混凝土结构设计原理[第十章预应力混凝土构件]山东大学期末考试

1、第十章 预应力混凝土构件本章重点介绍了有粘结预应力混凝土构件设计的基本原理、张拉方法、预应力材料、预应力损失、构件的计算和构造要求等内容。阐明了先张法和后张法预应力混凝土轴心受拉构件及后张法预应力混凝土受弯构件从张拉预应力钢筋、施加外荷载直到构件破坏的各受力阶段(包括使用阶段和施工阶段 截面上的应力状态、应力分析和计算方法。1本章主要内容(1预应力混凝土结构构件在计算前，首先需确定下列几项主要参数：1确定预应力钢筋的钢种、等级、混凝土的强度等级及张拉方法。2确定张拉控制应力值。3确定截面的几何特征：如换算截面面积、净截面面积、截面重心、截面惯性矩和面积矩、预应力钢筋的合力点至换算截面重心的距离

2、等参数。(2计算施工阶段的各项预应力损失值及混凝土预压应力值等。(3根据使用条件进行抗裂度、应力验算、裂缝宽度、承载力计算及变形验算，并对构件在制作、运输及吊装等施工阶段的受力状态进行验算。2具体设计的内容(1使用阶段1承载力计算。预应力轴心受拉构件的正截面受拉承载力计算或受弯构件的正截面受弯承载力及斜截面受剪承载力的计算。2裂缝控制验算。裂缝控制等级为一级、二级的预应力混凝土构件，对轴心受拉构件，按抗裂要求进行正截面抗裂度验算；对受弯构件，按抗裂要求进行正截面及斜截面的抗裂度验算。裂缝控制等级为三级的预应力混凝土构件，对轴心受拉构件进行裂缝宽度的验算；对受弯构件进行正截面裂缝宽度的验算及斜截

3、面应力验算。3对预应力混凝土受弯构件尚需进行构件的挠度验算。(2施工阶段1预应力混凝土构件在制作、运输和吊装过程中，进行构件截面边缘混凝土最大受拉及受压法向应力的验算。2后张法预应力混凝土构件端部锚固区的局部承压验算。102重点讲解、难点分析1021预应力混凝土轴心受拉构件预应力混凝土轴心受拉构件是预应力混凝土构件中比较简单的一种受力构件，学生必须重点掌握先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件从张拉预应力、施加外荷载直到构件破坏的各个受力阶段截面上应力状态和应力分析的全过程，它是掌握预应力混凝土设计原理的核心内容，是本章的难点和重点。通过对先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件各阶段应力变化的

4、比较，可加深理解预应力混凝土构件的受力特征并掌握有关的计算方法。在预应力混凝土构件的承载力和抗裂等计算中，常用到从施工阶段进入到使用阶段过程中的各种应力值，其中最主要的是：混凝土的法向应力Pc ，预应力钢筋的有效预应力Pe 及混凝土法向应力为零(即预应力钢筋合力点处的混凝土法向应力为零 时的预应力钢筋应力Po 等。这些应力可分别根据先张法或后张法的施工程序，由预应力钢筋的张拉控制应力con 及相应阶段的预应力损失值，按不同构件，可由截面上力的平衡条件求得。必须注意，先张法和后张法的承载力计算公式、抗裂度和裂缝最大宽度验算的公式，其形式都相同，但式中各自的Pc 计算是不相同的。下面对一些具体问题

5、进行讨论：(1预应力混凝土的特点及预压应力值的控制混凝土的抗拉强度很低，极易开裂，开裂后构件的刚度大幅下降。而预应力混凝土构件，是在其受外荷载之前，人为地对截面施加预压应力，因而可推迟构件裂缝的出现，提高构件的抗裂度和刚度，克服钢筋混凝土易开裂的主要缺点，并且由于使用了高强度材料，能取得节约材料、减轻自重的效果。对混凝土施加的预压应力愈大，截面的抗裂性能愈好，但控制要恰当，否则由于混凝土预压应力值过大，会导致混凝土产生非线性徐变。对受弯构件，易使截面预拉区开裂。对预压应力值大小的合理控制，可通过对截面进行的应力验算得到确认。(2先张法和后张法预应力混凝土构件的传力特点预应力混凝土构件的施工方法

