混凝土结构设计原理课件-第10章预应力混凝土构件性能与设计-中国海洋大学15版.ppt

第10章预应力混凝土构件§10-1概述§10-2预应力混凝土轴心受拉构件的计算§10-3预应力混凝土受弯构件的设计计算§10-4预应力混凝土构件的构造要求§10-5部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土 1理解预应力的各种损失及预应力损失值的组合；2理解后张法预应力轴心受拉构件各阶段的应力分析，会做后张法预应力轴心受拉构件的设计计算；3了解预应力混凝土受弯构件各阶段的应力分析，对其使用阶段正截面受弯承载力计，施工阶段抗裂度验算及构件弯形验算等也有所了解；4知道预应力混凝土构件的主要构造要求。教学要求： 10.1概述图10-1预应力混凝土简支梁(a)预压力作用下；(b)外荷载作用下；(c)预压力与外荷载共同作用下 预应力混凝土构件具有很多的优点，下列结构物宜优先采用预应力混凝土：(1)要求裂缝控制等级较高的结构；(2)大跨度或受力很大的构件；(3)对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件，如工业厂房中的吊车梁、码头和桥梁中的大跨度梁式构件等。预应力混凝土构件的缺点是构造、施工和计算均较钢筋混凝土构件复杂，且延性也差些。 10.1.2预应力混凝土的分类根据预加应力值对构件截面裂缝控制程度的不同，预应力混凝土构件分为全预应力的和部分预应力的两类。在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件，一般称为全预应力混凝土，大致相当于《混凝土结构设计规范》中裂缝的控制等级为一级，即严格要求不出现裂缝的构件。在使用荷载作用下，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件，一般称为部分预应力混凝土，大致相当于《混凝土结构设计规范》中裂缝的控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。在使用荷载作用下根据荷载组合情况，不同程度地保证混凝土不开裂的构件，则称为限值预应力混凝土，大致相当于《混凝土结构设计规范》中裂缝的控制等级为二级，即一般要求不出现裂缝的构件。限值预应力混凝土也属部分预应力混凝土。 张拉预应力筋的方法主要有先张法和后张法两种。1先张法在浇灌混凝土之前张拉预应力筋的方法称为先张法。图10-2先张法主要工序示意图(a)预应力筋就位；(b)张拉预应力筋；(c)临时固定预应力筋，浇灌混凝土并养护；(d)放松预应力筋，预应力筋回缩，混凝土受预压10.1.3张拉预应力筋的方法 2后张法在结硬后的混凝土构件上张拉预应力筋的方法称为后张法。图10-3后张法主要工序示意图制作构件，预留孔道，穿入预应力筋；安装千斤顶；张拉预应力筋；锚住预应力筋，拆除千斤顶，孔道压力灌浆 10.1.4锚具和夹具锚具和夹具是在制作预应力结构或构件时锚固预应力筋的工具。锚具：是指在后张法结构或构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土内部的永久性锚固装置。夹具：是指在先张法构件施工时，为保持预应力筋的拉力并将其固定在生产台座(或设备)上的临时性锚固装置；在后张法结构或构件施工时，在张拉千斤顶或设备上夹持预应力筋的临时性装置(又称工具锚)。 图9-4固定端握裹式锚具(a)P型挤压锚具；(b)H型压花锚具(1)固定端锚具 图9-5圆柱体夹片式锚具(a)圆形单孔锚具；(b)圆形多孔锚具；(c)长方体扁形锚具(2)张拉端锚具1夹片式锚具 2支承式锚具图9-6镦头锚具1—锚环；2—螺母；3—固定端锚板；4—钢丝束图9-7螺母锚具 3锥塞式锚具 10.1.5预应力混凝土材料1混凝土预应力混凝土结构构件所用的混凝土，需满足下列要求：(1)强度高。与钢筋混凝土不同，预应力混凝土必须采用高强度混凝土。强度高的混凝土对采用先张法的构件可提高钢筋与混凝土之间的粘结力，对采用后张法的构件，可提高锚固端的局部承压承载力。(2)收缩、徐变小。以减少因收缩、徐变引起的预应力损失。