1、结构设计原理,土木工 程专业,李章政 博士 教授,无病休嫌瘦，身安莫怨贫。,宋词,一剪梅 李清照红藕香残玉簟秋。轻解罗裳，独上兰舟。云中谁寄锦书来？雁字回时，月满西楼。花自飘零水自流。一种相思，两处闲愁。此情无计可消除，才下眉头，却上心头。,第9章 预应力混凝土构件,9.1 预应力混凝土概述 9.2 预应力施加方法 9.3 预应力损失计算 9.4 预应力混凝土轴心受拉构件设计,2019/11/5,4,9.1 预应力混凝土概述,预应力应需而生 钢筋混凝土的缺陷 带裂缝工作构件，应用受限制 耐久性要求限制裂缝宽度,预应力混凝土为解决这一问题而出现。,借助混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足。
2、,9.1.1 预应力混凝土的基本原理,2019/11/5,5,预应力T梁试验现场,预应力楼板试验现场,2019/11/5,6,预应力混凝土对材料的要求 混凝土强度高：减小截面尺寸、减小自重收缩、徐变小：减少预应力损失快硬、早强：施工进度不低于C30、当采用钢丝、钢绞线、热处理钢筋时，不低于C40 钢筋（钢丝、钢绞线）强度高：钢筋受拉，抗拉强度要高具有一定的塑性：避免脆性破坏具有良好的加工性能：可焊、镦粗与混凝土之间良好的粘结强度,2019/11/5,7,受拉构件预应力的基本原理 工作前轴心受压 施加轴心压力 混凝土均匀压应力 使用荷载作用 外加轴向拉力 拉应力均匀分布 叠加结果 全截面受压 或
3、拉应力很小,2019/11/5,8,受弯构件预应力的基本原理 使用前偏心受压 利用受拉钢筋的回缩施加压力 偏心使全截面受压 使用荷载作用 弹性状态 应力线性分布 叠加结果 拉应力减小，甚至不出现拉应力 裂缝宽度可控制，或不出现裂缝,2019/11/5,9,预应力混凝土分类 裂缝控制分类 全预应力混凝土 部分预应力混凝土 有限预应力混凝土,9.1.2 预应力混凝土的 分类、特点与应用,使用过程中不出现拉应力,允许出现裂缝，最大裂缝宽度不超过限值,准永久组合不出现拉应力,标准组合可出现拉应力，但不超过规定值,2019/11/5,10,粘结方式分类 有粘结预应力混凝土 无粘结预应力混凝土,2019/
4、11/5,11,预应力混凝土的特点 优点 抗裂性能较好 刚度较大 耐久性较好 可减小截面尺寸，一定的经济性 缺点 工序多、施工较复杂 需要专门设备：张拉工具端头锚具,2019/11/5,12,预应力混凝土的应用 应用领域 房屋建筑 桥梁工程 基础工程 应用实例 预制构件 现浇构件,六库怒江桥，主跨154m,2019/11/5,13,2019/11/5,14,9.1.3 预应力混凝土构件的构造要求,钢筋布置 预应力钢筋 布置形式：直线布置跨度和荷载较小时曲线布置跨度和荷载较大多用于后张法,曲率半径不小于4m,折线配筋的构件，弯折处曲率半径可减小,2019/11/5,15,间距及孔道尺寸先张法钢筋
5、净间距根据浇混凝土、加预应力、钢筋锚固等要求确定；不小于公称直径或等效直径的1.5倍，且热处理钢筋及钢丝，不应小于25mm三 股 钢 绞 线，不应小于20mm七 股 钢 绞 线，不应小于25mm双并筋的等效直径取单根直径的1.4倍三并筋的等效直径取单根直径的1.7倍后张法钢筋净距如图,孔道内径比穿孔连接器外径大1015mm,两端及跨中设灌浆孔或排气孔，间距不宜大于12m,2019/11/5,16,非预应力钢筋 非预应力钢筋布置在预应力钢筋的外侧（1）防止受弯构件制作、运输、堆放、吊装时在预拉区出现裂缝，或限制裂缝宽度。（2）后张构件，预拉区和预压区中应设置纵向非预应力构造钢筋 无粘结后张法预应