6、主要有先张法和后张法两种。先张法是在长线台座(或钢模 上张拉钢筋，然后浇捣混凝土，依靠钢筋与混凝土之间的粘结力，将钢筋弹性回缩的压力传递给混凝土。后张法是先浇捣混凝土，然后以结硬后的混凝土构件作为台座张拉钢筋，依靠工作锚具来传递钢筋回缩对混凝土产生的预压力。(3先张法夹具和后张法锚具的特点先张法中应用的锚具一般称为夹具，是在张拉端夹住钢筋进行张拉以及在两端I 临时固定钢筋用的工具式锚具，可以重复使用。后张法的锚具，是永远依附在混凝土构件上，起着传递预应力的作用，称为工作锚具。(4先张和后张施工方法的选择采用先张法施加预应力，生产工序少，工艺简单。由于夹具可重复利用，生产成本低，适用于工厂化成批

7、生产的中、小型构件和标准构件，但需要较大场地作台座，一次性投资费用较大。后张法利用构件本身作为台座，构件可在施工现场制作，但锚具不能重复使用，耗钢量大，成本较高，适用于运输不便的大型预应力构件或非标准构件。(5预应力混凝土构件需采用高强度材料预应力混凝土构件，如采用一般强度的钢筋，由于有预应力损失，将起不到在构件截面上产生预压应力的效果，而采用了高强度材料，则在施工阶段，混凝土始终处于高压应力状态。而预应力钢筋从张拉钢筋开始，直至破坏的全过程中，也始终处于高拉应力状态，这样高强度钢筋的受拉和高强度混凝土的受压性能的优点均得以充分利用。(6张拉控制应力con 限值，为何采用钢筋强度标准值f pt

8、k不论先张法还是后张法，在施加预应力的过程中，由于张拉预应力钢筋是在施工阶段进行的，张拉预应力钢筋是对钢筋又一次进行质量的检验，所以张拉控制应力O' con 的限值，是由钢筋强度的标准值确定，而与钢筋的极限抗拉强度的大小无关。(7张拉控制应力U con 限值，为什么先张法大于后张法张拉控制应力con 限值，先张法较后张法略高的原因是：先张法构件施加预应力(放松预应力钢筋 时，混凝土弹性压缩是在钢筋达到con 后发生的，因而钢筋的预拉应力随之降低E PcI 。即：PeI =con 一lI 一E PcI 。而后张法构件施加预应力(张拉预应力钢筋 时，混凝土随之受到挤压，当钢筋达到con 时

9、，混凝土的弹性压缩已基本完成，因此，钢筋张拉控制应力con ，不会因混凝土的弹性压缩而降低。即：PeI =con 一l I 。在钢筋的张拉控制应力值con 和预应力损失值lI 相同的条件下，由上两式比较，可知先张法预应力钢筋的应力总比后张法的低。同样，受荷载后，当截面上混凝土的拉应力恰好全部抵消混凝土的有效预压应力(消压状态 时，预应力钢筋中的应力，先张法构件：po =con 一l ；后张法构件：po =con 一l +E Pc 。先张法预应力钢筋中的应力仍比后张法低。为使先张法和后张法构件的抗裂能力具有大致相同的水平，因而，适当提高了先张法构件的张拉控制应力值con 。(8预应力损失值的采用

10、预应力构件从施加预应力开始，由于混凝土和钢材的性能特征以及施工工艺上的原因，con 会逐步下降，这种应力降低的现象称为预应力损失，影响预应力损失的因素很多，要精确计算是十分困难的，过高或过低估计预应力损失值，均会对结构的使用性能产生不利的影响。为简化计算，混凝土结构设计规范(以下简称规范 规定，采用分别计算各种因素产生的预应力损失值进行叠加，来确定总预应力损失值。应尽量采取措施，减少预应力的损失，以保证混凝土能获得较高的有效预压应力pc 。预应力损失是分批产生的，因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所产生的预应力损失值，通常以混凝土预压时间为界限，将预应力损失分为两批，即混凝土预压前(第一批 完

11、成的损失lI ；混凝土预压后(第二批 完成的损失l 。(9换算截面A0和净截面面积An 的应用预应力混凝土构件施工阶段时：先张法构件在预压前(放松预应力钢筋前 ，混凝土与预应力钢筋已有粘结作用，在预压过程中，预应力钢筋和混凝土共同承受预压力，产生相同的变形，因而，采用换算截面A 0计算混凝土的预压力，即采用将全部预应力钢筋和非预应力钢筋统一换算成混凝土的截面面积，即A 0=Ac +E A s +E A P 。对于后张法构件，由于构件在预压前，混凝土与预应力钢筋无粘结作用，在张拉或预压过程中，仅由混凝土和非预应力钢筋承受预压力，因而，采用净截面面积A n 计算混凝土的预压力，即A n =Ac +

