预应力混凝土构件课件

预应力混凝土构件9.1概述9.2预应力混凝土轴心受拉构件的计算9.3预应力混凝土受弯构件的设计计算9.4预应力混凝土构件的构造要求9.5部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土掌握：（1）预应力混凝土的概念、设计原理及对材料性能的要求（2）张拉控制应力的定义与取值（3）预应力损失及其组合（3）轴心受拉构件各阶段的应力分析及计算方法学习要求了解：（1）预应力混凝土施加预应力的方法（2）后张法预应力混凝土受弯构件在施工（使用）阶段的验算（计算）方法（3）预应力混凝土构件的构造要求（4）部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土的基本概念9.1概述9.1.1预应力混凝土的概念9.1.2预应力混凝土的分类9.1.3张拉预应力钢筋的方法9.1.4夹具和锚具9.1.5预应力混凝土材料9.1.6张拉控制应力con9.1.9先张法构件预应力钢筋的传递长度9.1.10后张法构件端部锚固区局部受压承载力计算9.1.7预应力损失9.1.8预应力损失值的组合9.1.1预应力混凝土的概念控制裂缝的有效办法—减小拉应力—预应力拉压压拉拉构件受力之前构件受拉部位预先加压预应力混凝土的主要优缺点（1）抗裂性高，推迟裂缝出现，甚至保证使用荷载下不出现裂缝（2）合理利用高强材料、节约钢材（30~50%）、减轻自重（约30%）（3）减小结构总变形（4）扩大了钢筋混凝土结构的应用范围如大跨结构或桥梁、水工结构、储水结构、安全壳等（5）疲劳性能好（6）耐久性好（1）需要张拉设备和锚固装置，制作技术要求高（2）施工周期长（3）计算比较复杂9.1.2预应力混凝土的分类

根据施加的预应力值的大小分类全预应力部分预应力使用荷载下截面不允许出现拉应力（控制裂缝等级为一级）使用荷载下截面可以开裂，裂缝宽度小于允许值（控制裂缝等级为三级）使用荷载下截面可以出现拉应力，应力大小受到限制，截面一般不开裂（控制裂缝等级为二级）限值预应力张拉钢筋并在台座上固定浇注混凝土构件混凝土强度达设计强度的70%以上时剪断钢筋浇混凝土构件，并在构件中预留孔道在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉锚固灌浆9.1.3张拉预应力钢筋的方法先张法后张法9.1.3张拉预应力钢筋的方法先张拉钢筋，后浇筑混凝土

9.1.3.1先张法1010千斤顶力筋连接器9.1.3张拉预应力钢筋的方法先浇筑混凝土，后张拉钢筋9.1.3.2后张法施加预应力的方法

直接张拉法：用千斤顶等机械工具直接张拉预应力钢筋电热法：低电压强电流通过钢筋使其发热伸长，达到设计要求时断电连续配筋法：用旋转工作台将预应力筋缠绕于混凝土块体上或水池壁上自张法：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土中的钢筋一起伸长，在混凝土中产生压力

直接加压法：用千斤顶直接在构件两端加力自应力值大于2MPa9.1.4夹具和锚具

锚、夹具区别构件制作完后，能重复使用夹具：主要依靠摩擦力来夹住钢筋，它不留在构件上，剪断预应力筋后夹具的作用即消失锚具：永久地留在构件上，如锚具失效构件中的预应力将全部消失,用于永久固定钢筋14（1）螺丝端杆锚具由螺杆和螺帽组成常用的锚具和夹具(2)锥形锚具-摩擦性锚具锚环锚塞锚塞灌浆孔常用的锚具和夹具（3）镦头锚具（4）夹片式锚具JM12锚具XM、QM锚具(5)粘结型锚具灌浆口（灌浆锚固）6~8螺旋筋8箍筋3铅丝线圈预应力筋利用构件端部预留锥形自锚孔的后浇混凝土锚固预应力钢筋常用的锚具和夹具(6)承压型锚具预应力筋垫板螺丝杆端螺母对焊接头利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力钢筋锚固在端部常用的锚具和夹具

