第七章 预应力混凝土构件

钢筋混凝土结构

ReinforcedConcreteStructure0绪论

1建筑结构计算基本原则

2建筑结构材料

3钢筋混凝土受弯构件

4钢筋混凝土纵向受力构件

5钢筋混凝土受扭构件

6钢筋混凝土构件的裂缝、变形和耐久性

7预应力混凝土构件杭州城站火车站第一节预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件由于混凝土的抗拉性能很差，使得钢筋混凝土构件出现了两个问题：1、钢筋混凝土受拉、受弯等构件通常带裂缝工作；

2、为保证结构耐久性，必须限制裂缝宽度。解决问题的首先想到的方法：

1、加大截面尺寸——自重过大；

2、采用高强度钢筋——裂缝过宽，无法满足使用要求；

3、提高混凝土强度等级——抗裂性能提高不明显。

上述方法都不能很好地解决大跨度结构，以及承受动载结构

中裂缝宽度过大，变形严重的问题。继续思考：

能否借助混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足？第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件１、预应力构件

基本原理：

预先在混凝土受拉区施加压应力，使其减小或抵消荷载引起的拉应力，将构件受到的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态，即可控制构件裂缝宽度，甚至可以使构件不产生裂缝。第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件2、预应力混凝土的特点1、增强结构抗裂性和抗渗性2、改善结构耐久性3、提高结构与构件的刚度，减少变形4、提高结构的抗疲劳能力5、减轻构件自重7、合理利用高强材料6、提高构件的跨越能力8、工序较多，施工较复杂，且需张拉设备和锚具等。注意：预应力混凝土不能提高构件的承载能力。也就是说，当截面和材料相同时，预应力混凝土与普通钢筋混凝土受弯构件承载能力相同。第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件预应力与木桶鸡：

木桶在制作过程中，用铁箍把木板箍紧，目的是为了使木板间产生环向预压力，装水或装汤后，由水产生环向拉力，预压力抵消掉全部拉力，就不会漏水。3、预应力混凝土的分类分为全预应力混凝土

和部份预应力混凝土两类。在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件，称为全预应力混凝土，属严格要求不出现裂缝的构件；

允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件，则称为部分预应力混凝土，属允许出现裂缝的构件。第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件2、预应力混凝土的分类按照粘结方式，预应力混凝土还可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。无粘结预应力混凝土，是指配置无粘结预应力钢筋的后张法预应力混凝土。无粘结预应力钢筋是将预应力钢筋的外表面涂以沥清、油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防锈蚀，并用塑料套管或以纸带、塑料带包裹，以防止施工中碰坏涂层，并使之与周围混凝土隔离，而在张拉时可沿纵向发生相对滑移的后张预应力钢筋。从90年代开始，无粘结束技术已在我国的某些桥梁工程中得到应用，目前最大跨度可达到20m。第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件4、施加预应力的方法（1）、先张法先张拉预应力钢筋，然后浇筑混凝土的施工方法，称为先张法。主要工艺过程：穿钢筋→张拉钢筋→浇筑混凝土并养护→切断钢筋第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件4、施加预应力的方法（2）、后张法

先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋，这种施工方法称为后张法。主要工艺过程：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道）并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→往孔道内压力灌浆。第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件先张法与后张法的比较（１）、张拉顺序先张法——先张拉钢筋，后浇注混凝土后张法——先浇注混凝土，后张拉钢筋（２）、工艺过程先张法——穿钢筋→拉钢筋→浇混凝土→养护至75％→断钢筋后张法——留孔道→浇混凝土→养护至75％→穿钢筋→拉钢筋→锚钢筋→压力灌浆。（３）、预压应力的传递先张法——传递主要靠钢筋和混凝土间的粘结力，因此，必须待混凝土达到设计强度75％以上，方可切断钢筋；后张法——主要通过工作锚具传递，因此，张拉钢筋时，混凝土强度必须达到设计强度75％以上。第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件（５）、缺点先张法——需要台座，不适合现场施工；后张法——生产周期较长，需工作锚具，钢材消耗多，成本较高；

工序多，操作复杂，造价高于先张法。（６）、适用的构件先张法——适于工厂化生产，适宜长线法生产中、小型构件；后张法——大型预应力混凝土构件。（４）、优点先张法——工艺简单，工序少，效率高，质量易保证，由于省去了锚具和预埋件，成本较低；后张法——预应力钢筋直接在构件上张拉，无需台座，可在预制厂生产，也可在施工现场生产。先张法与后张法的比较第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件5、锚具与夹具①、锚固钢丝的套筒式夹具

