：用千斤頂等機械工具直接張拉預應力鋼筋,*電熱法：低電壓強電流通過鋼筋使其發(fā)熱伸長，達設計要求時斷電,*連續(xù)配筋法：用旋轉工作臺將預應力筋纏繞于混凝土塊體上或水池壁上(壓力水管、水池）,*自張法

10、：用自應力水泥制成混凝土，結硬時混凝土膨脹帶動混凝土中的鋼筋一起伸長，在混凝土中產生壓力,*直接加壓法：用千斤頂直接在構件兩端加力使其獲得預壓力,6.張拉預應力鋼筋的方法,,9.1.4. 錨具和夾具,夾具：主要依靠摩擦力來夾住鋼筋，不留在構件上，剪斷預應力筋后夾具作用即消失,錨具：永久留在構件上，如錨具失效預應力將全部消失。,,,,,,(a)P型擠壓錨具；(b)H型壓花錨具,固定端錨具,夾片式錨具,,(a)圓形單孔錨具；(b)圓形多孔

11、錨具；(c)長方體扁形錨具,,墩頭錨具,,,,,,,,螺母錨具,錐塞式錨具,,9.1.5 預應力混凝土材料,,強度高;與混凝土間有足夠的粘結力（刻痕、壓波）;良好的加工性能;具有一定的塑性。,要求,,,處于侵蝕介質中的預應力混凝土構件，不宜采用預應力鋼絲、鋼絞線等作為預應力鋼筋,鋼筋種類,預應力鋼絲、鋼絞線、預應力螺紋鋼筋,注意,,對直接承受動荷載的預應力混凝土構件，不得采用有焊接接頭的鋼筋,1.鋼 筋,,鋼絲經冷拔后，存在有較

12、大的內應力，一般都需要采用低溫回火處理來消除內應力。消除應力鋼絲的比例極限、條件屈服強度和彈性模量均比消除應力前有所提高，塑性也有所改善。強度為1470~1860MPa，鋼絲直徑為5、7、9mm。為增加與混凝土粘結強度，鋼絲表面可制成螺旋肋。,螺旋肋鋼絲,(1)預應力鋼絲（中強度預應力鋼絲、消除應力鋼絲）,,鋼絞線是用2、3、7股高強鋼絲扭結而成的一種高強預應力筋，其中以7股鋼絞線應用最多。7股鋼絞線的公稱直徑為9.5～21.6mm，

13、通常用于無粘結預應力筋，強度可高達1960MPa。2股和3股鋼絞線用途不廣，僅用于某些先張法構件，以提高與混凝土的粘結強度。,無粘結預應力束,(2) 鋼絞線,,采用熱軋、軋后余熱處理或熱處理等工藝制作成帶有不連續(xù)無縱肋的外螺紋的直條鋼筋，直徑為18~50mm，抗拉強度為1230MPa。,除螺紋鋼筋外，其余預應力筋的應力-應變曲線均無明顯屈服點，采用殘余應變?yōu)?.2%的條件屈服點作為抗拉強度設計指標。,,(3)預應力螺紋鋼筋,,可施加較大

14、的預壓應力，提高預應力效率；減小構件截面尺寸，以適用大跨度的要求；具有較高的彈性模量，有利于提高截面抗彎剛度，減少預壓時的彈性回縮；徐變較小，有利于減少徐變引起的預應力損失；與鋼筋有較大粘結強度，減少先張法預應力筋的應力傳遞長度；,2.混凝土---,要求采用高強混凝土,,《規(guī)范》規(guī)定：預應力混凝土結構的混凝土強度等級不宜低于C40，且不應低于C30。,有利于提高局部承壓能力，便于后張錨具的布置和減小錨具墊板的尺寸；強度早期發(fā)展

15、較快，可較早施加預應力，加快施工速度，提高臺座、模具、夾具的周轉率，降低間接費用。,,9.1.6 張拉控制應力?con,張拉設備所控制的總張拉力除以預應力筋截面面積。,預應力筋在構件受荷之前所經受的最大應力。張拉控制應力取值越高，預應力筋對混凝土的預壓作用越大，可以使預應力筋充分發(fā)揮作用。,,1.?con的定義,scon取值過高，可能會在張拉時引起破斷事故，產生過大應力松弛。因此，《規(guī)范》規(guī)定了張拉控制應力限值。,2.

