现代预应力结构.ppt

1、1,后张法中力筋与孔道壁之间的摩擦引起损失,从张拉端到B截面的张拉力损失：则预应力损失：曲线转角的近似计算曲线较平缓，近似用圆弧线代替，则AB的转角（圆心角）：,2,7.1 概述 7.2 等效荷载7.3 主弯矩、次弯矩和综合弯矩7.4 次弯矩的计算方法7.5 主弯矩、次弯矩和综合弯矩的使用7.6 压力线、线性变化和吻合索7.7 预应力筋的线形布置7.8 荷载平衡法,第七章 预应力混凝土超静定结构,3,71 概述,7.1.1 超静定结构的优缺点在预应力混凝土发展初期，大多是简单的静定构件。随着理论研究和工程实践的发展，已认识到在很多情况下采用超静定结构将更为经济合理，结构性能更为优越。常用的几种

2、预应力混凝土超静定建筑结构体系大跨度预应力混凝土框架结构体系大跨度预应力混凝土次梁结构体系大跨度预应力混凝土板柱结构体系（实心、空心板）大空间井式梁结构（双向网格梁）大跨度连续梁和刚架结构体系,4,71 概述,超静定预应力结构的优点（1）设计弯矩小，使构件尺寸减小，结构更轻盈（2）跨中和支座弯矩分布相对较均匀（3）具有内力重分布特性，承载能力更大（4）整体刚度大，结构变形减小，跨度可增大或减小截面（5）节点一般刚接，为抵抗水平力提供了更好的结构性能（6）预应力钢筋束可连续布置，同一束力筋既抵抗跨中正 弯矩，又能抵抗支座负弯矩，节约了钢材（7）相对静定构件而言，节约了中间支座的锚具，节省了 张拉

3、工作量，进而降低了造价,5,71 概述,超静定结构存在的问题：（1）多跨结构中预应力筋连续多波曲线布置，其摩擦损失 较大 措施：超张拉；无粘结预应力筋；分段张拉再连续；采用变截面梁或支座处梁加腋，使曲线平直。（2）最大负弯矩峰值往往控制了梁全长（各跨）的预应筋 数量，造成不合理 措施：局部跨增配预应力筋，或采用非预应力筋来补 足抗弯能力，或支座处梁加腋,6,超静定结构存在的问题,（3）施加预应力时，构件产生的轴向压缩将受到相连支撑构件的约束，从而减小了有效预应力值，并在支撑构件中产生附加内力（次内力）措施：采用可移动支座或临时可移动，减小约束（4）施加预应力时，构件产生的变形受到约束，从而在构

4、件中和结构中产生次内力，不能忽略，一般有利，但计算复杂,7,超静定结构存在的问题,（5）混凝土收缩徐变，温度变化及支座沉降将引起次内力 设计应考虑。（6）施工较麻烦，张拉顺序对结构内力有影响，设计应考 虑工况,8,71 概述,7.1.2 超静定结构的分析方法1弹性方法 不论截面大小，内力大小，都假定构件不开裂，用结构力学方法求最大内力和作用截面，并以此作为极限状态的临界截面 2非线性分析方法 考虑材料非线性和截面开裂状态，建立非线性的截面弯矩曲率关系，用逐次迭代或其它近似方法确定截面内力,9,7.1.2 超静定结构的分析方法,3.塑性方法 用塑性理论确定承载力极限状态 有：“静力法”、“机动法

5、”、“屈服线法”要求截面有足够转动能力 目前多采用弹性方法计算内力，而截面承载能力设计考 虑塑性，两者之间存在一定矛盾 可采用“弯矩调幅”来弥补弹性方法的不足,10,7.1.2 超静定结构的分析方法,4弹性方法的假定（1）力筋偏心距变化相对跨长不大预加力的水平分 力沿梁长相等（2）不考虑力筋的摩擦损失沿梁长变化（3）一般不考虑梁的轴向变形,11,72 等效荷载,7.2.1 基本概念定义：预应力作用可用一个等效力系来分析，该等效力系在预应力结构中产生的效应即预应力效应，这一力系称为“等效荷载”以简支梁为例，假定力筋在梁端通过截面形心,12,72 等效荷载,13,72 等效荷载,取ds微段平衡：沿

6、梁全长积分:,14,72 等效荷载,第二种理解：力筋在跨中截面产生的弯矩：等效荷载 产生的跨中弯矩：两者相等，同样可得：,15,72 等效荷载,第三种理解：力筋曲线方程：距梁左端 截面，预加力产生的弯矩：,16,72 等效荷载,M（x）对 求二次导，得引起此弯矩的等效荷载：在梁端力筋与纵轴倾角：预应力产生的等效力系是“一组力自平衡体系”，它对结构产生的效应与预加力对结构产生的效应相同,17,7.2.2 等效荷载的三种主要类型,1梁端的等效外弯矩力筋在跨内为直线，无方向的改变（相对c.g.c线），则在跨内不产生任何等效横向荷载。力筋在梁端不通过截面形心，则产生一个等效外弯矩,18,7.2.2 等