预紧装置试验张拉锚固构件试验张拉锚固装置大秦铁路桥梁预应力加固9.1.5预应力混凝土材料（1）混凝土（强度高，收缩、徐变小，快硬早强-不宜低于C40，不应低于C30）（2）钢材钢丝钢绞线螺纹钢筋冷拉钢丝和消除应力钢丝由高强钢丝捻制而成-1X3，1X7（也称精轧螺纹钢筋）是在整根钢筋上轧有外螺纹的大直径、高强度、高尺寸精度的直条钢筋。2010年新规范中取消了热处理钢筋

（1）预应力钢筋◆

在预应力混凝土构件制作和使用过程中，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，必须使用高强钢筋（丝）

◆

为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性、良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求◆

对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能，通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度9.1.5预应力混凝土材料（a）冷拉低合金钢筋◆通常将Ⅳ级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa◆为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接◆随着高强钢丝和钢绞线的生产，这种预应力筋应用已很少9.1.5预应力混凝土材料（b）中、高强钢丝中、高强钢丝采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到中强钢丝强度800~1200MPa，高强钢丝强度1470~1860MPa钢丝直径为3~9mm钢丝表面可采用‘刻痕’或‘压波’，也可制成螺旋肋刻痕钢丝螺旋肋钢丝9.1.5预应力混凝土材料（b）消除应力钢丝钢丝经冷拔后，存在较大的内应力，一般需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性有所改善9.1.5预应力混凝土材料用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.5~15.2mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和3股钢绞线仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度无粘结预应力束（c）钢绞线9.1.5预应力混凝土材料

（4）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强度钢筋直径为6~10mm，抗拉强度为1470MPa除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点，采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标9.1.5预应力混凝土材料

（2）混凝土

一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C409.1.5预应力混凝土材料●可以施加较大的预压应力，提高预应力效率●有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度要求●具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩●徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失●与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋传递长度●可提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸●强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度●提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用9.1.6张拉控制应力张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值，其值为张拉设备所控制的总张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值（1）张拉控制应力定义（2）张拉控制应力取值①σcon越高，构件的开裂荷载与极限荷载越接近，构件破坏前无明显预兆,延性较差②在施工阶段会使构件的某些部位受拉甚至开裂，对后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏

③有时为了减少预应力损失，需对钢筋进行超张拉，由于钢材材质的不均匀，可能使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度，而使钢筋产生较大塑性变形或脆断9.1.6张拉控制应力（2）张拉控制应力取值张拉控制应力限值钢筋种类最大值最小值消除应力钢丝、钢绞线0.75fptk0.40fptk中强度预应力钢丝0.70fptk预应力螺纹钢筋0.850fpyk0.50fpyk9.1.9先张法构件预应力钢筋的传递长度9.1.10后张法构件端部锚固区局部受压承载力计算构件端部锚固区的应力传递预压应力通过锚具

垫板

混凝土规范规定，在预应力筋锚具下及张拉设备支承处应配置预埋钢垫板及附加横向钢筋网片或螺旋式间接钢筋9.1.10后张法构件端部锚固区局部受压承载力计算

预埋钢垫板及附加横向钢筋网

提高局部受压区的强度，防止局部承压破坏，但不能防止混凝土开裂

（1）端部受压截面尺寸验算—抗裂度要求

Fl——局部受压面上作用的局部压力设计值βc——混凝土强度的影响系数βl——混凝土局部受压承载力强度的提高系数局部受压区截面尺寸应符合下列要求

（1）端部受压截面尺寸验算：

确定局部受压计算底面积Ab

36fc'——张拉时混凝土的轴心抗压强度设计值Ab——局部受压时的计算底面积，按与局部承压面积“同心、对称”原则确定Aln——混凝土局部受压净面积，应在中扣孔道、凹槽部分面积

