预应力混凝土结构.ppt

1、9预应力混凝土构件,本章主要介绍预应力混凝土的基本原理、预应力混凝土结构构件的基本计算规定、预应力混凝土轴心受拉构件的设计、预应力混凝土构件的构造要求。重点是预应力混凝土构件的设计原理和构造要求。,本章提要,本 章 内 容,9.1 概述 9.2 预应力混凝土结构的材料 9.3 预应力混凝土结构构件的基本计算规定 9.4 预应力混凝土轴心受拉构件 9.5 预应力混凝土结构的构造要求,9.1 概述,混凝土受拉构件、受弯构件、大偏心受压构件等，在各种荷载作用下，都存在受拉区。当荷载不是太大时，上述构件中将出现裂缝。 混凝土的极限抗拉应变值ctu大约为0.00015，则钢筋应力在开裂时的值约为: s=

2、Ess=Esctu=21050.00015=30N/mm2 钢筋混凝土构件的另一大缺点是不能采用高强度钢筋。 ,9.1.1 普通钢筋混凝土结构的缺点,最后一点是：提高混凝土强度等级对构件抗裂性所起的作用也是极其有限的，因为各等级混凝土的极限抗拉应变相差不大；增加构件截面尺寸能提高抗裂性，但所需混凝土多，构件自重大。,9.1.2 预应力混凝土的基本原理,所谓预应力混凝土就是在混凝土构件承受使用荷载前的制作阶段，预先对使用阶段的受拉区施加压应力，造成一种人为的应力状态。 当构件承受使用荷载而产生拉应力时，首先要抵消混凝土的预压应力，然后随着荷载的增加，受拉区混凝土产生拉应力。因此，可推迟混凝土裂缝

3、的出现和开展，以满足使用要求。这种在结构构件承受荷载以前预先对受拉区混凝土施加压应力的结构构件，就称为预应力混凝土构件。,如图9.1所示，一简支梁在承受外荷载之前，预先在梁的受拉区施加一对大小相等、方向相反的集中力P,则构件各截面的应力分布如图9.1(a)，下边混凝土纤维的压应力为pc； 仅在使用荷载作用下，梁跨中截面应力分布如图9.1(b)，跨中截面下边缘混凝土的拉应力为t； 当两种应力状态相互叠加时（如图9.1(c)所示)，梁跨中下边缘的应力可能是数值很小的拉应力，也可能是压应力，甚至应力为零，视施加压力P和荷载的相对大小而定。,图9.1预应力混凝土构件,9.1.3 预应力混凝土的受力特征

4、,图9.2为两根梁的荷载挠度曲线对比图。从图9.2可知预应力混凝土构件具有如下受力特征： （1） 对混凝土构件施加预应力可以提高构件的抗裂性。 （2） 预应力的大小可人为地根据需要调整。 （3） 在使用荷载作用下，构件在开裂前处于弹性工作阶段。材料力学的公式完全适用。 （4） 施加预应力对构件正截面承载力无明显影响。但预应力对斜截面承载力有一定提高。,图9.2简支梁荷载挠度曲线,9.1.4 施加预应力的方法,（1） 先张法 先张法是指首先在台座上或钢模内张拉钢筋，并作临时锚固，然后浇筑混凝土。待混凝土达到一定强度后剪断或放松钢筋。钢筋剪断后将产生弹性回缩，但钢筋与混凝土之间存在着粘结力，混凝土

5、就会阻止钢筋回缩而混凝土本身受到预压应力。 先张法的主要工序见图9.3所示。,（2） 后张法 后张法是指先浇筑混凝土构件并预留好孔道，待混凝土达到一定的强度后在孔道内穿入钢筋，然后直接在构件上张拉钢筋，最后用锚具在构件两端将钢筋锚固，阻止钢筋回缩，从而对构件施加预应力。钢筋张拉完毕并将张拉端锚固后，预留孔道内应按要求灌浆。 后张法的主要工序见图9.4所示。,先张法、后张法各有优缺点： 先张法生产工序少，工艺简单，施工质量容易保证，不需在构件上设永久性锚具，生产成本低，在长线台座上，一次可生产多个构件。先张法主要适合于工厂内生产中、小型构件。 后张法不需要台座，构件既可在工厂也可在现场制作；后张

