《建筑力学与结构（第2版）》-第十一章

第十一章预应力混凝土结构构件第一节预应力混凝土概述第二节张拉控制应力和预应力损失第三节预应力混凝土构件构造要求返回第一节预应力混凝土概述一、预应力混凝土的定义预应力混凝土结构是指在结构构件受外荷载作用之前，通过张拉钢筋，利用钢筋的回弹，人为地对受拉区的混凝土施加压力，由此产生的预压应力用以减小或抵消由外荷载作用下所产生的混凝土拉应力，使结构构件的拉应力减小，甚至处于受压状态，从而延缓或预防混凝土构件开裂。实际上，预应力混凝土是借助于其较高的抗压强度来弥补其抗拉强度的不足，通过调整压应力的大小而达到推迟或预防混凝土开裂、减小裂缝宽度的目的。下一页返回第一节预应力混凝土概述二、预应力混凝土的特点与普通钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构具有如下特点：（１）提高了构件的抗裂度和刚度。（２）增加了结构及构件的耐久性。（３）结构自重轻，能用于大跨度结构。（４）可提高构件的抗剪能力。（５）能节约材料。预应力混凝土构件的缺点是工艺复杂，构造、施工和计算均较复杂，需要专用的张拉设备和锚具，造价较高等。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述三、预应力混凝土构件对材料的要求１.混凝土预应力混凝土结构构件所用的混凝土，需满足下列要求：（１）较高的强度。为了获得较高的预压应力，减少预应力损失，预应力混凝土结构应采用强度较高的混凝土。混凝土强度越高，弹性模量越大，受压变形越小，预应力损失越小；混凝土强度越高，徐变变形等越小，预应力损失也越小；混凝土强度越高，能承受的预加压力越大，能建立更大的有效预压应力；混凝土强度越高，粘结性能越好，使用阶段的可靠性越高。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述除此之外，提高混凝土强度，还有助于减小截面尺寸，在大跨结构中可以有效减少结构自重。《混凝土设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）规定，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于Ｃ４０，且不应低于Ｃ３０。（２）收缩、徐变小。减少混凝土的收缩和徐变，可以降低预应力钢筋的预应力损失，增加混凝土中的有效预应力。（３）快硬、早强。预应力钢筋张拉时，混凝土必须有一定的强度，否则不能有效施加预应力，而且会产生比较大的预应力损失。因此，混凝土具有快硬、早强性能，可以尽快施加预应力，以提高台座、模具、夹具、张拉设备的周转率，加快施工进度，降低工程费用。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述选择预应力混凝土强度等级时，应综合考虑施工工艺、构件跨度的大小、使用条件及预应力钢筋的种类等因素。一般来说，先张法预应力混凝土构件的混凝土等级要求更高，因为先张法构件预应力损失值比后张法构件大，而且提高先张法的施工速度，可以有效提高台座、模具、夹具等的周转使用率。大跨度、承受动力荷载作用的预应力混凝土结构构件，一般也应选用强度等级比较高的混凝土。２.钢筋在预应力混凝土构件中，从构件制作到使用，预应力钢筋始终处于高应力状态。预应力钢筋的强度及其性能是控制预应力混凝土构件应力和裂缝的关键，因此预应力钢筋应具有较高的强度和良好的性能。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述(1)强度高。预应力钢筋应选用抗拉强度高的预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。采用高强度钢筋的主要原因是能给混凝土施加比较大的预压应力。预应力钢筋强度标准值与设计值见附表１、附表２。（２）一定的塑性。为了避免预应力混凝土构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋在拉断时，具有一定的伸长率。《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）规定，预应力钢筋在最大力下的总伸长率δｇｔ不小于３．５％。（３）良好的加工性能。要求有良好的可焊性，同时要求钢筋“镦粗”后并不影响原来的物理力学性能等。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述（４）与混凝土之间有良好的粘结强度。