城市建设学院城市建设学院 罗罗1工程实例工程实例2第十一章第十一章预应力混凝土构件设计预应力混凝土构件设计31.1.熟悉预应力混凝土的基本知识，分类方法、预应熟悉预应力混凝土的基本知识，分类方法、预应力损失及计算方法；力损失及计算方法；2.2.掌握建筑工程中轴心受拉构件各阶段受力分析及掌握建筑工程中轴心受拉构件各阶段受力分析及计算方法；计算方法；3.3.熟悉预应力混凝土构件的施工工艺及构造要求。熟悉预应力混凝土构件的施工工艺及构造要求。难点：难点：预应力轴心受拉构件的计算预应力轴心受拉构件的计算重重 难难 点点41 1、在使用荷载作用下，一般是带裂缝工作：、在使用荷载作用下，一般是带裂缝工作：tu=0.10.1510-3（即即每每m m只能拉长只能拉长0.10.15mm）对使用上不允许开裂的构件，钢筋的拉应力仅为对使用上不允许开裂的构件，钢筋的拉应力仅为2030N/mm2对允许开裂的构件，当对允许开裂的构件，当s=250N/mm2时，裂缝已达时，裂缝已达0.20.3mm，不宜用在处于高湿度或侵蚀性环境中的构不宜用在处于高湿度或侵蚀性环境中的构件。件。2.2.难以采用高强钢筋：难以采用高强钢筋：一、钢筋混凝土的缺点一、钢筋混凝土的缺点11.1 预应力混凝土的基本知识预应力混凝土的基本知识51 1、预应力砼预应力砼：是指在构件受荷之前预先对砼受：是指在构件受荷之前预先对砼受拉区施加压力的结构。拉区施加压力的结构。预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件 pkNpNp二、预应力砼的基本原理：二、预应力砼的基本原理：62、预应力混凝土的基本原理、预应力混凝土的基本原理73、预应力砼构件的基本特点：、预应力砼构件的基本特点：（1 1）施加预应力可提高构件的抗裂度。）施加预应力可提高构件的抗裂度。（2 2）预加力的大小以及作用点位置可根据需要进行）预加力的大小以及作用点位置可根据需要进行调整；调整；（3 3）预应力对构件正截面承载力无明显影响；）预应力对构件正截面承载力无明显影响；（4 4）预应力可提高构件的刚度，减小变形。）预应力可提高构件的刚度，减小变形。ppfpcrcon=0.7fptkpcrcon=0.5fptkpcrcon=0pfo8对下列结构应优先采用预应力砼结构：对下列结构应优先采用预应力砼结构：1 1）为满足裂缝控制的要求）为满足裂缝控制的要求（即裂缝控制等级较高的结构；（即裂缝控制等级较高的结构；2 2）为满足轻质高强的要求）为满足轻质高强的要求（以减小截面，减轻自重；（以减小截面，减轻自重；3 3）为满足刚度和变形控制的要求。）为满足刚度和变形控制的要求。对下列结构应优先采用预应力砼结构：对下列结构应优先采用预应力砼结构：9全全预应力：预应力：是在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉是在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力，即全截面受压。应力，即全截面受压。部分预应力：部分预应力：是在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出是在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出现拉应力，即部分截面受压。现拉应力，即部分截面受压。4、预应力混凝土的分类、预应力混凝土的分类分类分类裂缝控制等级裂缝控制等级构件受拉边缘砼应力构件受拉边缘砼应力全预应力砼构件全预应力砼构件一级：严格要求不一级：严格要求不出现裂缝的构件出现裂缝的构件按荷载效应的标准组合计算时，不出按荷载效应的标准组合计算时，不出现拉应力，即现拉应力，即ck-pc00部部分分预预应应力力砼砼构构件件A A类：有限预应力类：有限预应力砼构件砼构件二级：一般要求不二级：一般要求不出出 现裂缝的构件现裂缝的构件按荷载效应的准永久组合时，不出现按荷载效应的准永久组合时，不出现拉应力，即拉应力，即cq-pc00按荷载效应的标准组合计算时，控制按荷载效应的标准组合计算时，控制拉应力在一定范围内，即拉应力在一定范围内，即cq-pcftkB B类：部分预应力类：部分预应力砼构件（狭义）砼构件（狭义）三级：允许出现裂三级：允许出现裂缝的构件缝的构件最大裂缝宽度按荷载效应标准组合并最大裂缝宽度按荷载效应标准组合并考虑长期作用的影响进行计算，并不考虑长期作用的影响进行计算，并不大于允许值，即大于允许值，即max