6、法构件只能单一逐个地施加预应力，工序多，操作也麻烦；而且需设永久性锚具，成本高；一般用于运输不便的大、中型构件。,图9.3先张法主要工序示意图,(a) 张拉钢筋；(b) 支模并浇捣混凝土；(c)放松并截断预应力钢筋,图9.4后张法主要工序示意图,(a) 制作混凝土构件；(b) 张拉钢筋；(c)张拉端锚固并对孔道灌浆,9.1.5 预应力混凝土构件的优缺点,预应力混凝土构件的抗裂性能远高于普通钢筋混凝土构件，增加了混凝土结构的使用范围；在使用荷载作用下一般不出现裂缝，构件的耐久性好、刚度大、变形也小；能充分利用高强度钢筋和高强度混凝土，减少了钢筋用量，截面小，减轻了构件自重，从而为混凝土结构用于大

7、跨度结构创造了良好的条件；预应力技术的采用，也为装配式结构提供了良好的装配、拼装手段，可通过纵、横方向施加预应力钢筋，把装配式结构连成理想的整体。 其主要缺点是施工设备要求高，施工较复杂，设计计算较繁。,9.2 预应力混凝土结构的材料,预应力混凝土结构构件所用的混凝土，应满足下列要求： （1） 强度高。 （2） 收缩、徐变小。 （3） 快硬、早强。 选择混凝土强度等级时，应考虑施工方法（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。 ,9.2.1 混凝土,9.2.2 钢材,预应力结构构件所用的钢筋（丝）应满足下列要求： （1） 强度高。 （2） 具有一定的塑性。 （3）

8、 良好的加工性能。 （4） 与混凝土之间有较好的粘结强度。特别是先张法构件。当采用光面高强钢丝时，表面应经“刻痕”或“压波”等措施处理后方能使用。,9.3 预应力混凝土结构构件的基本计算规定,因预应力混凝土结构构件在施工阶段和使用阶段处于完全不同的受力状态，故应分别进行施工阶段和使用阶段的设计计算或验算。 规范规定，一般需进行下列计算或验算：,9.3.1 计算内容,（1） 承载力计算 对预应力混凝土轴心受拉构件只进行正截面承载力计算。对预应力混凝土受弯构件应同时进行正截面和斜截面承载力计算。 （2） 裂缝控制验算 根据使用要求及耐久性要求，确定构件是不允许开裂还是允许开裂。不允许开裂的构件应进

9、行抗裂验算，允许开裂的构件则应进行裂缝宽度验算。 （3） 变形验算 对预应力混凝土受弯构件应进行挠度验算。,9.3.1.1 使用阶段计算,施工阶段验算是指对构件在制作、运输和吊装过程中所受力的实际情况而进行的承载力和抗裂性的验算。 对后张法构件还应验算锚具处的局部受压承载力。,9.3.1.2 施工阶段验算,9.3.2 张拉控制应力con,（1）con的定义 张拉控制应力是指张拉预应力筋时预应力筋应达到的拉应力规定值，用con表示。张拉时预应力筋实有的应力可由张拉设备上的测力计所示的总拉力除以预应力钢筋截面面积得出。 （2） 张拉控制应力的确定 张拉控制应力的数值与钢筋的种类和施加预应力的方法有

10、关。 规范规定的张拉控制应力允许值见表9.1。,表9.1张拉控制应力允许值con,9.3.3 预应力损失l,按照某一控制张拉应力值张拉好的预应力钢筋的初始张拉应力，由于张拉工艺和材料特性等原因，会从构件制作到安装使用各个过程中不断降低。这种预应力降低的现象称为预应力损失。 引起预应力损失的因素很多，规范给出了以下六种因素及其产生的相应预应力损失值的计算方法。,在先张法和后张法中，张拉钢筋一般总是先将钢筋一端锚固而在另一端张拉，待钢筋张拉到规定的控制应力con后，便再把张拉端的预应力筋锚固在台座或构件上。 锚具变形和预应力钢筋滑动回缩引起的预应力损失l1，按下式计算： 其中，张拉端锚具变形和预应

11、力筋滑动的内缩值（mm），按表9.2取用；,9.3.3.1 张拉端锚具变形和钢筋内缩引起预应力损失,后张法构件在张拉预应力筋时，由于钢筋与孔道壁之间的摩擦力存在，它将使预应力筋截面的应力随距张拉端的距离的增大而减小（图9.5）。这种应力损失称为摩擦损失。 规范规定，摩擦损失l2按下列公式计算： 其中，k,按表9.3取用； 对于x+0.2的预应力混凝土构件，l2可按下式近似计算：,9.3.3.2 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失,设预应力钢筋与台座之间的温差为t，钢筋的线膨胀系数=1.010-5/，弹性模量Es=2.0105N/mm2，于是预应力损失l3为： l3=Ess=Est=2

