混凝土结构原理chapter09

1、第八章 预应力混凝土构件设计,8.1 预应力混凝土的基本知识 钢筋混凝土构件的最大缺点是抗裂性能差。 混凝土开裂，使构件的刚度降低，变形增大。裂缝的存在使构件不适用于高湿度及侵蚀性环境。为了满足对变形和裂缝控制的较高要求，可以加大构件截面尺寸和用钢量，但这不经济。由于自重太大时，构件所能承受的自重以外的有效荷载减小，因而特别不适用于大跨度、重荷载的结构。,另外，提高混凝土强度等级和钢筋强度对改善构件的抗裂和变形性能效果也不大，这是因为采用高强度等级的混凝土，其抗拉强度提高很少；对于使用时允许裂缝宽度为0.20.3mm的构件，受拉钢筋应力只能达到150250Ma左右。 预应力混凝土是改善构件抗裂性能的有效途径。在混凝土构件承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力。就成为预应力混凝土结构。,将图(b)，(c)迭加得梁跨中截面应力分布如图8-1d。显然，通过人为控制预压力Np的大小可使梁截面受拉边缘混凝土产生压应力,零应力或很小的拉应力，以满足不同的裂缝控制要求，从而改变了普通钢筋混凝土构件原有的裂缝状态成为预应力混凝土受弯构件。,根据制作、设计和施工的特点，预应力混凝土可以有不同的分类。1

2、.先张法与后张法。先张法是制作预应力混凝土构件时，先张拉预应力钢筋后浇灌混凝土的一种方法。而后张法是先浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度后再张拉预应力钢筋的一种项加应力方法。2.全预应力和部分预应力全预应力是在使用荷载作用下构件截面混凝土不出现故应力，即为全截面受压。部分预应力在使用荷载作用下构件截面混凝土允许出现拉应力或开裂。,8.1.2 预应力混凝土的分类,部分预应力又分为A、B两类，A类混凝土正截面的拉应力不超过规定的容许值，B类在构件预压区混凝土正截面的拉应力允许超过规定的限值，但当裂缝出现时，其宽度不超过容许值。3.有粘结预应力与无粘结预应力有粘结预应力是指沿预应力筋全长其周围均与混凝土粘结、握裹住一起的预应力混凝土构件、先张预应力结构及预留孔道穿筋压浆的后张预应力结构均属此类。无粘结预应力，预应力筋伸缩、滑动自由，不与周围混凝土粘结的预应力混凝土结构、这种结构的预应力筋表面涂有防锈材料外套防老化的塑料管防止与混凝土粘结。无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合 。,1.先张法通常通过机械张拉钢筋给混凝土施加预应力。可采用台座长线张拉或钢模短线张拉。其基本工序为在台座(

3、或钢模)上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力并用夹具临时固定如图8-2a，b；支模并浇灌混凝土如图8-2c；养护混凝土(一般为蒸汽养护)至其达设计强度的75以上时切断预应力钢筋如图8-2d。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大批制作中小型构件，如预应力混凝土楼板屋面板梁等。,8.1.3 施加预应力的方法,2.后张法后张法的基本工序：(1)浇注混凝土制作构件时，并预留孔道，如图8-3a；养护混凝土到规定强度值；在孔道中穿筋，并在构件上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，如图8-3b ；张拉端用锚具锚住预应力钢筋，并在孔道内力灌浆，如图8-3c ；后张法构件是依靠其两端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。,锚具是预应力混凝土构件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

