第10章 预应力混凝土构件

1、第10章预应力混凝土构件,第一节：概述第二节：预应力混凝土轴心受拉构件的计算第三节：预应力混凝土受弯构件的计算第四节：预应力混凝土构件的构造要求,10.1概述,预应力混凝土结构的特点,非预应力混凝土受拉及受弯构件具有自身的一些缺点：,(1)混凝土抗裂性差。,混凝土抗拉强度和极限拉应变值都很小，其极限拉应变约为(1.01.5)10-4，此时钢筋应变仅为屈服应变的10%左右。若使构件在使用荷载下不出现裂缝，则需很大截面；,(2)钢筋和混凝土的强度不能得到充分发挥。,(3)结构自重大。,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。,(1)预压应力作用下,截面下部受压，上受拉。

2、,(2)外荷载作用下,中和轴以下受拉，中和轴以上受压。,(3)预压应力与外荷载共同作用下,可见混凝土受拉区的应力已大为减小，或受压。,与钢筋混凝土构件相比，预应力混凝土构件的优点是：,(1)可延缓混凝土构件的开裂，提高构件的抗裂性和抗渗性，改善结构的耐久性；,(2)可提高构件刚度大，减小变形；,(3)充分发挥材料高强度性能，节约钢筋，减轻自重，降低造价；,(4)提高构件的抗剪性能、受压构件的稳定性及抗疲劳性等。,缺点：是构造、施工和计算均较钢筋混凝土构件复杂，且延性较差。,用于重型工业厂房结构、民用房屋结构、铁路及公路桥梁结构、塔桅结构、蓄液池、压力管道等结构。,预应力混凝土构件的分类,(1)

3、全预应力与部分预应力混凝土构件,根据预应力构件截面受拉边缘应力的大小及预应力度的不同进行划分:,预应力度,受弯构件,轴心受拉构件,全预应力混凝土构件。在荷载效应的标准组合作用下，构件截面受拉边缘上的混凝土不产生拉应力，即保持压应力或零应力工作状态。,相当于规范中裂缝控制等级为一级，即严格要求不允许出现裂缝的构件。这种预应力混凝土结构抗裂性好，刚度大，但延性较差。,部分预应力混凝土构件。在荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响下，构件截面受拉边缘上的混凝土允许产生拉应力或裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值。,相当于规范中裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。,根据荷载效应组合情况，不同程度地保证

4、混凝土不开裂的构件，则称为限值预应力混凝土构件（属于部分预应力混凝土构件）。,相当于规范中裂缝控制等级为二级，即一般情况下要求不出现裂缝的构件。,(2)先张法和后张法预应力混凝土构件,根据张拉预应力钢筋与浇注混凝土先后顺序不同划分:,先张法预应力混凝土构件,先张法预应力混凝土构件就是在浇注混凝土之前，先张拉预应力钢筋的构件。当混凝土达到一定强度以后，切断或放松预应力钢筋，钢筋和混凝土间的粘结作用，从而对混凝土构件产生预压应力。,张拉钢筋,临时固定钢筋，浇灌混凝土并养护,放松钢筋，钢筋回缩，混凝土受预压,后张法预应力混凝土构件,后张法预应力混凝土构件就是在已完成的构件上张拉预应力钢筋并锚固的构件

5、。它是通过锚具传递预应力的。,制作构件，预留孔道,穿入预应力钢筋，安装千斤顶并张拉钢筋,锚固钢筋，拆除千斤顶、孔道压力灌浆,后张法又可分为灌浆和非灌浆两种：,(1)灌浆预应力混凝土是在浇注混凝土构件时，预先在构件中留出孔道，当构件混凝土达到规定强度后，将预应力钢筋穿入孔道，张拉到控制应力并锚固，然后向孔道间隙内压力灌入水泥浆，使预应力钢筋与混凝土成为整体。,(2)非灌浆预应力混凝土，在浇注混凝土构件时不需要留孔道及灌浆，将预应力钢筋束按设计部位放入构件模板内，然后浇捣混凝土并养护。当构件混凝土达到设计强度后，在构件上直接张拉预应力钢筋束至控制应力，并用锚具将预应力钢筋束两端锚固在构件的端部，张

