预应力混凝土构件2

第9章 预应力混凝土构件1§9.1 预应力混凝土的基本概念一.预应力混凝土的概念1.概念：在混凝土构件使用（承受使用荷载）以前预先施加作用使之产生的应力（如压应力）与使用荷载产生的应力（如拉应力）方向相反，从而抵消部分或全部荷载产生的应力（如拉应力）；2.意义：（1）提高混凝土构件的抗裂性能和刚度；（2）充分利用高强材料、降低构件自重。3.使用范围：裂缝控制等级要求高、大跨度、挠度控制要求高2二.预应力混凝土的分类1.我国规范对预应力混凝土分类的原则：根据裂缝控制程度划分；2.我国规范对预应力混凝土的具体分类（1）裂缝控制等级为一级：严格要求不出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区不允许出现拉应力；（2）裂缝控制等级为二级：一般要求不出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区允许出现小于混凝土抗拉强度的拉应力；（3）裂缝控制等级为三级：允许出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区允许出现小于规定的混凝土最大裂缝宽度的的裂缝。3三 预应力混凝土的特点预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，有如下特点：提高了构件的抗裂能力增大了构件的刚度充分利用高强度材料扩大了构件的应用范围预应力混凝土具有施工工序多、对施工技术要求高，且需要张拉设备、锚夹具及劳动力费用高等特点，因此特别适用于普通钢筋混凝土构件力不能及的情形（如有防水、抗渗要求者或大跨度及重荷载结构）。 49.2 施加预应力的方法 通常通过机械张拉钢筋给混凝土施加预应力。按照施工工艺的不同，可分为先张法和后张法两种。先张法先张法在浇灌混凝土之前张拉预应力钢筋，故称为先张法。可采用台座长线张拉或钢模短线张拉。先张法构件是通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力的。此方法适用于在预制厂大批制作中、小型构件，如预应力混凝土楼板、屋面板、梁等。 5后张法 后张法在浇灌混凝土并结硬之后张拉预应力钢筋，故称为后张法。后张法构件是依靠其两端的锚具锚住预应力钢筋并传递预应力的。因此，这样的锚具是构件的一部分，是永久性的，不能重复使用。此方法适用于在施工现场制作大型构件，如预应力屋架、吊车梁、大跨度桥梁等。 63 锚具锚具是锚固预应力筋的装置，它对在构件中建立有效预应力起着至关重要的作用。先张法构件中的锚具可重复使用，也称夹具或工作锚；后张法构件依靠锚具传递预应力，锚具也是构件的组成部分，不能重复使用。对锚具的要求是：安全可靠，使用有效、节约钢材及制作简单。锚具按其构造形式及锚固原理，可以分为三种基本类型：锚块锚塞型锚具；螺杆螺帽型锚具；镦头型锚具。79.3 预应力混凝土的材料钢筋钢筋预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋和非预应力钢筋。非预应力钢筋宜宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用RRB400级钢筋。由于通过张拉预应力钢筋给混凝土施加预压应力，因此预应力钢筋首先必须具有很高的强度，才能有效提高构件的抗裂能力。规范规定，预应力钢筋宜宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝及热处理钢筋。混凝土混凝土规范规定，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应不应低于C30；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜不宜低于C40。 89.4.1 张拉控制应力concon张拉控制应力（controlling stress）是指张拉预应力钢筋时，张拉设备的测力仪表所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值。con是施工时张拉预应力钢筋的依据，其取值应适当。若过大，则会产生如下问题：（1）个别钢筋可能被拉断；（2）施工阶段可能会引起构件某些部位受到拉力（称为预拉区）甚至开裂，还可能使后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏；（3）使开裂荷载与破坏荷载相近，一旦裂缝，将很快破坏，即可能产生无预兆的脆性破坏。另外，还会增大预应力钢筋的松弛损失。因而对张拉控制应力应规定上限值。同时，为了保证构件中建立必要的有效预应力，张拉控制应力取值也不能过小，即也应有下限值。 9钢钢筋种类类张张拉方法 先张张法后张张法 消除应应力钢丝钢丝 、钢绞钢绞 线线0.75热处热处 理钢钢筋0.70.65混凝土规范规定预应力钢筋的张拉控制应力值不宜不宜超过下表规定的张拉控制应力限值，且不应不应小于0.4 fptk 。张拉控制应力限值109.4.2 预应力损失将预应力钢筋张拉到控制应力后，由于种种原因，其拉应力值将逐渐下降到一定程度，即存在预应力损失预应力损失。经损失后预应力钢筋的应力才会在混凝土中建立相应的有效预应有效预应力力。下面分项讨论引起预应力损失的原因、损失值的计算以及减少预应力损失的措施。 11张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失无论先张法临时固定预应力钢筋还是后张法张拉完毕锚固预应力钢筋时，在张拉端由于锚具的压缩变形，锚具与垫板之间、垫板与垫板之 间、垫板与构件之间的所有缝隙被挤紧，或由于钢筋、钢丝、钢绞线在 锚具内的滑移，使得被拉紧的预应力钢筋松动缩短从而引起预应力损失 。预应力直线钢筋锚具变形损失应按下列公式计算： 为了减小锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失，应尽量少用垫板；先张法采用长线台座张拉时损失较小；而后张法中构件长度越大则损失越小。 12后张法由于孔道的制作偏差、孔道壁粗糙以及钢筋与孔壁的挤压等原因，张拉预应力筋时，钢筋将与孔壁发生摩擦（friction）。距离张拉端越远，摩擦阻力的累积值越大，从而使构件每一截面上预应力钢筋的拉应力值逐渐减小，这种预应力值差额称为摩擦损失摩擦损失。