预应力溷凝土受拉构件设计

1、预应力混凝土受拉构件设计土木建筑工程学院预应力混凝土受拉构件设计混凝土构件作为受压构件作用最多，但在实际工程中也会出现受拉构件，如桁架的下弦杆和受拉腹杆、挡土墙锚杆、圆形水管等。由于混凝土材料的受拉强度与受压强度存在很大的差别，受拉强度仅仅能达到受压强度的1/71/8，因此在工程中要尽量避免让混凝土构件承受拉力作用。在混凝土中施加预应力可以提高其抗裂性能、增加刚度、提高承载力。实际工程中需要混凝土材料承受拉力的时候，可以在混凝土中施加一定的预应力，这样可以保护混凝土不会在很低的拉应力作用下出现裂缝，甚至遭到破坏。下面从预应力混凝土受拉构件的受力分析、设计方法、承载力计算等方面对预应力混凝土受拉

2、构件设计计算方法展开叙述。1、轴心受拉构件破坏过程第一阶段，开裂前阶段。从加载到混凝土开裂前，由于此时应力与应变均较小，应力与应变关系大致呈线性变化，钢筋与混凝土能够共同工作。在此阶段末，混凝土应变达到极限应变，裂缝即将产生，这一阶段称为整体工作阶段。对于不允许开裂的轴心受拉构件，应以此阶段末作为开裂验算的依据。第二阶段，混凝土开裂直至非预应力钢筋屈服。随着荷载的增加，在构件截面薄弱部位出现裂缝，一般为垂直裂缝，裂缝出现后，裂缝截面的混凝土退出工作，此时的拉力全部由非预应力钢筋和预应力钢筋来承担。，荷载继续增加，在构件其他部位也产生了裂缝，裂缝的产生导致构件截面刚度的削弱，截面应力发生重分布，

3、横截面贯通的裂缝将构件分为几段，各段间在裂缝处只有钢筋连接，带裂缝工作是此阶段的工作特点。此阶段的荷载约为极限荷载的50%70%，此阶段作为裂缝宽度和变形验算的依据。第三阶段，非预应力钢筋屈服到预应力钢筋拉断。随着荷载继续增加，某一裂缝处的非预应力钢筋屈服，随着裂缝逐渐迅速扩展，荷载不增加或者略有增加，都会导致截面上的非预应力钢筋达到屈服，随后，变形增加，预应力钢筋的应力也超过了名义屈服强度，最后由于预应力钢筋拉断使得整个构件达到极限承载能力，正截面则是以此作为依据的。2、轴心受拉构件受力分析。预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段，包括张拉制造、运输、安装等几个阶段和使用阶段（自承受使用荷载至构

4、件发生破坏）的应力状态和工作特点是不同的，具有明显的阶段性，下面以先张法构件和后张法构件分别进行分析。2.1 先张法构件预应力混凝土轴心受拉构件从张拉预应力钢筋开始直至构件破坏，其受力通常可以分为三个阶段：施工阶段、使用阶段和破坏阶段，包括8个应力状态。2.1.1 施工阶段2.1.1.1 张拉阶段张拉预应力钢筋，这时预应力钢筋的拉应力等于张拉控制应力 ，如果此时有非预应力钢筋，其应力值为0。预应力钢筋的总预应力为式中为张拉控制应力，为预应力钢筋截面面积。2.1.1.2 放张前阶段此阶段为张拉完毕，锚固预应力钢筋，浇筑混凝土，蒸养构件到放张挤压混凝土前，会产生锚具变形损失、温差损失及部分钢筋松弛

5、损失。则本阶段完成第一批预应力损失预应力钢筋的拉应力降低为此时未放松预应力钢筋，混凝土和非预应力钢筋应力为0（未放张），即 ， 2.1.1.3 放张后瞬间放张预应力钢筋（一般混凝土的强度达到设计强度的70%以上），预应力钢筋回缩，预应力钢筋通过与混凝土的粘结力挤压混凝土，此时混凝土受到的预压应力为，混凝土受压后产生的压缩变形为，预应力钢筋与混凝土共同受力变形，预应力钢筋回缩应力降低值为式中为预应力钢筋或者非预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值。此时预应力钢筋的拉应力为非预应力钢筋与混凝土共同变形，得到压应力为根据截面内力平衡条件得到则有式中为换算截面面积，；为不包括所有钢筋在内的净面积。2

