作预应力筋-兰州大学课件

混凝土结构设计原理兰州大学网络教育学院2010-11-11王亚军混凝土结构设计原理兰州大学网络教育学院2010-11-11王第10章

预应力混凝土构件§10.1概述§10.2预应力混凝土轴心受拉构件的计算§10.3预应力混凝土受弯构件的计算§10.4预应力混凝土构件的构造要求第10章预应力混凝土构件§10.1概述§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念普通混凝土存在的问题：

1）混凝土抗拉强度低，这样，在正常使用时，通常是带裂缝工作的。

2）在对防渗、抗腐蚀有要求时，易出现问题。

3）为满足变形和裂缝要求，只能增大截面尺寸、加大自重。

4）不能充分利用高强度钢筋。1、

钢筋混凝土构件的缺欠§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念普通混凝土存§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念定义：通过张拉钢筋（索），使钢筋混凝土结构在承受外荷载之前，受拉区的混凝土预先受到一定压应力的混凝土结构称为预应力混凝土结构。构件承受外荷载后，此项预压应力将抵消一部分或全部由外荷载所引起的拉应力；从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展。2、预应力混凝土的基本概念§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念定义：2、§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念特点：

a.预应力构件可延缓混凝土开裂的时间，提高构件的抗裂度和刚度；b.节约钢材、减轻自重；c.能充分利用高强度钢材、高强混凝土的强度；d.施工复杂，工艺要求高，需要较多的设备。2、预应力混凝土的基本概念§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念特点：2、预应力的特点(1)预压应力作用下

截面下部受压，上受拉。

(2)外荷载作用下

中和轴以下受拉，中和轴以上受压。(3)预压应力与外荷载共同作用下可见混凝土受拉区的应力已大为减小，或受压。预应力的特点(1)预压应力作用下截面下部受压，上受拉。(§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念应用范围：①抗裂度要求高的结构；②跨越能力大的大跨度结构和承受重荷载的结构；③对构件的变形和刚度要求高的结构，如吊梁、桥梁。2、预应力混凝土的基本概念§10.1概述10.1.1预应力混凝土的概念应用范围：§10.1概述10.1.2预应力混凝土的分类按使用荷载下截面拉应力控制要求的不同，分为三种：全预应力——————裂缝控制等级一级限值(有限)预应力——裂缝控制等级二级部分预应力—————允许出现规定的裂缝宽度§10.1概述10.1.2预应力混凝土的分类按使用荷载下按使用荷载下截面拉应力控制要求的分类①全预应力混凝土

全预应力混凝土是指在各种荷载组合下构件截面上均不允许出现拉应力的预应力混凝土构件。大致相当于裂缝控制等级为一级的构件。②限值预应力混凝土

限值预应力混凝土是按在短期荷载作用下，容许混凝土承受某一规定拉应力值，但在长期荷载作用下，混凝土不得受拉的设计要求。相当于裂缝控制等级为二级的构件。按使用荷载下截面拉应力控制要求的分类①全预应力混凝土按使用荷载下截面拉应力控制要求的分类③部分预应力混凝土部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许出现裂缝，但最大裂宽不超过允许值的要求设计。相当于裂缝控制等级为三级的构件。全预应力混凝土构件具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大等优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配筋量大，施加预应力工艺复杂、费用高等主要缺点。有限或部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间，有很大的选择范围，可根据结构的功能要求和环境条件，选用不同的预应力值以控制构件在使用条件下的变形和裂缝。按使用荷载下截面拉应力控制要求的分类③部分预应力混凝土§10.1概述10.1.3张拉预应力的方法(1)先张法（张拉钢筋在浇筑混凝土之前的方法）(2)后张法（张拉钢筋在混凝土凝结之后的方法）(3)其他方法（电热法、自应力混凝土）

按预应力筋张拉先后，分为三种：§10.1概述10.1.3张拉预应力的方法(1)先张法(1)先张法

先张法就是张拉钢筋先于混凝土构件浇筑成型的方法。先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的黏结力传递。但是这种力的传递过程，需要经过一段传递长度ltr才能完成。