4、、节约钢材及制作简单。锚具的种类繁多，按其构造形式及锚固原理，可以分为三种基本类型。,对于水管、贮水池等原形构件，可以用张拉机将拉紧的钢丝缠绕在管壁的外围，对其施加预压应力，锚固后再在其上喷一层水泥浆以保护预应力钢丝。,8.1.4 锚 具,1.锚块锚塞型这种锚具(图8-4)由锚块和锚塞两部分组成，其中锚块形式有锚板、锚圈、锚筒等，根据所锚钢筋的根数，锚塞也可分成若干片。锚块内的孔洞以及锚塞做成楔形或锥形，预应力钢筋回缩时受到挤压而被锚住。这种锚具通常用于预应力钢筋的张拉端，但也可用于固定端。锚块置于台座、钢模上(先张法)或构件上(后张法)，用于固定端时，在张拉过程中锚塞即就位挤紧；而用于张拉端时，钢筋张拉完毕才将锚塞挤紧。图8-4a，b的锚具通常用于先张法，用于锚固单根钢丝或钢绞线，分别称为楔形锚具及锥形锚具。图8-4c也是一种锥形锚具，用来锚固后张法构件中的钢丝束(双层)。图8-4d称为JM12型锚具，有多种规格，适用于36根直径为12mm的热处理钢筋以及56根7股4mm钢丝的钢绞线(直径d-12mm)所组成的钢绞线束，通常用于后张法构件。,2.螺杆螺帽型图8-5为两种常用的螺杆螺帽

5、型锚具，图8-5a用于粗钢筋，图8-5b用于钢丝束。前者由螺杆、螺帽、垫板组成，螺杆焊于预应力钢筋的端部。后者由锥形螺杆、套筒、螺帽、垫板组成，通过套筒紧紧地将钢丝束与锥形螺杆挤压成一体。预应力钢筋或钢丝束张拉完毕时，旋紧螺帽使其锚固。有时因螺杆中螺纹长度不够或预应力钢筋伸长过大，则需在螺帽下增放后加垫板，以便能旋紧螺帽。螺杆螺帽型锚具通常用于后张法构件的张拉端，对于先张法构件或后张法构件的固定端同样也可应用。,3.墩头型锚具图8-6为两种激头型锚具，图8-6a用于预应力钢筋的张拉端，图8-6b用于预应力钢筋的固定端，通常为后张法构件的钢丝束所采用。对于先张法构件的单根预应力钢丝，在固定端有时也采用，即将钢丝的一端墩粗，将钢丝穿过台座或钢模上的锚孔，在另一端进行张拉。,1.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。非预应力钢筋的选用与钢筋混凝土结构中的钢筋相同。预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝及热处理钢筋。此外，预应力钢筋还应具有一定的塑性、良好的可焊性以及用于先张法构件时与混凝土有足够的粘结力。2.混凝土预应力混凝土结构中，混凝土强度等级越高，能够承受的预压

6、应力也越高；同时，采用高强度等级的混凝土与高强钢筋相配合，可以获得较经济的构件截面尺寸；另外，高强度等级的混凝土与钢筋的粘结力也高，这一点对依靠粘结传递预应力的先张法构件尤为重要。,8.1.5 预应力混凝土的材料,因此，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于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低于C40。预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，有如下特点： 1.提高了构件的抗裂能力因为承受外荷载之前预应力混凝土构件的受拉区已有预压应力存在，所以在外荷载作用下，只有当混凝土的预压应力被全部抵消转而受拉且拉应变超过混凝土的极限拉应变时，构件才会开裂。2.增大了构件的刚度因为预应力混凝土构件正常使用时，在荷载效应标准组合下可能不开裂或只有很小的裂缝，混凝土基本上处于弹性阶段工作，因而构件的刚度比普通钢筋混凝土构件有所增大。,3.充分利用高强度材料如前所述，普通钢筋混凝土构件不能充分利用高强度材料。而预应力混凝土构件中，预应力钢筋先被预拉，而后在外荷载作用下钢筋拉应力进一步增大，因而始终处于高拉应力状态，即能够有效利用高强度钢筋；而且钢筋的强度高，可以减小所需要

