混凝土结构设计原理第 9 章预应力混凝土构件

混凝土结构设计原理 第9章预应力混凝土构件教材作者：李方圆课件制作：李方圆

主要内容： 　　预应力混凝土的概念及其与普通钢筋混凝土的区别　　预应力混凝土构件（包括轴心受拉、受弯构件）设计　　构造要求重点：　　预应力混凝土的基本概念　　各项预应力损失的意义、计算方法、减小措施预应力混凝土轴心受拉构件各阶段的应力状态、设计计算方法第九章预应力混凝土构件

1　一般概念 预应力混凝土（prestressed concrete）是在混凝土构件承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力。这种预压应力可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力，因而可减少甚至避免裂缝的出现。第九章预应力混凝土构件预应力混凝土受弯构件 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 　　通过人为控制预压力Np的大小，可使梁截面受拉边缘混凝土产生压应力、零应力或很小的拉应力，以满足不同的裂缝控制要求，从而改变了普通钢筋混凝土构件原有的裂缝状态，成为预应力混凝土受弯构件。　　美国混凝土协会（ACI）对预应力混凝土下的定义是：“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。 9.1 预应力混凝土的基本知识

2施加预应力的方法 通常通过机械张拉钢筋给混凝土施加预应力。按照施工工艺的不同，可分为先张法和后张法两种。先张法在浇灌混凝土之前张拉预应力钢筋，故称为先张法（pretensioning type）。可采用台座长线张拉或钢模短线张拉。先张法构件是通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力的。此方法适用于在预制厂大批制作中、小型构件，如预应力混凝土楼板、屋面板、梁等。第九章预应力混凝土构件 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 先张法构件制作 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 　　后张法在浇灌混凝土并结硬之后张拉预应力钢筋，故称为后张法（post-tensioning type）。后张法构件是依靠其两端的锚具锚住预应力钢筋并传递预应力的。因此，这样的锚具是构件的一部分，是永久性的，不能重复使用。此方法适用于在施工现场制作大型构件，如预应力屋架、吊车梁、大跨度桥梁等。 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 后张法构件制作 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 3　锚具锚具是锚固预应力筋的装置，它对在构件中建立有效预应力起着至关重要的作用。先张法构件中的锚具可重复使用，也称夹具或工作锚；后张法构件依靠锚具传递预应力，锚具也是构件的组成部分，不能重复使用。对锚具的要求是：安全可靠，使用有效、节约钢材及制作简单。锚具按其构造形式及锚固原理，可以分为三种基本类型：锚块锚塞型锚具；螺杆螺帽型锚具；镦头型锚具。 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 4预应力混凝土的材料钢筋预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋（prestressing tendon）和非预应力钢筋（ordinary steel bar）。非预应力钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用RRB400级钢筋。由于通过张拉预应力钢筋给混凝土施加预压应力，因此预应力钢筋首先必须具有很高的强度，才能有效提高构件的抗裂能力。规范规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝及热处理钢筋。混凝土规范规定，预应力混凝土结构（prestressed concrete structure）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。 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 5　预应力混凝土的特点预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，有如下特点：提高了构件的抗裂能力增大了构件的刚度充分利用高强度材料扩大了构件的应用范围预应力混凝土具有施工工序多、对施工技术要求高，且需要张拉设备、锚夹具及劳动力费用高等特点，因此特别适用于普通钢筋混凝土构件力不能及的情形（如有防水、抗渗要求者或大跨度及重荷载结构）。 9.1 预应力混凝土的基本知识