6、力混凝土受弯构件中，应配置一定数量的纵向非预应力钢筋,克服脆性破坏,分散裂缝,改善变形性能，提高正截面抗弯承载力,2019/11/5,17,附加钢筋网片 后张法预应力混凝土构件，在预应力钢筋弯折处 加密箍筋或弯折内侧设置钢筋网片,2019/11/5,18,构件端部加强 先张法构件 单根预应力钢筋：设置螺旋筋支座垫板上设插筋 多根预应力钢筋设垂直的钢筋网片 预应力钢丝配筋的薄板加密横向钢筋,2019/11/5,19,后张法构件 端部局部凹进时，设置折线构造钢筋防止转折处产生裂缝,2019/11/5,20,宜将一部分预应力钢筋在靠近支座处弯起，弯起的预应力钢筋宜沿构件端部均匀布置 预应力筋集中布置
7、在下部或上部和下部时，应在构件端部0.2h范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋。附加竖向钢筋宜采用带肋钢筋。 在预应力钢筋锚具下及张拉设备的支承处，应设置预埋钢板，并设置间接钢筋和附加构造钢筋,2019/11/5,21,生产工艺 张拉台座设备 工艺过程 穿钢筋 张拉钢筋 浇筑混凝土并养护 切断钢筋,9.2 预应力的施加方法,9.2.1 先张法,2019/11/5,22,先张法的优点和适用性 先张法的优点 生产工艺简单 工序少，效率高 质量容易保证 成本低（省去锚具和预埋件） 先张法适用性 工厂化大量生产 长线法生产中、小型构件,2019/11/5,23,后张法生产工艺
8、张拉设备 千斤顶 锚具和夹具 工艺过程 浇筑混凝土并养护 预留孔道中穿钢筋 张拉钢筋、锚固 孔道内压力灌浆,9.2.2 后张法,2019/11/5,24,后张法的特点和应用 后张法的优点 钢筋直接在构件上张拉，无需台座 可工厂生产、亦可现场生产 后张法的缺点 生产周期长 需要利用工作锚锚固钢筋，耗材多，成本高 工序多，操作复杂 应用场合 大型构件现场生产 避免长途搬运,锚具,2019/11/5,25,后张法预应力混凝土梁现场施工,2019/11/5,26,后张法的特殊应用 后张自锚法 后张法施工 构件端部做成喇叭口 依靠钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力，以代替锚具的挤压 无粘结预应力施加法
9、混凝土浇筑前放入预应力钢筋 钢筋表面涂油并套塑料管 浇筑混凝土 张拉钢筋，锚固,2019/11/5,27,9.2.3 电热张拉法,电热张拉法的原理和特点 电热张拉法的原理 热胀：钢筋通电发热，温度上升钢筋伸长 伸长到规定值，切断电源，锚固钢筋 冷缩：温度下降，钢筋回缩 回缩受到混凝土的限制，钢筋产生拉力，混凝土内部产生压力,2019/11/5,28,电热张拉法的优点 设备简单，操作方便 生产效率高 无摩擦损失 便于曲线张拉 便于高空作业 电热张拉法的缺点 耗电量大 用伸长量控制钢筋应力，准确性低 成批生产尚需校核张拉力,2019/11/5,29,电热张拉法的工艺流程,构件制作,伸长值、功率计算
10、,电热机具准备,钢筋除锈、镦粗及垫板制作,穿钢筋,伸长标志,通电,测量伸长量值,断电锚固,冷却,校核,灌浆,2019/11/5,30,9.2.4 锚具和夹具,锚具和夹具的性能要求 锚具和夹具：锚固预应力钢筋的工具 能够取下重复使用的夹具 留在构件内不能取下的锚具 对锚具和夹具的要求 安全可靠，自身具有足够的强度和刚度 钢筋滑移量小（6mm以内） 构造简单，便于机械加工制作 使用方便、价格低廉,2019/11/5,31,锚具的类型 锚固原理分类 支承式锚具：靠承压锚固的锚具 夹片式锚具：靠摩擦阻力锚固的锚具 锥塞式锚具：靠摩擦阻力锚固的锚具 锚固性能分类 I类锚具：满足静载性能满足疲劳性能 II
