第九章預應力混凝土構件

1、9預應力混凝土構件預應力混凝土構件本章主要介紹預應力混凝土的基本原理、本章主要介紹預應力混凝土的基本原理、預應力混凝土結構構件的基本計算規(guī)定、預預應力混凝土結構構件的基本計算規(guī)定、預應力混凝土軸心受拉構件的設計、預應力混應力混凝土軸心受拉構件的設計、預應力混凝土構件的構造要求。重點是預應力混凝土凝土構件的構造要求。重點是預應力混凝土構件的設計原理和構造要求。構件的設計原理和構造要求。 本章提要本章提要本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容9.1 概述概述9.2 預應力混凝土結構的材料預應力混凝土結構的材料9.3 預應力混凝土結構構件的基本計預應力混凝土結構構件的基本計算規(guī)定算規(guī)定9.4 預應力混凝土軸心受拉構

2、件預應力混凝土軸心受拉構件9.5 預應力混凝土結構的構造要求預應力混凝土結構的構造要求9.1 概述概述 混凝土受拉構件、受彎構件、大偏心受壓構件等，在各種荷載作用下，都存在受拉區(qū)。當荷載不是太大時，上述構件中將出現(xiàn)裂縫。 混凝土的極限抗拉應變值ctu大約為0.00015，則鋼筋應力在開裂時的值約為: s=Ess=Esctu=21050.00015=30N/mm2鋼筋混凝土構件的另一大缺點是不能采用高強度鋼筋。 9.1.1 普通鋼筋混凝土結構的缺點普通鋼筋混凝土結構的缺點 最后一點是：提高混凝土強度等級對構件抗裂性所起的作用也是極其有限的，因為各等級混凝土的極限抗拉應變相差不大；增加構件截面尺寸

3、能提高抗裂性，但所需混凝土多，構件自重大。 9.1.2 預應力混凝土的基本原理預應力混凝土的基本原理 所謂預應力混凝土就是在混凝土構件承受使用荷載前的制作階段，預先對使用階段的受拉區(qū)施加壓應力，造成一種人為的應力狀態(tài)。 當構件承受使用荷載而產(chǎn)生拉應力時，首先要抵消混凝土的預壓應力，然后隨著荷載的增加，受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生拉應力。因此，可推遲混凝土裂縫的出現(xiàn)和開展，以滿足使用要求。這種在結構構件承受荷載以前預先對受拉區(qū)混凝土施加壓應力的結構構件，就稱為預應力混凝土構件。 如圖9.1所示，一簡支梁在承受外荷載之前，預先在梁的受拉區(qū)施加一對大小相等、方向相反的集中力P,則構件各截面的應力分布如圖9.1(

4、a)，下邊混凝土纖維的壓應力為pc； 僅在使用荷載作用下，梁跨中截面應力分布如圖9.1(b)，跨中截面下邊緣混凝土的拉應力為t； 當兩種應力狀態(tài)相互疊加時（如圖9.1(c)所示)，梁跨中下邊緣的應力可能是數(shù)值很小的拉應力，也可能是壓應力，甚至應力為零，視施加壓力P和荷載的相對大小而定。 圖9.1預應力混凝土構件 9.1.3 預應力混凝土的受力特征預應力混凝土的受力特征 圖9.2為兩根梁的荷載撓度曲線對比圖。從圖9.2可知預應力混凝土構件具有如下受力特征： （1） 對混凝土構件施加預應力可以提高構件的抗裂性。 （2） 預應力的大小可人為地根據(jù)需要調(diào)整。 （3） 在使用荷載作用下，構件在開裂前處于

5、彈性工作階段。材料力學的公式完全適用。 （4） 施加預應力對構件正截面承載力無明顯影響。但預應力對斜截面承載力有一定提高。 圖9.2簡支梁荷載撓度曲線 9.1.4 施加預應力的方法施加預應力的方法 （1） 先張法 先張法是指首先在臺座上或鋼模內(nèi)張拉鋼筋，并作臨時錨固，然后澆筑混凝土。待混凝土達到一定強度后剪斷或放松鋼筋。鋼筋剪斷后將產(chǎn)生彈性回縮，但鋼筋與混凝土之間存在著粘結力，混凝土就會阻止鋼筋回縮而混凝土本身受到預壓應力。 先張法的主要工序見圖9.3所示。 （2） 后張法 后張法是指先澆筑混凝土構件并預留好孔道，待混凝土達到一定的強度后在孔道內(nèi)穿入鋼筋，然后直接在構件上張拉鋼筋，最后用錨具在

