第七章預應力混凝土構件

第一節預應力混凝土基本知識

第二節預應力的施加

第三節預應力混凝土軸心受拉構件計算

第四節預應力損失值計算

第五節預應力混凝土構件的構造措施第一節預應力混凝土基本知識一、預應力混凝土的分類預應力混凝土可按制作、構件中預加應力大小的程度、施工方式的不同來劃分。(1)按制作劃分可分為先張法預應力混凝土和后張法預應力混凝土。(2)按構件中預加應力大小的程度可劃分為全預應力和部分預應力法。(3)按施工方式可劃分為有黏結預應力混凝土和無黏結預應力混凝土。二、預應力混凝土的原理及特點1.預應力混凝土的原理(1)預應力可以改善結構構件的裂縫和變形性能。在使用前預先施加的永久性內應力，以及鋼材中的拉應力與混凝土中的壓應力組成一個自平衡系統。(2)推動采用預應力混凝土的主要優點是節約材料。(3)預應力不能提高混凝土構件的強度。

下一頁返回第一節預應力混凝土基本知識(4)通過消除使用荷載下形成的多數裂縫，預加應力能大大改善混凝土構件的耐久性。(5)預應力在控制混凝土構件的撓度方面是很有用的。2.超靜定預應力混凝土結構的特點(1)優點:1)超靜定結構的跨中和支座處的彎矩分布相對較均勻，結構中最大彎矩較小，因而可減小構件截面尺寸，減輕結構自重。2)超靜定結構會產生內力重分布，因而能承擔更大的荷載。3)超靜定結構的撓度較小。4)預應力混凝土框架節點采用剛接，將增加結構的剛性和穩定性。

下一頁返回上一頁第一節預應力混凝土基本知識5)預應力鋼筋在后張預應力混凝土連續梁或框架梁中可連續布置，同一束預應力鋼筋既能抵抗跨中彎矩，又能抵抗支座彎矩，進一步節約了鋼材，并可減少錨具用量。(2)缺點:1)在多跨連續結構中，通常預應力鋼筋隨彎矩圖連續多波布置，將導致較大的預應力摩擦損失。2)由于溫度、徐變及地基不均勻沉降等因素的影響，超靜定結構中將產生一定的，有時是相當大的超靜定內力。3)超靜定預應力混凝土結構計算較為麻煩，除了需計算由外荷載所產生的內力之外，還需計算由預應力產生的附加內力。4)施工難度大。下一頁返回上一頁第一節預應力混凝土基本知識3.部分預應力結構的特點(1)相同配筋率、不同預應力度有黏結適筋梁的彎矩一撓度曲線如圖7-1所示。(2)為實現部分預應力有多種方法，在采用鋼絞線或碳素鋼絲的構件中，采用高強度預應力筋與非預應力普通鋼筋(HRB335,HRB400級鋼筋)混合配筋，是當前部分預應力普遍的方法。由于非預應力筋有利于控制裂縫和撓度的發展，故結構延性好。部分預應力結構的優點主要有:1)全預應力設計常由使用荷載下不出現拉應力的條件控制，其受彎承載力安全系數往往偏大，浪費鋼材。部分預應力有利于節約預應力筋。下一頁返回上一頁第一節預應力混凝土基本知識2)全預應力結構，特別是在恒荷載小、活荷載大的條件下會發生長期反拱的問題。這是由于預壓區混凝土長期處于高壓應力狀態引起的徐變，使反拱不斷增長的緣故。部分預應力結構由于預加力較小，可避免過大的長期反拱問題。3)與鋼筋混凝土結構相比，部分預應力混凝土具有適量的預應力，在正常使用狀態下，其裂縫經常是閉合的。即使當全部活荷載偶然出現時，構件將出現裂縫，但這些裂縫將隨活荷載的移去而閉合或僅有微裂縫。可見裂縫對部分預應力結構的危害性并不像對鋼筋混凝土結構那樣嚴重，因為后者的裂縫始終存在且不閉合。4)部分預應力結構由于配置有普通鋼筋，在破壞時呈現的延性和能量吸收能力，較全預應力好，對結構抗震有利。下一頁返回上一頁第一節預應力混凝土基本知識5)當構件支座不能自由滑動時，全預應力構件的縱向縮短(收縮與徐變)，由于受相鄰構件的約束而引起的拉應力能造成嚴重的裂縫。此外，當預壓應力過大時會發生沿預應力筋方向的水平裂縫。解決的有效方法是改用部分預應力以降低預壓應力。