先张法预应力土构件，预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。

先张法(1)先张法先张法就是张拉钢筋先于混凝(1)先张法A.施工工序：1）固定台座，放上预应力筋；2）用千斤顶张拉钢筋，用夹具将预应力筋固定；3）浇筑混凝土、养护（特定的养护）、缩短施工周期；4）混凝土强度达到一定强度（75%以上设计强度）切断钢筋或放松钢筋通过钢筋与混凝土之间的粘结力，对混凝土产生挤压力。B.优点：1）张拉工序简单2）不需放置永久性锚具3）批量生产C.缺点：1）需成批钢模，养护池，一次性投资大2）适用于直线型布筋，对于曲线布置预应力筋情况较困难(1)先张法A.施工工序：传递长度传递长度(2)后张法后张法：后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋的施工方法。后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递。

后张法(2)后张法后张法：后张法就是在构件浇筑成型后再张拉钢筋(2)后张法A.施工工序：1）浇筑混凝土，预留钢筋孔道和灌浆孔2）混凝土达到一定强度之后，钢筋穿过孔道，并张拉钢筋，同时混凝土受压，达到一定的拉应力后，用锚具锚固钢筋，锚具不再取下.3）孔道内灌浆，成有粘力的预应力构件；或不灌浆，为无粘结力的预应力构件B.优点：1）后张法直接在构件上张拉，可布置钢筋的形状多样2）适用于现场制作，块体拼接，特殊结构C.缺点：1）永久性锚具用量大2）工序复杂，施工周期长(2)后张法A.施工工序：(3)其它张拉方法电热法：电热张拉法是利用钢筋热胀冷缩的原理，在预应力钢筋上通过强大的电流，短时间内将钢筋加热，使钢筋的温度升高，钢筋随之伸长。当钢筋伸长到要求长度后，切断电源，锚固钢筋。随着温度的下降，钢筋逐渐冷却回缩，从而在混凝土中产生预压应力。所以，电热法只不过是以电热代替千斤顶的机械张拉，可用于先张法和后张法。自应力混凝土：膨胀水泥，使混凝土硬结后，体积膨胀而受到钢筋的约束，产生预压应力（先张法）(3)其它张拉方法电热法：§10.1概述10.1.4夹具和锚具夹具和锚具的作用：固定预应力钢筋；夹具：能重复使用，一般用于先张法构件；锚具：不能重复使用，一般用于后张法构件；§10.1概述10.1.4夹具和锚具夹具和锚具的作用：固螺丝端杆锚具用于粗钢筋锚固螺丝端杆锚具用于粗钢筋锚固镦头锚具张拉端固定端镦头锚具张拉端固定端锥塞式锚具锥塞式锚具夹片式锚具JM12型锚具QM型锚具夹片式锚具JM12型锚具QM型锚具夹片式锚具夹片夹片式锚具夹片夹片式锚具夹片式锚具§10.1概述10.1.5预应力混凝土构件的材料预应力钢筋◆

预应力钢筋的强度越高越好。◆

而且在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，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，也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。◆

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。同时还要求具有良好的加工性能，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。§10.1概述10.1.5预应力混凝土构件的材料预应力钢1、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。◆但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。1、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2、中高强钢丝◆中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。◆中强钢丝的为800~1200MPa，◆高强钢丝的强度为1470~1860MPa。◆钢丝直径为3~9mm。◆为增加与混凝土粘结强度，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2、中高强钢丝◆中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔3、钢绞线钢绞线是用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股钢绞线用途不广，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3、钢绞线钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预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。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§10.1概述10.1.5预应力混凝土构件的材料混凝土——预应力混凝土要求采用高强混凝土★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，以适用大跨度的要求；★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的应力传递长度。§10.1概述10.1.5预应力混凝土构件的材料混凝土—§10.1概述10.1.5预应力混凝土构件的材料混凝土——预应力混凝土要求采用高强混凝土★有利于提高局部承压能力，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

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C40。§10.1概述10.1.5预应力混凝土构件的材料混凝土—§10.1概述10.1.6张拉控制应力σcon