7、效荷载的三种主要类型,2等效均布荷载预加力在力筋单波抛物线内产生一个“等效均布荷载”式中：e0 为该抛物线的自身垂度 L 为该抛物线的水平投影长度,19,3等效集中荷载,折线型力筋将在折点处产生一个等效集中荷载,20,7.2.3 工程中常用曲线力筋的等效荷载,一般为上述三种等效荷载的组合,21,72 等效荷载,任何等效荷载（力系）在梁轴上都有一水平轴向作用Npe只要力筋相对构件形心线有方向改变，都将产生等效荷载等效荷载只与力筋形状、以及相对构件形心线的位置有关假定一跨内力筋的等效预应力不变（各截面相等），可取两端和跨中三个截面的平均值作为Npe等效荷载以材料的弹性作为基础，其作用效应可与外荷载

8、作用效应相叠加，这大大简化了超静定结构的分析对于承载能力阶段，等效荷载分析是不成立的 在使用阶段微裂的情况下，可以近似采用,22,7.2.4 广义等效荷载,上述等效荷载根据等截面且形心线为直线的构件导出当构件为变截面，即形心线为曲线或折线的构件，为区别等截面构件，引入“广义等效荷载”原理：保持力筋重心线 与构件形心线 的相对位置不变，将构件的实际形心线（曲、折）简化为直线，则得到一假想的预应力筋布置形式（曲、折），按此假想形式求等效荷载广义等效荷载。,23,例1：抛物线形变截面梁,24,例2：折线形变高截面梁,25,7.2.4 广义等效荷载,采用广义等效荷载求解预应力作用时应注意：拉直构件 c

9、.g.c 后，各截面面积及惯性矩仍同原截面 各截面形心上仍作用轴向预加力Npe 若 c.g.s 不通过端部截面形心，则有等效偏心弯矩产生,26,7.3 主弯矩、次弯矩和综合弯矩,在静定结构中，预加力产生的变形未受到任何约束，不会引起任何支座反力，预加力引起的弯矩只与预加力及其对截面形心偏心距的乘积有关（主弯矩）在超静定结构中，预加力产生的变形受到冗余支承的约束从而在约束支座中产生附加反力（次反力），次反力产生的弯矩称为“次弯矩”，同理有次扭矩、次轴力、次剪力预加力在超静定结构中产生的弯矩总效应称之为：“综合弯矩”,27,例：两跨连续梁,在两支座或两节点之间，次弯矩为线性变化次弯矩（次内力）是预

10、加力的次生物并不是数量上的次要，数值上并不一定比主弯矩小,28,7.4 次弯矩的计算方法,7.4.1 用力法计算次弯矩方法：解除多余的约束，分别计算主弯矩与次反力作用下在约束方向产生的位移，令其为零，求得次反力，可采用“弯矩-面积法”或“图乘法”求解位移,29,例：曲线配筋 两跨连续梁 Npe=1000kN,30,7.4 次弯矩的计算方法,7.4.2 等效荷载法求次弯矩当主弯矩图形较复杂，或超静定结构次数较多时，用图乘法计算次弯矩较麻烦等效荷载产生的效应即预应力在结构中产生的效应故：等效荷载在超静定结构中产生的弯矩即“综合弯矩”,31,7.4.2 等效荷载法求次弯矩,例：同上例参数（1）求等效

11、荷载（2）用弯矩分配法求 q 作用下的综合弯矩 在此例情况下，对称q作用下，弯矩图同一端固定，一端简支的单跨梁,32,由综合弯矩减去主弯矩即得次弯矩,33,7.5主弯矩、次弯矩和综合弯矩的使用,GB500102002规定:后张法PC超静定结构，在进行正截面受弯承载力计算 及抗裂度验算时，在弯矩计算值中次弯矩应参与组合；在进行斜截面受剪承载力计算及抗裂验算时，在剪力设计值中次剪力应参与组合 承载力计算时，当参与组合的次弯矩、次剪力对结构不利时，预应力分项系数应取1.2；不利时应取1.0。抗裂和挠度验算时，参与组合的次弯矩、次剪力的预应力分项系数应取1.0。,34,7.5主弯矩、次弯矩和综合弯矩的