(3)快硬、早强。可尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率，以利加快施工进度。因此，《混凝土结构设计规范》规定，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。 我国目前用于预应力混凝土结构或构件中的预应力筋，主要采用预应力钢丝、钢绞线和预应力螺纹钢筋。(1)预应力钢丝常用的预应力钢丝为消除应力光面钢丝和螺旋肋钢丝，公称直径有5mm、7mm和9mm等规格。消除应力钢丝包括低松弛钢丝和普通松弛钢丝；按照其强度级别可分类为：中强度预应力钢丝其极限强度标准值为800～1270N/mm2；高强度预应力钢丝为1470～1860N/mm2等。成品钢丝不得存在电焊接头。(2)钢绞线钢绞线是由冷拉光圆钢丝，按一定数量(有2根、3根、7根等)捻制而成钢绞线，再经过消除应力的稳定化处理(为减少应用时的应力松弛，钢绞线在一定的张力下，进行的短时热处理)，以盘卷状供应。(3)预应力螺纹钢筋预应力混凝土用螺纹钢筋(也称精轧螺纹钢筋)，是采用热轧、轧后余热处理或或热处理等工艺制作成带有不连续无纵肋的外螺纹的直条钢筋。2钢材 张拉控制应力是指预应力筋在进行张拉时所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备(如千斤顶油压表)所指示的总张拉力除以预应力筋截面面积而得的应力值，以σcon表示。张拉控制应力的取值，直接影响预应力混凝土的使用效果，如果张拉控制应力取值过低，则预应力筋经过各种损失后，对混凝土产生的预压力过小，不能有效地提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度。如果张拉控制应力取值过高，则可能引起以下的问题：(1)在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力(称为预拉力)甚至开裂，对后张法构件可能造成端部混凝土局压破坏；(2)构件出现裂缝时的荷载值与极限荷载值很接近，使构件在破坏前无明显的预兆，构件的延性较差；(3)为了减少预应力损失，有时需进行超张拉，有可能在超张拉过程中使个别预应力筋的应力超过它的实际屈服强度，使预应力筋产生较大塑性变形或脆断。10.1.6张拉控制应力σcon 符合下列情况之一时，表9-1中的张拉控制应力限值可提高0.05fptk或0.05fpyk：(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筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。张拉控制应力值大小的确定，还与预应力的钢种有关。由于预应力混凝土采用的都为高强度钢筋，其塑性较差，故控制应力不能取得太高。《混凝土结构设计规范》规定，在一般情况下，张拉控制应力不宜超过表9-1的限值。 10.1.7预应力损失在预应力混凝土构件施工及使用过程中，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上的原因，预应力筋的张拉力值是在不断降低的，称为预应力损失。引起预应力损失的因素很多，一般认为预应力混凝土构件的总预应力损失值，可采用各种因素产生的预应力损失值进行叠加的办法求得。 1直线预应力筋由于锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失值σl1锚具损失只考虑张拉端，锚固定端因在张拉过程中已被挤紧，故不考虑其所引起的应力损失。对于块体拼成的结构，其预应力损失尚应计及块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆填缝材料时，每条填缝的预压变形值可取1mm。减少σl1的措施有：(1)选择锚具变形小或使预应力筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板，因每增加一块垫板，α值就增加1mm；(2)增加台座长度。