结构设计原理9

1、大连理工大学网络教育学院结构设计原理辅导资料九主 题：结构设计原理的辅导文章混凝土中预应力施加的方法；预应力混凝土梁、板的构造；预应力损失；预应力混凝土梁板的设计要点；预制构件施工阶段的验算，混凝土结构耐久性的设计。学习时间为：2017年5月22日-5月28日目的和要求：我们这周主要学习第5章建筑结构设计中预应力混凝土以及混凝土耐久性设计的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们学习混凝土中预应力施加的方法；预应力混凝土梁、板的构造；预应力损失；预应力混凝土梁板的设计要点；预制构件施工阶段的验算，混凝土结构耐久性的设计等相关知识有更好的了解。一、学习要求（1）混凝土中预应力施加的方法；（2）预应

2、力混凝土梁、板的构造；（3）预应力损失；（4）预应力混凝土梁板的设计要点；（5）混凝土结构耐久性的设计；二、主要内容基本内容：预应力的施加，构造，预应力损失，混凝土耐久性。预应力混凝土的基本概念和一般计算规定 普通钢筋混凝土构件虽已广泛应用于土木工程建筑之中，但由于混凝土的极限拉应变很小，仅有(0.10.15)×10-3，故在正常使用条件下构件的受拉区开裂，刚度下降，变形较大，使其适用范围受到限制。为了控制构件的裂缝及变形，可采取加大构件的截面尺寸，增加钢筋用量，采用高强混凝土和高强钢筋等措施。但是如采用增加截面尺寸和用钢量的方法，一般来讲不经济，并且当荷载及跨度较大时不仅不经济而且

3、很笨重；如提高混凝土的强度等级，由于其抗拉强度提高得很小，对提高构件抗裂性和刚度的效果也不明显；如果提高钢筋的强度，则钢筋达到屈服强度时的拉应变很大，约在2×10-3以上，与混凝土的极限拉应变相差悬殊。因此对不允许开裂的构件，使用时受拉钢筋的应力只能为2030Nmm²左右。由此可见，在普通钢筋混凝土结构中，高强混凝土和高强钢筋是不能充分发挥作用的。 为了充分利用高强混凝土及高强钢材，可以在混凝土构件受力前，在其使用时的受拉区内预先施加压力，使之产生预压应力，造成人为的应力状态。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消混凝土构件内的预压应力，然后随着荷载的增加，混凝土构件受

4、拉并随荷载继续增加才出现裂缝，因此可推迟裂缝的出现，减小裂缝的宽度，满足使用要求。这种在构件受荷前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为“预应力混凝土结构”。 预应力混凝土的构思出现在19世纪末，1886年就有人申请了用张拉钢筋对混凝土施加预压力防止混凝土开裂的专利。但那时材料的强度很低，混凝土的徐变性能尚未被人们充分认识，通过张拉钢筋对混凝土构件施加预压力不久，由于混凝土的收缩、徐变，使已建立的混凝土预压应力几乎完全消失，致使这一新颖的构思未能实现。直到1928年，法国的EFreyssinet首先用高强度钢丝及高强混凝土成功地设计建造了一座水压机，以后在本世纪30年代，高强钢材能够大量生产时

5、，预应力混凝土才真正为人们所应用。 随着土木工程中混凝土强度等级的不断提高，高强钢筋的进一步使用，预应力混凝土目前已广泛应用于大跨度建筑结构、公路路面及桥梁、铁路、海洋、水利、机场、核电站等工程之中。例如，新建的国际会展中心，广州市九运会的体育场馆，日新月异的众多公路大桥，核电站的反应堆保护壳，上海市的东方明珠电视塔。遍及沿海地区高层建筑、大跨建筑以及最大面广的工业建筑的吊车梁、屋面梁等都采用了现代预应人混凝土技术。预应力钢筋混凝土结构与普通钢筋混凝土结构相比，其主要优点是：（1）不会过早地出现裂缝，抗裂性好。（2）可合理地利用高强钢材和混凝土，与钢筋混凝土相比节约钢材3050，减轻结构自重达