6、拉预应力钢筋的同时，构件受到预压应力，称为无粘结预应力。,(3)有粘结预应力和无粘结预应力混凝土构件,根据预应力钢筋与混凝土之间有无粘结划分:,通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结应力将预应力施加给混凝土构件，称之为有粘结预应力混凝土构件。,如先张法预应力混凝土构件、后张法中的灌浆预应力混凝土构件等。,无粘结预应力混凝土构件，是通过构件上两端的锚具，将预应力施加在构件上。,如后张法中的非灌浆预应力混凝土构件。,预应力混凝土构件的材料要求,1混凝土,(1)强度高。可以提高钢筋与混凝土之间的粘结应力；对采用后张法的构件，可提高锚固端的局部承压承载力。混凝土强度高，还可减小构件截面尺寸。,(2)收缩、徐

7、变小。以减小收缩、徐变引起的预应力损失。,(3)快硬、早强。可尽早施加预应力，加快施工进度。,规范规定，预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C30。对采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋的构件，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于C40。,2钢筋,(1)强度高。预应力钢筋有很大的张拉应力，再加上荷载作用，及为抵消各种预应力损失需要采用较高的张拉应力，要求预应力钢筋具有较高的抗拉强度。,(2)具有一定的塑性。为防止预应力混凝土构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋具有一定的伸长率。一般要求极限伸长率大于4%。,(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”后并不影响其原来的

8、物理力学性能。,(4)与混凝土之间有较好的粘结作用。对于采用先张法预应力混凝土构件，当用高强度钢丝时，其表面应进行“刻痕”或“压波”处理。,预应力钢材主要有钢绞线、钢丝和热处理钢筋三大类。,预应力混凝土构件的锚具和夹具,夹具和锚具是指在制作预应力混凝土构件时锚固预应力钢筋的工具。能够取下重复使用的锚具为称夹具(或非工作锚具)；永久固定在构件上的工具称为锚具(工作锚具)。,夹具和锚具主要依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或锚住预应力钢筋。,夹具和锚具应具有足够的强度和刚度，锚固性好，构造简单，使用方便，节约材料，价格低，安全可靠。,1夹片式锚具,(1)JM型锚具,锚具由锚环和扇形夹片组成,(2)QM

9、型、XM型和OVM型锚具,QM型锚具由锚板和夹片组成。,XM型锚具的工作原理与QM型锚具基本相同。,OVM型锚具是在QM型锚具的基础上，将夹片改为两片，并在夹片背面锯成一条弹性槽，以提高锚固性能和便于施工。,QM型、XM型和OVM型锚具都可用于锚固单根或多根钢绞线。,2支承式锚具,(1)螺丝端杆锚具,锚具由螺丝端杆和螺帽两部分组成。,主要用于锚固冷拉粗钢筋（直径为2232mm）及精轧螺纹粗钢筋（直径为2532mm）。,(2)镦头锚具,是利用钢丝的镦粗头来锚固预应力钢丝的一种锚具。,由锚环、螺母及锚板组成。,主要用于锚固多根直线预应力高强钢丝。,(3)锥塞式锚具,由钢制锚环和锚塞组成。,张拉控制

10、应力con的确定,1定义,张拉控制应力是指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。通常用张拉设备（如千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得到的应力值。,2控制应力确定原则,如果张拉控制应力取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，不能有效地提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度。,如果取值过大，钢筋易达到屈服强度，个别钢筋可能脆断，导致构件脆性破坏，可能引起预拉区混凝土开裂或后张法构件端部混凝土局部压坏、构件的延性降低。,张拉控制应力值的大小与施加预应力的方法有关，还与预应力钢筋种类有关。,(1)对于同一钢种，先张法取值应高于后张法。,(2)预应力钢筋都是高强度钢筋，塑性较差，

11、故控制应力不能取得过高。,(3)符合下列情况之一者，表10-1中的张拉控制应力限值可提高0.05fptk：,1)为了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的预应力钢筋；,2)为了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。,预应力损失计算,预应力混凝土构件在制作和使用过程中，预应力钢筋的张拉应力值不断降低的现象，称为预应力损失。引起预应力损失的因素很多:,由于张拉工艺、构造及材料特性（温度）等各种因素引起构件缩短，钢筋也跟着缩短，即引起预应力损失，可按虎克定律计算；,由某些物理特性（如摩擦）引起预应力损失，按物理特性分析。,