这一点对先张法预应力混凝土构件尤为重要，因为在传递长度内钢筋与混凝土间的粘结强度是先张法构件建立预应力的保证。（５）钢筋的应力松弛要低。低松弛的预应力钢筋能减少预应力松弛损失。３.锚（夹）具锚（夹）具是锚固钢筋时所用的工具，是保证预应力混凝土结构安全可靠的关键部位之一。通常把在构件制作完毕后，能够取下重复使用的称为夹具；锚固在构件端部，与构件连成一体共同受力，不能取下重复使用的称为锚具。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述（１）锚（夹）具的制作和选用应满足下列要求：１）锚固受力安全可靠，其本身具有足够的强度和刚度；２）构造简单，加工方便，节约钢材，成本低；３）施工简便，使用安全；４）应尽可能减小预应力钢筋在锚（夹）具内的滑移，以减小预应力损失。（２）锚（夹）具根据工作原理分为两大类：一类是利用钢筋回缩带动锥形或楔形的锚塞、夹片等一起移动，使之挤紧在锚杯的锥形内壁上；同时，挤压力也使锚塞或夹片紧紧挤住钢筋，产生较大的摩擦力，甚至使钢筋变形，从而阻止了钢筋的回缩。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述另一类则是用螺栓、焊接、锻头等方法为钢筋制造一个扩大的端头，在锚板、垫板等的配合下阻止钢筋回缩。目前常用的有螺栓端杆锚具、镦形锚具、镦头锚具及夹片锚具等。１）螺栓端杆锚具。螺栓端杆锚具主要用于预应力钢筋张拉端。预应力钢筋与螺栓端杆直接对焊连接或通过套筒连接，螺栓端杆另一端与张拉千斤顶相连。张拉终止时，通过螺帽和垫板将预应力钢筋锚固在构件上。这种锚具的优点是比较简单、滑移小和便于再次张拉；缺点是对预应力钢筋长度的精度要求高，不能太长或太短，否则螺纹长度不够用。需要特别注意焊接接头的质量，以防止发生脆断。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述２）锥形锚具。这种锚具是用于锚固多根直径为５ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、１２ｍｍ的平行钢丝束，或锚固多根直径为１２．７ｍｍ、１５．２ｍｍ的平行钢绞线束。锚具由锚环和锚塞两部分组成，锚环在构件混凝土浇灌前埋置在构件端部，锚塞中间有小孔，作锚固后灌浆用。用千斤顶张拉钢丝后，再将锚塞顶压入锚圈内，利用钢丝在锚塞与锚圈之间的摩擦力锚固钢丝。３）镦头锚具。这种锚具用于锚固钢筋束。张拉端采用锚杯，固定端采用锚板。先将钢丝端头镦粗成球形，穿入锚杯孔内，边张拉边拧紧锚杯的螺母。每个锚具可同时锚固几根到１００多根５～７ｍｍ的高强度钢丝，也可用于单根粗钢筋。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述这种锚具的锚固性能可靠，锚固力大，张拉操作方便，但要求钢筋（丝）的长度有较高的精确度，否则会造成钢筋（丝）受力不均。４）夹片锚具。每套锚具由一个锚环和若干个夹片组成，钢绞线在每个孔道内通过有牙齿的钢夹片夹住。根据需要，每套锚具锚固数根直径为１５．２ｍｍ或１２．７ｍｍ的钢绞线。国内常见的热处理钢筋夹片式锚具有ＪＭ－１２和ＪＭ－１５等，预应力钢绞线夹片式锚具有ＯＶＭ、ＱＭ、ＸＭ等。四、施加预应力的方法１.先张法上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述在浇筑混凝土之前张拉预应力钢筋的方法称为先张法，其生产流程如图１１-１所示。先张法的主要优点是构件配筋简单，不需锚具，省去预留孔道、拼接、焊接、灌浆等工序，一次可制成多个构件，生产效率高，可实现工厂化、机械化，便于流水作业。先张法的主要缺点是占地面积大、投资高、生产操作较复杂、大型构件运输不便、灵活性也较差。先张法适用于预制厂或现场集中成批生产各种中小型预应力混凝土构件，如吊车梁、屋架、过梁、基础梁、檩条、屋面板、槽形板、多孔板等，特别适用于生产冷拔低碳钢丝混凝土构件。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述２.后张法在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法，其生产流程如图１１-２所示。后张法的特点是直接在构件上张拉预应力钢筋，构件在张拉预应力钢筋过程中，完成混凝土的弹性压缩。因此，混凝土的弹性压缩，不直接影响预应力钢筋有效预应力值的建立。