11、类锚具：满足静载性能要求仅用于有黏结预应力混凝土结构且预应力变化不大的部位,2019/11/5,32,常用锚具和夹具 螺丝端杆锚具：支承式 单根粗钢筋焊接螺丝端杆，套螺帽、垫板 可用于张拉端，也可用于固定端 操作简单，千斤顶回油时基本不滑移 对钢筋长度的精度要求高,2019/11/5,33,镦头锚具 组成：被镦粗的钢丝头，锚环，外螺帽内螺帽，垫板 工艺：将钢丝穿过锚环孔眼，端头镦粗，与锚环固定，然后将预应力钢筋束连同锚环一起穿过构件预留孔道，待钢筋伸出孔道口，套上螺帽进行张拉，边张拉边拧紧内螺帽 锚固可靠，锚力大,2019/11/5,34,JM12锚具：夹片式 由锚环和夹片组成 可锚固36根平
12、行钢筋或56根平行钢绞线束 可用于张拉端，也可用于固定端 钢筋内缩量大,光面钢筋2mm,变形钢筋3mm,钢绞线5mm,2019/11/5,35,QM型锚具 由锚板与夹片组成，分单孔和多孔两类 锚固钢绞线 楔形夹片，每根钢绞线分开锚固 锚固可靠，互换性好，自锚性能强,2019/11/5,36,XM型锚具 类似于QM型锚具，每根钢丝分开锚固 夹片沿轴向有偏转角，偏转方向与钢绞线的扭角相反，保证了钢丝束的锚固,2019/11/5,37,锥形锚具 由锚环和锚塞组成 可锚固多根平行钢丝束，钢绞线束 可用于张拉端，也可用于固定端 钢筋滑移大,2019/11/5,38,9.3 预应力损失计算,张拉控制应力的
13、影响 张拉钢筋达到的最大应力值=张拉控制应力 控制应力过低时的影响 预应力钢筋在经历各种损失后，应力太小 对混凝土产生的预压应力过小 不能有效地提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度,9.3.1 张拉控制应力,2019/11/5,39,控制应力过高时的影响 构件的某些部位受拉开裂 锚固端混凝土局部受压破坏 开裂荷载与极限荷载接近，延性较差 超张拉过程中，个别钢筋的应力可能超过实际屈服强度，产生塑性变形或脆断 张拉控制应力的确定 考虑因素 钢筋种类：钢丝、钢绞线塑性好，可定得高些热处理钢筋塑性差，取值低些,2019/11/5,40,施加预应力的方法：先张法与后张法取值不同先张法取值高于后张法 规范取
14、值：con,下列情况下可以提高0.05fptk,（1）要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋,（2）要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与台座之间的温差因素产生的预应力损失,2019/11/5,41,张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1 损失原因 锚具、垫板与构件之间的缝隙被压紧，钢筋在锚具之间滑动 使预应力钢筋回缩 发生工艺 先张法 后张法,9.3.2 预应力损失和减小措施,2019/11/5,42,a 锚具变形和钢筋内缩值（mm）支承式锚具螺帽间隙1，每块后加垫板1锥塞式锚具5夹片式锚具：有顶压5，无顶压68 l张拉端至锚固端的距离
15、（mm） 减小损失的措施 选择变形小或预应力筋滑动小的锚具、夹具，尽量减少垫板数量 对于先张工艺，选择长的台座。超过100m时，该项损失可忽略。,损失值计算,2019/11/5,43,长台座张拉,2019/11/5,44,预应力钢筋与孔道的摩擦引起的预应力损失l2 损失原因 钢筋与预留孔壁之间的接触引起的摩擦阻力 钢筋预应力随距张拉端的距离的增加而减小 曲线孔道损失更大 仅发生于后张法施工中 损失计算,当（x+0.2）时可用下式近似计算,2019/11/5,45,x张拉端至计算截面的孔道长度(m)，可近似取孔道在纵轴上的投影长度 张拉端至计算截面曲线孔道部分切线夹角（rad） 考虑孔道每米长度