lim预应力砼的分类预应力砼的分类10 1、先张法、先张法（pretensioning method）：三、施加预应力的方法：三、施加预应力的方法：2、后张法后张法（ post-tensioning method ）：113、两种张拉方法的比较、两种张拉方法的比较先先张法法后后张法法生生产工工艺简单，质量易保量易保证工序工序较复复杂性；性；不需永久性的工作不需永久性的工作锚具具需永久性的工作需永久性的工作锚具；具；生生产成本低，台座越成本低，台座越长，一，一次生次生产构件的数量越多构件的数量越多构件需构件需单个个进行行张拉，耗拉，耗钢量量大，成本大，成本较高；高；需要台座（或需要台座（或钢模）模）设备，第一次投第一次投资费用用较大，且只能大，且只能固定在一固定在一处，不能移，不能移动。不需要台座，不需要台座，较灵活，可在灵活，可在现场施工，也可在工厂施工，也可在工厂预制；制；预应力力钢筋是直筋是直线分布。分布。预应力筋可按力筋可按设计需要做成曲需要做成曲线或折或折线；适用于：工厂成批生适用于：工厂成批生产中小中小型型预应力构件。力构件。适用于：运适用于：运输不便，不便，现场成型成型的大型的大型预应力力砼构件。构件。12四、预应力混凝土的材料：四、预应力混凝土的材料：1 1、混凝土：、混凝土：预应力混凝土构件对混凝土的基本要求是：预应力混凝土构件对混凝土的基本要求是： (1) (1) 强度高；强度高； (2)(2)收缩、徐变小；收缩、徐变小； (3)(3)快硬、早强。快硬、早强。选选择择砼砼等等级级时时，应应综综合合考考虑虑施施工工方方法法（先先、后后张张法法）、构构件件跨跨度度、使使用用情情况况（如如有有无无振振动动荷荷载载）以以及及钢钢筋筋种种类等。一般先张法预应力损失较后张法大类等。一般先张法预应力损失较后张法大 。 规范规范规定：砼强度等级不宜低于规定：砼强度等级不宜低于C30C30；当用高强；当用高强钢丝或钢绞线作预应力钢筋的结构，特别是大跨度结钢丝或钢绞线作预应力钢筋的结构，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于构，混凝土强度等级不宜低于C40C40。13预应力砼结构中的钢筋预应力砼结构中的钢筋预应力钢筋预应力钢筋非预应力钢筋非预应力钢筋2、钢材、钢材 ：对钢筋有较高的质量要求：对钢筋有较高的质量要求：(1)(1)高强度。高强度。(2)(2)具有一定的塑性：为了避免构件发生脆性破坏，要具有一定的塑性：为了避免构件发生脆性破坏，要求预应力筋在拉断时具有一定的延伸率；一般要求极求预应力筋在拉断时具有一定的延伸率；一般要求极限伸长率限伸长率6%(6%(级级) )、8%8%（级级）和和10%10%（级级），），碳碳素钢丝和钢绞线素钢丝和钢绞线4%4%。(3)(3)良好的加工性能。要求有良好的可焊性，同时钢筋良好的加工性能。要求有良好的可焊性，同时钢筋“镦粗镦粗”后并不影响原来的物理力学性能等。后并不影响原来的物理力学性能等。(4)(4)与砼间有足够的粘结强度：特别是靠粘结力完成的与砼间有足够的粘结强度：特别是靠粘结力完成的先张法构件。当采用光面高强钢丝时，表面应经先张法构件。当采用光面高强钢丝时，表面应经“刻刻痕痕”或或“压波压波”等措施处理后方能使用。等措施处理后方能使用。1411.2 预应力混凝土构件设计的一般规定预应力混凝土构件设计的一般规定一、构件截面计算的内容：一、构件截面计算的内容：一般包括以下两个内容：一般包括以下两个内容：1 1、使用阶段计算：包括承载力计算、裂缝控制验算和、使用阶段计算：包括承载力计算、裂缝控制验算和变形验算。变形验算。2 2、施工阶段计算：包括张拉（或放松）钢筋时构件承、施工阶段计算：包括张拉（或放松）钢筋时构件承载力验算；吊装验算和构件张拉端（锚固区）局部承载力验算；吊装验算和构件张拉端（锚固区）局部承压的验算。压的验算。 151 1、概念：、概念：con在张拉预应力筋对构件施加预应力时，在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油压表）所控制的总张拉力张拉设备（千斤顶油压表）所控制的总张拉力Np,con除以预应力筋面积除以预应力筋面积Ap得到的应力称为张拉控制应力得到的应力称为张拉控制应力 con。