6、30左右，且跨度越大越经济。（3）由于抗裂性能好，提高了结构的刚度和耐久性，加之反拱作用，减少了结构及构件的变形。（4）扩大了混凝土结构的应用范围。（5）通过预加应力，使结构经受了一次检验。从某种意义上讲，预应力混凝土可称为事先检验过的结构。（6）预加应力还可作为土木工程结构施工中的一种拼装手段和加固措施。 预应力混凝土结构的缺点是相对钢筋混凝土而言计算繁杂，施工技术要求高，需要张拉及锚具设备等，故不宜将其用于普通钢筋混凝土结构完全适用的地方。预加应力的方法常用的施加预应力方法主要有两种；1先张法 在浇筑混凝土前先张拉顶应力钢筋的方法称为先张法。其主要工序如图1所示：先在台座上张拉钢筋，并作临

7、时固定，然后浇筑混凝土，等混凝土达到一定强度后(约为设计强度的70以上)，放松钢筋，钢筋在回缩时要挤压混凝土，使混凝土获得预加应力。所以先张法是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递预加应力的。制作先张法预应力构件一般需要台座、干斤顶、传力架和锚具等设备，台座承受张拉力的反力，长度较大，要求具有足够的强度和刚度，且不滑移，不倾覆。当构件尺寸不大时，也可用钢模代替台座，在其上直接张拉。千斤顶和传力架随构件的形式，尺寸及张拉力大小的不同而有多种类型。先张法中应用的锚具又称工具锚具或夹具，其作用是在张拉端夹住钢筋进行张拉或在两端临时固定钢筋，可以重复使用，这种锚具的种类较多。2后张法 在混凝土结硬后的构件

8、上直接张拉预应力钢筋的方法称为后张法，其主要工序如图2所示：先制作混凝土构件，在构件中预留孔道，待混凝土达到规定的强度后，在孔道中穿钢筋或钢筋束，利用构件本身作为台座，张拉钢筋时，混凝土同时受到挤压。张拉完毕，在张拉端用锚具锚住钢筋，并在孔道内压力灌浆。由此可看出，后张法是依靠钢筋端部的锚具来传递预加应力的。制作后张法预应力结构及构件不需要台座，张拉钢筋常用千斤顶。也可采用电热法，即对钢筋通以低压强电流，使其受热伸长，切断电源锚固钢筋后，钢筋回缩，混凝土受到预加应力。后张法的锚具永远安置在构件上，起着传递预应力的作用，故又称工作锚具，根据所锚对象和预加力的大小，可分多种类型。3两种方法的适用范

9、围 先张法与后张法相比较：先张法工艺比较简单，但需要台座(或钢模)设施；后张法工艺较复杂，需要对构件安装永久性的工作锚具，但不需要台座。前者适用于在预制构件厂批量制造的，方便运输的中小型构件；后者适用于在现场成型的大型构件，在现场分阶段张拉的大型构件以至整个结构。先张法只适用于直线预应力钢筋；后张法既适用于直线预应力钢筋又适用于曲线预应力钢筋。在有的结构中，可同时采用先张法和后张法施工。例如在结构中采用很多尺寸相同的构件，则用先张法对它们分批制造是经济的；当构件运至现场安装就位后，采用后张法将它们联成整体、形成结构是合理的。先张法与后张法虽然是以在浇筑混凝土的前后张拉钢筋来区分，但其本质差别却

10、在于对混凝土构件施加预应力的途径。先张法是通过预应力筋与混凝土问的粘结作用来施加预应力；后张法则通过锚具施加预应力。例如，电热法利用低压强电流使钢筋受热伸长，通过锚具使钢筋固定在构件上，断电后利用钢筋冷却回缩建立预应力，为后张法；而采用膨胀水泥制作的配有钢筋的混凝土构件，由于钢筋阻止了混凝土的自由膨胀，可取得预压混凝土的效果，从施加预压应力的途径来看，为先张法。预应力混凝土的材料1.钢筋与普通混凝土构件不同，钢筋在预应力构件中，从构件制作开始，到构件破坏为止，始终处于高应力状态，故对钢筋有较高的质量要求。归纳起来，有下列几方面：（1）高强度为了使混凝土构件在发生弹性回缩、收缩及徐变后，其内部仍

11、能建立较高的预压应力，就需采用较高的初始张拉应力，故要求预应力钢筋具有较高的抗拉强度。（2）与混凝土间有足够的粘结强度由于在受力传递长度内钢筋与混凝土间的粘结力是先张法构件建立预压应力的前提，故在先张法构件中必须保证两者间有足够的粘结强度。（3）良好的加工性能良好的可焊性、冷镦性及热镦性能等。（4）具有一定的塑性为了避免构件发生脆性破坏，要求预应力筋在拉断时具有一定的延伸率，当构件处于低温环境和冲击荷载条件下，此点更为重要。一般说来，要求极限延伸率>4。常用的预应力钢筋有：（1）中高强钢丝。中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的强度为8001200Nmm²