张拉控制应力是指预应力钢筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力筋截面面积得到的应力值称为张拉控制应力。它是预应力钢筋在构件受荷以前所经受的最大应力。§10.1概述10.1.6张拉控制应力σcon张拉控制§10.1概述10.1.6张拉控制应力σcon§10.1概述10.1.6张拉控制应力σcon§10.1概述10.1.6张拉控制应力σcon

因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的，同时张拉预应力筋也是对它进行的一次检验，所以[scon]是以预应力筋的标准强度给出的，且[scon]可不受抗拉强度设计值的限制。在下列情况下，[scon]可提高0.05fptk：⑴为提高构件在施工阶段的抗裂性能，而在使用阶段受压区内设置的预应力筋；⑵为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损失。为避免scon的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，《规范》规定scon不应小于0.4fptk。§10.1概述10.1.6张拉控制应力σcon因§10.1概述10.1.7预应力损失◆预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中应力会从scon逐步减少，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。◆由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。◆过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响。§10.1概述10.1.7预应力损失◆预应力筋张拉后，§10.1概述10.1.7预应力损失

由于预应力是通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有：◆锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。◆摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。◆混凝土的收缩和徐变引起的损失。◆松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，会引起预应力损失。◆温差损失：先张法中的热养护引起的温差损失。◆弹性压缩损失：混凝土弹性压缩，后张法中后拉束对先张拉束造成的压缩变形而产生分批张拉损失等。§10.1概述10.1.7预应力损失由于预应力10.1.7预应力损失1、锚固损失sl1

预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形、垫板缝隙的挤紧以及钢筋在锚具种的内缩引起的预应力损失记为sl1。对直线预应力筋，10.1.7预应力损失1、锚固损失sl110.1.7预应力损失2、摩擦损失sl2

摩擦损失是指在后张法张拉钢筋时，由于预应力筋与周围接触的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10.1.7预应力损失2、摩擦损失sl2直线预应力筋曲线预摩擦损失示意图摩擦损失示意图摩擦损失取dx=rdq，Np=spAp摩擦损失取dx=rdq，Np=spAp摩擦损失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，若摩擦损失q为张拉端与计算截面曲线部分的切线夹角（rad）摩擦损失摩擦损失摩擦损失

对于曲线预应力筋张拉锚固时，由于锚具变形和钢筋内缩a(mm)，使预应力筋有回缩的趋势，从而产生反向摩擦力以阻止其内缩。反向摩擦力只在一定的影响长度lf(m)内发生，即在距张拉端lf处，预应力筋的内缩值为零。摩擦损失对于曲线预应力筋张拉锚固时，由于锚具变形和钢摩擦损失设反向摩擦和正向摩擦相同Ds=2sl2内缩值摩擦损失设反向摩擦和正向摩擦相同内缩值摩擦损失设反向摩擦和正向摩擦相同Ds=2sl2摩擦损失设反向摩擦和正向摩擦相同摩擦损失一端张拉两端张拉超张拉减少摩擦损失的措施摩擦损失一端张拉两端张拉超张拉减少摩擦损失的措施10.1.7预应力损失3、温差损失sl3

为缩短先张法构件的生产周期，常采用蒸汽养护加快混凝土的凝结硬化。升温时，新浇混凝土尚未结硬，钢筋受热膨胀，但张拉预应力筋的台座是固定不动的，亦即钢筋长度不变，因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低，产生预应力损失sl3。降温时，混凝土达到了一定的强度，与预应力筋之间已具有粘结作用，两者共同回缩，已产生预应力损失sl3无法恢复。设养护升温后，预应力筋与台座的温差为D