12、E A s 。预应力混凝土构件使用阶段时：不论先张法或后张法，混凝土与预应力钢筋均已产生粘结，共同承受外力，因而，均采用换算截面A0进行计算。(10预应力轴心受拉构件中、的取值在求混凝土收缩、徐变预应力损失l5和l5时，其中对' 的计算，对于轴心受拉构件，应按全部预应力钢筋和非预应力钢筋面积的一半进行计算。 即先张法' =(AP +As 2A 0；后张法=(AP +As 2A n 。(11非预应力钢筋的作用及其应力的取值为防止施工阶段因混凝土收缩和温差引起预拉区的裂缝、承担预拉区的拉应力、防止构件在制作、堆放、运输、吊装时出现的裂缝或减小裂缝宽度，在预应力混凝土构件中往往配置了

13、非预应力钢筋，配置非预应力钢筋能对混凝土预压变形起约束作用，使混凝土的收缩和徐变减小，相应地减小了预应力钢筋因收缩和徐变引起的预应力损失。但当非预应力钢筋配置较多时，混凝土的收缩和徐变，将使非预应力钢筋产生压应力，从而对混凝土产生了附加的拉应力，使混凝土的预压应力减小，影响了构件的抗裂性能。为此，在计算中，应考虑非预应力钢筋对构件抗裂的不利影响。为简化计算，非预应力钢筋中产生的压应力，可近似假定等于混凝土收缩和徐变引起的预应力损失值l5和l5。(12为什么后张法构件的有效预压应力盯Pc 比先张法Pc 大在施工阶段，先张法和后张法PcI 、Pc 的计算公式的形式基本相似，但预应力损失值l 的计算

14、值不同，同时先张法用A O (AO =Ac +E A s +E A P ；后张法用A n (An =Ac +E A s ，由于A O >An ，若控制应力con 、材料强度、截面尺寸，钢种、预应力损失值均相等，则后张法构件的有效预压应力Pc 比先张法大。(13先张法预应力混凝土构件中传递长度l tr 的物理概念预应力钢筋的锚固长度是指使钢筋充分发挥其抗拉强度所需的钢筋最短的埋人长度。计算先张法预应力混凝土构件端部锚固区正截面和斜截面受弯承载力时，锚固区内的预应力钢筋抗拉强度设计值，一般情况，取在锚固起点处为零，锚固终点处为f pr ，两点之间按线性内插法确定。规范规定，当采用骤然放松预应

15、力钢筋的施工工艺时，先张法预应力钢筋锚固长度l a 的起点应从距构件顶端025 ltr 处开始计算。此处ltr 为预应力混凝土的传递长度。这是因为先张法预应力混凝土构件放张或切断预应力钢筋时，需要经过一段必要的长度才能通过钢筋与混凝土之间的粘结力，将预压应力全部传递给混凝土，这段长度称为预应力混凝土的传递长度l tr ，在传递长度l tr 范围内，预应力钢筋的应力是变化的，预应力钢筋的实际应力，可近似地认为按线性规律增长，在构件的端部为零。实测表明，预应力钢筋和混凝土中的预压应力只有经过传递长度l tr 后才能保持稳定不变，在传递长度l tr 末端为有效预应力Pe 。当采用骤然放松预应力钢筋的

16、施工工艺时，锚固端可能局部受损，而影响应力的传递，因此，设计时，l tr 的起点应从距构件顶端025 ltr 处开始算起。 (14为什么预应力混凝土轴心受拉构件不能提高构件的承载力当混凝土和钢筋的强度及截面尺寸相同时，钢筋混凝土轴心受拉构件和预应力混凝土轴心受拉构件相比，两者的承载力是相同的，因为钢筋混凝土构件中混凝土的抗拉强度低，开裂荷载很小，钢筋应力也很低，但由开裂到破坏，在裂缝截面处，不论是钢筋混凝土还是预应力混凝土构件截面上的轴向拉力全部由钢筋承担，因而与对截面施加预应力与不施加预应力无关。 1022预应力混凝土受弯构件在掌握了预应力混凝土轴心受拉构件的学习要求后，便不难理解预应力混凝土受弯构件的设计原理和方法，与前者相比，后者的计算特点是，在截面上的预加力一般为偏心作用。因此，学习预应力混凝土受弯构件的计算方法，首先必须理解受弯构件截面在偏心预加力作用下，施工阶段和使用阶段截面上预应力钢筋、非预应力钢筋