16、局部偏差的摩擦系数 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数,2019/11/5,46,减小l2的措施 采用两端张拉：减小x 采用“超张拉”工艺,0,1.1con,停2min,0.85con,停2min,con,0,1.03con,停2min,con,或,0,1.05con,停2min,con,2019/11/5,47,混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座之间温差引起的预应力损失l3 损失原因 长线生产先张法构件，加热养护时，台座和钢筋之间存在温差t 钢筋受热伸长，台座距离不变，预应力损失 损失计算： l3= 2t 减小措施 两次升温养护：常温养护 + 升温至规定温度 构件在钢模上张拉，一起升温养护,2
17、019/11/5,48,预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失l4 应力松弛和徐变 高应力下的塑性变形随时间增长 长度不变，应力松弛 应力不变，应变增大（徐变） 损失计算 热处理钢筋,一次张拉,超张拉,2019/11/5,49,预应力钢丝、钢绞线,普通松弛,一次张拉1.0；超张拉0.9,低松弛,当con0.7fptk时,当0.7fptkcon0.8fptk时,2019/11/5,50,减小损失l4的措施 采用松弛较小的钢筋作预应力钢筋 采用“超张拉”工艺,2019/11/5,51,混凝土收缩和徐变引起应力松弛l5 损失原因 混凝土收缩、徐变 引起预应力钢筋回缩，应力减小 损失计算 先张法构件,受
18、拉区混凝土法向压应力,受压区混凝土法向压应力,施加预应力时混凝土立方抗压强度,2019/11/5,52,后张法构件,先张法,配筋率,后张法,对于对称配置预应力钢筋和非预应力钢筋的构件，配筋率应按钢筋总面积的一半计算。,计算，用受压区钢筋面积,2019/11/5,53,减小损失l5的措施 设计时使混凝土压应力不要过高 用高标号水泥，减小水泥用量，控制水灰比 采用级配良好骨料，加强振捣，提高密实性 加强养护，使水泥水化作用充分，减小混凝土的收缩,2019/11/5,54,螺旋预应力筋局部挤压预应力损失l6 损失原因 环向配筋，混凝土局部压陷 构件直径缩小引起损失 只发生在后张法环形配筋构件中 损失
19、量值 d3m时，l6=30 N/mm2 d3m时，l6=0,2019/11/5,55,组合表,计算结果的取值规定 先张法构件 l计算值100N/mm2 时, 取l=100N/mm2 后张法构件 l计算值80N/mm2 时, 取l=80N/mm2,9.3.3 预应力损失的组合,先张法若钢筋转折，存在l2,总损失:l = lI+ lII,2019/11/5,56,9.4 预应力混凝土轴心 受拉构件设计,9.4.1 轴心受拉构件各阶段应力分析,1. 先张法构件,（1）施工阶段,应力con,张拉钢筋仅预应力钢筋受力,完成第一批损失锚具变形、温度变化、钢筋松弛,混凝土压应力为0,非预应力钢筋压应力为0,
