T混凝土结构设计原理之预应力混凝土构件

第七章预应力混凝土构件

第一节预应力混凝土基本知识

第二节预应力的施加

第三节预应力混凝土轴心受拉构件计算

第四节预应力损失值计算

第五节预应力混凝土构件的构造措施第一节预应力混凝土基本知识一、预应力混凝土的分类预应力混凝土可按制作、构件中预加应力大小的程度、施工方式的不同来划分。(1)按制作划分可分为先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土。(2)按构件中预加应力大小的程度可划分为全预应力和部分预应力法。(3)按施工方式可划分为有黏结预应力混凝土和无黏结预应力混凝土。二、预应力混凝土的原理及特点1.预应力混凝土的原理(1)预应力可以改善结构构件的裂缝和变形性能。在使用前预先施加的永久性内应力，以及钢材中的拉应力与混凝土中的压应力组成一个自平衡系统。(2)推动采用预应力混凝土的主要优点是节约材料。(3)预应力不能提高混凝土构件的强度。

下一页返回第一节预应力混凝土基本知识(4)通过消除使用荷载下形成的多数裂缝，预加应力能大大改善混凝土构件的耐久性。(5)预应力在控制混凝土构件的挠度方面是很有用的。2.超静定预应力混凝土结构的特点(1)优点:1)超静定结构的跨中和支座处的弯矩分布相对较均匀，结构中最大弯矩较小，因而可减小构件截面尺寸，减轻结构自重。2)超静定结构会产生内力重分布，因而能承担更大的荷载。3)超静定结构的挠度较小。4)预应力混凝土框架节点采用刚接，将增加结构的刚性和稳定性。

下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识5)预应力钢筋在后张预应力混凝土连续梁或框架梁中可连续布置，同一束预应力钢筋既能抵抗跨中弯矩，又能抵抗支座弯矩，进一步节约了钢材，并可减少锚具用量。(2)缺点:1)在多跨连续结构中，通常预应力钢筋随弯矩图连续多波布置，将导致较大的预应力摩擦损失。2)由于温度、徐变及地基不均匀沉降等因素的影响，超静定结构中将产生一定的，有时是相当大的超静定内力。3)超静定预应力混凝土结构计算较为麻烦，除了需计算由外荷载所产生的内力之外，还需计算由预应力产生的附加内力。4)施工难度大。下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识3.部分预应力结构的特点(1)相同配筋率、不同预应力度有黏结适筋梁的弯矩一挠度曲线如图7-1所示。(2)为实现部分预应力有多种方法，在采用钢绞线或碳素钢丝的构件中，采用高强度预应力筋与非预应力普通钢筋(HRB335,HRB400级钢筋)混合配筋，是当前部分预应力普遍的方法。由于非预应力筋有利于控制裂缝和挠度的发展，故结构延性好。部分预应力结构的优点主要有:1)全预应力设计常由使用荷载下不出现拉应力的条件控制，其受弯承载力安全系数往往偏大，浪费钢材。部分预应力有利于节约预应力筋。下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识2)全预应力结构，特别是在恒荷载小、活荷载大的条件下会发生长期反拱的问题。这是由于预压区混凝土长期处于高压应力状态引起的徐变，使反拱不断增长的缘故。部分预应力结构由于预加力较小，可避免过大的长期反拱问题。3)与钢筋混凝土结构相比，部分预应力混凝土具有适量的预应力，在正常使用状态下，其裂缝经常是闭合的。即使当全部活荷载偶然出现时，构件将出现裂缝，但这些裂缝将随活荷载的移去而闭合或仅有微裂缝。可见裂缝对部分预应力结构的危害性并不像对钢筋混凝土结构那样严重，因为后者的裂缝始终存在且不闭合。4)部分预应力结构由于配置有普通钢筋，在破坏时呈现的延性和能量吸收能力，较全预应力好，对结构抗震有利。下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识5)当构件支座不能自由滑动时，全预应力构件的纵向缩短(收缩与徐变)，由于受相邻构件的约束而引起的拉应力能造成严重的裂缝。此外，当预压应力过大时会发生沿预应力筋方向的水平裂缝。解决的有效方法是改用部分预应力以降低预压应力。