因σl1值与台座长度成反比，采用先张法生产的构件，当台座长度为100m以上时，σl1可忽略不计。 后张法构件曲线预应力筋或折线预应力筋，由于锚具变形和预应力内缩引起的预应力损失值σl1，应根据曲线预应力筋或折线预应力筋与孔道壁之间反向摩擦影响长度lf范围内的预应力筋变形值等于锚具变形和预应力筋内缩值的条件确定。σl1可按《混凝土结构设计规范》附录J进行计算。 2预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失值σl2图9-9摩擦引起的预应力损失 (1)张拉曲线预应力筋时，由于曲线孔道的曲率，使预应力筋和孔道壁之间产生法向正压力而引起的摩擦阻力图9-10预留孔道中张拉钢筋与孔道壁的摩擦力 减少σl2的措施有：(1)对于较长的构件可在两端进行张拉，则计算中孔道长度可按构件的一半长度计算。比较图9-11(a)及图9-11(b)，两端张拉可减少摩擦损失是显而易见的。但这个措施将引起σl1的增加，应用时需加以注意。(2)采用超张拉图9-11一端张拉、两端张拉及超张拉对减少摩擦损失的影响 3混凝土加热养护时预应力筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失值σl3减少σl3的措施有：(1)采用两次升温养护。先在常温下养护，待混凝土达到一定强度等级，例如达C7.5～C10时，再逐渐升温至规定的养护温度，这时可认为预应力筋与混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不引起应力损失。(2)在钢模上张拉预应力筋。由于预应力筋是锚固在钢模上的，升温时两者温度相同，可以不考虑此项损失。 4预应力筋应力松弛引起的预应力损失值σl4预应力筋在高应力长期作用下其塑性变形具有随时间而增长的性质，在预应力筋长度保持不变的条件下预应力筋的应力会随时间的增长而逐渐降低，这种现象称为预应力筋的应力松弛。另一方面，在预应力筋应力保持不变的条件下，其应变会随时间的增长而逐渐增大，这种现象称为预应力筋的徐变。预应力筋的松弛和徐变均将引起预应力筋中的应力损失，这种损失统称为预应力筋应力松弛损失σl4。(1)对预应力钢丝、钢绞线规定：普通松弛一次张拉：超张拉：2)低松弛时，当时，当 (2)中强度预应力钢丝：(3)预应力螺纹钢筋： 试验表明，预应力筋应力松弛与下列因素有关：(1)应力松弛与时间有关，开始阶段发展较快，第一小时松弛损失可达全部松弛损失的50%左右，24h后可达80%左右，以后发展缓慢。(2)应力松弛损失与钢材的初始应力和极限强度有关，当初应力小于0.7fptk时，松弛与初应力呈线性关系，初应力高于0.7fptk时，松弛显著增大。(3)张拉控制应力值高，应力松弛大；反之，则小。减少σl4的措施有：进行超张拉，先控制张拉应力达1.05σcon～1.1σcon，持荷2～5min，然后卸荷再施加张拉应力至σcon，这样可以减少松弛引起的预应力损失。因为在高应力短时间所产生的松弛损失可达到在低应力下需经过较长时间才能完成的松弛数值，所以，经过超张拉部分松弛损失业已完成。 5混凝土收缩、徐变引起受拉区和受压区纵向预应力筋的损失值σl5、σl5’1)σl5与相对初应力σpc’/fcu’为线性关系，公式所给出的是线性徐变条件下的应力损失，因此要求符合σpc＜0.5fcu’的条件。否则，将导致预应力损失值显著增大。由此可见，过大的预加应力以及放张时过低的混凝土抗压强度均是不妥的。2)后张法构件σl5的取值比先张法构件低，因为后张法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已完成了一部分。当结构处于年平均相对湿度低于40%的环境下，σl5和σl5’应增加30%。先张法构件后张法构件 减少σl5的措施有：①采用高强度等级水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用干硬性混凝土；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，以减少混凝土的收缩。