第九章预应力混凝土构件 1　张拉控制应力σcon 张拉控制应力（controlling stress）是指张拉预应力钢筋时，张拉设备的测力仪表所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的拉应力值。 σcon是施工时张拉预应力钢筋的依据，其取值应适当。若过大，则会产生如下问题：（1）个别钢筋可能被拉断；（2）施工阶段可能会引起构件某些部位受到拉力（称为预拉区）甚至开裂，还可能使后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏；（3）使开裂荷载与破坏荷载相近，一旦裂缝，将很快破坏，即可能产生无预兆的脆性破坏。另外，还会增大预应力钢筋的松弛损失。因而对张拉控制应力应规定上限值。同时，为了保证构件中建立必要的有效预应力，张拉控制应力取值也不能过小，即也应有下限值。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 混凝土规范规定预应力钢筋的张拉控制应力值不宜超过下表规定的张拉控制应力限值，且不应小于0.4 fptk 。张拉控制应力限值 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 2　预应力损失将预应力钢筋张拉到控制应力后，由于种种原因，其拉应力值将逐渐下降到一定程度，即存在预应力损失（loss of prestress）。经损失后预应力钢筋的应力才会在混凝土中建立相应的有效预应力（effective prestress）。下面分项讨论引起预应力损失的原因、损失值的计算以及减少预应力损失的措施。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失无论先张法临时固定预应力钢筋还是后张法张拉完毕锚固预应力钢筋时，在张拉端由于锚具的压缩变形，锚具与垫板之间、垫板与垫板之间、垫板与构件之间的所有缝隙被挤紧，或由于钢筋、钢丝、钢绞线在锚具内的滑移，使得被拉紧的预应力钢筋松动缩短从而引起预应力损失。预应力直线钢筋锚具变形损失应按下列公式计算：为了减小锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失，应尽量少用垫板；先张法采用长线台座张拉时损失较小；而后张法中构件长度越大则损失越小。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失摩擦损失计算简图 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 后张法由于孔道的制作偏差、孔道壁粗糙以及钢筋与孔壁的挤压等原因，张拉预应力筋时，钢筋将与孔壁发生摩擦（friction）。距离张拉端越远，摩擦阻力的累积值越大，从而使构件每一截面上预应力钢筋的拉应力值逐渐减小，这种预应力值差额称为摩擦损失。预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失的计算公式如下：为了减小摩擦损失，对于较长的构件可采用一端张拉另一端补拉，或两端同时张拉，也可采用超张拉。超张拉程序为。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失制作先张法构件时，为了缩短生产周期，常采用蒸汽养护，促使混凝土快硬。由于预应力钢筋与台座间形成温差，产生的预应力损失，按下式计算：式中，以N/mm2计，为预应力钢筋与台座间的温差，以计。通常采用两阶段升温养护来减小温差损失：先升温20～25 ，待混凝土强度达到7.5～10N/mm2后，混凝土与预应力钢筋之间已具有足够的粘结力而结成整体；当再次升温时，二者可共同变形，不再引起预应力损失。因此，计算时取　　　　　　　。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失应力松弛（stress relaxation）是指钢筋受力后，在长度不变的条件下，钢筋应力随时间的增长而降低的现象。预应力钢丝、钢绞线：普通松弛低松弛热处理钢筋：可以采用超张拉的方法减小松弛损失。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失混凝土在空气中结硬时体积收缩（shrinkage），而在预压力作用下，混凝土沿压力方向又发生徐变（creep）。收缩、徐变都导致预应力混凝土构件的长度缩短，预应力钢筋也随之回缩，产生预应力损失。混凝土收缩、徐变引起受拉区和受压区纵向预应力钢筋的预应力损失值、（N/mm2）可按下列方法确定：先张法：后张法：所有能减少混凝土收缩徐变的措施，相应地都将减少。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 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对水管、蓄水池等圆形结构物，可采用后张法施加预应力。把钢筋张拉完毕锚固后，由于张紧的预应力钢筋挤压混凝土，钢筋处构件的直径减小,一圈内钢筋的周长减小，预拉应力下降，即产生了预应力损失。规范规定：当构件直径d≤3m时， N/mm2；当构件直径d>3m时，。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 预应力损失的分阶段组合不同的施加预应力方法，产生的预应力损失也不相同。一般地，先张法构件的预应力损失有；而后张法构件有（当为环形构件时还有）。在实际计算中，以“预压”为界，把预应力损失分成两批。各阶段预应力损失值的组合 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 考虑到预应力损失计算值与实际值的差异，并为了保证预应力混凝土构件具有足够的抗裂度，应对预应力总损失值做最低限值的规定。《规范》规定，当计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，应按下列数值取用：先张法构件 100N/mm2；后张法构件 80N/mm2。 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 混凝土的弹性压缩（或伸长）当混凝土受预应力作用而产生弹性压缩（或伸长）时，若钢筋（包括预应力钢筋和非预应力钢筋）与混凝土协调变形（即共同缩短或伸长），则钢筋的应力变化量为式中为钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值，即 9.2 预应力混凝土构件设计的一般规定