预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失的计算公式如下： 为了减小摩擦损失，对于较长的构件可采用一端张拉另一端补拉，或两端同时张拉，也可采用超张拉。超张拉程序为 。13混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失的温差引起的预应力损失制作先张法构件时，为了缩短生产周期，常采用蒸汽养护，促使混凝土快硬。由于预应力钢筋与台座间形成温差，产生的预应力损失，按下式计算：式中， 以N/mm2计，为预应力钢筋与台座间的温差，以 计。通常采用两阶段升温养护两阶段升温养护来减小温差损失：先升温2025 ，待混凝土强度达到7.510N/mm2后，混凝土与预应力钢筋之间已具有足够的粘结力而结成整体；当再次升温时，二者可共同变形，不再引起预应力损失。因此，计算时取 。14预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失应力松弛应力松弛（stress relaxation）是指钢筋受力后，在长度不变的条件下，钢筋应力随时间的增长而降低的现象。 预应力钢丝、钢绞线： 普通松弛低松弛热处理钢筋：可以采用超张拉超张拉的方法减小松弛损失。15混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失混凝土在空气中结硬时体积收缩（shrinkage），而在预压力作用下，混凝土沿压力方向又发生徐变（creep）。收缩、徐变都导致预应力混凝土构件的长度缩短，预应力钢筋也随之回缩，产生预应力损失。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 、 （N/mm2）可按下列方法确定： 先张法：后张法：所有能减少混凝土收缩徐变的措施，相应地都将减少 。16用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，由于混凝土用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失的局部挤压引起的预应力损失对水管、蓄水池等圆形结构物，可采用后张法施加预应力。把钢筋张拉完毕锚固后，由于张紧的预应力钢筋挤压混凝土，钢筋处构件的直径减小,一圈内钢筋的周长减小，预拉应力下降，即产生了预应力损失。规范规定：当构件直径d3m时， N/mm2；当构件直径d>3m时， 。 17预应预应预应预应 力力损损损损失的分失的分阶阶阶阶段段组组组组合合不同的施加预应预应 力方法，产产生的预应预应 力损损失也不相同。一般地，先张张法构件的预应预应 力损损失有 ；而后张张法构件有 （当为环为环 形构件时还时还 有 ）。 在实际计算中，以“预压”为界，把预应力损失分成两批。各阶段预应力损失值的组合预应预应 力损损失值值的组组合先张张法构件后张张法构件混凝土预压预压 前 (第一批)的损损失混凝土预压预压 后 (第二批)的损损失18考虑到预应力损失计算值与实际值的差异，并为了保证预应力混凝土构件具有足够的抗裂度，应对预应力总损失值做最低限值的规定。规范规定，当计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，应按下列数值取用：先张法构件 100N/mm2； 后张法构件 80N/mm2。 199.5 预应力混凝土轴心受拉构件1. 先张法构件各阶段的应力分析施工阶段-放松钢筋pcI201. 先张法构件各阶段的应力分析施工阶段-完成第二批损失pcII混凝土中的有效预压应力211. 先张法构件各阶段的应力分析加载阶段-加载至混凝土中的应力为0c=0Np0221. 先张法构件各阶段的应力分析加载阶段-加载至混凝土开裂ftNcr231. 先张法构件各阶段的应力分析加载阶段-加载到破坏Nu242. 后张法构件各阶段的应力分析施工阶段-张拉钢筋完成第一批预 应力损失pcIpcI252. 后张法构件各阶段的应力分析施工阶段-完成第二批损失混凝土中的有效预压应力pcIIpcII262. 后张法构件各阶段的应力分析加载阶段-加载至混凝土中的应力为0c=0Np0Np0272. 后张法构件各阶段的应力分析加载阶段-加载至混凝土开裂NcrftftNcr282. 后张法构件各阶段的应力分析加载阶段-加载到破坏NuNu299.5.29.5.2 预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算 为了保证预应力混凝土轴心受拉构件，除要进行构件使用阶段的承载力计算和裂缝控制验算外，还应进行施工阶段（制作、运输、安装）的承载力验算，以及后张法构件端部混凝土的局部受压验算。1 使用阶段正截面承载力计算目的是保证构件在使用阶段具有足够的安全性。因属于承载能力极限状态的计算，故荷载效应及材料强度均采用设计值。计算公式如下 302 使用阶段正截面裂缝控制验算预应力混凝土轴心受拉构件，应按所处环境类别和结构类别选用相应的裂缝控制等级，并按下列规定进行混凝土拉应力或正截面裂缝宽度验算。由于属正常使用极限状态的验算，因而须采用荷载效应的标准组合或准永久组合，且材料强度采用标准值。一级一级严格要求不出现裂缝的构件严格要求不出现裂缝的构件在荷载效应的标准组合下应符合下列规定：31二级二级一般要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件应同时满足如下两个条件：在荷载效应的标准组合下应符合下列规定：在荷载效应的准永久组合下宜符合下列规定：32三级三级允许出现裂缝的构件允许出现裂缝的构件按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度，应符合下列规定：33施工阶段后张法构件端部局部受压承载力计算 后张法构件端部锚固区的应力状态 构件端部截面尺寸验算构件端部截面尺寸验算 34构件端部局部受压承载力验算构件端部局部受压承载力验算当配置方格网式或螺旋式间接钢筋且其核心（core）面积 时，局部受压承载力应按下列公式计算： 当为方格网式配筋时，其体积配筋率应按下列公式计算：当为螺旋式配筋时，其体积配筋率应按下列公式计算： 35施工阶段混凝土压应力验算为了保证预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段（主要是制