三、预应力混凝土构件对材料的要求(1)预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋和非预应力钢筋。非预应力钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HPB235级和RRB400级钢筋。预应力钢筋必须具有很高的强度，《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝及热处理钢筋。此外，预应力钢筋还应具有一定的塑性、良好的可焊性以及用于先张法构件时与混凝土有足够的黏结力。

下一页返回上一页第一节预应力混凝土基本知识(2)预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30;当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。当采用山砂混凝土及高炉矿渣混凝土时，尚应符合专门标准的规定。(3)无黏结预应力筋的规格及性能见表7-1。返回上一页第二节预应力的施加根据钢筋张拉与混凝土浇筑的先后次序不同，预应力筋张拉的方法可分为先张法和后张法。一、应力计算分析1.钢筋应力无论先、后张法，非预应力钢筋任何相应时刻的应力公式形式均相同，这是由于两种方法中，非预应力钢筋与混凝土协调变形的起点均是混凝土应力为零。2.混凝土应力施工阶段，两种张拉方法的σpcІ、σpcП公式形式相似，如图7-2、图7-3所示。先张法公式中用构件的换算截面面积A0，而后张法用构件的净截面面积An。混凝土预压应力σpc公式:下一页返回第二节预应力的施加3.轴向应力使用阶段，构件在各特定时刻的轴向拉力N0、Ncr及Nu，的公式形式均相同。无论先、后张法，均采用构件的换算截面面积A0计算。(1)由Ncr=(σpc.П+ftk)A0=

