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1、1,第十章 预应力混凝土构件 (Pre-Stressed Concrete Member) 第一节、预应力混凝土的基本知识 一.预应力混凝土的概念 1.概念：在混凝土构件使用（承受使用荷载）以前预先施加作用使之产生的应力（如压应力）与使用荷载产生的应力（如拉应力）方向相反，从而抵消部分或全部荷载产生的应力（如拉应力）； 2.意义： （1）提高混凝土构件的抗裂性能和刚度； （2）充分利用高强材料、降低构件自重。 3.使用范围：裂缝控制等级要求高、大跨度、挠度控制要求高,2,4.预应力简支梁的试验介绍（图10-1） 二.预应力混凝土的分类 1.我国规范对预应力混凝土分类的原则：根据裂缝控制程度划分
2、； 2.我国规范对预应力混凝土的具体分类 （1）裂缝控制等级为一级：严格要求不出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区不允许出现拉应力； （2）裂缝控制等级为二级：一般要求不出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区允许出现小于混凝土抗拉强度的拉应力； （3）裂缝控制等级为三级：允许出现裂缝的构件，即在使用荷载下，构件受拉区允许出现小于规定的混凝土最大裂缝宽度的的裂缝。 3.其他分类方法（仅供参考）,3,三.张拉预应力钢筋的方法 对构件预先施加作用的原理：张拉钢筋； 被张拉的钢筋称为预应力钢筋； 预应力钢筋的回缩趋势即对构件产生作用（形成预应力） 张拉钢筋根据施工工艺和结构适用条件分为两种。
3、 1.先张法(pre-tension) （1）施工工艺（如图10-2）； （2）预应力传递方式：钢筋与混凝土之间的粘结力。 2.后张法（post-tension） （1）施工工艺（如图10-3） （2）预应力传递方式：预应力钢筋端部的锚具传递给构件端部。,4,四.夹具和锚具 1.夹具和锚具的作用：固定预应力钢筋； 2.夹具：能重复使用，一般用于先张法构件； 3.锚具：不能重复使用，一般用于后张法构件； 4.对锚具的要求：（P.156）1）4）； 5.常用锚具：（P.156158） 五.预应力混凝土材料 1.混凝土：快硬、早强和收缩、徐变小，一般不低于C40； 2.钢材：强度高、塑性好和表面有刻
4、痕。,5,第二节、预应力混凝土构件设计的一般规定,一、.张拉控制应力 1.定义：张拉控制应力 N为总张拉力，可由仪器读出； 为预应力钢筋截面面积；,6,2.为何要控制张拉应力 （1）太小时，产生的预应（压）力不足以抵消荷载产生的拉应力； （2）太大时，会使构件开裂、构件破坏无预兆和预应力钢筋脆断。 3.控制要求 （1）与张拉工艺有关； （2）同条件下，先张法的大于后张法； （3）规范的数值见表10-2； （4）一定条件下可略有提高。,7,二、.预应力损失 概念：在施工和使用阶段，预应力钢筋中的预应力（如张拉完毕时的控制应力）降低的现象。 可能有六（七）种原因将导致此现象发生。 1.锚具变形导致
5、预应力钢筋内缩引起的预应力损失 （1）计算公式为（10-1）； （2）一般在先张法构件中产生（直线形构件）； （3）减小 的措施：A选择变形小的锚具和减少锚具个数； B增加台座长度； 2.预应力钢筋与孔道摩擦引起的预应力损失 （1）计算公式为（10-4）；,8,（2）一般在后张法构件中产生； （3）减小 的措施：A两端张拉；B超张拉。 3.养护构件时预应力钢筋与台座之间的温差引起的预应力损失 （1）计算公式为（10-6）； （2）一般在先张法构件中产生； （3）减小 的措施：A两次升温；B预应力钢筋与台座同时升温。 4.预应力钢筋应力松驰引起的预应力损失 （1）计算公式视不同情况分别为（10-
6、7）（10-12）； （2）一般在先、后张法构件中均会产生； （3）减小 的措施：超张拉。,9,5.混凝土收缩、徐变引起的预应力损失 、 （1）计算公式根据先张法、后张法、受拉区和受压区分别为 （10-13）（10-16）； （2）一般在先张法和后张法构件中均会出现； （3）减小 、 的措施：A采用高标号水泥；B提高密实性； C加强养护。 6.由于螺旋预应力钢筋对混凝土的挤压产生的预应力损失 （1）计算方法见P165； （2）一般在后张法环形（或圆形）截面构件中产生； （3）减小 的措施：避免采用小直径构件 7.分批张拉时产生的预应力损失。,10,三、预应力损失值的组合 1.预应力损失的特点