20、预应力钢筋拉应力为con- lI,2019/11/5,57,放松预应力钢筋混凝土强度达到75%以上设计强度放张,混凝土获得压应力,非预应力钢筋压应力,预应力钢筋拉应力减小（混凝土压缩引起）EppcI,2019/11/5,58,平衡条件：拉力 = 压力,完成第一批损失后预应力钢筋总的预拉力,换算截面面积,定义,净截面面积,2019/11/5,59,完成第二批损失,混凝土有效预压应力,理论上：,实际上：,混凝土收缩与徐变对非预应力钢筋内力的影响,非预应力钢筋压应力,预应力钢筋拉应力,2019/11/5,60,（2）使用阶段,消压外力加荷N0使混凝土应力为零,开裂外力加荷Ncr使混凝土开裂（拉应力达
21、到ftk）,2019/11/5,61,（3）破坏阶段,开裂后应力由钢筋承担,破坏时，预应力钢筋和非预应力钢筋分别达到各自的屈服强度,2019/11/5,62,2. 后张法构件,（1）施工阶段,在预应力钢筋张拉并锚固时，混凝土受预压前的损失lI已经完成，而且在张拉预应力钢筋的同时，混凝土的弹性压缩已经发生。,混凝土预压应力,非预应力钢筋压应力,预应力钢筋拉应力,由平衡条件可求得,2019/11/5,63,完成全部损失l后，应有,混凝土有效预压应力,理论上：,实际上：,混凝土收缩与徐变对非预应力钢筋内力的影响,非预应力钢筋压应力,预应力钢筋拉应力,（2）使用阶段,（3）破坏阶段,计算公式同先张法构
22、件,施工阶段与先张法的区别在于净面积和换算面积,2019/11/5,64,9.4.2 轴心受拉构件设计,承载力计算,抗裂度验算,裂缝宽度验算,施工阶段张拉（放松）预应力钢筋时构件承载力验算,使 用 阶 段,后张法施工端部锚固区局部受压验算,2019/11/5,65,轴心受拉构件使用阶段计算 正截面承载力计算,抗裂度验算 构件不开裂的条件,或,c,2019/11/5,66,裂缝控制等级：一级严格要求不出现裂缝的构件荷载效应标准组合，应力满足,裂缝控制等级：二级一般要求不出现裂缝的构件荷载效应标准组合，应满足,荷载效应准准永久组合，应满足,2019/11/5,67,裂缝宽度验算 裂缝控制等级为三级
23、的构件，允许出现裂缝 按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度应不超过裂缝宽度限值,先张法：Ate=bh,后张法：Ate=扣除孔道后的截面面积,消压轴力,2019/11/5,68,钢筋相对黏结特性系数i,对环氧树脂涂层带肋钢筋，其相对黏结特性系数应按表中系数的0.8倍采用。,2019/11/5,69,轴心受拉构件施工阶段强度验算 张拉（或放松）时构件应力验算 混凝土压应力,先张法构件按第一批预应力损失出现后计算混凝土压应力,后张法构件按张拉端计算，不考虑预应力损失,应力条件,与施工阶段混凝土立方抗压强度fcu相应的抗压强度标准值，插值确定,2019/11/5,70,运输吊装应力验
24、算 应力计算与运输吊装方式有关 考虑动力系数 先张法构件预应力钢筋的传递长度和锚固长度 传递长度 预应力靠构件两端一定距离内钢筋和混凝土之间的黏结力，由预应力钢筋传给混凝土 传递长度范围内预应力小，需要进行正、斜截面承载力验算和裂缝宽度验算,2019/11/5,71,传递长度计算公式,预应力钢筋外形系数,pe放张时预应力钢筋的有效预应力,d预应力钢筋的公称直径,ftk与放张时混凝土立法抗压强度fcu相应的轴心抗拉强度标准值，可按线性内插法确定,当采用骤然放松预应力钢筋的施工工艺时，ltr的起点应从距构件末端0.25 ltr处开始计算,2019/11/5,72,预应力钢筋的锚固长度 锚固长度的起