后张法预应力传递主要依靠预应力两端的锚具，后张法中锚具加工要求的精度高、耗钢量大、成本较高。后张法适用于在现场预制大型构件，运输条件许可的情况下也可以在工厂预制。上一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失一、张拉控制应力张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶上的油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得出的应力值，以σｃｏｎ表示。张拉控制应力的取值对预应力混凝土构件的受力性能影响很大。张拉控制应力越高，混凝土所受到的预压应力越大，构件的抗裂性能越好，同时节约预应力钢筋，因此张拉控制应力不能过低。张拉控制应力过高时，可能产生以下问题：（１）可能使个别预应力钢筋超过它的实际屈服强度，使钢筋产生塑性变形，甚至部分预应力钢筋可能被拉断；下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失（２）构件在施工阶段的预拉区拉应力过大，甚至开裂，还可能造成后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏；（３）构件开裂荷载值与极限荷载值很接近，构件的延性较差，构件一旦开裂，很快就临近破坏，表现为没有明显预兆的脆性破坏。因此，张拉控制应力不宜取得过高，我国《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—2010）规定的预应力钢筋的张拉控制应力范围如下：消除应力钢丝、钢绞线：中强度预应力钢丝：上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失预应力螺纹钢筋：当符合下列情况之一时，上述张拉控制应力限值可相应提高０．０５fｐｔｋ或０．０５fｐｙｋ：（１）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内设置预应力钢筋；（２）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。二、预应力损失上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失在预应力混凝土构件施工及使用过程中，预应力钢筋的张拉应力值由于张拉工艺和材料特性等原因逐渐降低。这种现象称为预应力损失，用σl表示。预应力损失会降低预应力的效果，因此，尽可能减小预应力损失并对其进行正确估算，对预应力混凝土结构的设计非常重要。预应力损失值的大小是影响构件抗裂性能和刚度的关键，预应力损失过大，不仅会减小混凝土的预压应力，降低构件的抗裂能力，降低构件的刚度，而且可能导致预应力构件的制作失败。因此，正确了解和掌握各项预应力损失值的计算，对于设计和制作预应力混凝土构件是非常重要的。引起预应力损失的因素有很多，在预应力混凝土结构设计中，需要考虑的预应力损失主要有以下几项。上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失１.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失直线形预应力钢筋σl１可按下式计算：对于块体拼成的结构，其预应力损失还应计入块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填缝材料时，每条填缝的预压变形值可取１ｍｍ。２.预应力钢筋与孔道之间的摩擦引起的预应力损失值上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失后张法构件在张拉预应力钢筋时，由于施工中预留孔道的偏差、孔道壁表面的粗糙和不平整等，钢筋与孔道壁之间某些部位接触引起摩擦阻力（当孔道为曲线时，摩擦阻力将更大），预应力钢筋的应力从张拉端开始沿孔道逐渐减小（图１１-３），这种应力差额称为预应力损失值。预应力钢筋与孔道臂之间引起的预应力损失σl２（Ｎ／ｍｍ２），宜按下列公式计算：上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失当κx＋μθ≤０．３时，σl２可按下列公式近似计算：３.预应力钢筋与台座之间温差引起的预应力损失为了缩短生产周期，先张法构件在浇筑混凝土后采用蒸汽养护。