12、1051.010-5t 即 l3=2t,9.3.3.3 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,所谓钢筋应力松弛，是指钢筋在高应力状态下，在长度不变条件下，由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的延续而降低的现象。 （1） 预应力钢丝、钢绞线普通松弛： 钢丝、钢绞线低松弛： 当con0.7fptk时,9.3.3.4 预应力筋应力松驰引起的预应力损失,当0.7fptkcon0.8fptk时 (2) 热处理钢筋： 一次张拉 l4=0.05con 超张拉 l4=0.035con,根据试验资料和经验，规范规定：混凝土收缩、徐变引起的预应力损失l5按下列公式计算。 （1） 先张法构件,9.3.3

13、.5 混凝土收缩、徐变引起的预应力损失,(2) 后张法构件,对先张法构件 对后张法构件,此处不作详细介绍。,9.3.3.6 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,表9.2 锚具变形和钢筋内缩值a(mm),图9.5 预应力钢筋的应力损失l2,表9.3 摩擦系数,为了分析和计算方便起见，规范将预应力构件在各阶段的预应力损失值按表9.4的规定组合。发生在混凝土预压以前的预应力损失称为第一批预应力损失，用l表示；发生在混凝土预压以后的称为第二批预应力损失，用l表示。 规范同时还规定，当按上述规定计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，则按下列数值取用： 先张法构件1

14、00N/mm2； 后张法构件80N/mm2。,9.3.4 预应力损失的组合及减少预应力损失的措施,9.3.4.1 各阶段预应力损失值的组合,表9.4各阶段预应力损失值的组合表,（1） 选择变形小或预应力筋滑动小的锚具或夹具，尽量减少垫板的数量，增加先张法台座长度，以减小l1值； （2） 采用高强度等级混凝土、高标号水泥，降低水泥用量，减小水灰比，采用良好级配的骨料，尽可能提高混凝土的密实度并加强养护，从而减少预应力损失l5； （3） 钢筋放张时混凝土的实有立方体强度值不能定得太低，并使得混凝土的预压应力pc和pc不大于0.5fcu；,9.3.4.2 减少预应力损失的措施,（4） 对预应力钢筋进

15、行超张拉，以减少钢筋松弛所引起的预应力损失； （5） 采用合适的施工工艺，如对预应力筋进行两端张拉，加热养护采用“两阶段升温养护”，即先在较低温度下养护，使混凝土达到一定强度后，再升温至规定的温度下进行养护，从而可减少由温差和摩擦引起的预应力损失。,9.4 预应力混凝土轴心受拉构件,轴心受拉预应力钢筋混凝土构件中一般配有预应力钢筋Ap和非预应力钢筋As，而且应对称布置，预应力钢筋一般布置于构件的中间部位，配筋情况见图9.6所示。 换算截面就是将钢筋和混凝土两种不同材料组成的截面，根据应变相等的原则换算成相应的纯混凝土截面。所谓应变相等原则是指在截面的同一纤维层上的钢筋应变s和混凝土应变c是相等

16、的。,9.4.1 应力分析,普通钢筋的应变值s=s/Es 预应力钢筋的应变值 p=p/Es 混凝土的应变值c=c/Ec 因应变相等，即s=c，故 s/Es=c/Ec 普通钢筋应力的合力为 sAs=cEAs 预应力筋应力的合力为 pAp=cEAp 经换算后的总截面面积用A0表示： A0=Ac+EAs+EAp,净截面面积An指换算截面面积减去全部纵向预应力钢筋截面面积换算成混凝土的截面面积，即： An=A0-EAp=Ac+EAs,1.施工阶段 （1） 张拉预应力钢筋和浇筑混凝土。 先张法构件在台座上按规定张拉好钢筋后，将预应力筋锚固在台座上，布置非预应力筋，浇捣混凝土，养护。 预应力钢筋应力为p=

17、con-l；混凝土和非预应力钢筋均未受压，则相应的应力分别为：pc=0和s=0，详见图9.7所示。,9.4.1.1 先张法构件,（2） 切断（放松）预应力钢筋。 混凝土压应力沿截面均匀分布，其值为pc；非预应力钢筋应力自然为s=espc；预应力钢筋因缩短，则应力为： p=con-l-epc 由截面内力平衡条件可得（见图9.8): pcAc+sAs=(con-l-epc)Ap 将上式整理得：,（3） 完成第二批损失之后。 预应力总损失为l=l+l。设此时的混凝土压应力为pc，非预应力钢筋应力为s=espc，预应力钢筋应力为 p=con-l-epc 即p=con-l-epc 混凝土预压应力pc仍利