N0+ftkA0可知，预应力混凝土构件比同条件的普通钢筋混凝土构件的开裂荷载提高了N0(2)预应力混凝土轴心受拉构件的极限承载力Nu公式与截面尺寸及材料均相同的普通钢筋混凝土构件的极限承载力公式相同，而与预应力的存在及大小无关，即施加预应力不能提高轴心受拉构件的承载力。但后者因裂缝过大早已不能满足使用要求。下一页返回上一页第二节节预应应力的的施加加4.先张法法应力力(1)施工阶阶段:放松钢钢筋，，压缩缩混凝凝土(完成第第一批批预应应力损损失)，如图7一4所示(7-4)(2)完成第第二批批预应应力损损失后后的应应力(7-5)下一页页返回上一页页第二节节预应应力的的施加加(3)使用阶阶段:加荷至至混凝凝土预预压应应力被被抵消消(图7-5)。(7-6)5.后张法法应力力在构件件上张张拉预预应力力钢筋筋至σcon，同时压压缩混凝凝土，如如图7一7所示。完成第一一批预应应力损失失(7-8)下一页返回上一页第二节预预应力的的施加完成第二二批预应应力损失失(7-9)在使用阶阶段，加加荷至混混凝土预预压应力力被抵消消(7-10)继续加荷荷至混凝凝土即将将开裂(7-11)加荷直至至构件破破坏下一页返回上一页第二节预预应力的的施加二、基本本工作程程序1.先张法第一步:在台座(或钢模)上用张拉拉机具张张拉预应应力钢筋筋至控制制应力，，并用夹夹具临时时固定，，示意图图如图7一8所示。第二步:支模并浇浇筑混凝凝土，养养护(一般为蒸蒸汽养护护)至其强度度不低于于设计值值的75%时，切断断预应力力钢筋，，示意图图如图7一9所示。2.后张法第一步:浇筑混凝土制制作构件，并并预留孔道，，如图7-10所示。第二步:在孔道中穿筋筋，并在构件件上用张拉机机具张拉预应应力钢筋至控控制应力，在在张拉端用锚锚具，锚住预预应力钢筋，，并在孔道内内压力灌浆，，如图7-11所示。返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算一、使用阶段段的计算1.受弯构件预应应力度受弯构件预应应力度的表达达式为λ=M0/M(7-14)因此，当框架架大梁等受弯弯构件截面不不开裂时，式式(7-14)可改变为λ=σpc/σsc(7-15)按预应力度划划分:全预应力混凝凝土λ≥1部分预应力混混凝土1<λ>0钢筋混凝土λ=0下一页返回第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算这里部分预应应力采用了广广义的定义，，包括限值预预应力与部分分预应力两个个部分。限值值预应力指拉拉应力没有达达到混凝土抗抗拉强度的设设计值;部分预应力指指混凝土拉应应力没有限制制，但应进行行裂缝宽度验验算。按照荷荷载的短期效效应组合下正正截面混凝土土的应力状态态，又将部分分预应力混凝凝土分为以下下两类:A类:正截面中混凝凝土的拉应力力不超过规定定的限值，如如对受弯构件件为o.5γftkB类:允许正截面中中拉应力超过过规定的拉应应力限值，但但裂缝宽度不不超过规定值值。下一页返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算2.预应力度强度度比预应力度强度度比的表达式式(7-16)3·承载力计算当预应力混凝凝土轴心受拉拉构件达到承承载能力极限限状态时，全全部轴心拉力力由预应力钢钢筋和普通钢钢筋承担，此此时，预应力力钢筋和普通通钢筋均已屈屈服。于是，，其正截面受受拉承载力计计算式为(7-17)下一页返回上一页第三节预应力力混凝土轴心心受拉构件计计算(1)一级——严格要求不出出现裂缝的构构件。对使用用阶段严格要要求不出现裂裂缝的预应力力混凝土轴心心受拉构件，，在荷载效应应标准组合下下应符合下列列要求σck-σpc≤0(7-18)(2)二级——一般要求不出出现裂缝的构构件。对使用用阶段一般要要求不出现裂裂缝的预应力力混凝土轴心心受拉构件，，应符合下列列要求:在荷载载效应应的标标准组组合下下σck-σpc≤ftk(7-19)在荷载载效应应的准准永久久组合合下(7-20)(7-21)(7-22)(7-23)下一页页返回上一页页第三节节预应应力混混凝土土轴心心受拉拉构件件计算算(3)三级一一允许许出现现裂缝缝的构构件。。