第10章 预应力混凝土构件—周勇

混凝土结构设计原理,第10章预应力混凝土构件,制作人：周勇,本章重点,10.1,预应力混凝土的基本概念,10.1.1预应力混凝土的原理,普通混凝土的缺点：,1.预应力混凝土的基本原理,钢筋混凝土受拉与受弯等构件，由于混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低，所以在使用荷载作用下，通常是带裂缝工作的。因而对使用上不允许开裂的构件，不能充分利用受拉钢筋的强度。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。,在使用荷载下带裂缝工作，影响使用功能、耐久、刚度和抗疲劳性。,难以利用高强度钢筋。与wmax对应的s=200N/mm2。而高强钢丝、钢绞线强度可达1800N/mm2以上。,因而，钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能发挥其作用的。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也不大。,预应力混凝土的基本原理：,预应力混凝土结构就是构件在承受外荷载之前，人为地预先通过张拉钢筋对结构使用阶段产生拉应力的混凝土区域施加压力，构件承受外荷载后，此项预压应力将抵消一部分或全部由外荷载所引起的拉应力；从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展。,预应力混凝土结构受力示意图,2.预应力混凝土构件的受力特征,提高了构件的抗裂性；,预应力的大小可根据需要调整；,在使用荷载下，预应力混凝土构件基本处于弹性工作阶段(未裂)。,施加预应力对构件的正截面承载力无明显影响。,日常生活中有许多应用预应力的例子。,3.预应力混凝土的优、缺点,预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比，其主要优点是：提高构件的抗裂度，改善了构件的受力性能。因此适用于对裂缝要求严格的结构；由于采用了高强度混凝土和钢筋，从而节省材料和减轻结构自重，因此适用于跨度大或承受重型荷载的构件；提高了构件的刚度，减少构件的变形，因此适用于对构件的刚度和变形控制较高的结构构件；提高了结构或构件的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。预应力混凝土结构的缺点是需要增设施加预应力的设备，制作技术要求较高，施工周期较长。,10.1.2预应力混凝土的分类,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：,按照使用荷载下对截面拉应力控制要求的不同，预应力混凝土结构构件可分为三种：全预应力混凝土全预应力混全凝土是指在各种使用荷载组合下构件截面上均不允许出现拉应力的预应力混凝土构件。大致相当于裂缝控制等级为一级的构件。有限预应力混凝土有限预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许混凝土承受某一规定拉应力值，但在长期荷载作用下，混凝土不得受拉的要求设计。相当于裂缝控制等级为二级的构件。部分预应力混凝土部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许出现裂缝，但最大裂宽不超过允许值的要求设计。相当于裂缝控制等级为三级的构件。,全预应力混凝土构件具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大等优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配筋量大，施加预应力工艺复杂、费用高等主要缺点。因此适当降低预应力，做成有限或部分预应力混凝土构件，即克服了上述全预应力的缺点，同时又可以用预应力改善钢筋混凝土构件的受力性能。有限或部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间，有很大的选择范围，设计者可根据结构的功能要求和环境条件，选用不同的预应力值以控制构件在使用条件下的变形和裂缝，并在破坏前具有必要的延性，因而是当前预应力混凝土结构的一个主要发展趋势。,10.1.3张拉预应力筋的方法,1.先张法,张拉钢筋支模、浇混凝土混凝土达到一定强度剪钢筋产生预应力,浇混凝，预留孔道达到强度，穿筋张拉钢筋，锚固产生预应力孔道灌浆,2.后张法,先张法：先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递。但是这种力的传递：过程，需要经过一段传递长度ltr才能完成。后张法：后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递。,先张法、后张法有各自适用范围和优、缺点。,无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合。,10.1.4预应力混凝土材料,（1）预应力混凝土结构对混凝土的要求强度高预应力混凝土只有采用较高强度的混凝土，才能建立起较高的预压应力，并可减少构件截面尺寸，减轻结构自重。