18、用截面平衡条件求得（图9.9）；,（4）非预应力钢筋对预应力的影响。 非预应力钢筋对预应力既有有利的一面，也有不利的一面，综合考虑后，规范近似取混凝土的有效预压应力为,2.使用阶段 使用阶段在轴向力逐渐增加时，预应力轴心受拉构件不断伸长，混凝土预压应力逐渐减少至零；接着混凝土应力变为拉应力（非预应力钢筋也会稍后一步受拉）；当拉应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值时，构件处于开裂极限状态；开裂后裂缝截面的内力全部由钢筋承受，裂缝逐渐开展，当钢筋达到屈服强度时，构件处于承载力极限状态。,2.使用阶段 使用阶段在轴向力逐渐增加时，预应力轴心受拉构件不断伸长，混凝土预压应力逐渐减少至零；接着混凝土应力变为

19、拉应力（非预应力钢筋也会稍后一步受拉）；当拉应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值时，构件处于开裂极限状态；开裂后裂缝截面的内力全部由钢筋承受，裂缝逐渐开展，当钢筋达到屈服强度时，构件处于承载力极限状态。,（1） 混凝土应力为零时。 在外力Np0的作用下，使建立起来的预压应力pc全部抵消，混凝土应力为零，此状态也称为消压状态。 由截面内、外力平衡条件可求得消压状态时的轴心拉力（图9.10)： Np0=(con-l)Ap-l5As=pcA0,（2） 构件即将开裂时。 外荷载继续增加，当混凝土拉应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值时，构件处于即将开裂的极限状态（图9.11)，此时混凝土应力为ftk，非预应力

20、钢筋应力为s=esftk-l5，预应力钢筋应力为p=con-l+eftk，由内外力平衡条件可求得构件即将开裂时的轴心拉力Np,cr，即 Np,cr=A0ftk+pcA0=(ftk+pc)A0 即 Np,cr=(ftk+pc)A0,（2）构件破坏时。 当荷载继续再增加时，构件开裂并逐渐贯穿整个截面。裂缝截面上全部荷载由钢筋承担。当钢筋达到屈服时构件宣告破坏（图9.12)，即达到其承载力极限状态。 由平衡条件可得，极限承载能力Nu为： Nu=fpyAp+fyAs,图9.6预应力轴心受拉构件配筋示意图,图9.7 放松预应力钢筋之前的受力状态,(a) 构件在台座上的情况；(b) 脱离体图,图9.8 先

21、张法构件放松预应力钢筋时的受力状态,图9.9 先张法构件完成第二批损失之后的受力状态,图9.10 先张法构件消压状态时的受力状态,图9.11 先张法构件即将开裂时的受力状态,图9.12 先张法构件破坏时的受力状态,1.施工阶段 （1） 张拉至预应力钢筋锚固后。 非预应力钢筋的应力为espc，预应力钢筋的应力则为p=con-l。 混凝土预压应力pc由平衡条件（图9.13)求得： pcAc+sAs=pAp 整理后得：,9.4.1.2 后张法构件,（2） 完成第二批预应力损失之后。 此时已完成全部预应力损失l, l=l+l；设混凝土预应力为pc，则非预应力钢筋应力为s=espc+l5,预应力钢筋应力

22、为p=con-l. 混凝土有效预压应力pc可由平衡条件（图9.14)求得： pcAc+sAs=pAp 经推导和整理得： ,2.使用阶段 （1） 混凝土应力等于零时。 此状态为消压状态。此时预应力钢筋的应力为p0=con-l+epc，非预应力钢筋应力为s0=l5（压）。 由截面平衡条件可求得消压状态时构件的轴向拉力Np0为（图9.15)： Np0=p0Ap-s0As=pcA0,（2） 构件即将开裂时。与先张法构件相似，此时混凝土的应力为ftk，非预应力筋的应力为s=esftk-l5，预应力钢筋的应力为p=con-l+epc+eftk。 由平衡条件可求得构件开裂时的轴心拉力Np,cr为 Np,cr

23、=ftkAc+sAs+pAp=(ftk+pc)A0 (3) 构件破坏时。与先张法构件一样，裂缝截面上的内力部分由钢筋承担，承载力公式为Nu=fpyAp+fyAs。,图9.13 后张法构件预应力筋锚固后的受力状态,图9.14 后张法构件完成第二批损失后的受力状态,图9.15 后张法构件处于消压状态时的受力状态,根据构件破坏时的受力状态（图9.16)，可得计算公式为： 0NfyAs+fpyAp,9.4.2 预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算,9.4.2.1 正截面承载力,图9.16 预应力轴心受拉构件承载力计算简图,混凝土结构设计规范根据构件对裂缝控制的要求，将混凝土结构构件的裂缝控制等级划分为