25、点一般从端部算起 当采用突然放松预应力钢筋的施工工艺时，锚固长度应从构件末端 0.25ltr 处开始计算 锚固长度计算公式,2019/11/5,73,后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算 传力途径 锚具到垫板 垫板到混凝土 局部区域压应力较大 局部受压截面尺寸验算 满足抗裂要求，防止施加预应力而出现纵向裂缝 对配置间接钢筋的预应力混凝土构件，尺寸条件：,2019/11/5,74,Fl局部受压面上作用的局部压力设计值，取1.2倍张拉控制力,c混凝土强度影响系数,l混凝土局部受压承载力提高系数,Al混凝土局部受压面积,Ab混凝土局部受压计算底面积,沿锚具垫圈边缘按45在垫板中扩散后传递到混凝土
26、的受压面积计算,2019/11/5,75,fc张拉钢筋时混凝土轴心抗压强度设计值,Aln混凝土局部受压净面积（扣除孔道、凹槽面积）,2019/11/5,76,局部受压承载力计算 局部区域配置方格网或螺旋式间接钢筋 核心截面面积AcorAl,AcorAb,间接钢筋对混凝土约束的折减系数,C50时=1.0；C80时=0.85,其间按线性内插法确定,2019/11/5,77,方格网式配筋,螺旋式配筋,取s=30mm80mm,方格网至少4片，螺线筋至少4圈,2019/11/5,78,例题9-1 某24m屋架下弦拉杆，截面尺寸为250mm 160mm，C50混凝土，两个孔道的直径均为50mm，采用抽芯成
27、型。非预应力钢筋按构造配置 4 12，有黏结低松弛预应力钢筋采用17股钢绞线束，每束公称直径11.1mm。张拉钢筋时，混凝土达到设计强度，采用一端张拉，且一次张拉到位，张拉控制应力0.75fptk。选用JM12型锚具。知Ngk=360kN， Nqk=140kN，q=0.5，0=1.1，试设计该轴心受拉构件。 解：箍筋按构造要求配置，此处不再讨论,6200,2019/11/5,79,1. 使用阶段承载力计算,kN,取等号,mm2,选6 11.1，Ap=74.26=445.2mm2,每个孔道布置 3 11.1,2019/11/5,80,2. 几何参数,mm2,mm2,2019/11/5,81,（1
28、）张拉控制应力,3. 预应力损失,N/mm2,（2）第一批损失,锚具变形损失,a=5mm,N/mm2,孔道摩擦损失,按锚固端计算，x=l=24m，直线配筋=0,2019/11/5,82,N/mm2,第一批损失,N/mm2,（3）第二批损失,预应力钢筋松弛引起的损失,N/mm2,2019/11/5,83,混凝土徐变、收缩引起的损失,完成第一批损失后混凝土截面上的预压应力,N/mm2,N/mm2,2019/11/5,84,第二批预应力损失,（4）预应力总损失,N/mm2,N/mm2,80 N/mm2,满足要求,2019/11/5,85,4. 抗裂度验算,N,（1）混凝土的有效预压应力,N/mm2,
29、（2）荷载标准组合下拉应力,kN,2019/11/5,86,N/mm2,N/mm2, 0,能保证严格不出现裂缝,达到一级裂缝控制等级,2019/11/5,87,一次张拉,5. 施工阶段验算,N/mm2,混凝土截面上压应力,N/mm2,满足要求,2019/11/5,88,JM12锚具的直径为100mm，锚具下垫板厚20mm，局部受压面积可按压力Fl从锚具边缘在垫板中按45扩散至混凝土表面的面积计算。具体计算时可近似按图中两条实线所围之矩形面积代替两个圆面积。,6. 锚具下局部受压承载力验算,（1）局部受压区截面尺寸验算,mm2,mm2,2019/11/5,89,mm2,N,kN,N,kN,kN,满足要求,2019/11/5,90,（2）局部承压承载力验算,间接钢筋采用4片6的方格网片，网格尺寸如图所示，s=50mm。,mm2,mm2,2019/11/5,91,N,kN,kN,满足要求,The End,
