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1、本学期讲授内容 第九章 预应力混凝土构件 第十二章 单层厂房 第十五章 砌体结构设计,9-1 概述,普通钢筋混凝土构件在使用荷载下一般都存在受拉区，所以通常带裂缝工作。主要存在以下问题：混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低。钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截 面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，但挠度变形控制难以满足。裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，如果按正截面承载力设计：对二级钢，混凝土裂缝宽度已达（0.150.25）mm；对三级钢，
2、裂缝宽度已远远超过其容许值。所以，普通钢筋混凝土结构采用高强度钢筋不能充分发挥其作用；或提高混凝土强度等级也不能有效提高构件的抗裂度和刚度。,9-1-1 预应力混凝土的概念,预应力混凝土概念的提出：为避免构件裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋和混凝土，可设法在构件受荷载前，通过预加外力（预压力）产生预压应力来减小或抵消荷载引起的混凝土拉应力，从而使截面拉应力不大，甚至处于受压状态，以控制受拉混凝土不过早开裂。这种在构件受荷前预先对混凝土受拉区施加预应力的结构称为“预应力混凝土结构”。本章所讨论的预应力混凝土构件指张拉预应力钢筋的预应力混凝土构件。随着混凝土强度等级不断提高，高强钢筋的进一步使用，
3、预应力混凝土结构目前已广泛应用于大跨建筑、高层建筑、桥梁、铁路、海洋、水利、机场、核电站等工程中。现以下图所示预应力钢筋混凝土简支梁为例，说明预应力混凝土的概念。,预应力混凝土构件的优点：提高了构件的抗裂性和刚度及耐久性；充分发挥高强度钢筋和混凝土的作用，节约钢筋和减轻自重；提高梁的抗扭和抗剪承载力（但不提高抗弯承载力）；结构安全、质量可靠；提高梁的抗疲劳承载力保护钢筋免受大气腐蚀。缺点：构造、施工和计算较复杂。下列结构宜优先采用预应力混凝土：裂缝控制等级较高的结构；大跨度或受力很大的构件；对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件。,9-1-2 预应力混凝土的分类,按预应力值对构件截面裂缝控制
4、程度不同分为全预应力和部分预应力两类。全预应力混凝土构件：不允许截面上出现拉应力的构件。相当于混凝土结构设计规范中裂缝控制等级为一级。部分预应力混凝土构件：允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值。相当于混凝土结构设计规范中裂缝控制等级为三级（B类）。限值预应力混凝土构件：根据荷载效应组合不同程度地保证混凝土不开裂的构件。按荷载效应标准组合计算时，构件受拉边缘拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值；按荷载效应准永久组合计算时，构件受拉边缘不应产生拉应力。相当于混凝土结构设计规范中裂缝控制等级为二级。它也属于部分预应力混凝土构件（A类）。全预应力混凝土特点：（1）抗裂性能好；（2）抗疲劳性能好；（3
5、）反拱值一般过大；（4）延性较差，对抗震不利。部分预应力混凝土特点：（1）可合理控制裂缝从而节约钢材；（2）控制反拱值不致过大；（3）延性较好；（4）综合经济效益较好。,*机械张拉法：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，达设计要求时断电,*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本课程介绍机械张拉法。,9-1-3 张拉预应力钢筋的方法,张拉预应力钢筋的方法分为先张法和后张法一、先张法：在浇混凝土前张拉钢筋的方法。设备：台座、拉伸机、传力架、夹具。装置见右图。,先张法预应力混凝土构件中的预应力是靠