12、使用,在静定结构中，因预应力次内力为零，主弯矩等于综合弯矩，故前述预应力弯矩即主弯矩或综合弯矩在超静定结构中：,35,7.5主弯矩、次弯矩和综合弯矩的使用,讨论：次弯矩分析以弹性理论为基础，在承载力极限状态是否存在？有无变化？目前仍未有统一认识次弯矩一般使支座荷载弯矩减小，跨中荷载弯矩加大，起到类似于荷载弯矩调幅效果,36,7.6 压力线、线性变化和吻合索,7.6.1 压力线压力线是指各截面上压力中心的连线当外荷载增加时，截面弯矩增加，在不开裂情况下，PC构件靠截面内力臂增加来抵抗外弯矩的增大，即压力线随外荷载的变化而移动,37,7.6.1 压力线,静定结构不受外荷载（包括自重）作用时，无论预

13、应力大小，c.g.s 线总与 c 线重合,38,7.6.1 压力线,外M作用下，C线偏离 c.g.s 线 MNpe，向 c.g.c 线移动，C线偏心距=e MNpe，截面上的总弯矩为:Npee MNpe（e M/Npe)在超静定结构中，若无外荷载（包括自重），由于次弯矩存在，c线亦不再与c.g.s 线重合，其偏离c.g.s线的距离为 aM2/Npe 由于M2在跨内线性分布，故a也必然线性变化，即c线是线性偏离c.g.s线，且具有与c.g.s线相同的本征特征（曲率、弯折）,39,7.6.2 线性变换,线性变换定义：将c.g.s线在各中间支座处的位置平移或转动，而不改变其本征形状（曲率或弯折），在

14、梁端的偏心位置也保持不变线性变换不改变c.g.s的本征特征，故力筋预加力产生的等效荷载不变，从而在结构中产生的综合弯矩亦不会改变 故C线位置亦不会改变。但主弯矩和次弯矩将随c.g.s的线性变换而改变相对大小注意：线性变换不包括c.g.s在梁端的移动，否则将改变梁端弯矩的大小，从而影响各跨弯矩，改变C线的位置,40,例：同前例，线性变换后，中支座 c.g.s的偏心为零,41,7.6.2 线性变换,主弯矩由于线性变换的改变量等于次弯矩的改变量线性变换不影响结构抗裂度，但影响其设计内力线性变换概念对超静定结构设计有着重要意义：允许在不改变构件压力线的条件下，调整 c.g.s的位置，既保证构件的使用性

15、能,又保证在极限状态下能充分发 挥力筋的作用 或满足某些构造要求(如混凝土保护层要求),42,7.6.3吻合索,定义：能产生和c.g.s 线相重合的 c线，该力筋束布置称之为“吻合索”由定义，吻合索在超静定结构中不产生次反力和次弯矩，最明显的吻合索是处处与 c.g.c 线相重合的力筋束线形截面仅受轴心受压，没有实用意义静定结构中的每一条力筋束都是吻合索,43,7.6.3吻合索,超静定结构也有多条吻合束，如按照外载弯矩图任一比例绘制的力筋束线形就是一条吻合索吻合索相叠加将产生新的吻合索；而吻合索与非吻合索叠加将产生一个非吻合索；c 线都是吻合索线形吻合索避免了次弯矩计算，简化了结构分析，但常常不

16、是理想的力筋线形,44,7.7 预应力筋的线形布置,（1）力筋外形和位置应尽可能与荷载弯矩图一致，力筋产 生的等效荷载与外荷载的分布在形式上应基本一致；（2）控制截面处的力筋应尽量靠近受拉边缘布置，以提高 其抗裂能力和承载能力；（3）尽可能减少力筋的摩擦损失和锚固损失；（4）为方便施工、减少锚具、提高施工工率，力筋在各跨 间应尽可能连续布置，并使端部构造简单；(5）综合考虑其它因素：如混凝土保护层厚度、力筋间距 防火要求、次弯矩大小及构造要求,45,7.7 预应力筋的线形布置,主要承受分布荷载的结构，力筋宜布置成下垂的抛物线形 主要承受集中荷载的结构，宜在集中荷载作用点布置成折线形；简支梁或连续梁边支座的梁端，c.g.s 线宜与 c.g.c 线重合框架梁端或连续梁中支座截面，力筋应靠顶边缘布置；框架顶层边柱梁端，若力筋靠顶边缘，则对柱端受力不利宜尽可能靠梁 c.g.c 线布置。,46,7.8荷载平衡法,7.8.1基本原理1963年林同炎先生提出，不需要计算次反力和次弯矩，大大简化了超静定结构的分析和设计计算，实为一种简单而巧妙的工具荷载平衡法的基础是等效荷载根据给定的外荷载大小和形式，