(2)对重要的结构构件当需要考虑与时间相关的混凝土收缩、徐变及预应力筋应力松弛预应力损失值时，可按《混凝土结构设计规范》附录K进行计算。 6用螺旋式预应力筋作配筋的环形构件，由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失σl6采用螺旋式预应力筋作配筋的环形构件，由于预应力筋对混凝土的局部挤压，使环形构件的直径有所减小，预应力筋中的拉应力就会降低，从而引起预应力钢筋的应力损失σl6。σl6的大小与环形构件的直径d成反比，直径越小，损失越大，故《混凝土结构设计规范》规定： 上述的六项预应力损失，它们有的只发生在先张法构件中，有的只发生在后张法构件中，有的两种构件均有，而且是分批产生的。为了便于分析和计算，《混凝土结构设计规范》规定，预应力构件在各阶段的预应力损失值宜按表9-4的规定进行组合。10.1.8预应力损失值的组合 考虑到各项预应力损失值的离散性，实际损失值有可能比按《混凝土结构设计规范》的计算值高，所以当计算求得的预应力总损失值σl小于下列数值时，应按下列数值取用。先张法构件：100N/mm2后张法构件：80N/mm2当后张法构件的预应力筋采用分批张拉时，应考虑后批张拉预应力筋所产生的混凝土弹性压缩(或伸长)对于先批张拉预应力筋的影响，可将先批张拉预应力筋的张拉控制应力值σcon增加(或减小)αEσpci。此处，σpci为后批张拉预应力筋在先批张拉预应力筋重心处产生的混凝土法向应力。 10.1.9先张法构件预应力筋的传递长度图10-13预应力的传递(a)放松预应力筋时预应力钢筋的回缩；(b)预应力筋表面的粘结应力τ及截面A-A的应力分布；(c)粘结应力、预应力筋拉应力及混凝土预压应力沿构件长度之分布 10.1.10后张法构件端部锚固区的局部受压承载力计算图10-14构件端部混凝土局部受压时的内力分布1构件局部受压区截面尺寸试验表明，当局压区配筋过多时，局压板底面下的混凝土会产生过大的下沉变形，为限制下沉变形不致过大，对配置间接钢筋的混凝土结构构件，其局部受压区的截面尺寸应符合下列要求： 图10-15局部受压的计算底面积Ab局部受压的计算底面积，可根据局部受压面积与计算底面积按同心、对称的原则确定，对常用情况可按图9-15取用图10-16有垫板时预应力传至混凝土的受压面积混凝土的局部受压面积；当有垫板时可考虑预压力沿垫板的刚性扩散角45°扩散后传至混凝土的受压面积，见图9-16。 在锚固区段配置间接钢筋(焊接钢筋网或螺旋式钢筋)可以有效地提高锚固区段的局部受压强度，防止局部受压破坏。当配置方格网式或螺旋式间接钢筋，且其核心面积Acor≥Al时，见图9-17，局部受压承载力应按下列公式计算当Acor大于Ab时，取Acor=Ab；当Acor不大于混凝土局部受压面积Al的1.25倍时，βcor=1.0α——间接钢筋对混凝土约束的折减系数，当混凝土强度等级不超过C50时，取α＝1.0；当混凝土强度等级为C80时，取α＝0.85；当混凝土强度等级为C50与C80之间时，按线性内插法确定；Acor——配置方格网或螺旋式间接钢筋内表面范围内的混凝土核心截面面积(不扣除孔道面积)，应大于混凝土局部受压面积AR，其重心应与Al的重心重合，计算中按同心对称的原则取值2局部受压承载力计算 图9-17局部受压区的间接钢筋(a)方格网式配筋；(b)螺旋式配筋ρv——间接钢筋的体积配筋率(核心面积Acor范围内的单位混凝土体积所含间接钢筋的体积)，且要求ρv≥0.5%。当为螺旋式配筋时(图9-17b) 10.2预应力混凝土轴心受拉构件的计算10.2.1轴心受拉构件各阶段的应力分析预应力混凝土轴心受拉构件从张拉预应力筋开始直到构件破坏，截面中混凝土和预应力筋应力的变化可以分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。1先张法构件(1)施工阶段1)张拉预应力筋。在台座上张拉截面面积为Ap的预应力筋至张拉控制应力σcon，这时预应力筋的总拉力为σconAp。普通钢筋不承担任何应力。2)在混凝土受到预压应力之前，完成第一批损失。张拉预应力筋完毕，将预应力筋锚固在台座上，浇灌混凝土，蒸汽养护构件。因锚具变形、温差和部分预应力筋松弛而产生第一批预应力损失值σlⅠ。