7、（1）有的在先张法构件中产生，有的在后张法构件中产生，有的 在先、后张法构件中均产生； （2）有的是单独产生，有的是和别的预应力损失同时产生； （3）前述各公式是分别计算，未考虑相互关系； 2.我国规范规定应进行相应组合，如表10-4。 3.预应力损失的最低值 （1）先张法构件： （2）后张法构件：,11,第三节、预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析 预应力构件从制作（施工） 使用 破坏可分为两大阶段，即 施工阶段和使用阶段。 一.先张法构件（参考表10-5，P.167） 假定构件中布置有预应力钢筋和非预应力钢筋。 （1）施工阶段 1）张拉预应力钢筋：各材料的应力如表10-5中的b项； 2）在混
8、凝土受到预压应力之前（此时预应力钢筋未放松）：各材 料的应力如表10-5中的c项，假定第一批预应力损失已完成；,12,3）放松预应力钢筋：混凝土达到强度等级的75%以上方可放松预应力钢筋；此时构件受到压力作用，将产生压应变 ， 对应的预应力钢筋增量应力为： （压）（a） 对应的混凝土增量应力为： （压）（b） 对应的非预应力钢筋增量应力为： （压）（c） 由(b）式可得： （d） 将（d）代入（a）式可得： 此时，预应力钢筋总应力为： （拉） 将（d）代入（ c ）式可得非预应力钢筋应力为：,13,将 和 的表达式代入上式即可得到公式（10-21）。 4）混凝土受到预压应力，完成第二批损失 后
9、（即全部预应力损失完成）。此时，第二批损失将使预应力钢筋的应力减少 ，但混凝土的应力发生变化后还将影响预应力钢筋的应力，讨论之。A.由于预应力钢筋对混凝土的受压作用降低，将使构件产生增量（拉）应变，设为 ； B.对应混凝土产生增量拉应力： （拉）（e） 此时混凝土应力设为 ，显然有关系： 所以得： （拉）（f） 将（f）代入（e）得： （g）,14,C.对应预应力钢筋产生增量拉应力： 将（g）代入上式得 因此预应力钢筋的总应力为： （拉）（h） 化简后得式： D.对应非预应力钢筋产生增量拉应力： （拉）（i） 将（g）代入上式得： 因此非预应力钢筋的总应力为： 化简后得： ，考虑混凝土受缩、徐
10、变使非预应力钢筋产生压应力 ，最后得到非预应力钢筋的总应力为：,15,现求此时混凝土的应力。 如上图由力的平衡条件可得：,16,关于 的求解，仍由前述图形根据力的平衡条件可得到公式（10-24），即： 上式即为混凝土受到的“有效预压应力”的计算式，由于所有的预应力损失均已产生，所以在荷载作用前，混凝土受到的预压应力不会减少。 （2）使用阶段 1）加载至混凝土压应力为零 加载前，混凝土已有压应力 欲使混凝土应力为零，则应加施加,17,轴向拉力 ，在其作用下产生拉应力 及相应的拉应变 。 A.对应的预应力钢筋产生的拉应力增量为： 此时，预应力钢筋总应力为： B.对应的非预应力钢筋产生的拉应力增量为
11、： 此时，非预应力钢筋总应力为： （压） C.对应的混凝土应力为零。,18,根据上图由平衡条件可得： 由（10-27）式得： 上式即为使混凝土应力为零所需施加的轴向拉力， 又称为“消压轴力”。 2）加载至裂缝即将出现时 A.混凝土即将开裂时的应力为 ，相应的应变为 ； B.对应的预应力钢筋应力增量为 ，此时预应力钢筋的总应力为 C.对应的非预应力钢筋应力增量为 ，此时非预应力钢筋的总应力为,19,由下图根据力的平衡条件可推出： 将 代入上式并注意公式（10-31）化简后得到： （10-30）,20,关于上式的讨论： I.当其他条件相同时，若不张拉预应力钢筋，则开裂轴向拉力为： II.显然有关系
12、： 说明预应力构件的抗裂性能远大于普通混凝土构件，其原因就是“有效预压应力”的存在。 3）加载至破坏 承载力极限状态时，所有钢筋均屈服，有力的平衡条件即可得到公式（10-31）。 2.后张法构件 受力分析原理同先张法，但注意如下几点： （1）由于预压力是通过构件端部传递的，所以构件在预压力的作,21,用下与预应力钢筋同时缩短，导致求得的“有效预压应力”计算公式的分母中用净截面面积； （2）荷载作用之后，由于预应力钢筋又能与混凝土共同工作，所以在相应的计算公式中采用换算截面面积； （3）承载力计算公式同先张法。 重要结论：预应力构件能较大幅度提高抗裂性； 欲提高构件的承载力，不宜施加预应力。,2
13、2,第四节、预应力混凝土轴心受拉构件的计算和验算,一、正截面受拉承载力 破坏时，混凝土退出工作，来有钢筋承担，钢筋应力达到设计强度 公式：,23,二、抗裂度验算及裂缝宽度验算 （1）抗裂度验算应满足的基本条件 ， 即： 上式中， 为荷载产生的拉应力。 （2）规范的规定 根据上述原则和构件使用的环境，规范定义了裂缝控制的三类构件并作出了相应的具体规定，见P.174175。 三.（预应力）轴心受拉构件施工阶段的验算 1.张拉（后张法）或放松（先张法）预应力钢筋时，构件的承载力计算 ，按（10-56）进行。,24,2.（后张法）构件端部锚固区的局部受压承载力的验算，按公式（10-59）和（10-60）（10-61）进行。 3.预应力混凝土轴心受拉构件设计步骤，见例题10-1。,