三、預應力混凝土構件對材料的要求(1)預應力混凝土結構中的鋼筋包括預應力鋼筋和非預應力鋼筋。非預應力鋼筋宜采用HRB400級和HRB335級鋼筋，也可采用HPB235級和RRB400級鋼筋。預應力鋼筋必須具有很高的強度，《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)規定，預應力鋼筋宜采用預應力鋼絞線、鋼絲及熱處理鋼筋。此外，預應力鋼筋還應具有一定的塑性、良好的可焊性以及用于先張法構件時與混凝土有足夠的黏結力。

下一頁返回上一頁第一節預應力混凝土基本知識(2)預應力混凝土結構的混凝土強度等級不應低于C30;當采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋作預應力鋼筋時，混凝土強度等級不宜低于C40。當采用山砂混凝土及高爐礦渣混凝土時，尚應符合專門標準的規定。(3)無黏結預應力筋的規格及性能見表7-1。返回上一頁第二節預應力的施加根據鋼筋張拉與混凝土澆筑的先后次序不同，預應力筋張拉的方法可分為先張法和后張法。一、應力計算分析1.鋼筋應力無論先、后張法，非預應力鋼筋任何相應時刻的應力公式形式均相同，這是由于兩種方法中，非預應力鋼筋與混凝土協調變形的起點均是混凝土應力為零。2.混凝土應力施工階段，兩種張拉方法的σpc?、σpcП公式形式相似，如圖7-2、圖7-3所示。先張法公式中用構件的換算截面面積A0，而后張法用構件的凈截面面積An。混凝土預壓應力σpc公式:下一頁返回第二節預應力的施加3.軸向應力使用階段，構件在各特定時刻的軸向拉力N0、Ncr及Nu，的公式形式均相同。無論先、后張法，均采用構件的換算截面面積A0計算。(1)由Ncr=(σpc.П+ftk)A0=