预应力筋的拉应力由σcon降低到σpe=σcon-σlⅠ。此时，由于预应力筋尚未放松，混凝土应力σpc=0，普通钢筋应力σs=0。 3)放松预应力筋。当混凝土达到75%以上的强度设计值后，放松预应力筋，预应力筋回缩，依靠预应力筋与混凝土之间的粘结力使混凝土受压缩，预应力筋亦将随之缩短，拉应力减小。设放松预应力筋时混凝土所获得的预压应力为σpcⅠ，由于预应力筋与混凝土两者的变形协调，则预应力筋的拉应力相应减小了αEσpcⅠ。即同时，普通钢筋也得到预压应力由力的平衡条件求得 4)混凝土受到预压应力，完成第二批损失之后。随着时间的增长，因预应力筋进一步松弛，混凝土发生收缩、徐变而产生第二批预应力损失值σlⅡ。这时，混凝土和钢筋将进一步缩短，混凝土压应力由σpcⅠ降低至σpcⅡ，预应力钢筋的拉应力也由σpeⅠ降低至σpeⅡ，普通钢筋的压应力降至σsⅡ，于是由力的平衡条件求得此时，普通钢筋所得到的压应力σsⅡ除有αEσpcⅡ外，考虑到因混凝土收缩、徐变而在普通钢筋中产生的压应力σl5，所以 (2)使用阶段1)加载至混凝土应力为零。由轴向拉力N0产生的混凝土拉应力恰好全部抵消混凝土的有效预压应力σpcⅡ，使截面处于消压状态，即σpc=0。这时，预应力筋的拉应力σp0是在σpeⅡ的基础上增加αEσpcⅡ，即普通钢筋的压应力σs由原来压应力σsⅡ的基础上，增加了一个拉应力αEσpcⅡ，轴向拉力N0可由力的平衡条件求得因此 2)加载至裂缝即将出现时。当轴向拉力超过N0后，混凝土开始受拉，随着荷载的增加，其拉应力亦不断增长，当荷载加至Ncr，即混凝土拉应力达到混凝土轴心抗拉强度标准值ftk时，混凝土即将出现裂缝，这时预应力筋的拉应力σpcr是在σp0的基础上再增加αEftk，即普通钢筋的应力σs由压应力σl5转为拉应力，其值为轴向拉力Ncr可由力的平衡条件求得由于预压应力σpcⅡ的作用(σpcⅡ比ftk大得多)，使预应力混凝土轴心受拉构件的Ncr值比钢筋混凝土轴心受拉构件大很多，这就是预应力混凝土构件抗裂度高的原因所在。 3)加载至破坏。当轴向拉力超过Ncr后，混凝土开裂，在裂缝截面上，混凝土不再承受拉力，拉力全部由预应力筋和普通钢筋承担，破坏时，预应力筋及普通钢筋的应力分别达到抗拉强度设计值fpy和fy。轴向拉力Nu可由力的平衡条件求得 2后张法构件(1)施工阶段1)浇灌混凝土后，养护直至预应力筋张拉前，可以认为截面中不产生任何应力。2)张拉预应力筋。张拉预应力筋的同时，千斤顶的反作用力通过传力架传给混凝土，使混凝土受到弹性压缩，并在张拉过程中产生摩擦损失σl2，这时预应力筋中的拉应力σpe=σcon-σl2。普通钢筋中的压应力为σs=αEσpc。混凝土预压应力σpc可由力的平衡条件求得 3)混凝土受到预压应力之前，完成第一批损失。张拉预应力钢筋后，锚具变形和钢筋回缩引起的应力损失为σl1，此时预应力筋的拉应力由σcon-σl2降低至σcon-σl2-σl1，故普通钢筋中的压应力为σsⅠ=αEσpcⅠ混凝土压应力σpcⅠ由力的平衡条件求得 4)混凝土受到预压应力之后，完成第二批损失。由于预应力筋松弛、混凝土收缩和徐变(对于环形构件还有挤压变形)引起的应力损失σl4、σl5(以及σl6)，使预应力筋的拉应力由σpeⅠ降低至σpeⅡ，即σpeⅡ=σcon-σlⅠ-σlⅡ=σcon-σl。普通钢筋中的压应力为σsⅡ=αEσpcⅡ+σl5混凝土压应力σpcⅡ由力的平衡条件求得 (2)使用阶段1)加载至混凝土应力为零。由轴向拉力N0产生的混凝土拉应力恰好全部抵消混凝土的有效预压应力σpcⅡ，使截面处于消压状态，即σpc=0。这时，预应力筋的拉应力σp0是在σpeⅡ的基础上增加αEσpcⅡ，即普通钢筋的应力σs由原来的压应力αEσpcⅡ+σl5基础上，增加了一个拉应力αEσpcⅡ，因此轴向拉力N0可由力的平衡条件求得 2)加载至裂缝即将出现。混凝土受拉，直至拉应力达到ftk，预应力筋的拉应力σpcr是在σp0的基础上再增加αEftk,即普通钢筋的应力σs由压应力σl５转为拉应力，其值为轴向拉力Ncr可由力的平衡条件求得 3)加载至破坏。