对使使用阶阶段允允许开开裂的的轴心心受拉拉构件件，按按荷载载效应应标准准组合合计算算，并并考虑虑荷载载效应应的准准永久久组合合影响响的最最大裂裂缝宽宽度wmax，要求求不应应超过过最大大裂缝缝允许许值wlim，即wmax≤wmin(7-24)裂缝宽宽度限限值wlim:一类环环境条条件为为0.3mm;二、三三类环环境条条件为为0.2mm，最大大裂缝缝宽度度wmax的计算及及验算公公式同普普通钢筋筋混凝土土构件的的计算。。(7-25)(7-26)下一页返回上一页第三节预预应力混混凝土轴轴心受拉拉构件计计算(7-26)(7-27)(7-28)(7-29)下一页返回上一页第三节预预应力混混凝土轴轴心受拉拉构件计计算二、施工工阶段的的验算在后张法法预应力力混凝土土构件张张拉预应应力筋时时，或先先张法预预应力混混凝土构构件放松松预应力力筋时，，由于预预应力损损失尚未未完成，，混凝土土受到的的压力最最大，而而此时混混凝土的的强度一一般最低低(只达到设设计强度度的75%)。因此，，为保证证此时混混凝土不不被压碎碎，应予予以验算算。对预应力力混凝土土轴心受受拉构件件，预压压时一般般处于全全截面均均匀受压压。截面面上混凝凝土法向向压应力力σcc应符合下下列条件件:(7-33)先张法(7-34)后张法(7-35)返回上一页第四节预预应力损损失值计计算预应力损损失值包包括以下下几种:(1)σl1:张拉端锚锚具变形形和钢筋筋内缩引引起;计算公式式如下:先张法块体拼成成的结构构，其预预应力损损失尚应应考虑块块体间填填缝的预预压变形形。当采采用混凝凝土或砂砂浆为填填缝材料料时，每每条填缝缝的预压压变形值值可取为为1mm。后张法:根据预应应力曲线线钢筋或或折线钢钢筋与孔孔道壁之之间反向向摩擦影影响长度度lf范围内的的预应力力钢筋变变形值等等于锚具具变形和和钢筋内内缩值的的条件确确定。下一页返回第四节预预应力损损失值计计算减少损失失的措施施:由于a越小或l越大则σl1越小，所所以尽量量少用垫垫板。先张法采采用长线线台座张张拉时σl1较小;而后张法法中构件件长度越越大则σl1越小。(2)σl2预应力钢钢筋与孔孔道壁之之间的摩摩擦，主主要对后后张法有有影响，，计算公公式如下下:(7-39)(3)σl3混凝土加加热养护护时，受受张拉的的钢筋与与承受拉拉力的设设备之间间的温差差，主要要在先张张法中，，σl3=2△t,△△t为混凝土土加热养养护时，，受张拉拉的预应应力钢筋筋与承受受拉力的的设备之之间的温温差(0°C)。下一页返回上一页第四节预预应力损损失值计计算通常采用用两阶段段升温养养护来减减小温差差损失:先升温20°C~25°C，待混凝凝土强度度达到7.5~10N/mm2后，混凝凝土与预预应力钢钢筋之间间已具有有足够的的黏结力力而结成成整体;当再次升升温时，，二者可可共同变变形，不不再引起起预应力力损失。。因此，，计算时时取△t=20~25°C。当在钢钢模上生生产预应应力构件件时，钢钢模和预预应力钢钢筋同时时被加热热，无温温差，则则该项损损失为零零。(4)σl4预应力钢钢筋的应应力松弛弛，计算算公式如如下:预应力钢钢丝、钢钢绞线普普通松弛弛(7-40)此处，一一次张拉拉ψ=1，超张拉拉ψ=0.9低松弛:下一页返回上一页第四节预预应力损损失值计计算σcon≤0.7fptk(7-41)0.7fptk<σcon≤0.8fptk时：(7-42)当σcon/fptk≤0.8时，预应应力钢筋筋的应力力松弛损损失值可可取零。。下一页返回上一页第四节预预应力损损失值计计算(5)σ15:混凝土的的收缩和和徐变，，计算公公式如下下:先张法(7-43)(7-44)后张法(7-45)(7-46)下一页返回上一页第四节预预应力损损失值计计算(6)σ16:用螺旋式式预应力力钢丝(或钢筋)作配筋的的环形结结构构件件，由于于螺旋式式预应力力钢丝(或钢筋)挤压混凝凝土引起起的预应应力损失失。σ16的大小与与构件直直径有关关，构件件直径越越小，预预应力损损失越大大。当结结构直径径大于3m时，σ16可不计;当结构直直径小于于或等于于3m时，σ16可取为30N/mm2。