N0+ftkA0可知，預應力混凝土構件比同條件的普通鋼筋混凝土構件的開裂荷載提高了N0(2)預應力混凝土軸心受拉構件的極限承載力Nu公式與截面尺寸及材料均相同的普通鋼筋混凝土構件的極限承載力公式相同，而與預應力的存在及大小無關，即施加預應力不能提高軸心受拉構件的承載力。但后者因裂縫過大早已不能滿足使用要求。下一頁返回上一頁第二節節預應應力的的施加加4.先張法法應力力(1)施工階階段:放松鋼鋼筋，，壓縮縮混凝凝土(完成第第一批批預應應力損損失)，如圖7一4所示(7-4)(2)完成第第二批批預應應力損損失后后的應應力(7-5)下一頁頁返回上一頁頁第二節節預應應力的的施加加(3)使用階階段:加荷至至混凝凝土預預壓應應力被被抵消消(圖7-5)。(7-6)5.后張法法應力力在構件件上張張拉預預應力力鋼筋筋至σcon，同時壓壓縮混凝凝土，如如圖7一7所示。完成第一一批預應應力損失失(7-8)下一頁返回上一頁第二節預預應力的的施加完成第二二批預應應力損失失(7-9)在使用階階段，加加荷至混混凝土預預壓應力力被抵消消(7-10)繼續加荷荷至混凝凝土即將將開裂(7-11)加荷直至至構件破破壞下一頁返回上一頁第二節預預應力的的施加二、基本本工作程程序1.先張法第一步:在臺座(或鋼模)上用張拉拉機具張張拉預應應力鋼筋筋至控制制應力，，并用夾夾具臨時時固定，，示意圖圖如圖7一8所示。第二步:支模并澆澆筑混凝凝土，養養護(一般為蒸蒸汽養護護)至其強度度不低于于設計值值的75%時，切斷斷預應力力鋼筋，，示意圖圖如圖7一9所示。2.后張法第一步:澆筑混凝土制制作構件，并并預留孔道，，如圖7-10所示。第二步:在孔道中穿筋筋，并在構件件上用張拉機機具張拉預應應力鋼筋至控控制應力，在在張拉端用錨錨具，錨住預預應力鋼筋，，并在孔道內內壓力灌漿，，如圖7-11所示。返回上一頁第三節預應力力混凝土軸心心受拉構件計計算一、使用階段段的計算1.受彎構件預應應力度受彎構件預應應力度的表達達式為λ=M0/M(7-14)因此，當框架架大梁等受彎彎構件截面不不開裂時，式式(7-14)可改變為λ=σpc/σsc(7-15)按預應力度劃劃分:全預應力混凝凝土λ≥1部分預應力混混凝土1<λ>0鋼筋混凝土λ=0下一頁返回第三節預應力力混凝土軸心心受拉構件計計算這里部分預應應力采用了廣廣義的定義，，包括限值預預應力與部分分預應力兩個個部分。限值值預應力指拉拉應力沒有達達到混凝土抗抗拉強度的設設計值;部分預應力指指混凝土拉應應力沒有限制制，但應進行行裂縫寬度驗驗算。按照荷荷載的短期效效應組合下正正截面混凝土土的應力狀態態，又將部分分預應力混凝凝土分為以下下兩類:A類:正截面中混凝凝土的拉應力力不超過規定定的限值，如如對受彎構件件為o.5γftkB類:允許正截面中中拉應力超過過規定的拉應應力限值，但但裂縫寬度不不超過規定值值。下一頁返回上一頁第三節預應力力混凝土軸心心受拉構件計計算2.預應力度強度度比預應力度強度度比的表達式式(7-16)3·承載力計算當預應力混凝凝土軸心受拉拉構件達到承承載能力極限限狀態時，全全部軸心拉力力由預應力鋼鋼筋和普通鋼鋼筋承擔，此此時，預應力力鋼筋和普通通鋼筋均已屈屈服。于是，，其正截面受受拉承載力計計算式為(7-17)下一頁返回上一頁第三節預應力力混凝土軸心心受拉構件計計算(1)一級——嚴格要求不出出現裂縫的構構件。對使用用階段嚴格要要求不出現裂裂縫的預應力力混凝土軸心心受拉構件，，在荷載效應應標準組合下下應符合下列列要求σck-σpc≤0(7-18)(2)二級——一般要求不出出現裂縫的構構件。對使用用階段一般要要求不出現裂裂縫的預應力力混凝土軸心心受拉構件，，應符合下列列要求:在荷載載效應應的標標準組組合下下σck-σpc≤ftk(7-19)在荷載載效應應的準準永久久組合合下(7-20)(7-21)(7-22)(7-23)下一頁頁返回上一頁頁第三節節預應應力混混凝土土軸心心受拉拉構件件計算算(3)三級一一允許許出現現裂縫縫的構構件。。