12、;，高强钢丝的强度为14701860Nmm²，钢丝直径为3mm9mm。为增加与混凝土的粘结强度，钢丝表面可采用“刻痕”或“压波”。钢丝经冷拔后，存在较大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。经这样处理的钢丝称为消除应力钢丝，其比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。（2）钢绞线。钢绞线是用3股或7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力钢筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.5152mm， 强度可高达1860Nmm²。3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件。（3）热处理钢筋。用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高

13、强度钢筋，直径有6mm、82mm、10mm三种、抗拉强度为1470Nmm²。除冷拉低合金钢筋外，其余预应力钢筋的应力应变曲线均无明显屈服点，采用残余应变为02的条件屈服点作为抗拉强度的设计指标。（4）无粘结预应力束。无粘结预应力束是出75和74钢丝束、油脂涂料层和包裹层组成。油脂涂料使预应力束与其周围混凝土隔离，减少摩擦损失，防止预应力束锈蚀。护套包裹层的作用是保护油脂涂料及隔离预应力束和混凝土，应有一定的强度以防止施工中破损及一定的耐腐蚀性。目前多采用低密度聚乙烯与油脂涂料一同在预应力筋上挤出形成无粘结预应力束的生产工艺。2混凝土 预应力混凝土构件对混凝土的基本要求是：（1）高强度

14、。预应力混凝土必须具有较高的抗压强度，这样才能承受大吨位的预应力，有效地减少构件的截面尺寸，减轻构件自重，节约材料。对于先张法构件，高强度的混凝土具有较高的粘结强度，可减少端部应力传递长度，故在预应力混凝土构件中、混凝土强度等级不应低于C30级：当采用高强钢丝、钢铰线和热处理钢筋作预应力筋时，混激土强度等级不应低于C40级。（2）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。（3）快硬、早强。这样可尽早地施加预应力，以提高台座、模具、夹具的周转率，加快施工进度，降低管理费用。预应力损失预应力混凝土构件在制造、运输、安装、使用的各个过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因，使钢筋中的张拉

15、应力逐渐降低的现象，称为预应力损失。引起预应力损失的因素很多，下面讨论引起预应力损失的原因，损失值的计算方法和减少预应力损失的措施；1张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失(Nmm) 预应力钢筋锚固时，由于锚具、垫板与构件之间的所有缝隙被挤紧，钢筋和楔块在锚具中的滑移，使已拉紧的钢筋内缩了mm，造成预应力损失其预应人损失值可按下列方法计算：（1）预应力直线钢筋由于锚具变形和预应力钢筋内缩引起的预应力损失：式中张拉端锚具变形和钢筋内缩值； 张拉端至锚固端之间距离(mm)。 锚具损失中只须考虑张拉端，因为固定端的锚具在张拉钢筋的过程中已被挤紧，不会引起预应力损失。为了减少锚具变形所造成的预应力损

16、失，应尽量少用垫板，因为每增加一块垫板，值就增加1mm。（2）后张法构件预应力曲线钢筋或折线钢筋由于锚具和预应力钢筋内缩引起的预应力损失值，应根据预应力曲线钢筋或折线钢筋与孔道壁之间反向摩擦影响长度范围内的预应力钢筋变形值等于锚具变形和钢筋内缩值的条件确定，当预应力钢筋为圆弧形曲线，且时，可按下式近似计算：反向摩擦影响长度可按下列公式计算：圆弧形曲线预应力钢筋的曲率半径(m)；预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数考虑管道每米长度局部偏差的摩擦系数；张拉端至计算截回的距离(m)，符合的规定；锚具变形和钢筋内缩值(mm)；须应力钢筋的弹性模量(Nmm²)。2预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预

17、应力损失（Nmm²) 后张法构件张拉钢筋时，由于钢筋与混凝土孔壁之间的摩擦，其实际预应力从张拉端往里逐渐减小，这种应力差额称为摩擦引起的预应力损失。直线孔道的摩擦损失是由于施工时孔道尺寸的偏差、孔道粗糙以及钢筋的自重下垂等原因，使钢筋某些部位紧贴孔壁引起的；曲线孔道的摩擦损失除由于钢筋紧贴孔壁引起外，还有由于钢筋张拉时产生了对孔壁的垂直压力而引起的。因此的大小与孔道形状和成型方式有关：曲线孔道部位的摩擦损失比直线孔道部位为大。可按下列公式计算：式中从张拉端至计算截面的孔道长度(m)，亦可近似取该段孔道在纵轴上的投影长度；从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角（以弧度计）。当不大于0

