结构设计原理 2018 年秋季 西安交通大学航天航空学院 刘益伦教一楼东 405 yilunliu@mail.xjtu.edu.cn 2018 年 9-12 月
课程设计 1: 承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作 R550 R375 R375 R550 设计并制作一个大跨度空间屋盖结构模型, 模型构件允许的布置范围为 两个半球面之间的空间, 如图 1 所示, 内半球体半径为 375mm, 外半球体 半径为 550mm
课程设计 1: 承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作 加载点位置及方式 模型放置于加载台上, 先在 8 个点上施加竖向荷载 ; 采 用挂钩从加载点上引垂直线, 并通过转向滑轮装置将加 载线引到加载台两侧, 采用在挂盘上放置砝码的方式施 加垂直荷载 在 8 个点中的点 1 处施加变化方向的水平荷载 : 采用挂钩 从加载点上引水平线, 通过可调节高度的转向滑轮装置 将加载线引至加载台一侧, 并在挂盘上放置砝码用于施 加水平荷载 施加水平荷载的装置可绕通过点 1 的竖轴 旋转, 用于施加变化方向的水平荷载
课程设计 1: 承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作 荷载施加方式概述 竞赛模型加载点见下图, 在半径为 150mm 和半径 260mm 的两个圆上共设置 8 个 加载点, 加载点允许高度范围见加载点剖面图, 可在此范围内布置加载点 比 赛时将施加三级荷载, 第一级荷载在所有 8 个点上施加竖直荷载 ; 第二级荷载在 R=150mm( 以下简称内圈 ) 及 R=260mm( 以下简称外圈 ) 这两圈加载点中各抽签选 出 2 个加载点施加竖直荷载 ; 第三级荷载在内圈加载点中抽签选出 1 个加载点施 加水平荷载 B 45 45 R150 加载点允许的高度范围 45 45 R260 A A 150 150 260 260 加载点 内圆 外圆 B 外圆内圆 A-A 外圆内圆 B-B 加载点平面位置图 加载点剖面图
课程设计 1: 承受多荷载工况的大跨度空间结构模型设计与制作 模型材料 密度 顺纹抗拉强度 抗压强度 弹性模量 0.789g/cm 3 150MPa 65MPa 10GPa 1 设计要求: 满足承载力前提下, 越轻越好, 稳定位移不超过 w=12mm 2 提交分析报告( 设计思路, 计算模型, 载荷分析, 内力分析, 承载力计算, 破坏形式分析, 设计改进, 收获感想, 对本课程的建议 ) 3 有限元计算模型 4 模型实物( 选做, 可报销材料费 )
课程设计 2: 大跨度屋盖结构 总体模型由承台板 支承结构 屋盖三部分组成
承台板
屋盖结构
剖面尺寸要求
加载材料加载材料采用软质塑胶运动地板 ( 图 -6), 单块重量 2kg, 尺寸 950mm 650mm (±5mm, 校准重量之需 ), 厚度约 2.4mm 四周切为弧形, 中央开直径 80mm 的圆孔 ( 挠度测试之需 )
加载过程模型加载分为两个阶段 : 第一阶段 : 标准加载 14kg( 七张地板 ) (1) 先加第一级, 三张胶垫 (2kg/ 张, 共 6kg) 逐张加载, 并记录指定点挠度值 ; (2) 再加第二级, 四张胶垫 (2kg/ 张, 共 8kg) 逐张加载, 测试并记录指定点挠度值 第一阶段加载时的允许挠度为 [w]=4.0mm
课程设计 3: 三重檐攒尖顶仿古楼阁模型制作与测试
2 模型要求
3 模型整体组装及门窗洞口要求
4 模型内部净空要求
5 水平构件布置要求