6、钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。,二、后张法：在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法。装置见右图。,后张法预应力混凝土构件中的预应力是靠钢筋端部的锚具来传递的。,张拉钢筋后，在孔道内灌浆，使预应力钢筋与混凝土孔道壁产生粘结力形成整体构件；也可不灌浆，完全通过锚具传递压力，形成无粘结预应力混凝土。,先张法生产的预应力混凝土构件以及后张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件,受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小,后张法张拉钢筋后不在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件,造价低，便于以后再次张拉或更换预应力钢筋,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
7、，可重复使用。,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。,9-1-4 夹具和锚具,夹具和锚具是锚固和夹持预应力筋的装置，是预应力锚固体系中的关键件，也是基础件。,对锚具设计制作、选择使用时，应尽量满足下列条件（1）安全可靠，有足够的强度和刚度；（2）应使预应力筋在锚具内尽可能不产生滑移；（3）构造简单，便于加工制作；（4）使用方便，省材料，价格低。,建筑工程中常用锚具：1.螺丝端杆锚具,特点：构造简单，滑移小，便于再次张拉。但对钢筋长度的精度要求较高，不能太长或太短，否则螺纹长度不够用。,2.锥形锚具：用于锚固多根直径为5-12mm的平行钢丝束。,缺点：滑移大，不易保证每根
8、钢筋或钢丝的应力均匀。,3.墩头锚具,特点：锚固性能可靠，锚固力大，操作方便，但要求钢筋或钢丝束长度有较高的精度。,4.夹片式锚具：锚固钢绞线或钢丝束。特点：JM2型锚具的钢筋内缩量较大。其它,对直接承受动荷载的预应力混凝土构件，不得采用有焊接接头的冷拉钢筋,9-1-5 预应力混凝土的材料,要求：强度高；与混凝土间有足够的粘结力；良好的加工性能（可焊性和冷墩性及热墩性等）和一定的塑性。,处于侵蚀介质中的预应力混凝土构件，不宜采用热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线等作为预应力钢筋,我国预应力钢材主要有：钢绞线、钢丝（冷拔低碳钢丝、碳素钢丝、刻痕钢丝）、冷拉和热处理低合金钢筋。,注意,一、钢材
9、,1.钢绞线：由直径56mm的高强度钢丝捻制成。一般由多股高强度钢丝经铰盘拧成螺旋状而成。极限抗拉强度可达1860N/mm2，在后张法中采用较多。2.钢丝：由高碳钢轧制成盘圆后经过多次冷拔而成。分冷拉钢丝和消除应力钢丝（矫直回火）两种。按外形分有光面钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝。多用于大跨度构件，如桥梁上的预应力大梁。3.热处理钢筋：由热轧的螺纹钢筋经淬火和回火的调质热处理而成。按外形分纵肋和无纵肋两种。具有强度高、松弛小等特点。以盘圆形式供货，可省掉冷拉、对焊等工序，大大方便施工。,C30,一般预应力混凝土构件，不宜低于,采用热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线的预应力混凝土构件，特别是大跨
10、结构，不宜低于,C40,二、混凝土要求：强度高；收缩、徐变小；快硬、早强。混凝土结构设计规范规定：,在施工阶段会使构件某些部位受拉甚至开裂，对后张法可能造成端部局部压坏；,con越大，混凝土中的预压应力越大，但过大会产生如下问题：,构件出现裂缝时的荷载值和极限荷载值很接近，延性较差；,超张拉时钢筋应力可能超过实际屈服值，使钢筋产生较大塑性变形或脆断。增加钢筋的松弛损失,9-1-6 张拉控制应力,张拉控制应力 con：指预应力钢筋进行张拉时所控制达到的最大应力值。,但过小，则不能有效提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度。因此规范规定，张拉控制应力不宜超过下表值。,前期损失或第一批损失,如锚具变形、