18、.2时，可按下列公式近似计算：为了减少摩擦损失、可采用以下措施：（1)对于较长的构件可在两端进行张拉，两端张拉可减少一半摩擦损失；（2）采用超张拉工艺，若张拉工艺为：01.1，持荷两分钟0.85。当第一次张拉至1.1时，预应力钢筋应力沿EHD分布。退至0.85后，由于钢筋与孔道的反向摩擦，预应力将沿DHGF分布。当再张拉至时，预应力沿CGHD分布。显然预应力要均匀些，预应力损失也小一些。3混凝土加热养护时，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(Nmm²) 为了缩短先张法构件的生产周期，常采用蒸汽养护混凝土的办法，升温时，新浇的混凝土尚未结硬，钢筋受热自由膨胀，但两端的

19、台座是固定不动的，距离保持不变，故钢筋就松了，降温时，混凝土已结硬并和钢筋结成整体，不能自由回缩，构件中钢筋的应力也就不能恢复到原来的张拉值，于是就产生了温差损失。；可近似地作以下计算：若预应力钢筋与承受拉力的设备之间的温差为()，钢筋的线膨胀系数为()，那么由温差引起的钢筋应变为，则应力损失为： 减少温差损失，可采用以下措施： （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C7至C10时，再逐渐升温。此时可以认为钢筋与混凝土已结成整体，能一起胀缩而无应力损失。 （2）在钢模上张拉预应力构件，因钢模和构件一起加热养护，不存在温差，可不考虑此项损失。4预应力钢筋的应力松弛引起的预应

20、力损失(Nmm²) 钢筋的应力松弛是指钢筋受力后，在长度不变的条件下，钢筋的应力随时间的增长而降低的现象，显然，预应力钢筋张拉后固定在台座或构件上时，都会引起应力松弛损失。 应力松弛也与时间有关：在张拉初期发展很快，第一分钟内大约完成50，24小时内约完成80，1000小时以后增长缓慢，5000小时后仍有所发展。应力松弛损失值与钢材品种有关：冷拉热轧钢筋的应力松弛比碳索钢丝、冷拔低碳钢丝、钢铰线钢筋的应力松弛小。应力松弛损失值还与初始应力有关：当初始应力小于0.7时，松弛与初始应力成线性关系，当初始应力大于0.7时，松弛显著增大，在高应力下短时间的松弛可达到低应力下较长时间才能达到的

21、数值。根据这一原理，若采用短时间内超张拉的方法，可减少松弛引起的预应力损失。常用的超张拉程序为：01051.1持荷25分钟0规范规定预力钢筋的应力松弛损失按下列方法计算（1）普通松弛顶应力钢丝和钢绞线：此处，一次张拉：=15；超张拉：=0.9（2）低松弛预应力钢丝和钢绞线：当时当（3）热处理钢筋：一次张拉：超张拉：5温凝土收缩和徐变引起的预应力损失(Nmm²) 在一般湿度条件下(相对湿度6070)，混凝土结硬时体积收缩：而在预压力作用下，混凝土又发生徐变。徐变、收缩都使构件的长度缩短，造成预应力损失。 由于收缩和徐变是伴随产生的，且两者的影响因素很相似。而由收缩和徐变引起的钢筋应力变

22、化的规律也基本相同，故可将两者合并在一起子以考虑，规范规定的由混凝土收缩及徐变引起的受拉区和受压区预应力钢筋的预应力损失，、(Nmm²)可按下列公式计算：（1）先张法构件：（2）后张法构件式中、在受拉区、受压区预应力钢筋合力点处的混凝土法向压应力；施加预应力时的混凝土立方体抗压强度；、受拉区、受压区预应力钢筋和非须应力钢筋的配筋率：对先张法构件,；对后张法构件，。对于对称配置预应力钢筋和非预应力钢筋的构件，取，此时配筋率应按其钢筋截面面积的一半进行计算。 由上式可见，后张法构件的取值比先张法构件要低，这是因为后张法构件在施加预应力时，混凝土已完成部分收缩。 计算、时，预应力损失仅考虑