對使使用階階段允允許開開裂的的軸心心受拉拉構件件，按按荷載載效應應標準準組合合計算算，并并考慮慮荷載載效應應的準準永久久組合合影響響的最最大裂裂縫寬寬度wmax，要求求不應應超過過最大大裂縫縫允許許值wlim，即wmax≤wmin(7-24)裂縫寬寬度限限值wlim:一類環環境條條件為為0.3mm;二、三三類環環境條條件為為0.2mm，最大大裂縫縫寬度度wmax的計算及及驗算公公式同普普通鋼筋筋混凝土土構件的的計算。。(7-25)(7-26)下一頁返回上一頁第三節預預應力混混凝土軸軸心受拉拉構件計計算(7-26)(7-27)(7-28)(7-29)下一頁返回上一頁第三節預預應力混混凝土軸軸心受拉拉構件計計算二、施工工階段的的驗算在后張法法預應力力混凝土土構件張張拉預應應力筋時時，或先先張法預預應力混混凝土構構件放松松預應力力筋時，，由于預預應力損損失尚未未完成，，混凝土土受到的的壓力最最大，而而此時混混凝土的的強度一一般最低低(只達到設設計強度度的75%)。因此，，為保證證此時混混凝土不不被壓碎碎，應予予以驗算算。對預應力力混凝土土軸心受受拉構件件，預壓壓時一般般處于全全截面均均勻受壓壓。截面面上混凝凝土法向向壓應力力σcc應符合下下列條件件:(7-33)先張法(7-34)后張法(7-35)返回上一頁第四節預預應力損損失值計計算預應力損損失值包包括以下下幾種:(1)σl1:張拉端錨錨具變形形和鋼筋筋內縮引引起;計算公式式如下:先張法塊體拼成成的結構構，其預預應力損損失尚應應考慮塊塊體間填填縫的預預壓變形形。當采采用混凝凝土或砂砂漿為填填縫材料料時，每每條填縫縫的預壓壓變形值值可取為為1mm。后張法:根據預應應力曲線線鋼筋或或折線鋼鋼筋與孔孔道壁之之間反向向摩擦影影響長度度lf范圍內的的預應力力鋼筋變變形值等等于錨具具變形和和鋼筋內內縮值的的條件確確定。下一頁返回第四節預預應力損損失值計計算減少損失失的措施施:由于a越小或l越大則σl1越小，所所以盡量量少用墊墊板。先張法采采用長線線臺座張張拉時σl1較小;而后張法法中構件件長度越越大則σl1越小。(2)σl2預應力鋼鋼筋與孔孔道壁之之間的摩摩擦，主主要對后后張法有有影響，，計算公公式如下下:(7-39)(3)σl3混凝土加加熱養護護時，受受張拉的的鋼筋與與承受拉拉力的設設備之間間的溫差差，主要要在先張張法中，，σl3=2△t,△△t為混凝土土加熱養養護時，，受張拉拉的預應應力鋼筋筋與承受受拉力的的設備之之間的溫溫差(0°C)。下一頁返回上一頁第四節預預應力損損失值計計算通常采用用兩階段段升溫養養護來減減小溫差差損失:先升溫20°C~25°C，待混凝凝土強度度達到7.5~10N/mm2后，混凝凝土與預預應力鋼鋼筋之間間已具有有足夠的的黏結力力而結成成整體;當再次升升溫時，，二者可可共同變變形，不不再引起起預應力力損失。。因此，，計算時時取△t=20~25°C。當在鋼鋼模上生生產預應應力構件件時，鋼鋼模和預預應力鋼鋼筋同時時被加熱熱，無溫溫差，則則該項損損失為零零。(4)σl4預應力鋼鋼筋的應應力松弛弛，計算算公式如如下:預應力鋼鋼絲、鋼鋼絞線普普通松弛弛(7-40)此處，一一次張拉拉ψ=1，超張拉拉ψ=0.9低松弛:下一頁返回上一頁第四節預預應力損損失值計計算σcon≤0.7fptk(7-41)0.7fptk<σcon≤0.8fptk時：(7-42)當σcon/fptk≤0.8時，預應應力鋼筋筋的應力力松弛損損失值可可取零。。下一頁返回上一頁第四節預預應力損損失值計計算(5)σ15:混凝土的的收縮和和徐變，，計算公公式如下下:先張法(7-43)(7-44)后張法(7-45)(7-46)下一頁返回上一頁第四節預預應力損損失值計計算(6)σ16:用螺旋式式預應力力鋼絲(或鋼筋)作配筋的的環形結結構構件件，由于于螺旋式式預應力力鋼絲(或鋼筋)擠壓混凝凝土引起起的預應應力損失失。σ16的大小與與構件直直徑有關關，構件件直徑越越小，預預應力損損失越大大。當結結構直徑徑大于3m時，σ16可不計;當結構直直徑小于于或等于于3m時，σ16可取為30N/mm2。混凝土預壓前前(第一批)預應力損失值值，先張法為為:σ=σ11十σ12十σ13+σ14，后張法為:σ=σ11+σ12混凝土土預壓壓后(第二批批)的損失失，先先張法法為:σ=σ15后張法法為:σ=σ14十σ15十σ16返回上一頁頁第五節節預應應力混混凝土土構件件的構構造措措施一、先先張法法預應應力混混凝土土構造造1.