11、管道摩擦、台座与钢筋的温差、钢筋松弛损失等,后期损失或第二批损失,如混凝土收缩徐变、局部挤压损失等,9-1-7 预应力损失,前期损失或第一批损失,后期损失或第二批损失,预应力损失值不宜笼统地估算，应予分项计算，然后相加确定总的损失值,但各项预应力损失值又不是截然无关的。试图求得各项预应力损失的“净值”是很困难的。,预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋内缩损失l1,应注意的几个问题,*由块体拼装的结构，尚应考虑填逢间的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填逢材料时，每条缝的预压变形值为1mm,*先张法构件，当台座长度超过100m时，可忽略l1,*后张法构件，l1只考虑张拉端，因锚固端锚具在张拉过程中已被压
12、紧,减少l1的措施：（1）选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，尽量少用垫板。（2）增加台座的长度。,后张法中，张拉钢筋时，钢筋在孔道中滑动，就会产生摩擦力,*孔道偏差等因素引起的,*曲线型孔道而引起的,K为偏差系数，为摩擦系数。,减少l2的措施：（1）对较长的构件可在两端进行张拉，减小摩擦损失计算长度。（2）采用超张拉。,混凝土蒸汽养护时,预应力钢筋与台座之间温差引起的损失,减少l3的措施：（1）采用两次升温养护。先在常温下养护,当混凝土的强度达到7.510N/mm2时再逐渐升温。（2）在钢模上张拉预应力钢筋。,根据试验结果，预应力钢筋松弛有如下特点：（1）预应力钢筋的初拉应力越高
13、，其应力松弛越大；（2）预应力钢筋松弛量的大小与材料品种有关；（3）预应力钢筋松弛与时间有关，开始阶段发展较快，第一小时内松弛量最大，可达50%左右，24小时内完成约为80%以上，以后逐渐趋于稳定。减少l4的措施：超张拉，采用低松弛预应力钢筋。,采用超张拉可以减少l4,0,(1.051.16)con停25分钟,0,con,在高应力下，本需1小时才能完成的损失，在25分钟内就完成了大部分,压区,拉区,对一般情况,减少l5的措施：（1）采用高强度等级水泥，减少水泥用量，降低水灰比，用干硬性混凝土。（2）采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性。（3）加强养护，减少混凝土的收缩。对重要结构构
14、件，当需要考虑施加预应力时混凝土龄期的影响，以及需要考虑松弛、收缩、徐变损失随时间变化和较精确计算时，可按混凝土结构设计规范有关规定计算。,6.钢筋挤压混凝土损失l6,采用螺旋式预应力筋作为配筋的环形构件，由于预应力筋对混凝土的局部挤压使构件直径减小所引起的损失。,D为环形构件直径。,预应力总损失的下限值,先张法构件：l100N/mm2,后张法构件：l80N/mm2,9-1-8 预应力损失值的组合,9-1-9 先张法构件预应力钢筋的传递长度,先张法中的预压应力是靠混凝土与钢筋之间的粘结力来传递的。但不是在构件端部集中一点完成，而必须通过一定的传递长度。即自A-A截面起，才建立起稳定的钢筋预拉应
15、力和混凝土预压应力。Ltr称为先张法预应力钢筋的传递长度，ab段称为先张法构件的自锚区。,先张法预应力钢筋的预应力传递长度按下式计算：,pe-放张时预应力钢筋的有效预应力值；d-预应力钢筋的公称直径；-预应力钢筋的外形系数，按书中表取用；-与放张时混凝土立方体抗压强度fcu相应的抗拉强度标准值。,对先张法预应力混凝土构件端部进行斜截面受剪承载力计算及正截面、斜截面抗裂验算时，应考虑预应力钢筋在传递长度范围内实际应力值的变化。,9-1-10 后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算,因此，规范规定：设计时既要保证张拉钢筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和不产生过大变形，又要求计算配置在锚固区内的间接