con是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。二、张拉控制应力二、张拉控制应力con161）con宜尽可能定得高一些：宜尽可能定得高一些：但如果con过大过大时，可能出现下列问题下列问题: :（1 1）个别钢筋可能被拉断。）个别钢筋可能被拉断。（2 2）施工阶段可能会引起构件某些部位受到拉力）施工阶段可能会引起构件某些部位受到拉力, ,甚至破坏甚至破坏, ,还可能使后张法构件端部混凝土产生局还可能使后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏。部受压破坏。（3 3）使开裂荷载与破坏荷载相近）使开裂荷载与破坏荷载相近, , 一旦裂缝，将一旦裂缝，将很快破坏，即可产生无预兆的脆性破坏。很快破坏，即可产生无预兆的脆性破坏。2 2）con与预应力钢筋的钢种有关：与预应力钢筋的钢种有关： 冷拉热轧钢筋：塑性好，冷拉热轧钢筋：塑性好，con可高些；可高些； 高强钢丝和热处理钢筋，故高强钢丝和热处理钢筋，故con应低些应低些。3） con与施加预应力的方法有关：与施加预应力的方法有关： 对同种钢筋，先张法取值高于后张法。对同种钢筋，先张法取值高于后张法。2、张拉控制应力、张拉控制应力con的确定的确定17con上限上限: :不宜超过上表规定的不宜超过上表规定的con；con下限下限: :不应小于不应小于0.40.4fptk。热处理钢筋热处理钢筋 消除应力钢丝钢绞线消除应力钢丝钢绞线 后张法后张法 先张法先张法 张拉方法张拉方法钢筋种类钢筋种类 表中表中 为预应力钢筋强度标准值。为预应力钢筋强度标准值。允许张拉控制应力值允许张拉控制应力值 con 18当符合下列情况之一时当符合下列情况之一时, ,上表所列数值可根据具体情上表所列数值可根据具体情况和施工经验作适当调整，可将其限值提高况和施工经验作适当调整，可将其限值提高5%。( (1)1)为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性，为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性，而设置在使用阶段受压区的预应力钢筋。而设置在使用阶段受压区的预应力钢筋。(2)(2)为了部分抵消由于应力松弛、摩擦、分批张拉以为了部分抵消由于应力松弛、摩擦、分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座间的温差因素产生的预应力及预应力钢筋与张拉台座间的温差因素产生的预应力损失，对预应力钢筋进行超张拉。损失，对预应力钢筋进行超张拉。张拉控制应力张拉控制应力con的调整的调整19其值可按下式计算：其值可按下式计算： 式中式中: :a锚具变形及钢筋回缩值锚具变形及钢筋回缩值, ,见下表；见下表；1 1锚具变形和钢筋内缩损失锚具变形和钢筋内缩损失l1定义：指预应力钢筋张拉到定义：指预应力钢筋张拉到concon后，构件从制作到后，构件从制作到使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因而不使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因而不断降低的现象。断降低的现象。 三、预应力损失三、预应力损失:20预应力损失如图，宜按下式计算预应力损失如图，宜按下式计算: :摩擦损失计算简图若若当采用电热后张法时当采用电热后张法时, ,不不考虑这项损失。考虑这项损失。2. 孔壁摩擦损失孔壁摩擦损失l22223孔道成形方式孔道成形方式 k /m-1 预埋金属波纹管预埋金属波纹管 0.0015 0.25 预埋钢管预埋钢管 0.0010 0.30 橡胶管或钢管抽芯成型橡胶管或钢管抽芯成型 0.00140.55注：注： 1 1. .表中系数也根据实测数据确定；表中系数也根据实测数据确定； 2.2.当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式的锚具时，尚当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式的锚具时，尚应考虑锚环口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定；应考虑锚环口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定；偏差系数偏差系数K和摩擦系数和摩擦系数值值25一端张拉一端张拉两端张拉两端张拉超张拉超张拉减少摩擦损失减少摩擦损失l2的措施的措施263.