在养护的升温阶段钢筋受热伸长，台座长度不变，故钢筋应力值降低，而此时混凝土尚未硬化。降温时，混凝土已经硬化并与钢筋产生了粘结，能够一起回缩，由于这两种材料的线膨胀系数相近，原来建立的应力关系不再发生变化。预应力钢筋与台座之间的温差为Δt，钢筋的线膨胀系数α＝０．００００１／℃，则预应力钢筋与台座之间的温差引起的预应力损失为上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失为了减小温差引起的预应力损失σl３，可采取以下措施：（１）采用二次升温养护方法。先在常温或略高于常温下养护，待混凝土达到一定强度后，再逐渐升温至养护温度，这时因为混凝土已硬化与钢筋粘结成整体，能够一起伸缩而不会引起应力变化。（２）采用整体式钢模板。预应力钢筋锚固在钢模上，因钢模与构件一起加热养护，不会引起此项预应力损失。４.预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失在高应力作用下，预应力钢筋应力保持不变，变形具有随时间增长而逐渐增大的性质，该现象称为钢筋的徐变。若钢筋长度保持不变，钢筋的应力会随时间的增长而逐渐降低，这种现象称为钢筋的应力松弛。不论是先张法还是后张法，钢筋的徐变和松弛都将引起预应力损失。实际上，钢筋的徐变和松弛很难明确划分，故在计算中统称为钢筋应力松弛损失。钢筋的应力松弛引起的预应力损失σl4(Ｎ/ｍｍ２)的计算方法如下。（１）对于普通松弛预应力钢丝、钢绞线：上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失（２）对于低松弛的预应力钢丝、钢绞线，当σｃｏｎ≤0.7fｐｔｋ时：当０．７fｐｔｋ＜σｃｏｎ＜０．８fｐｔｋ时：（３）对于中强度预应力钢丝：（４）对于预应力螺纹钢筋：上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失５.混凝土收缩和徐变引起的预应力损失混凝土在硬化时具有体积收缩的特性，在压应力作用下，混凝土还会产生徐变。混凝土收缩和徐变都使构件长度缩短，预应力钢筋也随之回缩，造成预应力损失。混凝土收缩和徐变虽是两种性质不同的现象，但它们的影响是相似的，为了简化计算，将此两项预应力损失一起考虑。混凝土收缩、徐变引起受拉区和受压区预应力钢筋的预应力损失σl5、σ′l５，可按下列公式计算：先张法构件上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失后张法构件上一页下一页返回第二节张拉控制应力和预应力损失对于重要的结构构件，当需要考虑与时间相关的混凝土收缩、徐变及预应力钢筋应力松弛预应力损失值时，需按相关规定进行计算。三、预应力损失的组合上述五项预应力损失对每一构件并不都同时产生，而与施工方法有关。实际上，应力损失是按不同的张拉方法分两批产生的，对于先张法，以放松预应力钢筋的前后来划分；对于后张法，以刚锚固好预应力钢筋的瞬间前后来划分，其组合项目见表１１-３。考虑到预应力损失计算值与实际损失值尚有误差，为了保证预应力构件的抗裂性能，《混凝土结构设计规范》（ＧＢ５００１０—２０１０）规定，当计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，按下列数值采用：先张法构件，100Ｎ／ｍｍ２；后张法构件，80Ｎ／ｍｍ２。上一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求一、先张法预应力混凝土构件要求１.预应力钢筋的净间距预应力钢筋的净间距应根据便于浇灌混凝土、保证钢筋与混凝土的粘结锚固及施加预应力（夹具及张拉设备的尺寸要求）等要求来确定。预应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径的２．５倍和混凝土集料最大粒径的１．２５倍，且应符合下列规定：预应力钢丝，不应小于１５ｍｍ；三股钢绞线，不应小于２０ｍｍ；七股钢绞线，不应小于２５ｍｍ，当混凝土振捣密实性具有可靠保证时，净间距可放宽为最大集料粒径的１．０倍。下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求２.