对先张法构件，采用较高强度的混凝土可以提高黏结强度，对后张法构件，则可承受构件端部强大的预压力；收缩、徐变小这样可以减少由于收缩、徐变引起的预应力损失；快硬、早强这样可以尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率，以利加快施工进度，降低间接费用。混凝土：一般要求混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。,（2）预应力混凝土结构对钢筋的要求,高强度预应力混凝土构件在制作和使用过程中，由于种种原因，会出现各种预应力损失，为了在扣除预应力损失后，仍然能使混凝土建立起较高的预应力值，需采用较高的张拉应力，因此预应力钢筋必须采用高强钢筋（丝）；具有一定的塑性为防止发生脆性破坏，要求预应方钢筋在拉断时，具有一定的伸长率；良好的加工性能即要求钢筋有良好的可焊性，以及钢筋“镦粗”后并不影响原来的物理性能；与混凝土之间有较好的黏结强度先张法构件的预应力传递是靠钢筋和混凝土之间的黏结力完成的，因此需要有足够的黏结强度；钢筋的应力松弛要低钢筋：预应力钢筋宜采用预应力钢丝、钢铰线和预应力螺纹钢筋。,10.1.5锚具、夹具与预应力设备概述,锚、夹具：用于固定钢筋,不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时，固定预应力筋、锚具不同，则钢筋的回缩量不同，锚具的尺寸外形对构件的影响也不同。,10.1.6先张法预应力锚固长度,主要是先张法:,预应力传递长度:ltr,锚固长度:la,10.2,张拉控制应力与预应力损失,10.2.1张拉控制应力con,张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值，其值为张拉设备所控制的总的张拉力（测力计所指示的）除以预应力钢筋面积得到的应力值。从充分发挥预应力优点的角度考虑，张拉控制应力宜尽可能地定得高一些，con定得高，形成的有效预压应力高，构件的抗裂性能好，且可以节约钢材，但如果控制应力过高，会出现以下问题：,con越高，构件的开裂荷载与极限荷载越接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力甚至开裂，对后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏。有时为了减少预应力损失，需对钢筋进行超张拉，由于钢材材质的不均匀，可能使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度，而使钢筋产生较大塑性变形或脆断，使施加的预应力达不到预期效果。使预应力损失增大。con也不能定得过低，它应有下限值。否则预应力钢筋在经历各种预应力损失后，对混凝土产生的预压应力过小，达不到预期的抗裂效果。,10.2.2各种预应力损失值,钢筋的张拉控制应力，从开始张拉至构件使用；由于张拉工艺和材料特性等原因将不断降低，这种预应力降低的现象称为预应力损失。引起预应力损失的原因有六大类。先分别找出这些损失出现的原因，再根据先张法和后张法的施工特点，了解不同预应力损失的计算和组合。,1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,直线：,曲线：,rc曲线的曲率半径；,k预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数及局部偏差的摩擦系数；,x张拉端至计算截面的距离xlf；,l张拉端至锚固端距离。,lf反向摩擦影响长度（m）；,a张拉端锚具变形和钢筋回缩量，注意取值规范的变化；,式中：,减少此项损失的措施,2.预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的损失l2,式中k考虑孔道局部偏差对摩擦影响的系数；x张拉端至计算截面的孔道长度，可近似取该孔道在纵轴上的投影长度；预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数；从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线的夹角（以弧度计）。,当,减少该项损失，可采取以下措施：,对较长的构件可在两端进行张拉；,采用超张拉，张拉程序可采用：,当第一次张拉至1.1con时，预应力钢筋应力沿EHD分布，当张拉应力降至0.85con，由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响，预应力沿FGHD分布，当再张拉至con时，钢筋应力沿CFGHD分布，可见，超张拉钢筋中的应力比一次张拉至con的应力分布均匀，预应力损失要小一些。,3.受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失l3,小钢模生产的构件无此项损失。,为了缩短先张法构件的生产周期，混凝土常采用蒸汽养护办法。