温差损失温差损失l3设养护升温后，预应力筋与台座的温差为设养护升温后，预应力筋与台座的温差为D D t ，取钢筋的温取钢筋的温度膨胀系数为度膨胀系数为110-5/，则有则有:96计算时计算时, ,取取D D t =2025.当在钢模上生产预应力构件时当在钢模上生产预应力构件时, ,钢模和预应力钢钢模和预应力钢筋同时被加热筋同时被加热, ,无温差无温差, ,则该项损失为零则该项损失为零. .27根据应力松弛的长期试验结果，根据应力松弛的长期试验结果，规范规范取取普通预应力钢丝和钢绞线普通预应力钢丝和钢绞线：为超张拉系数，一次张拉时，取为超张拉系数，一次张拉时，取=1； 超张拉时，取超张拉时，取=0.9。4.4.钢筋应力松弛损失钢筋应力松弛损失l4l4285.砼收缩徐变损失砼收缩徐变损失l5一般情况下一般情况下,对先张法构件的预应力损失，按下列公对先张法构件的预应力损失，按下列公式计算：式计算：先张法先张法A0=Ac+a apAp+a asAs29计算公式为：计算公式为：规范规范规定：规定：时，时，时，时，. 环形挤压损失环形挤压损失l630各阶段预应力损失值组合各阶段预应力损失值组合混凝土预压后（第二批）损失混凝土预压后（第二批）损失 混凝土预压前（第一批）损失混凝土预压前（第一批）损失 后张法构件后张法构件 先张法构件先张法构件 预应力损失值组合预应力损失值组合 规范规范规定当总损失值规定当总损失值 l = lI + lII小于下列数值时小于下列数值时：先张法构件先张法构件 100MPa后张法构件后张法构件 80MPa四、预应力损失值的分阶段组合四、预应力损失值的分阶段组合31先张法预应力损失的组合先张法预应力损失的组合锚固变形损失锚固变形损失l1温差损失温差损失l3 3钢筋松驰损失钢筋松驰损失l4 4第一批损失第一批损失l l砼收缩徐变损失砼收缩徐变损失l5 5第二批损失第二批损失l全部损失全部损失L施工阶段施工阶段使用阶段使用阶段32后张法预应力损失的组合后张法预应力损失的组合锚固变形损失锚固变形损失l1摩擦损失摩擦损失l2 2第一批损失第一批损失l l钢筋松驰损失钢筋松驰损失l4 4第二批损失第二批损失l全部损失全部损失L施工阶段施工阶段使用阶段使用阶段砼收缩徐变损失砼收缩徐变损失l5 5环形挤压损失环形挤压损失l6 633放张后放张后平衡条件平衡条件一、先张法轴心受拉构件一、先张法轴心受拉构件、施工阶段、施工阶段（）放松预应力钢筋，压缩混凝土（完成第一批预应力损失）（）放松预应力钢筋，压缩混凝土（完成第一批预应力损失）解：解：11.3 预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析先先cpe42（）完成第二批损失（）完成第二批损失由平衡条件由平衡条件先先cpe43、使用阶段、使用阶段（）消压状态（）消压状态0N0N0由平衡条件得：由平衡条件得： 先先N0pe044（2 2）开裂轴力：）开裂轴力：平衡条件：先先NcrNcrftk45（）加荷至构件破坏（）加荷至构件破坏NuNu平衡条件：平衡条件：上式可作为使用阶段对构件进行承载力计算的依据。上式可作为使用阶段对构件进行承载力计算的依据。先先46平衡条件平衡条件、施工阶段、施工阶段（）在结构上张拉预应力钢筋至（）在结构上张拉预应力钢筋至con，同时压缩混凝土，同时压缩混凝土二、后张法轴心受拉构件二、后张法轴心受拉构件后后47（）完成第一批损失（）完成第一批损失平衡条件平衡条件后后48（）完成第二批损失（）完成第二批损失 由平衡条件：由平衡条件：后后49（）消压状态（）消压状态0N0N0由平衡条件：、使用阶段、使用阶段后后50（2）开裂轴力：）开裂轴力：平衡条件：NcrNcrftk后后51（）加荷至构件破坏（）加荷至构件破坏NuNu平衡条件：平衡条件：注意：后张法中注意：后张法中后后52先张法先张法后张法后张法2 2、使用阶段：表达式相同、使用阶段：表达式相同先、后张法计算公式比较先、后张法计算公式比较1 1、施工阶段、施工阶段53一、轴心受压构件的计算内容：一、轴心受压构件的计算内容：施工阶段：施工阶段：包括张拉或放张钢筋对构件的承载力验算；包括张拉或放张钢筋对构件的承载力验算；吊装验算；吊装验算；构件张拉端或锚固区局部承压的验算；构件张拉端或锚固区局部承压的验算；对于受弯构件还要验算变形。