加载过程模型所加配重为铜条与铜球, 铜条截面宽 * 高的尺寸均为 13mm*10mm, 并以宽度为 13mm 的面与结构相粘结 ; 铜球直径为 25mm 第一 二层屋檐配重质量分别为 2.4kg 和 1.8kg, 第三层屋盖配重总质量为 4.0kg 结构模型采用第二代改进型 WS-Z30 小型精密振动台系统进行模拟水平地震作用的加载, 考察模型承载力 振动台系统的主要组成部分及相关参数信息如下 : 工作频率 :0.5~3000Hz, 最大位移 :±8mm, 激振力 : 500N
预应力混凝土的概念和计算 重点 : 预应力混凝土的概念及其优点 ; 预加应力的方法和设备 ; 预应力混凝土结构的材料要求 ; 预应力混凝土受弯构件的计算和设计
1 概述 普通钢筋混凝土的缺点 1 混凝土的抗拉强度和极限拉应变很小: 混凝土临近拉裂时, 受拉钢筋应力 σ s =20 ~30Mpa, 钢筋利用不充分 对某些不允许开裂的结构如水池 油罐 恶劣环境下的结构是不适应的
1 概述 普通钢筋砼的缺点 2 大跨度结构时, 为满足构件强度 变形 裂缝控制的要求, 需加大截面尺寸, 使构件自重进一步增大, 造成安装困难, 材料浪费, 或造型不协调 3 当采用高强钢筋 高强混凝土时, 由于裂缝宽度控制在 0.2mm, 而高强钢筋的弹性模量与普通钢筋相当, 高强材料的优势无法体现 结论 : 由于普通钢筋混凝土结构无法改善构件使用性能, 也无法有效利用高强材料, 有必要发展一种新的工艺方法 预应力混凝土结构
木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力 当桶中盛水后, 水压引起的拉应力小于预加压应力时, 桶就不会漏水 从书架上取下一叠书, 由于受到双手施加的压力, 这一叠书就如同一横梁, 可以承担全部书的重量
二 预应力的基本概念 e p N p pc 2 h I e N A N p p p pc c 2 h I M c pc c b ) 2 ( 2 h I e N A N h I M p p p b
c pc pc 较大, 全截面处于受压状态, 不会开裂 ; 称全预应力混凝土 0 0 c 有小于混凝土抗拉强度的拉应力作用, 一般不会开裂 ; 称有限预应力混凝土 pc f tk 拉应力超过混凝土的抗拉强度, c pc f 会产生裂缝, 称部分预应力混凝土 tk
1 概述 预应力混凝土结构基本原理 对混凝土或钢筋混凝土梁的受拉区预先施加压应力, 这种应力的大小和分布规律, 能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力, 因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂, 或推迟开裂, 或者使裂缝宽度减小 即, 由于预压力的存在避免混凝土开裂, 使梁全截面参与工作, 改善了梁中混凝土的抗拉性能, 并且达到充分利用高强钢材性能的目的
1 概述 预应力砼结构优点 a. 节省材料, 减轻自重, 增加跨越能力 b. 提高构件的抗裂性 增加截面刚度 c. 可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力 d. 预加力还可以作为结构构件的连接手段, 促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展
1 概述 预应力混凝土结构缺点 a. 预应力损失 : 最主要的问题是在使用阶段如何保持有效预应力不至于降低到最小 b. 技术要求高 : 需要有一定的专门设备和配备一支技术熟练的专业队伍 c. 预应力反拱度不易控制 N p N p
1 概述 预应力混凝土结构应用 1. 大跨度结构 ( 大跨度桥梁 ); 2. 特种结构 ( 防漏 防渗和压力容器 ); 3. 对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件 4. 除在桥梁工程采用外, 路基边坡治理 库岸斜坡治理中也广泛应用 ( 如预应力锚杆 预应力锚索 )