②、锚固粗钢筋用的螺丝端杆锚具（如下图）

③、锚固直径12mm或钢绞线的夹片式锚具（如右图）螺丝端杆锚具钢绞线夹片式锚具第一节

预应力混凝土的基本概念

第七章钢筋混凝土预应力构件6、机具设备1、张拉设备（如千斤顶）

2、制孔器材

（如抽拔橡胶管、螺旋金属波纹管）

3、灌孔水泥浆和压浆机↑用镀锌或不镀锌低碳钢带螺旋折叠咬口制成的金属管，用于后张法预应力砼结构或构件的成孔。↓夹片锚张拉千斤顶在张拉预应力钢筋时所达到的规定应力，称为张拉控制应力，用表示第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件1、张拉控制应力张拉控制应力适当取高些是有利的，但不是越高越好。控制应力与预应力钢筋的强度设计值越接近时，构件的开裂弯矩与极限弯矩就越接近，构件延性就越差。“超张拉”——为了减少预应力的损失，张拉预应力钢筋时常采取的一种工艺操作方法。减少摩擦损失的措施有：（1）采用两端张拉；（2）采用“超张拉”工艺，其工艺程序为：停2min停2min第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件1、张拉控制应力表6.2.1张拉控制应力限值钢筋种类张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线热处理钢筋——预应力钢筋极限抗拉强度标准值张拉控制应力值均不应小于（5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（1）张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失2、预应力损失及其减小措施预应力损失共有以下六种：（2）预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失（3）混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座间温差引起的预应力损失（4）预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失（6）环形构件采用螺旋预应力筋时局部挤压引起的预应力损失第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（1）张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1

2、预应力损失及其减小措施①张拉直线钢筋时a——张拉端锚具变形和钢筋内缩值l——张拉端至锚固端之间的距离第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（1）张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1

2、预应力损失及其减小措施减少σl1的措施：选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫块增加台座长度。采用先张法生产的构件，当台座长度为100米以上时，σl1可忽略不计。第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（1）张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1

2、预应力损失及其减小措施②张拉曲线钢筋时rc

——圆弧曲线预应力钢筋的曲率半径lf

——反摩擦影响长度第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（2）预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失σl2

2、预应力损失及其减小措施包括：张拉曲线钢筋时由预应力钢筋与孔道壁之间的发向正压力引起的摩阻力和预留孔道因施工中等原因发生偏离设计位置导致的摩阻力μ——预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数θ——从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角

x——张拉端至计算截面的孔道长度k——考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件2、预应力损失及其减小措施减少σl2的措施：采用两端张拉采用超张拉（2）预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失σl2

停2min停2min第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（3）混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座间温差引起的预应力损失σl3

2、预应力损失及其减小措施α——预应力钢筋的线膨胀系数θ——预应力钢筋与承受拉力的设备之间的温差第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件2、预应力损失及其减小措施减少σl3的措施：采用两次升温养护：先在常温下养护，待混凝土达到一定强度等级，例如达到C7.5～C10时，再逐渐升温至规定的养护温度，此时可认为钢筋和混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不引起应力损失在钢模上张拉预应力钢筋：升温时，钢筋与钢模温度相同，可不考虑此项损失（3）混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座间温差引起的预应力损失σl3

第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（4）预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失σl4

2、预应力损失及其减小措施对预应力钢丝、钢绞线：对热处理钢筋：第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件2、预应力损失及其减小措施影响σl4的因素：采用超张拉：在高应力短时间所产生的松弛损失可达到在低应力下需经过较长时间才能完成的松弛数值（4）预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失σl4

①应力松弛与时间有关②应力松弛损失与钢材品种有关③张拉控制应力值越高，应力松弛越大减少σl4的措施：第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失σl5

2、预应力损失及其减小措施1）对一般情况第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失σl5

2、预应力损失及其减小措施2）对处于干燥环境的结构，σl5的指应增加30%。第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件2、预应力损失及其减小措施①采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用干硬性混凝土②采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性③加强养护，以减少混凝土的收缩减少σl5的措施：（5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失σl5

第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件（6）环形构件采用螺旋预应力筋时局部挤压引起的预应力损失