12、1由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1,该种预应力损失存在于先张法和后张法构件中。,(1)预应力直线钢筋,锚固在台座或构件上的锚具、垫板与构件之间的缝隙被挤紧，以及钢筋和楔块在锚具内滑移，使被拉紧的预应力钢筋内缩引起。,对于块体拼成的预应力结构尚应考虑块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆填缝材料时，每条填缝的预压变形值应取1mm。,(2)预应力曲线或折线钢筋,锚固时，预应力钢筋回缩，其移动方向与张拉方向相反，因而将产生反向摩擦。由于反向摩擦的作用，锚具变形引起的预应力损失在张拉端最大，随着与张拉端的距离的增大而逐渐减小，直至为零。,曲线预应力钢筋,应力分布,由于锚具变形或预应力钢筋的

13、内缩引起的预应力损失，对于圆弧形预应力钢筋，当其对应的圆心角不大于30度时，距构件端部处x(xlf)的l1,反向摩擦影响长度lf,减小预应力损失的l1一般措施：,(1)选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板的块数；,(2)增加台座长度。采用先张法生产的构件，当台座长度为100m以上时，l1可忽略不计。,2预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失l2,该种预应力损失存在于后张法构件中。,采用后张法张拉预应力钢筋时，由于钢筋与混凝土孔道壁之间的摩擦阻力与张拉方向相反，钢筋的实际预应力从张拉端往里逐渐减小。,产生摩擦损失的原因有两个：,(1)对于直线孔道，由于孔道内壁凹凸

14、不平、孔道轴线的局部偏差以及钢筋表面粗糙等原因，使钢筋某些部位紧贴孔道壁而引起摩擦损失；,(2)对于曲线孔道，预应力钢筋在弯曲孔道部分张拉，产生了对孔道壁的垂直压力而引起摩擦损失。,预留孔道中张拉钢筋与孔道壁的摩擦力,当,时,减少预应力损失l2的一般措施：,(1)对于较长构件采取两端张拉，则计算中孔道长度按构件的一半长度计算。,(2)采用超张拉。,张拉到1.1con，持荷2min,卸荷至0.85con，持荷2min张拉至con,3混凝土加热养护时受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失l3,该种预应力损失存在于先张法构件中。,采用蒸汽养护升温时，混凝土强度不大，钢筋受热自由膨

15、胀伸长，两端的台座不升温，其间距离保持不变而产生的预应力损失：,减少预应力损失l3的一般措施：,(1)采用两次升温养护。先在常温下养护，待混凝土强度等级达到7.510Mpa后，再逐渐升温至规定的养护温度；,(2)在钢模上张拉预应力钢筋(如先张大型楼板)。由于预应力钢筋是锚固在钢模上的，升温时两者的温度相同，可以不考虑此项损失。,4预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失l4,该种预应力损失存在于先张法和后张法构件中。,钢筋或钢筋束在高应力下，其长度保持不变时，钢筋的应力会随着时间的增长而逐渐降低，这种现象称为钢筋的应力松弛。,(1)对预应力钢丝、钢绞线,普通松弛,低松弛,当,时,当,时,(2)对热处

16、理钢筋,一次张拉,超张拉,预应力钢丝、钢绞线，当,减少预应力损失l4的一般措施：,进行超张拉。先控制张拉应力达1.05con，持荷5min，然后卸荷再施加张拉应力至con。,5混凝土收缩、徐变的预应力损失l5、l5,该种预应力损失存在于先张法和后张法构件中。,混凝土收缩、徐变引起受拉区纵向预应力钢筋的预应力损失为l5和受压区纵向预应力钢筋的预应力损失为l5。,(1)一般情况,先张法构件,后张法构件,先张法构件,后张法构件,当结构处于年平均相对湿度低于40%的环境下，l5、l5值应增加30%。,(2)对重要的结构构件,当需要考虑与时间有关的混凝土收缩、徐变及钢筋应力松弛等预应力损失值时，可按混凝

17、土结构设计规范附录E进行计算。,减少预应力损失l5、l5的一般措施：,1)采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用干硬性水泥；,2)采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；,3)加强养护，以减少混凝土的收缩；,4)控制预应力钢筋放张时混凝土的强度，并控制混凝土预压应力。以减小非线性徐变。,6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l6,该种预应力损失存在于后张法构件中。,用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，由于预应力钢筋对混凝土的挤压，使环形构件的直径有所减小，等于螺旋筋缩短，从而引起预应力损失。,7后张法构件的预应力钢筋采用分批张拉时，应考虑后