16、钢筋以满足局部受压承载力的要求。1.构件局部受压区截面尺寸,c：混凝土强度影响系数；l：混凝土局部受压时的强度系数。,Fl：局部受压面上的局部荷载或局部压力设计值。,若不满足，应加大端部锚固区截面尺寸，调整锚具位置或提高混凝土强度等级。,2.局部受压承载力计算 当配置格网式或螺旋式间接钢筋，且核心面积AcorAl时，局部承载力按下式计算：,若承载力不能满足要求，对方格钢筋网，则应增加钢筋根数，加大钢筋直径，减小钢筋网间距；对螺旋式钢筋，则应加大直径或减少螺距。,1.施工阶段（1）张拉钢筋,一、先张法,9-2 预应力混凝土轴心受拉构件的计算,9-2-1 轴心受拉构件各阶段的应力分析,（2）在混凝
17、土受预压前，完成第一批预应力损失,（3）放松钢筋,（4）混凝土受预压应力，完成第二批损失,混凝土中的有效预压应力,2.使用阶段（1）加载至混凝土中的应力为0,混凝土应力为零时的轴向拉力。,（2）加载至混凝土即将开裂,由上分析可见，预应力轴心受拉构件的Ncr比普通钢筋混凝土的大得多，所以其抗裂度高。,（3）加载到破坏,1.施工阶段（1）张拉钢筋,二、后张法,（2）混凝土受预压前完成第一批预应力损失,（3）混凝土受预压后完成第二批损失,混凝土中的有效预压应力,（1）加载至混凝土中的应力为0,2.使用阶段,（2）加载至混凝土即将开裂,（3）加载到破坏,从前面分析可见：,9-2-2 轴心受拉构件使用阶
18、段的计算,一、使用阶段承载力计算,N构件的轴向受拉承载力设计值；fpy、fy预应力钢筋及非预应力钢筋抗拉强度设计值；Ap、As预应力钢筋及非预应力钢筋截面面积。二、抗裂度验算及裂缝宽度验算,或,公式有误,裂缝最大宽度计算式为：,各个符号详见书。,9-2-3 轴心受拉构件施工阶段的计算 在预应力混凝土构件制作、运输及吊装等施工阶段上，混凝土的强度和构件的受力状态与使用阶段不同。构件有可能抗裂能力不够而开裂，或由于承载力不足而破坏。所以应对施工阶段的承载力和裂缝控制进行验算。1.张拉（或放松）预应力钢筋时构件承载力验算：,混凝土预压应力,张拉（或放松）预应力钢筋时，与混凝土立方体抗压强度 相对应的
19、轴心抗压强度标准值。,先张法：切断钢筋时，按第一批损失计算,后张法：张拉钢筋完毕至con而又未锚固时，不考虑预应力损失计算,2.构件端部锚固区的局部受压承载力验算按前面有关章节内容计算。,9-4 预应力混凝土构件的构造要求,一、截面形式和尺寸 矩形截面外形简单，模板最省，但自重大，截面核心小，截面有效性差；工字形截面预截面核心较大，应力筋布置的有效范围大，材料利用较为有效，自重小，但腹板应保证一定的厚度，以使构件有足够的抗剪承载力，便于混凝土浇筑。箱形界面和工字形截面具有同样的截面性质，并且抗扭性能好，常用于跨度较大的公路桥梁。截面形式：对预应力轴心受拉构件，通常采用正方形或矩形；对预应力受弯
20、构件，则采用T形、工字形及箱形。截面尺寸：一般预应力受弯构件的跨高比可比普通钢筋混凝土构件增大30%。对预应力受弯构件，截面高度h=(1/201/14)l，最小为1/35l(l为构件跨度)，大致为普通钢筋混凝土梁高的70%左右。翼缘宽度一般取（1/31/2)h，腹板宽度尽可能小些，取（1/151/8）h。,二、预应力纵向钢筋及端部附加竖向钢筋的布置1.直线布置：当荷载和跨度不大时，直线布置最简单。可采用先张法或后张法。2.曲线布置、折线布置：当荷载和跨度较大时，可布置成曲线或折线型。一般采用后张法。为承受支座附近区段的主拉应力及防止施加预应力而在预拉区产生裂缝和在构件端部产生沿截面中部的纵向水
21、平裂缝，在靠近支座部位，宜将一部分预应力筋弯起，弯起的预应力筋宜沿构件端部均匀布置。当端部的预应力筋集中布置在截面的下部或集中布置在上部和下部时，应在端部0.2h范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭箍筋或其他形式的构造钢筋。其中附加竖向钢筋宜采用带肋钢筋，其截面面积应符合下列规定：,3.非预应力钢筋的布置 为防止施工阶段因混凝土收缩和温差及施加预应力过程中引起预拉区裂缝以及防止构件在制作、运输、吊装时出现裂缝或减少裂缝宽度，可在构件截面设置足够的非预应力钢筋。为对裂缝分布和开展宽度起到一定的控制作用，非预应力钢筋宜采用HRB335和HRB400级钢筋。后张法时，在构件的预拉区和预压区，应设置纵向