升温时，新浇的混凝土尚未结硬，预应力筋与台座之间的温差t使钢筋受热自由伸长，但两端的台座是固定不动的，即距离保持不变，于是钢筋就松了，钢筋的应力降低；降温时，预应力钢筋与混凝土已黏结成整体，加上两者的温度线膨胀系数相近，二者能够同步回缩，放松钢筋时因温度上升钢筋伸长的部分已不能回缩，因而产生了温差损失。仅先张法构件有该项损失。,减少此项损失l3的措施有：,采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土强度等级达到7.510MPa，再逐渐升温至规定的养护温度，这时可认为钢筋与混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不引起预应力损失;在钢模上张拉预应力钢筋。由于钢模和构件一起加热养护，升温时两者温度相同，可不考虑此项损失。,4.预应力钢筋的应力松弛引起的损失l4,应力松弛现象：指钢筋在高应力状态下，由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的增长而降低的现象。,钢筋长度不变，应力随时间增长而降低。,钢筋应力松弛有以下特点：应力松弛与时间有关，开始快，以后慢：第1小时完成50%，24小时完成80%；应力松弛与钢材品种有关。冷拉钢筋、热处理钢筋的应力松弛损失比碳素钢丝、冷拔低碳钢丝、钢绞线要小；张拉控制应力con高，应力松弛大。,消除应力钢丝、钢绞线：,普通松驰：,低松驰：,利用超张拉工序可以减少l4,原理：超张拉的持荷2min，已将部分松弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少l4的目的。,5.混凝土收缩、徐变引起的预应力损失l5,收缩、徐变将引起构件缩短，所以钢筋回缩，引起l5。,此时预应力损失值的大小，与纵筋含钢率、混凝土预压应力的大小pc及混凝土抗压强度fcu有关。,先张法：,、受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋的含钢率；,pc、pc产生第一批预应力损失后，受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处混凝土的法向压应力。,后张法：,先张法构件,后张法构件,式中Ap，Ap分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积，对称配筋的构件，取=，此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算；A0，An分别为混凝土换算截面积、净截面面积。,后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小，原因是后张法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已完成一部分。以上公式适用于一般相对湿度环境，高湿度环境下，l5，l5应降低，反之则增加。减少此项损失的措施有：采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比；采用级配良好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；加强养护，以减少混凝土的收缩，控制混凝土应力pc，要求，以防止发生非线性徐变。,6.混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6,仅后张法有这项损失。后张法中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件：电杆、水池、压力管道等，直接在混凝土上进行预应力钢筋的张拉。这时钢筋对构件产生外壁的径向压力，使混凝土局部挤压，构件的直径局部减小，带来一圈内钢筋周长的减小，因而钢筋松驰，引起l6。,10.2.3预应力损失值的组合,总损失：l=lI+lII,混凝土预压前lI=l1+l2+l3+l4,混凝土预压后lII=l5,先张法构件：,为了计算方便，规范把预应力损失分为两批，混凝土受预压前产生的预应力损失为第一批预应力损失l，而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批预应力损失l。,10.3,后张法构件端部锚固区的局部承压验算,1局部承压的破坏形态和破坏机理,后张法构件端部由于锚具下垫板面积很小而承受很大的局部压力，该压力要经过一段距离才能扩散至整个截面锚固区混凝土处于三向应力状态，即。靠近垫板处为压应力，距离端部较远处为拉应力，当横向拉应力超过混凝土的抗拉强度时，端部锚固区将出现纵向裂缝，并导致局部承压破坏。,10.19,因此需进行锚具下混凝土的抗裂度和强度的验算。锚固区抗裂度主要取决于垫板与构件的端部尺寸，端部截面局部承压强度则通过配置间接钢筋来满足。,为防止构件端部的局压破坏，配方格网式或螺旋式间接钢筋。,3局部受压承载力计算,v间接钢筋的体积配筋率，要求0.5。