先張法法預應應力鋼鋼筋尺尺寸及及預留留孔道道尺寸寸(1)先張法法預應應力鋼鋼筋最最小凈凈間距距見表7一5。(2)預留孔孔道的的內徑徑應比比預應應力鋼鋼絲束束或鋼鋼絞線線束外外徑及及需穿穿過孔孔道的的連接接器外外徑大大10~15mm。這是是施工工時穿穿筋布布置預預應力力鋼絲絲束或或鋼絞絞線束束及錨錨具的的起碼碼條件件。(3)端面孔孔道的的相對對位置置應綜綜合考考慮錨錨夾具具的尺尺寸、、張拉拉設備備壓頭頭的尺尺寸、、端面面混凝凝土的的局部部承壓壓能力力等因因素而而妥善善布置置，必必要時時應適適當加加大端端面尺尺寸，，以避避免施施工誤誤差等等意外外因素素造成成張拉拉施工工的困困難。。(4)對預制制構件件，孔孔道之之間的的水平平凈間間距不不宜小小于50mm;孔道至至構件件邊緣緣的凈凈間距距不宜宜小于于30mm，且不不宜小小于孔孔道直直徑的的一半半。下一頁頁返回第五節節預應應力混混凝土土構件件的構構造措措施(5)框架梁梁在支支座處處承受受負彎彎矩而而在跨跨中承承受正正彎矩矩，因因此預預應力力鋼筋筋往往往作曲曲線配配置。。在框框架梁梁中，，曲線線的預預留孔孔道在在豎直直方向向的凈凈間距距不應應小于于孔道道外徑徑，水水平方方向的的凈間間距不不應小小于l.5倍孔孔道道外外徑徑;從孔孔壁壁算算起起的的混混凝凝土土保保護護層層厚厚度度，，在在梁梁側側不不宜宜小小于于40mm而在在梁梁底底不不宜宜小小于于50mm。(6)大跨跨度度受受彎彎構構件件往往往往在在制制作作時時需需要要預預先先起起拱拱，，以以抵抵消消正正常常使使用用時時產產生生的的過過大大撓撓度度，，此此時時預預留留孔孔道道宜宜隨隨構構件件同同時時起起拱拱，，以以免免引引起起計計算算以以外外的的次次應應力力。。2.先張張法法構構件件端端部部加加固固措措施施(1)對于于單單根根預預應應力力鋼鋼筋筋或或鋼鋼筋筋束束，，可可以以在在構構件件端端部部設設置置螺螺旋旋鋼鋼筋筋圈圈。。(2)如果在支座處處布置螺旋鋼鋼筋有困難，，為滿足預制制構件與擱置置支座連接的的需要，有時時在構件端部部預埋支座墊墊板，并相應應配有埋件的的錨筋。下一頁返回上一頁第五節預應力力混凝土構件件的構造措施施(3)對分散布置的的多根預應力力鋼筋，每根根鋼筋都加螺螺旋鋼筋圈有有困難，則可可以在構件端端部10d(d為預應力鋼筋筋的公稱直徑徑)范圍內應設置置3~5片與預應力鋼鋼筋垂直的鋼鋼筋網;鋼筋網片一般般用細直徑鋼鋼筋焊接或綁綁扎，如圖7-21所示。(4)對采用預應力力鋼絲配筋的的薄板，由于于端面尺寸有有限，前述局局部加強配筋筋的措施均難難以執行。可可以在板端100mm范圍內適當加加密橫向鋼筋筋，其數量不不少于2根，如圖7-22所示。二、后張法預預應力混凝土土構造(1)對預應力屋面面梁、起重機機梁等構件，，宜將一部分分預應力鋼筋筋在靠近支座座處彎起，彎彎起的預應力力鋼筋宜沿構構件端部均勻勻布置，如圖7-23所示。(2)出于構件安裝裝的需要，預預制構件端部部預應力筋錨錨固處往往有有局部凹進。。此時應增設設折線形的構構造鋼筋，連連同支座墊板板上的豎向構構造鋼筋(插筋或埋件的的錨筋)共同構成對錨錨固區域的約約束，如圖7-24所示。下一頁返回上一頁第五節預應力力混凝土構件件的構造措施施(3)由于構件端部部尺寸有限，，集中的應力力來不及擴散散，端部局部部承壓區以外外的孔道仍可可能劈裂。因因此，在局部部受壓間接鋼鋼筋配置區以以外，在構件件端部長度不不小于3e(e為截面重心線線上部或下部部預應力鋼筋筋的合力點至至鄰近邊緣的的距離)但不大于1.2h(h構件端部截面面高度)、高度為2e的附加加配筋筋區范范圍內內，應應均勻勻配置置附加加箍筋筋或網網片，，其體體積配配筋率率ρy應不小于于0.5%，如圖7-25所示。(4)如果構件件端部預預應力鋼鋼筋無法法均勻布布置而需需集中布布置在截截面下部部，或集集中布置置在上部部和下部部時，應應在構件件端部0.2h(h為構件端部部截面高度度)的范圍內設設置附加豎豎向焊接鋼鋼筋網、封封閉式箍筋筋或其他形形式的構