18、批张拉钢筋所产生的混凝土弹性压缩（或伸长）对先批张拉钢筋的影响，将先批张拉钢筋的张拉控制应力值增加eppci(或减小)。,当,时,时,预应力损失值的组合,规范规定如果求得的预应力总损失值小于下列数值，则按下列数值采用：,先张法构件：100Mpa；,后张法构件：80Mpa,先张法构件预应力钢筋的传递长度计算,从钢筋和混凝土应力为零的端截面到钢筋和混凝土应力为pe和pc的截面之间的这段长度ltr，称为先张法构件的预应力钢筋的传递长度。,后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算,由于预压力很大，锚具下的混凝土将承受较大的局部压力。因此，要求其具有足够的局部抗压承载能力和抗裂能力。,规范规定，设计时既

19、要保证在张拉钢筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和不产生过大的变形，又要求计算锚具下所需配置的间接钢筋以满足局部受压承载力的要求。,1构件局部受压截面尺寸,对配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求,当不满足时，应加大锚固区的截面尺寸、调整锚具位置或提高混凝土强度等级。,Fl-局部受压面上作用的局部荷载或局部压力设计值；在后张法预应力混凝土构件中的锚头局压区，应取,Aln-混凝土局部受压净面积：对后张法构件，应扣除孔道、凹槽部分的面积,Ab-局部受压的计算面积，根据局部受压面积和计算底面积按同心、对称的原则确定,Al-混凝土局部受压面积；当有垫板时可考虑预压力沿锚具垫圈边

20、缘在垫板中按45扩散后传至混凝土的受压面,2局部受压承载力计算,当配置方格网式或螺旋式间接钢筋，且其核心面积AcorAl时,当,取,Acor-配置方格网或螺旋式间接钢筋内表面范围内的混凝土核心面积（不扣除孔道面积），但不应大于Ab，且其重心应与Al的重心相重合,v-间接钢筋的体积配筋率(核心面积Acor范围内的单位混凝土体积所含间接钢筋的体积)，要求v0.5%；,所规定的高度h范围内，方格网钢筋不应少于4片，螺旋式钢筋不应少于4圈。,如不满足要求，可增加钢筋根数或加大钢筋直径，也可减小钢筋间距或螺距。,10.2预应力混凝土轴心受拉构件的计算,先张法轴心受拉构件各阶段截面应力状态,1施工阶段,(

21、1)在台座上张拉预应力钢筋,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力,混凝土应力,(2)完成第一批预应力损失l,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力,混凝土应力,(3)放松预应力钢筋，预压混凝土,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力,由力的平衡条件求得,则，混凝土应力,总预拉力,(4)完成第二批预应力损失l,预应力钢筋应力,非预应力钢筋压力,由力的平衡条件求得,则，混凝土应力,总预拉力,2使用阶段,加载至混凝土应力为零,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力，为压应力,混凝土应力,由力的平衡条件求得,(2)构件即将出现裂缝,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力，为拉应力,混凝土应力,由力的平衡条件求得,提高了预应力混凝

22、土构件的抗裂度,(3)构件破坏,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力,混凝土开裂,构件轴向拉力的承载力,施工阶段,使用阶段,后张法轴心受拉构件各阶段截面应力状态,1施工阶段,(1)完成第一批预应力损失l,预应力钢筋应力,非预应力钢筋压应力,由力的平衡条件求得,则，混凝土应力,(2)完成第二批预应力损失l,预应力钢筋应力,非预应力钢筋压应力,由力的平衡条件求得,则，混凝土应力,2使用阶段,(1)加载至混凝土应力为零,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力，拉应力,混凝土应力,由力的平衡条件求得,(2)构件即将出现裂缝,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力，压应力,混凝土应力,由力的平衡条件求得,(3)构件破坏