22、非预应力构造钢筋；在预应力筋弯折处，应加密箍筋或沿弯折处内侧布置非预应力钢筋网片，加强在弯折区段的混凝土。先张法时，对在构件端部全部弯起或直线配筋的构件，当构件端部与下部支承结构焊接时，应考虑混凝土的收缩、徐变及温度变化所产生的不利影响，宜在可能产生裂缝的部位，设置足够的非预应力纵向钢筋。,4.钢筋、钢丝、钢绞线净距 先张法预应力筋之间的净距应根据浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固要求确定。预应力筋之间的净距不应小于其公称直径或有效直径的1.5倍，切应符合下列规定：（1）对热处理钢筋和预应力钢丝不应小于15mm。（2）对三股钢绞线不应小于20mm，对七股钢绞线不应小于25mm。,5.预应力钢筋的
23、预留孔道,对预制孔道之间的水平净距不宜小于50mm，孔道至构件边缘的净距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的一半。在框架梁中曲线预留孔道竖直方向的净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不应小于1.5倍孔道外径；从孔壁算起的混凝土保护层厚度：梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm。,6.锚具 应安全可靠，其制作方法和质量要求应符合国家制定的现行有关标准规定。7.端部混凝土的局部加强 构件端部尺寸应考虑锚具的布置、张拉设备的尺寸和局部受压的要求，必要时应适当加大。在锚具下及张拉设备支承处，应设置预埋钢垫板及必要构造横向钢筋网片或螺旋式钢筋等局部加强措施。对外露金属锚具应采取防锈措施。,在局
24、部受压间接钢筋配置区以外，还应配置防止沿孔道劈裂的附加钢筋，见左图。当构件端部有局部凹进时，应增设折线式的构造钢筋，见右图。,9-5 部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土,一、部分预应力混凝土1.特点（1）可合理控制裂缝和变形，节约钢材，因而降低费用。（2）可控制反拱值不致过大。（3）延性较好。（4）与全预应力混凝土相比，可简化张拉、锚固等工艺，获得较好的综合经济效果。（5）计算较为复杂。由此可见，对在使用荷载下不允许开裂的构件，应设计成全预应力的；对允许开裂或不变荷载较小、可变荷载较大且可变荷载的持续作用值较小的构件则应设计成部分预应力的。,2.荷载-挠度曲线 对部分预应力混凝土，较多采用预
25、应力高强钢材与非预应力筋混合配筋的方式。非预应力筋的作用如下：（1）可有效地提高无粘结预应力混凝土梁正截面受弯的延性。（2）在受压区边缘布置的非预应力筋可承担由于预加力偏心过大引起的拉应力，并控制裂缝的出现或开展。（3）可承担构件在运输、存放及吊装过程中可能产生的应力。（4）可分散梁的裂缝和限制裂缝的宽度，因而可改善梁的使用性能并提高正截面受弯承载力。,二、无粘结预应力混凝土,（1）结构自重小；（2）施工简单、速度快；（3）抗腐蚀能力强；（4）使用性能良好；（5）防火性能满足要求；（6）抗震性能好；（7）应用广泛。,1.有粘结预应力束和无粘结预应力束有粘结预应力束：沿预应力束全长均与混凝土接触
26、表面之间存在粘结作用，而不能发生相对滑动的束。无粘结预应力束：沿预应力束全长均与混凝土接触表面之间不存在粘结作用，而能发生相对滑动的束。2.无粘结预应力混凝土梁的受弯性能 当配筋较低时，梁在最大弯矩截面附近只出现一条或少数受弯裂缝，随着荷载增大，裂缝迅速开展，最终发生脆性破坏，类似带拉杆的拱。试验表明，若在无粘结预应力混凝土梁中配置一定数量的非预应力钢筋，则能显著改善梁的使用性能及改变其破坏形态。对有较高抗震设防要求的结构构件，采用无粘结预应力混凝土应特别慎重。,本章须掌握的知识要点1.预应力混凝土的概念。2.预应力混凝土的（主要）优点及应用范围。3.预应力混凝土的分类。4.预应力混凝土对材料的要求。5.张拉预应力钢筋的方法以及它们分别靠什么传递预应力。了解夹具和锚具。6.张拉控制应力con概念。为什么要进行控制？7.预应力钢筋的应力损失（概念、各项计算、减少预应力损失的措施、批次及组合）。8.预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析。9.预应力混凝土轴心受拉构件使用阶段的计算（承载力计算和抗裂度验算）。,10.预应力混凝土轴心受拉构件施工阶段的计算（张拉或放张时混凝土承载力计算和构件端部锚具下混凝土局部受压承载力验算）。11.构造要求（了解）。12.了解部分预应力混凝土和无粘结预应力混凝土的优点。,