16、的限值,,,下列情況下，限值可提高0.05 fptk 。為提高構件在施工階段的抗裂性能，而在使用階段受壓區(qū)內設置的預應力筋；為部分抵消應力松弛、摩擦、分批張拉和溫差產生的預應力損失。《規(guī)范》規(guī)定：scon不應小于0.4 fptk；不宜小于0.5 fpyk（預應力螺紋鋼筋）,,預應力筋張拉后，應力會從scon逐步減少，并經過相當長的時間才最終穩(wěn)定下來。預應力損失是預應力混凝土結構設計和施工中的一個關鍵的問題。過高或過低估計預應

17、力損失，都會對結構的使用性能產生不利影響。凡是能使預應力筋產生縮短的因素，都引起預應力損失。,9.1.7 預應力損失,,錨固損失：錨具變形引起預應力筋的回縮、滑移。摩擦損失：后張法預應力筋與孔道壁之間的摩擦，先張法預應力筋與錨具之間以及折點處的摩擦。混凝土的收縮和徐變引起的損失。松弛損失：高應力長期作用下預應力筋產生松弛。溫差損失：先張法中的熱養(yǎng)護引起的溫差損失?；炷辆植繑D壓損失：螺旋式預應力筋（環(huán)形構件）彈性壓縮損失

18、：混凝土彈性壓縮，后張法中后拉束對先張拉束造成的壓縮變形而產生分批張拉損失等。,,第一批損失,如錨具變形、管道摩擦、臺座與鋼筋的溫差、鋼筋松弛損失等,第二批損失,如混凝土收縮徐變、局部擠壓損失等,,預應力損失值組合,預應力筋張拉后錨固時，由于錨具受力后變形、 墊板縫隙的擠緊以及鋼筋在錨具中的內縮引起的 預應力損失。,錨固損失sl 1,,先張法構件：當臺座長度超過100m時，可忽略。 后張法構件：只考慮張拉端，因錨固端錨具

19、在 張拉過程中已被壓緊。,摩擦損失?l 2,后張法（電熱法除外）：由于預應力筋與周圍接 觸的混凝土或套管之間存在摩擦，引起預應力筋 應力隨距張拉端距離的增加而逐漸減少。先張法有轉向裝置。,,采用超張拉可以減少?l2,0,,1.1?con停2分鐘,,0.85?con停2分鐘,,?con,溫差損失?l 3,先張法中采用混凝土蒸汽養(yǎng)護時,預應力鋼筋與 臺座之間溫差引起的損失。,采用二次升溫法可減少?l3

20、：先在常溫下養(yǎng)護,當混 凝土的強度達到7.5～10N/mm2時再逐漸升溫。采用在鋼模上張拉預應力筋也可減少?l3。,,應力松弛損失?l 4,鋼筋在高應力作用下，長度不變而應力隨時間逐漸 降低的現象稱為應力松弛。鋼筋張拉后1小時內約完成總松弛的50%，24小時 內完成總松弛的80%，以后逐漸收斂。,采用超張拉可以減少?l4,0,,(1.05~1.1)?con停2~5分鐘,,0,,?con,,在高應力下，本需1小時才能

21、完成的損失，在2~5分鐘內就完成了大部分,,混凝土收縮徐變損失?l5,收縮和徐變兩者相互有關，很難精確計算，為了 簡化兩項損失可合并考慮。,減少損失措施：降低徐變值（高標號水泥、減少水泥用 量、減小水灰比，振搗密實、改善養(yǎng)護條件）。,,混凝土局部擠壓損失?l6,采用螺旋式預應力筋作為配筋的環(huán)形構件，由于 預應力筋對混凝土的局部擠壓使構件直徑減小 所引起的損失。,《規(guī)范》規(guī)定：,,9.1.8 預應力損

22、失值的組合,預應力總損失的下限值,,先張法構件： ?l?100N/mm2,后張法構件： ?l?80N/mm2,,9.2 預應力混凝土軸心受拉構件的計算9.2.1軸心受拉構件各階段的應力分析,開裂前，荷載-位移關系為線性的，預應力鋼筋的應力增長較少,開裂后，預應力鋼筋的應力急增，進入非線性階段,受力特征,,,基本參數,混凝土截面面積,,換算截面面積,,凈截面面積,,,1.先張法構件,施工階段----張拉鋼筋,,施工階段----完成第一

23、批預應力損失,,截面內力平衡條件,施工階段----放松鋼筋,,：混凝土獲得的預壓應力,,,,施工階段----完成第二批損失,,,由預加應力產生的混凝土法向應力，又稱混凝土中的有效預壓應力,消壓狀態(tài)軸向拉力,加載階段----加載至混凝土中的應力為0,,,全面消壓狀態(tài)----混凝土中法向應力為零,,,,加載階段 ----加載至混凝土開裂,,,,抗裂軸向拉力,,加載階段 ----加載到破壞,,破壞軸向拉力,,,2.