6、.1.1.4 出现全部预应力损失此阶段是预应力损失全部出现后的阶段。混凝土受压缩后，随着实践的增长，混凝土发生收缩、徐变，产生预应力损失，预应力钢筋进一步松弛，再次完成，完成第二批预应力损失，即混凝土预压应力由降低到，预应力钢筋的拉应力由降低到，则非预应力钢筋中的压应力增大到截面的内力平衡，那么有混凝土的有效应力为2.1.2 使用阶段2.1.2.1 消压状态此阶段混凝土中预应力为0。在轴心拉力作用下，由其引起的截面拉应力恰好与混凝土中的有效预应力全部抵消，此时，构件处于消压状态，即截面上混凝土的应力=0。预应力钢筋中的拉应力增加到，即非预应力钢筋的压应力由减少到。消压状态轴向拉力值为2.1.2

7、.2 加载即将开裂荷载继续增加，混凝土受拉，当受拉混凝土应力接近混凝土的抗拉强度时，构件薄弱截面将出现裂缝，裂缝出现时的轴向拉力为，这一阶段预应力钢筋中拉应力增加了，预应力钢筋的预拉应力达到。非预应力钢筋的压应力由转化为拉应力，其值为混凝土开裂时的轴心拉力为2.1.3 破坏阶段混凝土开裂后退出工作，荷载全部由非预应力钢筋和预应力钢筋来承担，荷载继续增加，非预应力钢筋屈服，当预应力钢筋的应力达到其抗拉强度时，构件达到其极限承载能力，轴向拉力全部由钢筋来承担，则有2.2 后张法构件后张法预应力混凝土轴心受拉构件的各阶段应力状态与先张法预应力混凝土轴心受拉构件相比有着很多的相同之处。但是由于施工工艺

8、的不同，两者又有着自己的特点。2.2.1 施工阶段2.2.1.1 张拉阶段张拉预应力钢筋的同时，混凝土受压，同时产生摩擦损失，则预应力钢筋拉应力为根据力平衡条件得到混凝土预压应力为2.2.1.2 张拉终止当张拉终止，并将预应力钢筋锚固在构件上时，产生锚具变形损失（完成第一批预应力损失），则预应力钢筋中的压力为相应的非预应力钢筋中的压力为由内力平衡条件可得到混凝土预压应力为2.2.1.3 出现第二批预应力损失在预应力作用下，随着时间的增长，混凝土发生了收缩，徐变，引起预应力损失，同时，预应力钢筋产生松弛损失为，完成第二批预应力损失，此时预应力钢筋应力降低为非预应力钢筋中的压应力混凝土预压应力2.

9、2.2 使用阶段2.2.2.1 消压状态在外荷载作用下，混凝土的预压应力逐渐减小，当构件截面混凝体应力为零时，截面处于消压状态，即混凝土的应力由降为零，由于混凝土与钢筋发生共同变形，预应力钢筋增加应力为，则预应力钢筋的应力为非预应力钢筋在原来的压应力的基础上增加了拉应力，得到压应力。根据内力平衡条件，得到消压状态轴向拉力值为2.2.2.2 开裂前阶段外荷载继续增加，混凝土拉应力逐渐达到混凝土的抗拉强度值，构件即将出现裂缝，预应力钢筋拉应力增加了，预应力钢筋的拉应力为，此时，非预应力钢筋的应力由转为拉应力，其值为，裂缝出现时的轴向拉力，即开裂荷载为2.2.3 破坏阶段在此阶段混凝土开裂而退出工作