σl6

2、预应力损失及其减小措施σl6的大小与环形构件的直径d成反比，直径越小，损失越大

当后张法构件的预应力钢筋采用分批张拉时，应考虑后批张拉钢筋所产生的混凝土弹性压缩（或伸长）对先批张拉钢筋的影响，将先批张拉钢筋的张拉控制应力σcon增加（或减小）αEσpci。

σpci——

后批张拉钢筋在先批张拉钢筋重心处产生的混凝土法向应力第二节

张拉控制应力与预应力损失

第七章钢筋混凝土预应力构件各阶段预应力损失值的组合3、预应力损失的组合当求得的预应力总损失值小于下列数值时，按下列数值取用：先张法构件：后张法构件：简答题第七章预应力混凝土构件3.第四节

预应力混凝土轴心受拉构件计算1、轴心受拉构件各阶段的应力分析（1）先张法轴心受拉构件各阶段的应力分析第四节预应力混凝土轴心受拉构件计算受力阶段简图钢筋应力砼应力非预应力钢筋平衡关系在台座上穿钢筋张拉预应力钢筋0完成第一批损失放松钢筋--放松后瞬间完成第二批损失00第四节预应力混凝土轴心受拉构件计算受力阶段简图钢筋应力砼应力非预应力钢筋平衡关系消压阶段加载至裂缝即将出现加载至破坏00第四节

预应力混凝土轴心受拉构件计算1、轴心受拉构件各阶段的应力分析（2）后张法轴心受拉构件各阶段的应力分析受力阶段简图钢筋应力砼应力非预应力钢筋平衡关系完成第一批损失完成第二批损失消压状态加载至裂缝即将出现加载至破坏0第五节预应力混凝土构件的构造要求

第七章钢筋混凝土预应力构件预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应小于C30；

采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋作为预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。

无粘结预应力混凝土结构的混凝土强度等级，板不低于C30，梁及其他构件不低于C40。预应力钢筋宜采用冷轧带肋钢筋、消除应力钢丝、钢绞线和热处理钢筋，以及冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋。钢绞线与钢绞线束的横断面图对混凝土的要求：对钢筋的要求：第五节预应力混凝土构件的构造要求

第七章钢筋混凝土预应力构件1、一般构造要求直线布置和曲线布置：曲线布置多用于跨度和荷载较大的构件，如预应力梁。曲线布置一般用于后张法构件。直线布置用于跨度荷载较小的情况，如预应力板，直线布置优点是施工简单，用于先张法和后张法构件。（2）间距及孔道尺寸（1）预应力钢筋的布置预应力钢筋的净距不应小于其公称直径或等效直径的1.5倍，且符合下列规定：对热处理钢筋及钢丝，不应小于25mm；对3股钢绞线，不应小于20mm；对7股钢绞线，不应小于25mm。第五节

预应力混凝土构件的构造要求

第七章钢筋混凝土预应力构件（2）间距及孔道尺寸后张法构件中，预应力钢丝束、钢绞线束的预留孔道间的水平净间距，在预制构件中不宜小于50mm，孔道至构件边缘的净距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的一半。在构件两端及跨中应设灌浆孔或排气孔，孔距不宜大于12m。孔道的内径应比预应力钢丝束或钢绞线束外径及需穿过孔道的连接器外径大10～15mm。第四节

预应力混凝土构件的构造要求

第七章钢筋混凝土预应力构件构件端部构造措施（1）先张法构件钢筋端部应

采取下列措施。

（a）螺旋筋（b）预埋插筋（c）钢筋网片（d）加密横向钢筋（2）后张法构件端部钢筋锚固应配置间接钢筋。（3）构件端部局部凹进时，应增设折线构造钢筋。（4）宜在构件端部将一部分预应力钢筋在靠近支座处弯起，并沿端部均匀布置。（5）外露金属锚具应采取可靠防锈措施。

第九章钢筋混凝土预应力构件1、局部承压破坏形态和破坏机理第六节后张法构件端部锚固区局压验算由于预压力很大，锚具下的混凝土将承受较大的局部压力，因此，要求其具有足够的局部抗压承载能力和抗裂能力。

第九章钢筋混凝土预应力构件2、端部受压截面尺寸验算第六节后张法构件端部锚固区局压验算

第九章钢筋混凝土预应力构件1、局部承压破坏形态和破坏机理第六节后张法构件端部锚固区局压验算

《规范》规定，设计时既要保证在张拉钢筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和不产生过大的变形，又要求计算锚具下所需配置的间接钢筋以满足局部受压承载力的要求。端部受压截面尺寸验算——满足抗裂要求局部承压区的承载力计算——满足局压承载力要求