1 概述 预应力混凝土发展历史 1. 发展历史 1866 年, 美国工程师 Jackson 首先将预应力技术应用于混凝土结构 美国 Steiner,Dill 等对预应力技术的尝试均没有成功 主要原因 : 预应力筋强度太低, 张拉应力不大, 由于预应力损失造成有效预应力几乎消失
1 概述 预应力混凝土发展历史 1928 年法国工程师 Freyssinet( 弗莱西奈特 ) 提出 : 预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土 这是预应力混凝土在理论上的关键突破 Freyssinet 成为现代预应力之父 1938 年德国 Hoyer 研究成功先张法预应力工艺 美国华裔林同炎 (T.Y.Lin) 发明预应力结构分析的等效荷载法, 将现代预应力结构推上了设计舞台 林同炎被称为预应力先生 我国房屋建筑首先应用于预应力混凝土屋架, 再逐步应用于预制混凝土构件, 现在已在大跨度混凝土结构中大量应用
1 概述 预应力度 公路桥规 将预应力度 (λ) 定义为由预加应力大小 确定的消压弯矩 M O 与外荷载产生的弯矩 M 的比值, 即 λ=m 0 /M s 式中 :λ 预应力度 ; M 0 消压弯矩 构件抗裂边缘预压应力抵消到零时的弯矩 M s 按作用 ( 或荷载 ) 短期效应组合计算的弯矩
1 概述 预应力混凝土的分类
2 预应力张拉方法 先张法
a) 张拉台座 预应力筋 伸长 b) 混凝土 Np 临时锚固 c) 压缩 压缩 图 12-2 先张法工艺流程示意图 a) 预应力钢筋就位, 准备张拉 b) 张拉并锚固, 浇筑构件混凝土 c) 松锚, 预应力钢筋回缩, 制成预应力混凝土构件
pc p pc 适用工厂化生产的中小型构件 传递长度 l tr
2 预应力张拉方法 后张法 后张法 浇混凝土构件, 并在构件中预留孔道 在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉 依靠工作锚具来传递和保持预加应力 锚固灌浆
2 预应力张拉方法 后张法
2 预应力张拉方法 后张法
pc p 锚具下混凝土局部承压问题 适用于运输 安装不便的大 中型构件
2 预应力结构 锚具
2 预应力锚具 钢筋螺纹锚 1 承压型锚具 钢筋螺纹锚 : 利用螺帽 垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部 a) 锚固板 b) 螺帽 灌浆排气 波纹套管 粗钢筋 锚固螺母 圆垫圈 钢垫板 螺旋筋 预留孔道 钢筋 梁体 排气槽
2 预应力锚具 钢筋螺纹锚 特点 : 属于自承式锚具, 操作简单, 受力可靠, 滑移量小 缺点 : 下料长度精度要求高, 不可多根锚固 适用于较短的预应力构件及直线预应构件
2 预应力锚具 墩头锚锚具 垫板 锚圈 ( 螺帽 ) 钢丝镦头 预留孔道 锚杯 锚杯 接千斤顶 锚圈 ( 螺帽 ) 穿束方向 孔道长度 L 钢丝镦头压浆孔 预留孔道扩口 固定端 张拉端 墩头锚工作示意图
2 预应力锚具 墩头锚具 2 承压形锚具 墩头锚具 镦头锚具 : 利用钢丝的镦粗头来锚固预应力钢丝的一种支承式锚具 用途 : 主要用于锚固钢丝束, 锚固 5mm 和 7mm 组成 :(1) 锚杯 (2) 锚圈 (3) 冷镦头 工作原理 : 借镦头直接承压将钢丝锚固于锚杯上 优点 :(1) 可靠 ( 不滑丝 ) (2) 预应力损失小 (3) 工序简单 缺点 : (1) 如张拉吨位过大, 钢丝数很多, 施工麻烦 ; (2) 对钢丝的下料长度要求很精确,
2 预应力锚具 墩头锚 镦头锚及镦头器 镦头锚具 高强钢丝组装件
2 预应力锚具 锥形锚 3 摩擦型锚具 锥形锚 钢丝通过摩擦力将预拉力传给锚环, 锚环通过承压板将预应力传给混凝土用途 : 可以用到固定端, 也可以用于张拉端缺点 : 滑移量大 每根钢丝应力有差异