7、的钢筋截面面积。与此同时，应该尽可能采用高强度等级的混凝土，以便与高强度钢筋相配合，获得较经济的构件截面尺寸。 4.扩大了构件的应用范围由于预应力混凝土改善了构件的抗裂性能，因而可用于有防水、抗渗透及抗腐蚀要求的环境；采用高强度材料，结构轻巧，刚度大、变形小，可用于大跨度、重荷载及承受反复荷载的结构。,8.2预应力混凝土构件设计的一般规定,8.2.1 张拉控制应力con张拉控制应力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，以con表示。对于如钢制锥形锚具等一些因锚具构造影响而存在(锚圈口)摩阻力的锚具，con指经过锚具、扣除此摩阻力后的(锚下)应力值。因此，con是指张拉预应力筋时的锚下张拉控制应力。con是施工时张拉预应力钢筋的依据，其取值应适当。当构件截面尺寸及配筋量一定时，con越大，在构件受拉区建立的混凝土预压应力也越大，则构件使用时的抗裂度也越高。,但是，若con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；

8、(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，con过大，还会增大预应力钢筋的松弛损失(见后)。综上所述，对con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con也不能过小，即con也应有下限值。根据国内外设计与施工的经验以及近年来的科研成果，混凝土规范按不同钢种及不同施加预应力方法，规定预应力钢筋的张拉控制应力值con不宜超过表8-1规定的张拉控制应力限值，且不应小于0.4fptk。,注：fptk为预应力钢筋强度标准值。当符合下列情况之一时，表8-1中的张拉控制应力限值可提高0.05fptk：要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区(即预拉区)内设置的预应力钢筋；要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。,将预应力钢筋张拉到控制应力con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。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力。1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1（1）直线预应力筋的l1（先张法和后张法都存在）产生

9、l1原因： 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，钢筋、钢丝、钢绞线在锚具内的滑移。都使得被拉紧的预应力钢筋松动缩短从而引起预应力损失。 预应力直线钢筋由于锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失值l1应按下列公式计算,8.2.2预应力损失,l1 = Es / l (8-1) 式中 张拉端锚具变形和钢筋内缩值，mm，可按表8-2采用；,l张拉端至锚固端之间的距离，mm； Es预应力钢筋的弹性模量。 公式(8-1)中，a越小或l越大，则l1越小。 减小l1的措施 （1）尽量少用垫板，因为每增加一块垫板，a值就增 加1mm； （2）先张法采用长线台座张拉时l1较小； （3）后张法中构件长度越大，则l1越小。后张法构件中，常采用两端张拉，预应力钢筋 的锚固端应为构件长度的中点，即公式(8-1)中的l应取构件长度的一半。,（2）后张法构件预应力曲线钢筋或折线钢筋的l1应根据预应力曲线钢筋或折线钢筋与孔道壁之间反向摩擦(与张拉钢筋时，预应力钢筋和孔道壁间的摩擦力方向相反)影响长度lf范围内的预应力钢筋变形值等于锚具变形和预应力钢筋内缩值的条

10、件确定。,对于通常采用的抛物线形预应力钢筋可近似按圆弧形曲线预应力钢筋考虑。当其对应的圆心角30时(图8-7)，由于锚具变形和钢筋内缩，在反向摩擦影响长度范围内的预应力损失值l1；可按下列公式计算,（8-2）,反向摩擦影响长度lf(单位为m)可按下列公式计算,（8-3）,式中： rc圆弧形曲线预应力钢筋的曲率半径，m； 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数，按表8-3采用； 考虑孔道每m局部偏差的摩擦系数，按表8-3采用； x张拉端至计算截面的距离，m，这里0xlf； a张拉端锚具变形和钢筋内缩值，mm，按表8-2采用； Es预应力钢筋弹性模量。,2.后张法中预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失l2。后张法预应力钢筋的预留孔道有直线形和曲线形。产生l2的原因：由于孔道的制作偏差、孔道壁粗糙等原因，张拉预应力筋时，钢筋将与孔壁发生接触摩擦而造成。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，记以l2.。摩擦力分为曲率效应和长度效应两部分：曲率效应：孔道弯曲使预应力钢筋与孔壁混凝土之间相互挤压而产生的摩擦力，其大小与挤压力成正比； 长度效应：孔道制作偏差或孔道偏摆使预应力钢筋与孔壁混凝土之间产生的接触摩擦力(即使直线孔道也存在)，其大小与钢筋的拉力及长度成正比。预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失l2的计算公式,

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