23、混凝土预压前(第一批)的损失，其非预应力钢筋中的应力、M的值应取为零，并可根据构件制作情况考虑自重的影响。 对处于干燥环境(年平均相对湿度低于40)的结构，及值应增加30。 混凝土收缩、徐变引起的应力损失值，在曲线配筋构件中可占总损失值的30左右，而在直线配筋构件中则占60左右。为了减少这种应力损失，应采取减少混凝土收缩和徐变的各种措施，同时应控制混凝土的预压应力，使、。 对重要的结构构件，当需要考虑与时间相关的混凝土收缩、徐变及钢筋应力松弛预应力损失值时，可按规范附录E进行计算。6环形构件用螺旋式预应力钢筋作配筋时所引起的预应力损失。 这项损失发生在用螺旋式预应为钢筋作配筋的环形构件中，混凝

24、土在预应力钢筋的挤压下发生局部压陷，使构件直径减小，引起预应力损失。的大小与构件直径成反比。规范规定，当构件直径d<3m时，30Nmm²；当d>3m，此项损失可忽略不计。7预应力损失的组合 以上分项讨论了各种预应力损失值。实际上损失值是按不同的张拉方法分两批产生的，其组合项目可按下表进行。上表中应注意以下两点：（1）电热后张法构件可不考虑摩擦损失；对于后张法构件意味着转向装置处的摩擦所产生的预应力损失。（2）先张法构件的值在第一批和第二批损失中所占比例可根据实际情况确定，一般情况下，可各取50。规范要求按上述规定计算得到的预应力总损失值应不小于下列数值：先张法构件：100

25、Nmm²后张法构件：80Nmm²预应力混凝土轴心受拉构件各阶段应力状态表第16页 共16页预应力混凝土构件的构造要求 构造问题是关系到设计能否实现的重要问题，必须引起高度重视，预应力混凝土构件除此符合下列基本构造要求外，尚应符合有关其他章节的规定。 （1）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、预应力传递长度及正常使用极限状态验算均应按等效直径考虑。 (注：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。) （2）

26、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。预应力钢筋之间的净间距不应小于其公称直径或等效且径的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。 （3）对先张法预应力混凝土构件，预应力钢筋端部周围的混凝上应采取下列加强措施： 对单根配置的预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋；当有可靠经验时，亦可利用支座垫板上的插筋代替螺旋筋，但插筋数量不应少于4根，其长度不宜小于120mm。 对分散布置的多根预应力钢筋，在构件端部10d(d为预应力钢筋的公称直径)范围

27、内应设置35片与顶应力钢筋垂直的钢筋网；对采用预应力钢丝配筋的薄板，在板端100mm范围内应适当加密横向钢筋。（4）对槽形板类构件，应在构件端部100mm范围内沿构件板面设置附加横向钢筋，其数量不应少于2根。以预制肋形板，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。当采用先张长线法生产有端横肋的预应力混凝土助形板时，应在设计和制作上采取防止放张预应力时端横助产生裂缝的有效措施。（5）在预应力混凝土屋面梁、吊车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。 （6）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

28、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。后张法构件（1）应选用可靠的锚具，后张法预应力钢筋所用锚具的形式和质量应符合国家现行有关标准的规定。（2）预留孔道布置，后张法预应力钢丝束、钢绞线束的预留孔道应符合下列规定：对预制构件，孔道之间的水平净间距不宜小于50mm；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一半；在框架梁中，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应小于1.5倍孔道外径；从孔壁算起的混凝土保护层厚度，梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm；预留孔道的内径应比预应

29、力钢丝束或钢绞线来外径及需穿过孔道的连接器外径大1015mm；在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，其孔距不宜大于12m；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。（3）对后张法预应力混凝土构件的端部锚固区，应按下列规定配置间接钢筋：应按规定进行局部受压承载力计算，并配置间接钢筋，其体积配筋率不应小于05；在局部受压间接钢筋配置区以外，在构件端部长度不小于3e(e为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)但不大于12(为构件端部截面高度)、高度为2e的附加配筋区范围内，应均匀配置附加箍筋或网片，其体积配筋率不应小于05。（4）在后张法预应力混凝土构件端部宜按下列规定布置钢筋：宜将一部分预应力钢筋在靠近支座处弯起，弯起的预应力钢筋宜沿构件端部均匀布置；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02(为构件端部截面高度)范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋；附加竖向钢筋宜采用带肋钢筋，其截面面积应符合下列要求： 当时当时当时，可根据实际情况适当配置构造钢筋。式中作用在构件端部截面重心线上部或下部预应力钢筋的合力，但应乘以预应力分项系数12，此时，仅考虑混凝土预压前的预应力损失值；e截面重心线上部或