混凝土构件的端部构造为防止构件端部出现纵向裂缝，确保端部锚固性能，宜采取下列构造措施：（１）单根配置的预应力钢筋，其端部宜设置螺旋筋；（２）分散布置的多根预应力钢筋，在构件端部１０d且不小于１００ｍｍ长度范围内，宜设置３～５片与预应力钢筋垂直的钢筋网片，此处d为预应力钢筋的公称直径；（３）采用预应力钢丝配筋的薄板，在板端１００ｍｍ长度范围内宜适当加密横向钢筋；上一页下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求（４）槽形板类构件，应在构件端部１００ｍｍ长度范围内沿构件板面设置附加横向钢筋，其数量不应少于２根。３.其他（１）预制肋形板，宜设置加强其整体性和横向刚度的横肋。端横肋的受力钢筋应弯入纵肋内。当采用先张法生产有端横肋的预应力混凝土肋形板时，应在设计和制作上采取防止放张预应力时端横肋产生裂缝的有效措施。（２）在预应力混凝土屋面梁、起重机梁等构件靠近支座的斜向主拉应力较大部位，宜将一部分预应力钢筋弯起配置。上一页下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求（３）对预应力钢筋在构件端部全部弯起的受弯构件或直线配筋的先张法构件，当构件端部与下部支承结构焊接时，应考虑混凝土收缩、徐变及温度变化所产生的不利影响，宜在构件端部可能产生裂缝的部位设置足够的非预应力纵向构造钢筋。二、后张法预应力混凝土构件要求１.预留孔道的构造要求后张法构件要在预留孔道中穿入预应力钢筋。截面中孔道的布置应考虑到张拉设备的尺寸、锚具尺寸及构件端部混凝土局部受压的强度要求等因素。上一页下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求（１）预制构件孔道之间的水平净间距不宜小于５０ｍｍ，且不宜小于粗集料粒径的１．２５倍；孔道至构件边缘的净间距不宜小于３０ｍｍ，且不宜小于孔道直径的５０％。（２）现浇混凝土梁中，预留孔道在竖直方向的净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不宜小于１．５倍孔道外径，且不应小于粗集料粒径的１．２５倍；从孔道外壁至构件边缘的净间距，梁底不宜小于５０ｍｍ，梁侧不宜小于４０ｍｍ；裂缝控制等级为三级的梁，上述净间距分别不宜小于６０ｍｍ和５０ｍｍ。上一页下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求（３）预留孔道的内径宜比预应力束外径及需穿过孔道的连接器外径大６～１５ｍｍ，且孔道的截面面积宜为穿入预应力束截面面积的３～４倍。（４）当有可靠经验并能保证混凝土浇筑质量时，预应力钢筋孔道可水平并列贴紧布置，但并排的数量不应超过２束。（５）在构件两端及曲线孔道的高点应设置灌浆孔或排气兼泌水孔，宜大于２０ｍ。（６）凡制作时需要预先起拱的构件，预留孔道宜随构件同时起拱。（７）在现浇楼板中采用扁形锚固体系时，穿过每个预留孔道的预应力钢筋数量宜为３～５根；在常用荷载情况下，孔道在水平方向的净间距不应超过８倍板厚及１．５ｍ中的较大值。上一页下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求２.锚具要求后张法预应力混凝土构件中，预应力钢筋的锚固并发挥作用是依靠锚具实现的。因此，后张法预应力钢筋所用锚具、夹具和连接器等的形式和质量应符合国家现行有关标准的规定。后张法预应力混凝土构件的端部锚固区，除应满足局部承压计算中有关的构造要求外，还应满足下述要求：（１）当采用整体铸造垫板时，其局部受压区的设计应符合相关标准的规定。上一页下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求（２）在局部受压间接钢筋配置区以外，在构件端部长度不小于截面重心线上部或下部预应力钢筋的合力点至邻近边缘的距离e的３倍，但不大于构件端部截面高度犺的１．２倍，高度为２e的附加配筋区范围内，应均匀配置附加防劈裂箍筋或网片（图１１-４）。配筋面积可按式（１１-１７）计算：(3)当构件端部预应力钢筋需集中布置在截面下部或集中布置在上部和下部时，应在构件端部0.2h范围内设置附加竖向防端面裂缝构造钢筋，其截面面积应符合式（１１-１８）、式（１１-１９）的要求.上一页下一页返回第三节预应力混凝土构件构造要求当e大于０．２h时，可根据实际情况适当配置构造钢筋。竖向防端面裂缝钢筋宜靠近端面配置，可采用焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式，且宜采用带肋钢筋。当端部截面上部和下部均有预应力钢筋时，附加竖向钢筋的总截面面积应按上部和下部的预应力合力分别计算的数值叠加后采用。上一页下一页返回第三节预应力混凝土