6、構件兩端將鋼筋錨固，阻止鋼筋回縮，從而對構件施加預應力。鋼筋張拉完畢并將張拉端錨固后，預留孔道內(nèi)應按要求灌漿。 后張法的主要工序見圖9.4所示。 先張法、后張法各有優(yōu)缺點： 先張法生產(chǎn)工序少，工藝簡單，施工質(zhì)量容易保證，不需在構件上設永久性錨具，生產(chǎn)成本低，在長線臺座上，一次可生產(chǎn)多個構件。先張法主要適合于工廠內(nèi)生產(chǎn)中、小型構件。 后張法不需要臺座，構件既可在工廠也可在現(xiàn)場制作；后張法構件只能單一逐個地施加預應力，工序多，操作也麻煩；而且需設永久性錨具，成本高；一般用于運輸不便的大、中型構件。 圖9.3先張法主要工序示意圖 (a) 張拉鋼筋；(b) 支模并澆搗混凝土；(c)放松并截斷預應力鋼筋

7、 圖9.4后張法主要工序示意圖 (a) 制作混凝土構件；(b) 張拉鋼筋；(c)張拉端錨固并對孔道灌漿 9.1.5 預應力混凝土構件的優(yōu)缺點預應力混凝土構件的優(yōu)缺點 預應力混凝土構件的抗裂性能遠高于普通鋼筋混凝土構件，增加了混凝土結構的使用范圍；在使用荷載作用下一般不出現(xiàn)裂縫，構件的耐久性好、剛度大、變形也?。荒艹浞掷酶邚姸蠕摻詈透邚姸然炷?，減少了鋼筋用量，截面小，減輕了構件自重，從而為混凝土結構用于大跨度結構創(chuàng)造了良好的條件；預應力技術的采用，也為裝配式結構提供了良好的裝配、拼裝手段，可通過縱、橫方向施加預應力鋼筋，把裝配式結構連成理想的整體。 其主要缺點是施工設備要求高，施工較復雜，設

8、計計算較繁。 9.2 預應力混凝土結構的材料預應力混凝土結構的材料 預應力混凝土結構構件所用的混凝土，應滿足下列要求： （1） 強度高。 （2） 收縮、徐變小。 （3） 快硬、早強。 選擇混凝土強度等級時，應考慮施工方法（先張或后張）、構件跨度、使用情況（如有無振動荷載）以及鋼筋種類等因素。 9.2.1 混凝土混凝土9.2.2 鋼材鋼材 預應力結構構件所用的鋼筋（絲）應滿足下列要求： （1） 強度高。 （2） 具有一定的塑性。 （3） 良好的加工性能。 （4） 與混凝土之間有較好的粘結強度。特別是先張法構件。當采用光面高強鋼絲時，表面應經(jīng)“刻痕”或“壓波”等措施處理后方能使用。 9.3 預應力

9、混凝土結構構件的基本預應力混凝土結構構件的基本計算規(guī)定計算規(guī)定 因預應力混凝土結構構件在施工階段和使用階段處于完全不同的受力狀態(tài)，故應分別進行施工階段和使用階段的設計計算或驗算。 規(guī)范規(guī)定，一般需進行下列計算或驗算：9.3.1 計算內(nèi)容計算內(nèi)容 （1） 承載力計算 對預應力混凝土軸心受拉構件只進行正截面承載力計算。對預應力混凝土受彎構件應同時進行正截面和斜截面承載力計算。 （2） 裂縫控制驗算 根據(jù)使用要求及耐久性要求，確定構件是不允許開裂還是允許開裂。不允許開裂的構件應進行抗裂驗算，允許開裂的構件則應進行裂縫寬度驗算。 （3） 變形驗算 對預應力混凝土受彎構件應進行撓度驗算。9.3.1.1

10、使用階段計算使用階段計算 施工階段驗算是指對構件在制作、運輸和吊裝過程中所受力的實際情況而進行的承載力和抗裂性的驗算。 對后張法構件還應驗算錨具處的局部受壓承載力。9.3.1.2 施工階段驗算施工階段驗算9.3.2 張拉控制應力張拉控制應力con （1）con的定義 張拉控制應力是指張拉預應力筋時預應力筋應達到的拉應力規(guī)定值，用con表示。張拉時預應力筋實有的應力可由張拉設備上的測力計所示的總拉力除以預應力鋼筋截面面積得出。 （2） 張拉控制應力的確定 張拉控制應力的數(shù)值與鋼筋的種類和施加預應力的方法有關。 規(guī)范規(guī)定的張拉控制應力允許值見表9.1。 表表9.1張拉控制應力允許值張拉控制應力允許

11、值con 鋼筋種類 張拉方法 先張法后張法消除應力鋼絲、鋼絞線0.75fptk0.75fptk 熱處理鋼筋 0.70fptk0.65fptk9.3.3 預應力損失預應力損失l 按照某一控制張拉應力值張拉好的預應力鋼筋的初始張拉應力，由于張拉工藝和材料特性等原因，會從構件制作到安裝使用各個過程中不斷降低。這種預應力降低的現(xiàn)象稱為預應力損失。 引起預應力損失的因素很多，規(guī)范給出了以下六種因素及其產(chǎn)生的相應預應力損失值的計算方法。 在先張法和后張法中，張拉鋼筋一般總是先將鋼筋一端錨固而在另一端張拉，待鋼筋張拉到規(guī)定的控制應力con后，便再把張拉端的預應力筋錨固在臺座或構件上。 錨具變形和預應力鋼筋滑