2 预应力锚具 夹片锚 4 夹片锚用途 : 锚固钢绞线之用, 锚固由 (1~55) 根不等的 φs 15.2 mm 或 φs 12.7mm 钢绞线所组成的预应力钢束 组成 : 夹片 ; 锚板 ; 锚垫板优点 :(1) 锚固吨位大 ;(2) 各根钢绞线均为单独工作,1 根钢绞线锚固失效也不会影响全锚 缺点 : 因锚板锥孔布置的需要, 必须扩孔
工作锚夹板 铸铁喇叭管 锚板锥孔 螺旋筋 铸铁喇叭管 工作锚接片 钢绞线 Np Ncon 波纹管
预应力筋的连接器 : 单孔连接器
多孔连接器 扁型锚具连接器
多孔连接器及配套护筒
2 预应力锚具 其它设备 张拉设备 千斤顶 制孔器 穿索机 灌孔水泥浆及压浆机 张拉台座
两种千斤顶
1 制孔器 : 后张法构件的预留孔道是由制孔器来形成的 预应力波纹管 波纹管机
预应力穿索机 2 穿索机对于大跨桥梁, 有的预应力钢筋很长, 人工穿束十分吃力, 故采用穿索 ( 束 ) 机 (1) 液压式 (2) 电动式
预应力灌浆机 3 灌孔水泥浆及压浆机 1) 水泥浆作用 : 避免力筋锈蚀和锚具松动, 并使力筋与梁体混凝土结合为整体配合比 : 水灰比 0.40~0.45; 适量的减小剂强度等级 : 不低于构件混凝土等级的 80%; 30MPa 2) 压浆机它主要由灰浆搅拌桶 贮浆桶和压送灰浆的灰浆泵以及供水系统组成
张拉台座 采用先张法生产预应力混凝土构件时, 需设置用作张拉和临时锚固预应力钢筋的张拉台座 设计时应保证它具有足够的强度 刚度 稳定性
3 预应力混凝土结构材料 混凝土 强度高 减小构件截面尺寸, 充分发挥钢筋的抗拉强度 ; 收缩 徐变小 以减小因收缩 徐变引起的预应力损失 ; 快硬 早强 可尽早施加预应力, 加快台座 锚具 夹具的周转率 混凝土的配制要求与措施 : 严格控制水灰比 ; 注意选用高标号水泥并宜控制水泥用量 ; 选用优质活性掺合料 ;d. 加强振捣与养护 预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于 C40
3 预应力混凝土结构材料 钢材 强度高 具有一定的塑性 (1) 对钢材的要求 : 良好的加工性能 与混凝土之间有较好的粘结强度 低松弛 耐腐蚀
3 预应力混凝土结构材料 钢材 (2) 钢材的种类 : 钢筋 钢丝 冷拉低合金钢筋 热处理钢筋 冷拔低碳钢丝 ( 常见直径为 5mm 4mm 和 3mm) 高强钢丝 ( 碳素钢丝, 刻痕钢丝 ), 直径 4~5mm 钢绞线 ( 一般由七股 φ3 φ4 或 φ5 的高强钢丝捻制而成 )
3 预应力混凝土结构材料 钢绞线 钢绞线 钢绞线是用 2 3 7 股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋, 其中以 7 股钢绞线应用最多 7 股钢绞线的公称直径为 9.5~15.2 mm, 通常用于无粘结预应力筋, 强度可高达 1860MPa 2 股和 3 股钢绞线用途不广, 仅用于某些先张法构件, 以提高与混凝土的粘结强度
3 预应力混凝土结构材料 钢绞线 无粘结预应力束
3 预应力混凝土结构材料 高强度钢线 高强度钢丝是采用优质碳素钢盘条, 经过几次冷拔后得到 高强钢丝的强度为 1470~1860MPa 钢丝直径为 3~9mm 为增加与混凝土粘结强度, 钢丝表面可采用 刻痕 或 压波, 也可制成螺旋肋 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝
3 预应力混凝土结构材料 精轧螺纹钢筋 为解决粗直径钢筋的连接问题, 钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹, 可用套筒直接连接 但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产, 这种预应力筋的应用已很少
4 预应力混凝土结构三种概念 预加应力的目的是将混凝土变成弹性材料 预加应力的目的是使高强度筋和混凝土能够共同工作 预加应力的目的是实现荷载平衡