第九章钢筋混凝土预应力构件2、端部受压截面尺寸验算第六节后张法构件端部锚固区局压验算为了满足构件端部局部受压区的抗裂要求，防止该区段混凝土由于施加预应力而出现沿构件长度方向上的裂缝，以及间接钢筋配置过多时产生过大的局部变形使垫板下限，局部受压区的截面尺寸应满足以下要求：当不满足时，应加大锚固区的截面尺寸，调整锚具位置或提高混凝土强度等级。

第九章钢筋混凝土预应力构件2、端部受压截面尺寸验算第六节后张法构件端部锚固区局压验算式中：

第九章钢筋混凝土预应力构件2、端部受压截面尺寸验算第六节后张法构件端部锚固区局压验算

第九章钢筋混凝土预应力构件2、端部受压截面尺寸验算第六节后张法构件端部锚固区局压验算

第九章钢筋混凝土预应力构件3、局部承压区的承载力计算第六节后张法构件端部锚固区局压验算

第九章钢筋混凝土预应力构件第六节后张法构件端部锚固区局压验算式中：3、局部承压区的承载力计算3、局部承压区的承载力计算2、轴心受拉构件使用阶段的计算第四节预应力混凝土轴心受拉构件计算

第九章钢筋混凝土预应力构件第四节预应力混凝土轴心受拉构件计算

第九章钢筋混凝土预应力构件第四节预应力混凝土轴心受拉构件计算

第九章钢筋混凝土预应力构件【9-1】一先张法轴心受拉预应力构件，截面为b×h=120×200mm,预应力钢筋截面面积Ap=804mm2，强度设计值fpy=580MPa，弹性模量Es=1.8×105MPa，混凝土为C40级（ftk=2.40MPa，Ec=3.25×104MPa），完成第一批预应力损失并放松预应力钢筋后，预应力钢筋的应力为，然后又发生第二批预应力损失。试求：计算题

第九章钢筋混凝土预应力构件（1）完成第二批预应力损失后，预应力钢筋的应力和混凝土的应力；（2）加荷至混凝土应力为零时的轴力；（3）加荷至构件开裂前瞬间的轴力；（4）此拉杆的极限轴力设计值。（2）完成第一批预应力损失后混凝土所受的预压应力根据截面平衡条件则：由得：则

【解】

（1）截面几何特征（4）求加荷至混凝土应力为零时的轴力N0（5）求Ncr（6）求Nu（3）求完成第二批预应力损失后钢筋的应力及混凝土所受预压应力c（1）熟悉并掌握预应力构件个阶段截面应力情况非常重要，对于不同阶段，要用相应的公式计算；（3）本题关键在于根据已知条件求出，然后才能求出计算所需的。（2）预应力构件开裂荷载和破坏荷载比较接近，本例结果就证明了这一点，同时也说明了预应力构件的延性比普通钢筋混凝土构件差；讨论：第四节预应力混凝土轴心受拉构件计算

第九章钢筋混凝土预应力构件【9-2】某预应力混凝土屋架下弦杆，杆件长度21m，用后张法施加预应力，孔道直径为φ50，杆件截面尺寸和配筋如图所示，混凝土强度为C40，非预应力筋为4φ12（As=452mm2），预应力钢筋为冷拉Ⅲ级钢筋225（Ap=982mm2），张拉时混凝土强度fcu'=40MPa，fc'=19.5MPa。，张拉控制应力（2）计算得到的预应力损伤值为说明：（1）该下弦杆属一般要求不出现裂缝的构件验算：（1）使用阶段正截面承载力；（2）使用阶段正截面抗裂；（3）施工阶段混凝土预压应力是否满足要求。（3）计算得到杆件在荷载标准组合和准永久组合下的轴向拉力设计值分别为：Ns＝360kN，Nl＝310kN。（4）验算用其它数据

C40混凝土Es＝3.25×104MPa，ftk＝2.40MPa

冷拉Ⅲ级钢筋fpy＝420MPa，

fpyk＝500MPa，

Es＝1.8×105MPa

非预应力钢筋Ⅱ级fy＝300MPa，

fyk＝335MPa，

Es＝2×105MPa【解】

（1）使用阶段正截面验算【9-2】续（2）使用阶段正截面抗裂验算

①截面几何特征预应力钢筋非预应力钢筋故使用阶段正截面承载力满足要求。②求混凝土有效预压应力由于