24、以下三级：一级、二级和三级。 对裂缝控制等级为一、二级的预应力混凝土轴心受拉构件，可分别按下列规定进行抗裂验算： 1.严格要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合下应符合下列规定： ck-pc0,9.4.2.2 抗裂验算,2.一般要求不出现裂缝的构件 在荷载效应的标准组合下应符合下列规定： ck-pcftk 在荷载效应的准永久组合下宜符合下列规定： cq-pc0,1. 混凝土轴心受压承载力验算 规范规定，张拉钢筋（后张法）或切断预应力筋（先张法）时，构件应满足下列条件： cc0.8fck 其中，对先张法构件cc按下式计算： 对后张法构件： ,9.4.2.3 施工阶段验算,2.后张法构件锚固区

25、局部受压承载力计算 后张法构件中，预压应力是通过锚具传给垫板，再由垫板传递给混凝土的。预压应力在构件的端面上是集中于垫板下一定的范围之内，然后在构件内逐步扩散，经过一定的扩散长度后就均匀地分布到构件的全截面上，一般取扩散长度等于构件的截面宽度b(图9.17)。 规范规定，在预应力筋锚具下及张拉设备的支承处，应配置预埋钢垫板及附加横向钢筋网片或螺旋式间接钢筋（图9.18)。,（1） 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，构件锚固区的局部受压承载力应按下式计算（图9.19）： Fl0.9(clfc+2vcorfy)Aln 当配置方格网时（图9.20(a)）

26、v=(n1As1l1+n2As2l2)/Acors 当配置螺旋式配筋时（图9.20(b) v=4Ass1/dcors,（2） 局部受压区的截面尺寸要求。 规范规定，为了防止构件端部局部受压面积太小而在使用阶段出现裂缝，混凝土局部受压区的截面尺寸应符合下列要求： Fl1.35clfcAln (3) 间接钢筋的构造要求。 计算需要的间接钢筋应均匀地配置在图9.20规定的范围内，且其体积配筋率v不应小于0.5%。对方格网配筋，在hl1范围内配置的方格网钢筋不应少于4片；对螺旋式配筋，在hdcor范围内配置的螺旋式钢筋不应少于4圈。,图9.17 构件端部锚固区的应力传递,图9.18 预埋钢垫板及附加横

27、向钢筋网,图9.19 确定局部受压计算底面积Ab,图9.20 钢筋网及螺旋钢筋的配置,9.5 预应力混凝土结构的构造要求,截面形式一般为矩形、T形、工字形和箱形。 因预应力对构造刚度和抗裂能力有提高作用，故构件截面可选得小些。一般取截面高度h为（1/201/14)l,l为构件跨度，宽度也相应减小。,9.5.1 截面形式及尺寸,9.5.2 构件端部的构造钢筋,为防止预应力构件端部及预拉区的裂缝，对各种预制构件应按下述构造措施配置防裂钢筋： （1） 对于槽形板类构件，应在构件端部100mm范围内沿构件板面设置附加的横向钢筋，其数量不少于2根，如图9.21所示。 （2） 在预应力混凝土屋面梁、吊车梁

28、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。 （3） 当构件在端部有局部凹进时，应增设折线构造钢筋或其它有效的构造钢筋（图9.22)。,（4） 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。,图9.21 附加横向钢筋,图9.22 端部凹进处构造配筋,1折线构造钢筋；2竖向构造钢筋,9.5.3 先张法构件的构造要求,1.钢筋（丝）间距 先张法预应力钢筋之间的净间距应根据浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固等要求确定。 预

29、应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径或等效直径的1.5倍，且应符合下列规定：对热处理钢筋及钢丝，不应小于15mm；对三股钢绞线，不应小于20mm；对七股钢绞线，不应小于25mm。,2.钢丝的并筋配筋方式 当先张法预应力钢丝按单根方式配筋困难时，可采用相同直径钢丝并筋的配筋方式。并筋的等效直径，对双并筋应取为单筋直径的1.4倍，对三并筋应取为单筋直径的1.7倍。 并筋的保护层厚度、锚固长度及预应力传递长度等均应按等效直径考虑。 当预应力钢绞线、热处理钢筋采用并筋方式时，应有可靠的构造措施。,3.钢筋的保护层 纵向预应力钢筋的保护层厚度取值同普通钢筋混凝土构件。 4.端部附加钢筋 先张法预应力混凝土构件，预应力钢筋端部周围的混凝土应采取下列加强措施： （1） 对单根预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋（图9.23(a)）；当有可靠经验时，亦可利用支座垫板上的插筋代替螺旋筋