当为方格网配筋时当为螺旋式配筋时式中l1，l2钢筋网两个方向长度，l1l2；n1，As1l1方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积；n2，As2l2方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积；s方格网或螺旋筋的间距；Ass1螺旋式单根间接钢筋的截面面积；dcor螺旋钢筋范围以内的混凝土直径。,局部受压配筋,10.4,预应力混凝土轴心受拉构件的计算,1、分析要点,预应力混凝土轴心受拉构件从张拉钢筋开始直至构件破坏，截面中钢筋和混凝土应力的变化分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。每个阶段又包括了若干特征受力过程。1）在施工阶段，构件截面没有开裂，可以把预应力混凝土视作弹性材料，因而可以用材料力学的分析方法对构件截面的应力进行计算，在使用阶段构件开裂前，材料力学的方法仍然适用。此时预应力混凝土构件可看做承受两个力系，一个是由外荷载所产生，另一个是把全部预应力钢筋的合力看作反向作用在构件上的外力所产生。2）抓住施工、使用阶段中的特征受力状态，搞清各个状态已经发生的预应力损失，以及与该状态相应的混凝土强度。,施工阶段的两个典型受力状态是：先张法构件放松预应力钢筋时，后张法构件完成第一批损失后；先、后张法构件完成第二批预应力损失后。使用阶段的三个典型受力状态是：消压状态，即加荷至混凝土受到的预压应力为零（pc）；开裂状态，即外加荷载增至Ncr使混凝土即将开裂；破坏状态，即预应力钢筋和非预应力钢筋应力达到屈服时的状态3）掌握施工阶段预应力的传递途径，搞清换算截面面积A0及净截面面积An的意义及应用。,施工阶段：先张法构件预应力钢筋的合力通过钢筋和混凝土之间的粘结传递给混凝土和非预应力钢筋。预应力传递过程中，预应力钢筋、混凝土、非预应力钢筋三者协调变形，全截面受力，所以施工阶段计算时采用换算截面面积A0（A0Ac+EsAs+EAp，Es和E分别为非预应力钢筋、预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量之比），后张法构件预应力钢筋的合力靠锚具传递给孔道外侧混凝土和非预应力钢筋，由于施工阶段孔道没有灌浆或灌浆材料强度不够，预应力钢筋和混凝土之间没有粘结，预应力钢筋的预应力合力相当于外力作用在钢筋混凝土净截面上，因此，后张法构件在施工阶段计算时用净截面面积An（AnAc+EsAs）。使用阶段：当计算使用阶段外荷载所引起的截面应力时，无论先张法构件还是后张法构件，预应力钢筋和混凝土之间都已经粘结成整体，因此，都采用A0。,10.4.1轴心受拉构件各阶段的应力分析,10.4.1.1先张法轴心受拉构件各阶段的应力分析,1.施工阶段,由截面平衡条件：peIAp=pcIAc+sIAs,(conlIEpcI)Ap=pcIAc+sIAs,式中：A0换算截面面积，A0=Ac+EAs+EAp。,扣除孔道、钢筋等截面面积后截面上的混凝土截面面积。,完成第一批损失之后：,10.27,完成第二批损失之后：,同理，由截面平衡条件得：,2.使用阶段,受力过程的三个特征点：,加载至构件截面即将开裂：,截面平衡：Np,cr=ftkAc+sAs+pAp,Ncr=(ftk+pcII)A0,10.33,加载至构件破坏：,由截面平衡条件：,Nu=fpyAp+fyAs,10.34,预应力钢筋锚固后：(完成lI),10.4.1.2后张法轴心受拉构件各阶段的应力分析,截面平衡：pAp=pc1Ac+sAs,10.36,完成第二批损失后：,截面平衡：peIIAp=pcIIAc+sIIAs,10.38,消压(加载到混凝土应力为零),截面平衡：No=poApAss=pcIIAo,10.39,构件即将开裂,截面平衡：Ncr=pcrAp+scrAs+Acftk,10.40,构件加载达到极限承载力：,先张法、后张法轴心受力构件各阶段的应力状态及公式的表达有什么共同点和差异。,10.41,想一想：,先张法和后张法预应力轴心受拉构件计算公式的异同点:,施工阶段，先张法和后张法计算pc的公式形式类似，不同之处在于先张法采用A0，后张法采用An，由此可以得出，若con，Ap以及截面尺寸、材料强度相同,由于A0An，则后张法建立的有效预压应力要比先张法高一些。另外l计算值也不同。,使用阶段，用于计算N0，Ncr，Nu的公式，其形式对先、后张法构件来说是相同的，截面面积都用A0。,直至构件开裂前，先张法预应力钢筋应力比后张法少Epc，所以说后张法构件con相当于先张法构件的con-Epc。,预应力混凝土构件与钢筋混凝土构件相比较：,预应力混凝土构件与普通钢筋混凝土构件在施工阶段，二者钢筋和混凝土两种材料所处的应力状态不同，普通钢筋混凝土构件中，钢筋和混凝土均处于零应力状态，而预应力混凝土构件中，钢筋和混凝土均有初应力，其中钢筋处于拉应力状态，混凝土处于受压状态，一旦预压应力被抵消，预应力混凝土和普通钢筋混凝土之间没有本质的不同。预应力混凝土构件出现裂缝比普通钢筋混凝土构件迟得多，但裂缝出现的荷载与破坏荷载比较接近。预应力混凝土构件与条件相同的未加预应力的钢筋混凝土构件承载能力相同，故预加应力能推迟裂缝出现，但不能提高承载能力。,10.4.2轴心受拉构件使用阶段的验算,1.使用阶段的承载力计算,r0NNu=fyAs+fpyAp,10.42,2.使用阶段的