Al——混凝土局部承压面积。当有垫板时；可考虑预压力沿锚具垫圈边缘在垫板中按450

扩散后传至混凝土的受压面积不满足时：加大端部面积；调整锚具位置加大垫板厚度；提高混凝土强度等级37

（2）局部受压承载力验算—承载力要求

βcor——

配置间接钢筋的局部受压承载力提高系数

Acor——方格网或螺旋钢筋内表面范围内的混凝土核芯面积（不扣除孔道面积）

ρv——间接钢筋的体积配筋率，要求≥0.5％38

当为方格网配筋时

当为螺旋式配筋时

l1,l2——钢筋网两个方向长度，l1>l2

n1,As1——l1方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积

n2,As2——l2方向的钢筋根数和单根钢筋的截面面积

s——方格网或螺旋筋的间距

Ass1——螺旋式单根间接钢筋的截面面积

dcor——螺旋钢筋范围以内的混凝土直径

39

（2）局部受压承载力验算Acor的计算9.1.7预应力损失*预应力损失的定义预应力钢筋的张拉应力，从开始张拉至构件使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因将不断降低

——预应力损失40（1）锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1

当为直线型预应力钢筋时

a—张拉端锚具变形和钢筋回缩值mm

l—张拉端至锚固端之间的距离mm①选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具，尽量减少垫板数②对先张法构件，选择长台座减少此项损失的措施应注意的问题*此式不适用于曲线配筋的后张法构件锚固前的应力图锚固后的应力图摩擦力l1l1/2lfcon（0）（1）锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1

在后张法张拉钢筋时，由于预应力筋与其周围混凝土或套管之间存在摩擦，引起预应力筋应力随距张拉端距离的增加而逐渐减少的现象直线预应力筋曲线预应力筋（2）预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失σl2（2）预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失σl2后张法中，张拉钢筋时，预应力筋在孔道中滑动，就会产生摩擦力主要由两部分组成孔道偏差等引起曲线型孔道而引起取q为张拉端与计算截面曲线部分的切线夹角（rad）设该夹角很小，可近似取张拉端到计算截面的距离x=rq，则摩擦损失sl2为若摩擦系数k及一端张拉两端张拉超张拉减少摩擦损失的措施

（1）对较长的构件可在两端进行张拉减少该项损失，可采取以下措施（2）超张拉（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损失σl3

温度为t0时的应力为con温度升到t1时由于混凝土未结硬此处的应力为con’温度回落到t0时由于混凝土已结硬和钢筋同时回缩，此处的应力为con’’<con

①采用二次升温养护②在钢模上张拉预应力钢筋。由于钢模和构件一起加热养护，升温时两者温度相同，可不考虑此项损失

减少此项损失的措施钢筋在高应力作用下，长度不变而应力随时间逐渐降低的现象钢筋张拉后1小时内约完成总松弛的50%24小时内完成总松弛的80%，以后逐渐收敛采用超张拉时为0.9，不采用时为1.0常数参见规范相关内容（4）预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失σl4（4）预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失σl4钢筋应力松弛特点：①应力松弛与时间有关，开始快，以后慢②应力松弛与钢材品种有关。软钢比硬钢要小③张拉控制应力σcon高，应力松弛大采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张拉程序为在较高应力下持荷2分钟所产生的松弛损失与在较低应力下经过较长时间才能完成的松弛损失大体相当，所以经过超张拉后再张拉至σcon时，一部分松弛损失已完成收缩和徐变两者相互有关，很难精确计算，为了简化两项损失可合并考虑受拉区或受压区各自预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率受拉区或受压区预应力钢筋在各自合力作用点处混凝土的法向压应力高湿环境中可降低50%干燥环境中应增加20~30%系数A、B、C、D参见教材中的相关规定（5）混凝土的收缩徐变引起的预应力损失σl5