24、后張法構件,施工階段 ----穿鋼筋,,施工階段 ----張拉鋼筋 ----完成第一批預應力損失,先張法,,施工階段 ----完成第二批損失,,混凝土中的有效預壓應力,先張法,,加載階段 ----加載至混凝土中的應力為0,先張法,,加載階段 ----加載至混凝土開裂,先張法,,加載階段 ----加載到破壞,先張法,,,3.預應力構件與非預應力構件的比較,非預應力構件中鋼筋的應

25、力值在開裂前很小,混凝土應力只 由零增加到極限抗拉強度。預應力構件中的預應力筋一直處于高拉應力狀態(tài)，混凝土應 力從壓應力到零,再由零增加到極限抗拉強度。預應力構件抗裂軸向拉力遠比非預應力構件大，即預加應力 使構件的抗裂度大大提高，但與破壞軸向拉力比較接近。兩種構件的破壞軸向拉力是相同的，故預應力并不改變構件 的承載力。,,9.2.2 軸心受拉構件使用階段計算,使用階段的承載力,,使用階段裂縫控制驗算,抗裂度驗算：,嚴格

26、要求不出現裂縫的構件（一級） 荷載效應標準組合下：,一般要求不出現裂縫的構件（二級）,荷載效應標準組合下：,9.2.3 軸心受拉構件施工階段驗算,（1）張拉（或放松）預應力鋼筋時，構件承載力驗算。,先張法,后張法,放松預應力鋼筋或張拉完畢時混凝土的軸心抗壓強度標準值,,,（2）配置間接鋼筋的局部受壓承載力,承載力計算公式：,,鋼筋范圍內混凝土核芯面積(從最外側間接鋼筋的外表面算起),,,方格網或螺旋式間接鋼筋的體積配筋率,截面

27、限制條件：,,,,,,作 業(yè)：,1.試畫出先張法預應力混凝土軸拉構件的內力自平衡體系的截面內力圖？消壓狀態(tài)、臨界開裂狀態(tài)、抗拉極限狀態(tài)下的截面應力圖？,2.先張法預應力軸心受拉桿，截面尺寸200×200㎜，混凝土C40，已配置 預應力鋼筋，張拉控制應力 無非預應力鋼筋， ， 。,試計算： ? 施工時混凝

28、土的預應力？ ? 混凝土法向壓應力為零時，使用荷載多大？ ? 構件即將出現裂縫時，使用荷載多大？ ? 構件的極限承載力是多大？,,9.4 預應力混凝土構件的構造要求,先張法預應力鋼筋的凈間距應根據澆筑混凝土、鋼筋與混凝土的錨固、施加預應力等要求來確定。不應小于其公稱直徑或等效直徑的1.5倍；對熱處理鋼筋和鋼絲，不應小于15mm；對三股鋼絞線，不應小于20mm對七股鋼絞線，不應小于25mm；

29、,,先張法預應力鋼絲按單根方式配筋困難時，可采用相同直徑鋼絲并筋的配筋方式。并筋的等效直徑，對雙并筋應取單根直徑的1.4倍；對三并筋應取單根直徑的1.7倍。并筋的保護層厚度、錨固長度、預應力傳遞長度、正常使用極限狀態(tài)驗算均應按等效直徑考慮。,,先張法預應力筋端部混凝土附加鋼筋單根預應力筋，其端部宜設置長度不小于150mm且 不少于4圈的螺旋筋。也可利用支座墊板上的插筋， 但插筋不應少于4根，其長度不宜小于120mm。

30、多根預應力鋼筋時，在構件端部10d范圍內，應設置 3~5片與預應力鋼筋垂直的鋼筋網。預應力鋼絲配筋的薄板，在端部100mm范圍內應適 當加密橫向鋼筋。,,后張法預留孔道構造要求?？椎纼葟綉阮A應力鋼絲束或鋼絞線束外徑及需穿過孔道的連接器外徑大10~15mm，以便穿入預應力鋼筋，保證灌漿質量。孔道間水平凈距不宜小于50mm；孔道至構件邊緣的凈距不宜小于30mm，且不宜小于孔道的半徑。構件兩端及跨中應設置灌漿孔或排氣孔

31、，孔距不宜大于 12m。制作時需起拱的構件，預留孔道宜隨構件同時起拱。,,后張法預應力混凝土構件端部鋼筋構造宜將一部分預應力鋼筋在靠近支座處彎起，并宜沿構件端部均勻布置。如構件端部預應力鋼筋需集中布置在端部截面下部或集中布置在上部和下部時，應在構件端部0.2h范圍內設置豎向附加焊接鋼筋網、封閉式箍筋等構造鋼筋。附加豎向鋼筋宜用帶肋鋼筋，截面面積按規(guī)范計算。當構件端部有局部凹進時，為防止端部轉折處產生裂縫，應增設折線構造鋼筋。,