23、,预应力钢筋应力,非预应力钢筋应力,混凝土开裂,构件轴向拉力的承载力,预应力轴心受拉构件的计算,1使用阶段,1)正截面受拉承载力计算,2)裂缝控制验算,一级-严格要求不出现裂缝的构件,二级-一般要求不出现裂缝的构件,荷载效应的标准组合下,荷载效应的准永久组合下,先张法,后张法,三级-允许出现裂缝的构件,2施工阶段,1)张拉（或放松）预应力钢筋时，构件的承载力验算,为了保证在张拉（或放松）预压力钢筋时，混凝土不被压碎。,先张法,后张法,2)构件端部锚固区的局部受压承载力验算,10.3预应力混凝土受弯构件的计算,由于它们的数量、位置不同，截面上的应力分布是不均匀的，构件相当于受一个偏心压力作用，并

24、且偏心压力的大小和偏心距也随着应力阶段的不同而变化。,预应力混凝土受弯构件截面的应力状态,1施工阶段,先张法构件,预应力钢筋,非预应力钢筋,后张法构件,或,预应力钢筋,非预应力钢筋,2使用阶段,1)截面受拉边缘混凝土预压应力为零,先张法,后张法,2)受拉区裂缝即将出现,预应力混凝土受弯构件的开裂弯矩,3)构件破坏时,当受拉区出现垂直裂缝时，裂缝截面上受拉区混凝土退出工作，拉力全部由钢筋承受。,受弯构件使用阶段正截面承载力计算,1相对界限受压区高度b的计算,1)对于有明显屈服点钢筋,2)对于无明显屈服点的预应力钢筋,2受压区预应力钢筋应力的计算,先张法,后张法,3矩形截面受弯构件正截面承载力计算

25、,适用条件,若,为拉应力，取,4T形截面正截面承载力计算,1）判别方法，满足,为第一类T形截面；否则为第二类T形截面。,2）计算公式,对于第一类T形截面；按宽度bf为的矩形截面进行计算。,对于第二类T形截面,适用条件,正截面裂缝控制验算,1)正截面裂缝控制验算,一级-严格要求不出现裂缝的构件,先张法,后张法,二级-一般要求不出现裂缝的构件,荷载效应的标准组合下,荷载效应的准永久组合下,三级-允许出现裂缝的构件,此时,使用阶段斜截面受剪承载力计算,当,或,仅需按构造要求配置箍筋,1仅配有箍筋时,当,取,2配有箍筋和弯起钢筋时,对于混凝土法向应力为零时，Np0引起的截面弯矩与外荷载引起的弯矩相同时

26、，以及对于预应力混凝土连续梁和允许出现裂缝的预应力混凝土简支梁，均取Vp=0,公式的适用范围和计算位置与钢筋混凝土受弯构件相同。,受弯构件使用阶段斜截面裂缝控制验算,1)混凝土主拉应力的验算,对严格要求不出现裂缝的构件,对一般要求不出现裂缝的构件,2)混凝土主压应力的验算,集中荷载标准值产生的混凝土竖向压应力,2)斜截面裂缝控制验算的位置,应选择跨度内不利位置的截面，如弯矩和剪力较大的截面或外形有突变的截面，并且在沿截面高度上，应选择该截面的换算截面重心处和截面宽度有突变处，如I形截面上、下翼缘与腹板交接处等。,对先张法预应力混凝土构件端部进行斜截面受剪承载力计算以及正截面、斜截面裂缝控制验算

27、时，应考虑预应力钢筋在其预应力传递长度范围内实际应力值的变化。,受弯构件使用阶段的变形验算,1)预加应力产生的反拱f2l计算,2)荷载作用下构件的挠度f1l计算,要求不出现裂缝的构件,允许出现裂缝的构件,由荷载标准组合下构件产生的预应力受弯构件的挠度,10.4预应力混凝土构件的构造要求,1一般构造要求,1)截面类型及尺寸,截面类型,轴心受拉构件,受弯构件,正方形或矩形截面,荷载或跨度较小,矩形截面,荷载或跨度较大,T形、I形截面,受弯构件,截面高度h,(1/301/15)l0,T形、I形截面,翼缘宽度,(1/101/6)h,翼缘宽度,(1/31/2)h,腹板宽度,(1/101/8)h,2)纵向预应力钢筋和非预应力钢筋,为防止预应力混凝土受弯构件在张拉、运输及吊装时在其预拉区产生裂缝，,当跨度较小时,当跨度较大时,在预应力混凝土构件中，除配置预应力钢筋之外，通常还需配