10、，轴心受拉构件承载力由非预应力钢筋和预应力钢筋共同来承担，其极限承载力为从上面的应力分析中可以得知，先张法预应力混凝土轴心受拉构件与后张法预应力混凝土轴心受拉构件有着共同特点：1） 预应力钢筋始终处于高应力状态，构件承受外荷载之间，最大拉应力为。2） 在外荷载达到消压轴力之前，混凝土一直处于受压状态，由于预应力作用，裂缝出现较晚，开裂荷载接近破坏荷载。3） 预应力混凝土轴心受拉构件的承载力取决于钢筋截面面积和强度，即配筋、截面尺寸、材料相同的预应力混凝土构件和非预应力混凝土构件极限承载力相同。4） 在施工阶段，先张法构件预应力钢筋的应力比后张法构件少；同样，在，作用下，先张法构件预应力钢筋的应

11、力比后张法构件少。所以，后张法构件中的相当于先张法构件的。5） 在的计算公式中，先张法构件中同换算截面面积，后张法用净截面面积。6） 使用阶段的，在先张法和后张法中是相同的，只是先张法和后张法的的值不同。3、轴心受拉构件设计预应力混凝土轴心受拉构件的设计主要内容包括：施工阶段的混凝土法向应力验算，试用阶段承载力计算，抗裂验算，后张法构件冒句垫板局部受压承载力计算等。在预应力轴心受拉构件中，出了配置了预应力钢筋之外，还有非预应力钢筋。非预应力钢筋作为辅助受力钢筋，由于非预应力钢筋与混凝土共同承受荷载和发生变形，为此需要在各计算公式中考虑到非预应力钢筋所承受的荷载，基体做法是计入换算截面面积。3.

12、1、混凝土法向应力验算的计算施工阶段截面的混凝土的法向压应力应符合下列公式其中， 分别为计算截面的弯矩和换算截面的弹性抵抗距；为预应力放张（先张法）或者终止（后张法）时，混凝土预压应力；为施工阶段混凝土强度相应的抗压强度设计值。对先张法，；对后张法，。3.2、承载力计算预应力混凝土轴心受拉构件的正截面承载力按照下式计算：式中，为轴向拉力设计值；，分别为非预应力钢筋的截面面积和抗拉强度；分别为预应力钢筋的抗拉强度和截面面积。3.3、抗裂验算对轴心受拉构件的抗裂验算，需要根据裂缝控制等级进行验算。3.3.1 裂缝控制为一级严格要求不出现裂缝的构件，在荷载效应标准组合下的抗裂验算边缘混凝土法向应力应

13、符合式中为短期荷载效应组合设计的轴向力；为扣除全部预应力损失后的混凝土预应力。3.3.2 裂缝控制等级为二级一般要求不出现裂缝的构件，在荷载标准组合下的抗裂验算截面边缘混凝土法向应力符合下列规定：式中为拉应力控制系数；为混凝土抗拉强度标准值。3.3.3 裂缝控制等级为三级在使用阶段允许构件出现裂缝，但必须验算裂缝宽度，保证裂缝宽度满足使用要求，裂缝宽度计算式为式中为构件受力特征系数，对于轴心受拉构件，取2.2； 为裂缝间纵向受拉钢筋的应变不均匀系数，1时取1，对于直接承受重复荷载的构件直接取1.0； 受拉区纵向钢筋等效直径； 分别为受拉区第i牌纵筋的根数，相对粘结特性系数，直径； 为纵向受拉钢

14、筋的配筋率； 为最外层纵向受拉钢筋外缘至受拉区底边的距离。当65mm时取65mm； 为按荷载效应标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋等效应力； 为有效受拉混凝土截面面积。4、偏心受拉构件承载力预应力混凝土偏心受拉构件根据偏心距的大小，可以分为大偏心受拉构件和小偏心受拉。区别大小偏心受拉，可用偏心拉力作用位置加以判别。即：轴向拉力作用在的合力点和的合力点之间为小偏心受拉；轴向拉力不在此之间式为大偏心受拉。小偏心受拉构件破坏特点:全截面受拉，破坏前截面已全部开裂贯通，拉力完全由钢筋承担；大偏心受拉构件破坏特点：部分截面受拉，部分截面受压，裂缝出现后延性发展，受压区面积减小，破坏时受拉钢筋已经屈服，继而受压区混凝土达到极限强度，截面破坏。4.1、小偏心受拉构件轴向拉力作用在的合力点和的合力点之间时为小偏心受拉（图4.1），由内力平衡有：图 4.1 小偏心受拉构件