后张法构件的应力分布除施工阶段因张拉工艺与先张法不同而有所区别外,使用阶段、破坏阶段的应力分布均与先张法相同。从浇筑混凝土、张拉预应力筋到构件受荷载作用破坏,可分为下列七种应力状态(参阅表11-8)。
表11-8 后张法预应力混凝土轴心受拉构件各阶段的应力状态
1.施工阶段
施工阶段分为三种应力状态
(1)应力状态1——张拉预应力筋(表11-8图a)。后张法构件先浇筑混凝土,待混凝土强度达到设计强度等级的75%后张拉预应力筋,同时混凝土受压。由于预应力筋产生摩擦损失σl2,预应力筋的应力为σp=σcon-σl2
设此时混凝土中的压应力为σpc,则由于普通钢筋与混凝土协调变形,故其应力为
σs=αEsσpc (11-54)
混凝土的应力σpc可由平衡条件求得
σpAp=σpcAc+σsAs
将σp,σs代入得
An=Ac+αEsAs (11-56)
式中 Ac——混凝土截面面积,应扣除普通钢筋及预留孔道面积;
An——构件净截面面积。
表11-8为后张法预应力混凝土轴心受拉构件各阶段的应力状态。
(2)应力状态2——第一批预应力损失出现后(表11-8图b)。预应力筋张拉完毕后,用锚具锚住预应力筋,产生锚具变形损失σl1,故预应力筋的应力为
σpeⅠ=σcon-σl2-σl1=σcon-σlⅠ (11-57)
普通钢筋的预压应力则为
σsⅠ=αEsσpcⅠ (11-58)
混凝土压应力σpcⅠ由内力平衡条件求得
σpeⅠAp=σpcⅠAc+σsⅠAs (11-59)
将σpeⅠ、σsⅠ的表达式代入上式得
与先张法放张后相应公式相比,除了普通钢筋应力计算式(11-58)与式(11-36)相同外,其他两式式(11-57)和式(11-35)、式(11-60)和式(11-39)都不同,这是由于后张法在张拉预应力筋的同时混凝土就受到了预压应力,弹性压缩变形已经完成。因此,后张法预应力筋的应力比先张法少降低αEpσpcⅠ,见式(11-57)与式(11-35);另外,后张法的式(11-60)与先张法的式(11-39)相比,前者由于没有灌浆,预应力筋与混凝土没有结合在一起,所以采用净截面面积An(An=Ac+αEsAs,Ac=A-As-A孔道面积),后者由于预应力筋已与混凝土粘结在一起,所以用换算截面面积A0;前者用NpⅠ,后者用Np0Ⅰ。NpⅠ为第一批预应力损失出现后的预应力筋的合力,
NpⅠ=σpeⅠAp=(σcon-σlⅠ)Ap (11-61)
Np0Ⅰ为当放松预应力筋使混凝土受压时,预应力筋的回弹力。
(3)应力状态3——第二批损失出现后(表11-8图c)。当预应力筋的应力松弛、混凝土的收缩和徐变(对环形构件还有混凝土被挤压的变形)而引起的第二批预应力损失出现后,使预应力筋、普通钢筋的应力为
σpeⅡ=σcon-σlⅠ-σlⅡ=σcon-σl (11-62)
σsⅡ=αEsσpcⅡ+σl5 (11-63)(www.xing528.com)
由平衡条件可得混凝土预压应力为
与先张法相应的公式比较,除了普通钢筋应力计算式(11-63)与式(11-42)相同外,其他都不同。后张法预应力筋的应力比先张法少降低αEpσpcⅡ,见式(11-62)与式(11-40)。后张法混凝土的有效预压应力σpcⅡ(式(11-64))采用An(先张法为A0)。预应力筋和普通钢筋的合力,先张法用Np0Ⅱ,后张法用NpⅡ。
NpⅡ=σpeⅡAp-σl5As=(σcon-σl)Ap-σl5As (11-65)
后张法中预应力筋常有好几根或好几束,不能同时一起张拉而必须分批张拉。此时,就要考虑到后批张拉预应力筋所产生的混凝土弹性压缩(或伸长),使得先批张拉并已锚固好的预应力筋的应力又发生变化。也就是相当于先批张拉的预应力筋又进一步产生了应力损失。这种应力变化的数值为αEpσpcⅠ,σpcⅠ为后批预应力筋张拉时,在先批张拉预应力筋重心位置所引起的混凝土法向应力。为了补偿这部分降低了的应力,对先张拉的那些预应力筋,常根据αEpσpcⅠ值增大(或减小)其张拉控制应力σcon。
2.使用阶段
使用阶段分为二种应力状态
(4)应力状态4——加荷至混凝土截面应力为零(消压状态)(表11-8图d)。此时混凝土的应力由σpcⅡ降至零。由于使用阶段预应力筋与混凝土已结成一体,所以变形协调,故预应力筋的拉应力σp0在σpeⅡ的基础上又增加了αEpσpcⅡ:
σp0Ⅱ=σpeⅡ+αEpσpcⅡ=σcon-σl+αEpσpcⅡ (11-66)
普通钢筋中的压应力在σsⅡ的基础上减少了αEsσpcⅡ,故其应力为:
σs0Ⅱ=σsⅡ-αEsσpcⅡ=σl5(压) (11-67)
使用阶段,在混凝土开裂前,由于孔道已灌浆,预应力筋与混凝土已粘结在一起,由钢筋和混凝土共同承担外载,所以截面应取换算截面面积A0,而消压状态时,由内力平衡可得消压力为Np0Ⅱ
Np0Ⅱ=σp0ⅡAp-σs0ⅡAs=(σcon-σl+αEpσpcⅡ)Ap-σl5As (11-68)
将式(11-64)代入,可得
Np0Ⅱ=σpcⅡAn+αEpσpcⅡAp=σpcⅡ(An+αEpAp)=σpcⅡA0 (11-69)
(5)应力状态5——加荷至裂缝即将出现(表11-8图e)。荷载继续增加,直至混凝土的拉应力达到其抗拉强度标准值ftk,裂缝即将出现。此时预应力筋的拉应力σpcr将在σp0Ⅱ的基础上再增加αEpftk,即
σpcr=σp0Ⅱ+αEpftk=(σcon-σl+αEpσpcⅡ)+αEpftk (11-70)
非预应力钢筋的应力在σs0Ⅱ的基础上增加了拉应力αEsftk,即
σscr=σl5-αEsftk (11-71)
外荷由Np0Ⅱ增至开裂荷载Ncr,截面A0的应力增加ftk,故
Ncr=Np0Ⅱ+ftkA0=(σpcⅡ+ftk)A0 (11-72)
(6)应力状态6——加荷至混凝土开裂后,破坏前(表11-8图f)。在开裂瞬间,混凝土承担的拉力ftkAc转由钢筋承担。所以预应力筋和普通钢筋的拉应力分别增加ftkAc/(Ap+As),此时它们的应力为
开裂后,外荷载全部由钢筋承担,预应力筋和普通钢筋的拉应力增量分别为(N-Ncr)/(Ap+As)。因此,预应力筋和普通钢筋的应力分别为
3.破坏阶段
(7)应力状态7——加荷至构件破坏(表11-8图g)。和先张法构件相同,破坏时预应力筋和普通钢筋分别达到各自的抗拉强度值fpy和fy,由平衡条件得极限承载力
Nu=fpyAp+fyAs (11-77)
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