对于受弯构件还要验算变形。使用阶段：包括承载力验算和抗裂度验算。使用阶段：包括承载力验算和抗裂度验算。11.4 预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算（工（工05级无）级无）54式中：式中：轴向拉力设计值轴向拉力设计值；结构截面所能承受的轴向拉力设计值；结构截面所能承受的轴向拉力设计值；预应力钢筋抗拉强度设计值；预应力钢筋抗拉强度设计值；非预应力钢筋非预应力钢筋抗拉强度设计值抗拉强度设计值。二、使用阶段正截面承载力计算计算公式：二、使用阶段正截面承载力计算计算公式：551 1、一级、一级 严格要求不出现裂缝的构件，在荷严格要求不出现裂缝的构件，在荷载效应标准组合下应符合下列要求：载效应标准组合下应符合下列要求：2 2、二级、二级 一般要求不出现裂缝的构件一般要求不出现裂缝的构件、在荷载效应标准组合下应符合下列要求：、在荷载效应标准组合下应符合下列要求：三、使用阶段裂缝控制验算三、使用阶段裂缝控制验算在荷载效应的准永久组合下应符合下列要求：在荷载效应的准永久组合下应符合下列要求：式中：式中：荷载效应标准组合、准永久组合下抗裂验算边荷载效应标准组合、准永久组合下抗裂验算边缘混凝土法向应力：缘混凝土法向应力：56. .三级允许开裂的轴心受拉构件三级允许开裂的轴心受拉构件 要求最大裂缝宽度，应符合下列规定：要求最大裂缝宽度，应符合下列规定： 最大裂缝宽度的计算公式：最大裂缝宽度的计算公式：57混凝土法向应力应符合下列规定：混凝土法向应力应符合下列规定：对先张法对先张法 对后张法对后张法 四、施工阶段的承载力验算四、施工阶段的承载力验算601.1.何为预应力混凝土？与普通钢筋混凝土构件相比，何为预应力混凝土？与普通钢筋混凝土构件相比，预应力混凝土结构有何优缺点？预应力混凝土结构有何优缺点？2.2.为什么预应力混凝土构件必须采用高强钢材，且为什么预应力混凝土构件必须采用高强钢材，且应尽可能采用高强度等级的混凝土？应尽可能采用高强度等级的混凝土？3.3.预应力混凝土分为哪几类？各有何特点？预应力混凝土分为哪几类？各有何特点？4.4.施加预应力的方法有哪几种？先张法和后张法的施加预应力的方法有哪几种？先张法和后张法的区别何在？试简述它们的优缺点及应用范围。区别何在？试简述它们的优缺点及应用范围。思考题思考题735.5.什么是张拉控制应力？为什么张拉控制应力取值不什么是张拉控制应力？为什么张拉控制应力取值不能高也不能低？能高也不能低？6 6. .预应力损失有哪几种？各种损失产生的原因是什么预应力损失有哪几种？各种损失产生的原因是什么？计算方法及减小措施如何？先张法、后张法各有哪？计算方法及减小措施如何？先张法、后张法各有哪几种损失？哪些属于第一批，哪些属于第二批？几种损失？哪些属于第一批，哪些属于第二批？7.7.什么是预应力钢筋的松弛？为什么短时间的超张拉什么是预应力钢筋的松弛？为什么短时间的超张拉可以减小松弛损失？可以减小松弛损失？8.8.施加预应力对轴心受拉构件的承载力有何影响？为施加预应力对轴心受拉构件的承载力有何影响？为什么？什么？74谢谢 谢谢（本章完（本章完）7778796 6）预应力混凝土的特点：）预应力混凝土的特点：1.提高了结构的抗裂能力2.增加了构件刚度。3.充分利用高强度材料4.扩大了结构的应用范围优点：缺点：1.施工工序多2.对施工技术要求高3.需要张拉设备、锚固夹具及劳动费用高c. 预应力反拱度不易控制。804 4）锚具：）锚具：（1 1） 对锚、夹具的要求：对锚、夹具的要求：A. 安全可靠，其本身具有足够的强度和刚度。B. 应使预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力损失。C. 构造简单，便于机械加工制作。D. 使用方便，省材料、价格低。81(2). 锚具的形式：锚具的型式繁多，按其构造形式及锚固原理，可分为三种基本类型：1.1.锚块锚塞型：锚块锚塞型：由锚块和锚塞两部分组成图9-4 锚块锚塞型锚具822.2.螺杆螺帽型：螺杆螺帽型：由螺杆、螺帽和垫板三部分组成。图9-5 螺杆螺帽型锚具833.3.镦头型锚具：镦头型锚具：有张拉端和固定端两部分组成。图9-5 螺杆螺帽型锚具84