混凝土结构原理(叶燕华 刘立新版 武汉理工大学出版)攀枝花大学同步课件 第9章

1、第九章 预应力混凝土构件 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。9.1.1 9.1.1 预应力混凝土的概念预应力混凝土的概念 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

2、的出现和限制裂缝的开展。 预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比,其主要优点是： 抗裂性好，刚度大：抗裂性好，刚度大：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； 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。 节省材料，减小自重：节省材料，减小自重：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； 提高构件的抗剪能力；提高构件的抗剪能力； 提高受压构件的稳定性提高受压构件的稳定性 ； 提高构件的耐疲劳性能：提高构件的耐疲劳性能：提高了结构或

3、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：预应力混凝土结构的缺点：1.工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。熟练的专业队伍。2. 需要有一定的专门设备；需要有一定的专门设备；3.预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。程成本较高。9.1.4 全预应力和部分预应力混凝土全预应力和部分预应力混凝土 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凝土 全预应力混全凝土是指在各种荷载组合下构

4、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 有限预应力混凝土是按在短期荷载作用下，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 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

5、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。9.1.5预应力混凝土结构的应用预应力混凝土结构的应用大跨度结构（大跨度桥梁）； 特种结构（防漏 、防渗和压力容器 ）； 对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件。 先张法先张法：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

6、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。 9.2 9.2 施加预应力的方法施加预应力的方法先张法预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。土张拉钢筋 支模、浇砼 砼达到一定强度剪丝 产生预应力 后张法（ post-tensioning method ）：浇砼，预留孔道 达到强度，穿筋 张拉钢筋，锚固 孔道灌浆锚具千斤顶波纹管锚环契块千斤顶后张法是靠工作锚具来传递并保持预加应力的。9.2.3锚、夹具构件制作完后，能取下重复使用夹具用于永久固定钢筋、作为构件的一部分 锚具不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时固定预应力筋不同。锚具不同则回缩量不同，尺寸外形

7、对构件的影响不同。其作用为固定力筋。（1） 对锚、夹具的要求：A. 安全可靠，其本身具有足够的强度和刚度。B. 应使预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力损失。C. 构造简单，便于机械加工制作。D. 使用方便，省材料、价格低。(2). 锚具的形式：锚具的型式繁多，按其传力锚固受力原理，可分为三类：依靠摩擦力锚固的锚具。依靠承压锚固的锚具。依靠粘结力锚固的锚具。如楔形锚、锥形锚和用 于锚固钢绞线的JM锚与夹片式群锚等。如墩头锚、钢筋螺纹锚等。如先张法的筋束锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等。其它设备：2.预加应力的其它设备千斤顶制孔器抽拔橡胶管螺旋金属波纹管穿索机压浆机张拉台座（

8、先张法）1.混凝土 ： 选择混凝土强度等级时，应综合考虑施工方法（先张或后张）、构件跨度、使用情况（如有无振动荷载）以及钢筋种类等因素。A. 强度高 B. 收缩、徐变小 C. 快硬、早强 规范规定预应力混凝土构件的混凝土强度等级不宜低于C30，用高强钢丝或钢绞线作预应力钢筋的结构，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于C40。9.3 9.3 预应力混凝土材料2.钢材 ：11.1.7 11.1.7 预应力混凝土材料（1）对钢材的要求：强度高具有一定的塑性良好的加工性能与混凝土之间有较好的粘结强度11.1.7 11.1.7 预应力混凝土材料（2）预应力钢材的种类：钢筋钢丝钢绞线（一般由七股3、

9、4或5 的高强钢丝捻制而成）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45mm。1.定义 ：9.4 9.4 张拉控制应力con 其值为张拉设备（如千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值。 张拉控制应力(control stress by spread out) 是指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。con2.张拉控制应力大小的确定 ： 考虑因素： 张拉控制应力 的确定原则：与预应力钢筋的钢种有关，还与施加预应力的方法有关。cona. con 。产生的预应力大，抗裂性好 con 0.4 fptk0