混凝土预压前前(第一批)预应力损失值值，先张法为为:σ=σ11十σ12十σ13+σ14，后张法为:σ=σ11+σ12混凝土土预压压后(第二批批)的损失失，先先张法法为:σ=σ15后张法法为:σ=σ14十σ15十σ16返回上一页页第五节节预应应力混混凝土土构件件的构构造措措施一、先先张法法预应应力混混凝土土构造造1.先张法法预应应力钢钢筋尺尺寸及及预留留孔道道尺寸寸(1)先张法法预应应力钢钢筋最最小净净间距距见表7一5。(2)预留孔孔道的的内径径应比比预应应力钢钢丝束束或钢钢绞线线束外外径及及需穿穿过孔孔道的的连接接器外外径大大10~15mm。这是是施工工时穿穿筋布布置预预应力力钢丝丝束或或钢绞绞线束束及锚锚具的的起码码条件件。(3)端面孔孔道的的相对对位置置应综综合考考虑锚锚夹具具的尺尺寸、、张拉拉设备备压头头的尺尺寸、、端面面混凝凝土的的局部部承压压能力力等因因素而而妥善善布置置，必必要时时应适适当加加大端端面尺尺寸，，以避避免施施工误误差等等意外外因素素造成成张拉拉施工工的困困难。。(4)对预制制构件件，孔孔道之之间的的水平平净间间距不不宜小小于50mm;孔道至至构件件边缘缘的净净间距距不宜宜小于于30mm，且不不宜小小于孔孔道直直径的的一半半。下一页页返回第五节节预应应力混混凝土土构件件的构构造措措施(5)框架梁梁在支支座处处承受受负弯弯矩而而在跨跨中承承受正正弯矩矩，因因此预预应力力钢筋筋往往往作曲曲线配配置。。在框框架梁梁中，，曲线线的预预留孔孔道在在竖直直方向向的净净间距距不应应小于于孔道道外径径，水水平方方向的的净间间距不不应小小于l.5倍孔孔道道外外径径;从孔孔壁壁算算起起的的混混凝凝土土保保护护层层厚厚度度，，在在梁梁侧侧不不宜宜小小于于40mm而在在梁梁底底不不宜宜小小于于50mm。(6)大跨跨度度受受弯弯构构件件往往往往在在制制作作时时需需要要预预先先起起拱拱，，以以抵抵消消正正常常使使用用时时产产生生的的过过大大挠挠度度，，此此时时预预留留孔孔道道宜宜随随构构件件同同时时起起拱拱，，以以免免引引起起计计算算以以外外的的次次应应力力。。2.先张张法法构构件件端端部部加加固固措措施施(1)对于于单单根根预预应应力力钢钢筋筋或或钢钢筋筋束束，，可可以以在在构构件件端端部部设设置置螺螺旋旋钢钢筋筋圈圈。。(2)如果在支座处处布置螺旋钢钢筋有困难，，为满足预制制构件与搁置置支座连接的的需要，有时时在构件端部部预埋支座垫垫板，并相应应配有埋件的的锚筋。下一页返回上一页第五节预应力力混凝土构件件的构造措施施(3)对分散布置的的多根预应力力钢筋，每根根钢筋都加螺螺旋钢筋圈有有困难，则可可以在构件端端部10d(d为预应力钢筋筋的公称直径径)范围内应设置置3~5片与预应力钢钢筋垂直的钢钢筋网;钢筋网片一般般用细直径钢钢筋焊接或绑绑扎，如图7-21所示。(4)对采用预应力力钢丝配筋的的薄板，由于于端面尺寸有有限，前述局局部加强配筋筋的措施均难难以执行。可可以在板端100mm范围内适当加加密横向钢筋筋，其数量不不少于2根，如图7-22所示。二、后张法预预应力混凝土土构造(1)对预应力屋面面梁、起重机机梁等构件，，宜将一部分分预应力钢筋筋在靠近支座座处弯起，弯弯起的预应力力钢筋宜沿构构件端部均匀匀布置，如图7-23所示。(2)出于构件安装装的需要，预预制构件端部部预应力筋锚锚固处往往有有局部凹进。。此时应增设设折线形的构构造钢筋，连连同支座垫板板上的竖向构构造钢筋(插筋或埋件的的锚筋)共同构成对锚锚固区域的约约束，如图7-24所示。下一页返回上一页第五节预应力力混凝土构件件的构造措施施(3)由于构件端部部尺寸有限，，集中的应力力来不及扩散散，端部局部部承压区以外外的孔道仍可可能劈裂。因因此，在局部部受压间接钢钢筋配置区以以外，在构件件端部长度不不小于3e(e为截面重心线线上部或下部部预应力钢筋筋的合力点至至邻近边缘的的距离)但不大于1.2h(h构件端部截面面高度)、高度为2e的附加加配筋筋区范范围内内，应应均匀匀配置置附加加箍筋筋或网网片，，其体体积配配筋率率ρy应不小于于0.5%，如图7-25所示。(4)如果构件件端部预预应力钢钢筋无法法均匀布布置而需需集中布布置在截截面下部部，或集集中布置置在上部部和下部部时，应应在构件件端部0.2h(h为构件端部部截面高度度)的范围内设设置附加竖竖向焊接钢钢筋网、封封闭式箍筋筋或其他形形式的构