混凝土结硬时产生体积收缩，在预压力作用作用下，混凝土会发生徐变，这都会使构件缩短，构件中的预应力钢筋跟着回缩，造成预应力损失（5）混凝土的收缩徐变引起的预应力损失σl5

57先张法构件

后张法构件

σpc,σpc′——分别为完成第一批预应力损失后受拉区、受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向压应力fcu′——施加预应力时混凝土的实际立方体抗压强度配筋率的计算58ρ，ρ′——受拉区、受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率

先张法构件

后张法构件

Ap,Ap′——分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积，对称配筋的构件，取ρ，ρ′，此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算A0,An′——分别为混凝土换算截面积、净截面面积

①采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比②采用级配良好的骨料，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④要求混凝土应力,以防发生非线性徐变仅后张法有这项损失。当D≤3m，σl6=30MPa当D＞3m，不考虑该项损失此处D为环形构件的直径

减少此项损失的措施（6）用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失σL69.1.8预应力损失组合项次预应力损失组合先张法构件后张法构件1混凝土预压前（第一批）损失σlⅠσl1+σl2+σl3+σl4σl1+σl22混凝土预压后（第二批）损失σlⅡσl5σl4+σl5+σl6

预应力总损失下限值先张法构件：l100N/mm2后张法构件：l80N/mm29.2预应力混凝土轴心受拉构件计算9.2.1轴心受拉构件各阶段的应力分析9.2.2轴心受拉构件使用阶段的应力分析9.2.3轴心受拉构件施工阶段的验算9.2.1轴心受拉构件各阶段的应力分析（1）施工阶段2)完成第一批预应力损失1）张拉预应力筋9.2.1.1先张法构件—施工阶段和使用阶段3)放松（切断）预应力筋换算截面面积非预应力钢筋应力：换算截面面积4）完成第二批损失《规范》规定，当受拉区非预应力钢筋AS大于0.4AP时，应考虑非预应力筋由于混凝土收缩和徐变引起的内力影响非预应力筋阻止混凝土收缩、徐变，使其产生拉应力，使pcII降低：非预应力钢筋由于混凝土收缩和徐变引起的应力1）加载至N0：使混凝土中的应力为零（2）使用阶段0672）加载至混凝土即将开裂3）加载至最大承载力使用阶段受力过程的三个特征点：NN0(c=0)Ncr(c=ftk)Nu(fpy)N0N00NcrNcrftkNuNu(1)施工阶段

1)张拉钢筋，锚固以前（混凝土受到预压）9.2.1.2后张法构件—施工阶段和使用阶段2)锚固钢筋，完成第一批损失净截面面积2）完成第二批损失1）加载至N0：使混凝土中的应力为零（2）使用阶段0732）加载至混凝土即将开裂3）加载至最大承载力9.2.1轴心受拉构件各阶段的应力分析预应力混凝土构件受力计算小结

1）在施工阶段，构件未裂，将预应力混凝土视作弹性材料，用材料力学分析方法进行计算在使用阶段构件开裂前，材料力学方法仍然适用。此时预应力混凝土构件可看做承受两个力系：外荷载；把全部预应力钢筋的合力看作反向作用在构件上的外力

2）预应力钢筋从张拉到构件破坏一直处于高应力状态，混凝土在构件达到消压荷载前一直处于受压状态，充分发挥了两种材料的力学性能

3）预应力混凝土构件出现裂缝比钢筋混凝土构件迟得多，抗裂度高，但开裂荷载接近极限荷载，延性差

4）预应力混凝土轴心受拉构件与钢筋混凝土轴心受拉构件的承载力相同9.2.2轴心受拉构件使用阶段计算控制裂缝等级一级

严格要求不出现裂缝使用时不出现拉应力二级

一般要求不出现裂缝使用时可以出现拉应力，不超过抗拉强度三级

可以出现裂缝最大裂缝宽度验算1、使用阶段承载力验算2、使用阶段抗裂度或裂缝宽度验算按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值1）一级裂缝控制等级--严格要求不出现裂缝2）二级裂缝控制等级—一般要求不出现裂缝3）三级——允许出现裂缝wmax≤wlim对二a类环境的预应力混凝土构件，在荷载准永久组合下，构件受拉边缘混凝土拉应力尚不应大于混凝土的抗拉强度标准值9.2.3轴心受拉构件施工阶段验算规范规定，张拉钢筋（后张法）或切断预应力筋（先张法）时，构件应满足下列条件：