10、.5 fpykb. con 过高。可能引起张拉时钢丝拉断 也只能适当。或Pcr 与 Pu 过干接近c. 与所采用的钢筋种类和张拉方式有关。软钢，硬，先张，后张3.张拉控制应力允许值钢种先张法后张法碳素钢丝. 刻痕钢丝. 钢铰线热处理钢筋. 冷拔低碳钢丝冷拉钢筋0.75 fptk0.7 fptk0.90 fpyk0.7 fptk0.65 fptk0.85 fpyk张 拉 方 法在考虑提高施工阶段的抗裂性及减少应力松驰、摩擦、钢筋分批张拉及台座之间的温差损失时，可以提高0.05fptk(0.05fpyk)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

11、解不同预应力损失的组合。conl =P 有效预应力。9.4.29.4.2 预应力损失1.定义 预应力钢筋的张拉应力在预应力混凝土构件施工及使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因是在不断降低的，这种预应力钢筋应力的降低，称为预应力损失（the cost of prestressing force)。2.预应力损失种类瞬时损失长期损失预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失锚具变形和钢筋内缩引起的损失温差损失混凝土弹压损失钢筋松弛损失混凝土收缩、徐变损失 对于不同种类的锚具、不同施工方法，可能还存在其他预应力损失。如：锚圈口摩阻损失等，应根据具体情况逐项考虑其影响。a回缩量l 张拉端锚固端距离s1E

12、lal张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1：按下式计算：式中：Es 预应力钢筋的弹性模量后张法：kxle11con2x 从张拉端至计算截面的孔道长度(m)可用投影长度。 从张拉端至计算截面曲线孔道长度的夹角(rad)。当 + kx 0.2时， l2 = con(kx + )预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失l2 ：加热养护：此时砼未结硬。筋自由伸长，而台座不动。松了 产生温差损失Ct/100 . 1 5st通常ttEl2100 . 1100 . 2 55sst3小钢模生产的构件无此项损失。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l3：（1）应力松弛现象：指钢筋在高应力

13、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。（2）应力松弛：长度不变，应力随时间增长而降低。应力松弛的特点与钢种有关。软钢小而硬钢大，与时间有关，先快后慢。一天完成80%，一小时为50%。预应力钢筋的应力松弛引起的损失l4：（3）利用超引拉工序可以减少l4超张拉工序：对钢筋 从 01.05con(持荷2min) con对钢丝 从 01.05con(持荷2min) 0 con超张拉的持荷2min，已将部分的松弛完成，所以可达到减少l4的目的。钢种一次张拉超张拉冷拉热轨钢筋.热处理钢筋0.05 con碳素钢丝. 钢铰线冷拔低碳钢筋0.035 con =1.0 =0.9conptkc

14、on418. 036. 0fl0.085 con0.065 con当con 0.5 l4 = 0 应力不高，其徐变不明显。（4）l4的计算 收缩、徐变将引起构件缩短， 钢筋回缩，引起l3，砼徐变 f cn此时预应力的大小，纵筋含钢率等：先张法：15122045cnpc5fl15122045cnpc5fl砼收缩、徐变引起的预应力损失l5：后张法：15122025cnpc5fl15122025cnpc5fl 、 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的预应力损失后，受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处砼的法向压应力l5还可考虑环境和时间因素的影响干燥 (l

15、5) l5 (1.021.03)高温 (l5) l5 0.5)时间影响： l5 (l5) jj31204j 预加应力至承受外荷的天数( j 120天)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张拉。这时筋对构件产生外壁的径向压力，使砼局部挤压，钢筋松驰，引起l6d 3m， l6 = 0 d 3m， 取l6 = 30N/mm2 混凝土的局部挤压引起的预应力损失l6 ： 先张法构件：砼预压前 lI = l1 +l3 +l2砼预压后 lII = l5 后张法构件：砼预压前 lI = l1 +l2 砼预压后 lII = l4 +l5 +l6总损失： l = li +lII先张法： l4 100N/mm2后张法： l4 80N/mm29.4.39.4.3 预应力损失的组合 预应力损失组合： 先张法 后张法 先张法： l4 100N/mm2后张法： l4 80N/mm211.1.911.1.9 预应力损失的组合654llllII5llII4321lllllIlIIlIl2