12、動回縮引起的預應力損失l1，按下式計算： 其中，張拉端錨具變形和預應力筋滑動的內(nèi)縮值（mm），按表9.2取用； 9.3.3.1 張拉端錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起預應力損失張拉端錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起預應力損失1lsaEl 后張法構件在張拉預應力筋時，由于鋼筋與孔道壁之間的摩擦力存在，它將使預應力筋截面的應力隨距張拉端的距離的增大而減?。▓D9.5）。這種應力損失稱為摩擦損失。 規(guī)范規(guī)定，摩擦損失l2按下列公式計算： 其中，k,按表9.3取用； 對于x+0.2的預應力混凝土構件，l2可按下式近似計算： 9.3.3.2 預應力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起預應力鋼筋與孔道壁之間的摩擦引起的預應力損失的預應力

13、損失12(1)kx llcone2()lconkx 設預應力鋼筋與臺座之間的溫差為t，鋼筋的線膨脹系數(shù)=1.010-5/，彈性模量Es=2.0105N/mm2，于是預應力損失l3為： l3=Ess=Est=21051.010-5t 即 l3=2t9.3.3.3 受張拉的鋼筋與承受拉力的設備之間溫差受張拉的鋼筋與承受拉力的設備之間溫差引起的預應力損失引起的預應力損失 所謂鋼筋應力松弛，是指鋼筋在高應力狀態(tài)下，在長度不變條件下，由于鋼筋的塑性變形而使應力隨時間的延續(xù)而降低的現(xiàn)象。 （1） 預應力鋼絲、鋼絞線普通松弛： 鋼絲、鋼絞線低松弛： 當con0.7fptk時 9.3.3.4 預應力筋應力松馳

14、引起的預應力損失預應力筋應力松馳引起的預應力損失40.4 (0.5)conlconptkf40.125(0.5)conlconptkf 當0.7fptkcon0.8fptk時 (2) 熱處理鋼筋： 一次張拉 l4=0.05con 超張拉 l4=0.035con40.2(0.575)conlconptkf 根據(jù)試驗資料和經(jīng)驗，規(guī)范規(guī)定：混凝土收縮、徐變引起的預應力損失l5按下列公式計算。 （1） 先張法構件9.3.3.5 混凝土收縮、徐變引起的預應力損失混凝土收縮、徐變引起的預應力損失55452801 15452801 15pcculpcculff (2) 后張法構件55352801 15352

15、801 15pcculpcculff 對先張法構件 對后張法構件 00,pspsAAAAAA,pspsnnAAAAAA 此處不作詳細介紹。 9.3.3.6 用螺旋式預應力鋼筋作配筋的環(huán)形構件，用螺旋式預應力鋼筋作配筋的環(huán)形構件，由于混凝土的局部擠壓引起的預應力損失由于混凝土的局部擠壓引起的預應力損失表表9.2 錨具變形和鋼筋內(nèi)縮值錨具變形和鋼筋內(nèi)縮值a(mm) 項次錨具類別a1帶螺帽的錨具：螺帽縫隙每塊后加墊板的縫隙 112鋼絲束的鐓頭錨具 13鋼絲束的鋼制錐形錨具 54JM12錨具：當預應力筋為鋼筋時當預應力筋為鋼絞線時 355單根冷拔低碳鋼絲的錐形夾具 5圖9.5 預應力鋼筋的應力損失l2

16、 表表9.3 摩擦系數(shù)摩擦系數(shù) 孔道成型方式預埋金屬波紋管0.00150.25 預埋鋼管0.00100.30橡膠管或鋼管抽芯成型0.00140.55 為了分析和計算方便起見，規(guī)范將預應力構件在各階段的預應力損失值按表9.4的規(guī)定組合。發(fā)生在混凝土預壓以前的預應力損失稱為第一批預應力損失，用l表示；發(fā)生在混凝土預壓以后的稱為第二批預應力損失，用l表示。 規(guī)范同時還規(guī)定，當按上述規(guī)定計算求得的預應力總損失值小于下列數(shù)值時，則按下列數(shù)值取用： 先張法構件100N/mm2； 后張法構件80N/mm2。 9.3.4 預應力損失的組合及減少預應力預應力損失的組合及減少預應力損失的措施損失的措施9.3.4.1 各階段預應力損失值的組合各階段預應力損失值的組合表表9.4各階段預應力損失值的組合表各階段預應力損失值的組合表 項次預應力損失的組合先張法構件后張法構件1混凝土預壓前（第一批）損失ll1+l3+l4l1+l22混凝土預壓后（第二批）損失ll5l4+l5+l6 （1） 選擇變形小或預應力筋滑動小的錨具或夾具，盡量減少墊板的數(shù)量，增加先張法臺座長度，以減小l1值； （2） 采用高強度等級混凝土、高標號水泥，降低水泥用量，減小