t℃，取钢筋的温度膨胀系数为1×10-5/℃，则有，10.1.7预应力损失3、温差损失sl3为10.1.7预应力损失4、钢筋松弛损失sl4钢筋在高应力长期作用下具有随时间增长产生塑性变形的性质。在长度保持不变的条件下，应力值随时间增长而逐渐降低，这种现象称为松弛。应力松弛与初始应力水平和作用时间长短有关。根据应力松弛的长期试验结果，《规范》取普通预应力钢丝和钢绞线：低松弛预应力钢丝和钢绞线：当scon≤0.7fptk时，当0.7fptk<scon≤0.8fptk时，ψ为超张拉系数，一次张拉时，取ψ=1；超张拉时，取ψ=0.9。10.1.7预应力损失4、钢筋松弛损失sl4钢筋在高应力长10.1.7预应力损失4、钢筋松弛损失sl4热处理钢筋的应力松弛损失：一次张拉：超张拉：当scon≤0.5fptk时，可不考虑应力松弛损失，即取sl4=0。10.1.7预应力损失4、钢筋松弛损失sl4热处理钢筋的应10.1.7预应力损失5、收缩徐变损失sl5混凝土的收缩和徐变，都会导致预应力混凝土构件长度的缩短，预应力筋随之回缩，引起预应力损失。由于收缩和徐变是同时随时间产生的，且影响二者的因素相同时随变化规律相似，《规范》将二者合并考虑。《规范》对混凝土收缩和徐变引起的损失，按下列公式计算：先张法后张法10.1.7预应力损失5、收缩徐变损失sl5混凝土的收缩和收缩徐变损失An=Ac+asAs先张法后张法A0=Ac+apAp+asAs收缩徐变损失An=Ac+asAs先张法后张法A0=Ac+a10.1.7预应力损失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sl6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。

10.1.7预应力损失6、用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构10.1.8预应力损失值的组合预应力混凝土构件从预加应力开始即需要进行计算，而预应力损失是分批发生的。因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所产生的预应力损失。⑴混凝土预压前完成的损失

lI；⑵混凝土预压后完成的损失

lII。根据上述预应力损失发生时间先后关系，具体组合见表。10.1.8预应力损失值的组合预应力混凝土构件从预加应力开10.1.8预应力损失值的组合考虑到预应力损失计算的误差，在总损失计算值过小时，产生不利影响，《规范》规定当总损失值

l

=

lI+

lII小于下列数值时，按下列数值取用：先张法构件100MPa后张法构件80MPa10.1.8预应力损失值的组合考虑到预应力损失计算的误差，混凝土弹性压缩引起的损失sle先张法构件放张时，预应力筋与混凝土一起受压缩短，引起预应力筋应力降低。设混凝土预压应力在弹性范围，则根据钢筋与混凝土共同变形的条件，可得混凝土弹性压缩引起的损失sle为：对后张法构件，当一次张拉所有预应力筋时，无弹性压缩损失。当分批张拉时，则由此项损失。混凝土弹性压缩引起的损失sle先张法构件放张时，预应力筋与混10.1.9先张法构件预应力钢筋的传递长度先张法预应力混凝土构件的预压应力是靠构件两端一定距离内钢筋和混凝土之间的粘结力来传递，粘结力的传递是通过端部保持一定的传递长度来完成。10.1.9先张法构件预应力钢筋的传递长度先张法预应力混凝先张法构件预应力钢筋的传递长度计算

从钢筋和混凝土应力为零的端截面到钢筋和混凝土应力为σpe和σpc的截面之间的这段长度ltr，称为先张法构件的预应力钢筋的传递长度。先张法构件预应力钢筋的传递长度计算

从钢筋和混凝土应力10.1.10后张法构件端部锚固区局部受压承载力后张法构件中，预压应力是通过锚具传给垫板，再由垫板传递给混凝土的。预压应力在构件的端面上是集中于垫板下一定的范围之内，然后在构件内逐步扩散，经过一定的扩散长度后就均匀地分布到构件的全截面上，一般取扩散长度等于构件的截面宽度b。

《规范》规定，在预应力筋锚具下及张拉设备的支承处，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。10.1.10后张法构件端部锚固区局部受压承载力后张法构件端部锚固区的应力传递构件端部锚固区的应力传递预埋钢垫板及附加横向钢筋网

预埋钢垫板及附加横向钢筋网

10.1.10后张法构件端部锚固区局部