σcc≤0.8fck′(1)张拉预应力钢筋时构件承载力验算(2)后张法的锚固区局压验算9.1.10后张法构件端部锚固区局部受压承载力计算预应力混凝土轴心受拉构件设计步骤框图确定：截面尺寸，混凝土、预应力钢筋和非预应力钢筋的强度及弹性模量，放张时混凝土强度等级，预应力钢筋的张拉控制应力，施工方法（先张法、后张法），外荷载引起的内力，结构重要性系数使用阶段承载力计算确定Ap计算预应力损失值σl计算混凝土有效预压应力值σpcII使用阶段抗裂度验算或裂缝宽度验算不满足满足放松预应力钢筋时混凝土强度验算预应力钢筋张拉完毕时混凝土强度验算构件端部局部受压验算施工阶段验算后张法先张法结束不满足不满足预应力混凝土轴心受拉构件设计步骤框图9.3预应力混凝土受弯构件设计计算方法9.3.2预应力混凝土受弯构件应力分析9.3.3预应力混凝土受弯构件计算9.3.2预应力混凝土受弯构件应力分析在施工阶段，构件未开裂，将预应力混凝土视作弹性材料可以用材料力学分析方法对构件截面应力进行计算，把全部预应力钢筋的合力看作反向作用在构件上的外力所产生后张法预应力构件各阶段应力分析（1）张拉、锚固完成（完成第一批损失）1.施工阶段（2）完成第二批损失当非预应力总面积小于预应力筋总面积的40%时，（1）加载至受拉边缘混凝土应力为零混凝土应力变化外荷载在受拉边缘产生的应力2.使用阶段（2）加载至受拉边缘混凝土即将开裂混凝土应力变化外荷载在受拉边缘产生的应力（3）加载至破坏后张法预应力混凝土受弯构件小结预应力混凝土受弯构件应力分析施工阶段1穿钢筋2张拉钢筋3完成第一批损失4完成第二批损失使用阶段1加载至σpc=02加载至受拉区裂缝即将出现3加载至破坏2后张法预应力混凝土受弯构件小结9.3.3预应力混凝土受弯构件计算界限破坏：受拉区预应力钢筋屈服时受压区混凝土压碎当受拉区混凝土边缘应力为0时，预应力钢筋的应力为σp0，此时的应变为εp0=σp0/Es当受拉预应力钢筋屈服时，应力为fpy，此时的应变为εy=fpy/Es破坏类似于普通混凝土受弯构件，当≤b时，受拉钢筋屈服后压区混凝土压坏。压区预应力筋Ap’和非预应力筋As’的应力根据平截面假定计算1）计算b（1）破坏阶段截面应力状态1.使用阶段受弯构件正截面承载力计算91xcbh0xcbh02）任意位置处预应力钢筋和非预应力钢筋的应力93可由平截面假定得出。3）破坏时受压区预应力钢筋的应力受压区预应力钢筋在施工阶段受拉，进入使用阶段后随着外荷载的增加，其拉应力逐渐减小，在破坏时的应力可能仍为拉应力，也可能变为压应力，但都达不到强度设计值适用条件：2a'

x

bh0

（2）正截面受弯承载力计算施加预应力预压区预拉区预拉区应力过大会开裂预压区应力过大会纵向裂缝2、受弯构件施工阶段的验算-抗裂度验算（1）对不允许出现裂缝或

预压时全截面受压的构件（2）对预拉区允许出