第九章预应力混凝土构件 预应力混凝土轴心受拉构件从张拉钢筋开始到构件破坏为止，可分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。构件内存在两个力系：内部预应力（施工制作时施加的）和外荷载（使用阶段施加的）。用Ap和As表示预应力钢筋和非预应力钢筋的截面面积，Ac为混凝土截面面积；以、及表示预应力钢筋、非预应力钢筋及混凝土的应力。规定：以受拉为正，及以受压为正。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 1　先张法轴心受拉构件施工阶段施工制作阶段，应力图形如图所示。此阶段构件任一截面各部分应力均为自平衡体系。先张法构件截面预应力平衡方程为 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 放松预应力钢筋，压缩混凝土（完成第一批预应力损失）代入平衡方程可得此时的应力状态，可作为施工阶段对构件进行承载能力计算的依据。另外，还用于计算。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 完成第二批预应力损失代入平衡方程解得上式给出了先张法构件中最终建立的混凝土有效预压应力。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 　　使用阶段加荷至混凝土预压应力被抵消时消压状态 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 平衡条件为代入可得　　此时，构件截面上混凝土的应力为零，相当于普通钢筋混凝土构件还没有受到外荷载的作用，但预应力混凝土构件已能承担外荷载产生的轴向拉力，故称为“消压拉力”。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 继续加荷至混凝土即将开裂截面即将开裂 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 平衡条件为代入可得上式可作为使用阶段对构件进行抗裂验算的依据。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 加荷直至构件破坏贯通裂缝截面相应的轴向拉力极限值（即极限承载力），如图所示。极限状态由平衡条件可得上式可作为使用阶段对构件进行承载能力极限状态计算的依据。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 2　后张法轴心受拉构件施工阶段应力图形如图所示，构件任一截面各部分应力亦为自平衡体系。后张法构件截面预应力平衡方程为 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 在构件上张拉预应力钢筋至，同时压缩混凝土代入平衡方程可解得当（张拉端）时，达最大值，即上式可作为施工阶段对构件进行承载力验算的依据。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 完成第一批预应力损失代入平衡方程解得这里的用于计算。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 完成第二批预应力损失代入平衡方程，可解得即为后张法构件中最终建立的混凝土有效预压应力。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 使用阶段相应时刻的应力图形与先张法构件的相同，外荷载产生的轴向拉力符号也相同。相应计算公式如下：注意：后张法中 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 3　先、后张法计算公式的比较钢筋预应力无论先、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；预应力钢筋应力公式中，后张法比先张法的相应时刻应力多。混凝土预应力施工阶段，两种张拉方法的、公式形式相似，差别在于：先张法公式中用构件的换算截面面积，而后张法用构件的净截面面积。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 轴向拉力使用阶段，构件在各特定时刻的轴向拉力，及的公式形式均相同。无论先、后张法，均采用构件的换算截面面积计算。由可知，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。 9.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析

第九章预应力混凝土构件 为了保证预应力混凝土轴心受拉构件（uniaxial tensile member of prestressed concrete）的可靠性（reliability），除要进行构件使用阶段的承载力（load-carrying capacity）计算和裂缝控制（crack control）验算外，还应进行施工阶段（制作、运输、安装）的承载力验算，以及后张法构件端部混凝土的局部受压验算。 1使用阶段正截面承载力计算目的是保证构件在使用阶段具有足够的安全性。因属于承载能力极限状态的计算，故荷载效应及材料强度均采用设计值。计算公式如下 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 2　使用阶段正截面裂缝控制验算预应力混凝土轴心受拉构件，应按所处环境类别和结构类别选用相应的裂缝控制等级，并按下列规定进行混凝土拉应力或正截面裂缝宽度验算。由于属正常使用极限状态的验算，因而须采用荷载效应的标准组合或准永久组合，且材料强度采用标准值。一级——严格要求不出现裂缝的构件在荷载效应的标准组合下应符合下列规定： 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 二级——一般要求不出现裂缝的构件应同时满足如下两个条件：在荷载效应的标准组合下应符合下列规定：在荷载效应的准永久组合下宜符合下列规定： 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 三级——允许出现裂缝的构件按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度，应符合下列规定： 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 3　施工阶段混凝土压应力验算为了保证预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段（主要是制作时）的安全性，应限制施加预应力过程中的混凝土法向压应力值，以免混凝土被压坏。混凝土法向压应力应符合下列规定：对先张法构件对后张法构件 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 4　施工阶段后张法构件端部局部受压承载力计算后张法构件端部锚固区的应力状态构件端部截面尺寸验算 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 构件端部局部受压承载力验算当配置方格网式或螺旋式间接钢筋且其核心（core）面积时，局部受压承载力应按下列公式计算：当为方格网式配筋时，其体积配筋率应按下列公式计算：当为螺旋式配筋时，其体积配筋率应按下列公式计算： 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 局部受压区的间接钢筋 (a) 方格网式配筋 (b) 螺旋式配筋 9.4预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算

第九章预应力混凝土构件 1　各阶段应力分析钢筋应力先张法后张法分别加荷至受拉区和受压区预应力钢筋各自合力点处混凝土法向应力等于零时，受拉区和受压区的预应力钢筋和的应力为：先张法后张法预应力混凝土受弯构件截面内钢筋布置 9.５预应力混凝土受弯构件的设计与计算

第九章预应力混凝土构件 混凝土预应力仿照轴心受拉构件，计算预应力混凝土受弯构件中由预加力产生的混凝土法向应力时，可看作将一个偏心压力作用于构件截面上，然后按材料力学公式计算。计算时，先张法用构件的换算截面（，），而后张法用构件的净截面（，）。 9.５预应力混凝土受弯构件的设计与计算

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