和先张法相同，破坏时预应力筋和普通钢筋的拉应力分别达到fpy和fy，由力的平衡条件，可得(1)在施工阶段，σpcⅡ的计算公式，先张法的式与后张法的式的形式基本相同，只是σl的具体计算值不同，同时先张法构件用换算截面面积A0，而后张法构件用净截面面积An。如果采用相同的σcon、相同的材料强度等级、相同的混凝土截面尺寸、相同的预应力筋及截面面积，由于A0＞An，则后张法构件的有效预压应力值σpcⅡ要高些。(2)使用阶段N0、Ncr、Nu的三个计算公式，不论先张法或后张法，公式形式都相同，但计算N0和Ncr时两种方法的σpcⅡ是不相同的。(3)预应力筋从张拉直至构件破坏，始终处于高拉应力状态，而混凝土则在轴向拉力达到N0值以前始终处于受压状态，发挥了两种材料各自的性能。(4)预应力混凝土构件出现裂缝比钢筋混凝土构件迟得多，故构件抗裂度大为提高，但出现裂缝时的荷载值与破坏荷载值比较接近，故延性较差。(5)当材料强度等级和截面尺寸相同时，预应力混凝土轴心受拉构件与钢筋混凝土受拉构件的承载力相同。 10.2.2轴心受拉构件使用阶段的计算1使用阶段承载力计算图9-18预应力构件轴心受拉使用阶段承载力计算图式(a)预应力轴心受拉构件的承载力计算图式；(b)预应力轴心受拉构件的抗裂度验算图式构件正截面受拉承载力按下式计算： 2抗裂度验算及裂缝宽度验算如果轴向拉力值N不超过Ncr，则构件不会开裂。其计算简图见图9-18(b)。 预应力构件按所处环境类别和使用要求，应有不同的抗裂安全储备。《混凝土结构设计规范》将预应力混凝土构件正截面的受力裂缝控制等级为三级，等级划分及要求应符合下列规定：(1)一级——严格要求不出现裂缝的构件按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力：(2)二级——一般要求不出现裂缝的构件按荷载标准组合计算时，构件受拉边缘混凝土拉应力不应大于混凝土抗拉强度标准值： (3)三级——允许出现裂缝的构件按荷载标准组合并考虑长期作用的影响计算的最大裂缝宽度，应符合下列规定：最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离(mm)，当cs＜20时，取cs=20，当cs＞65时，取cs=65； 当放张预应力筋(先张法)或张拉预应力筋完毕(后张法)时，混凝土将受到最大的预压应力σcc，而这时混凝土强度通常仅达到设计强度的75%，构件强度是否足够，应予验算。验算包括两个方面：10.2.3轴心受拉构件施工阶段的验算1张拉(或放松)预应力钢筋时，构件的承载力验算为了保证在张拉(或放松)预应力钢筋时，混凝土不被压碎，混凝土的预压应力应符合下列条件：先张法构件在放松(或切断)钢筋时，仅按第一批损失出现后计算σcc，即后张法张拉钢筋完毕至σcon，而又未锚固时，按不考虑预应力损失值计算σcc，即 2构件端部锚固区的局部受压承载力的验算图9-19预应力混凝土轴心受拉构件设计步骤框图 10.3预应力混凝土受弯构件的设计计算(自学)10.3.1平衡荷载设计法的概念张拉预应力筋对混凝土梁的作用，可用一组等效荷载来代替。等效荷载一般由两部分组成：(1)预应力筋在锚固区对梁产生的压力Np；(2)由曲线预应力筋曲率引起的、垂直于预应力筋束中心线的向上的分布力w，如图9-21(b)所示，或由折线预应力筋转折引起的向上的集中力。图9-21平衡荷载设计法示意 预加力Np对梁截面产生的弯矩方程也是抛物线形的设梁各截面预应力筋的预加力Np相等，并设e(＝y)为预应力筋形心至梁截面形心的偏心距该式说明，如果梁上作用的均布荷载值q与w相等，则该荷载将全部被预加力所平衡。因此，称为平衡荷载法，是林同炎教授于1963年提出的。 10.3.2受弯构件的应力分析与预应力轴心受拉构件类似，预应力混凝土受弯构件的受力过程也分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。图9-22预应力混凝土受弯构件截面混凝土应力(a)受拉区配置预应力筋的截面应力；(b)受拉区、受压区都配置预应力筋的截面应力 1施工阶段(图9-23)图9-23配有预应力筋和普通力钢筋的后张法预应力混凝土受弯构件截面 2使用阶段(1)加载至受拉边缘混凝土预压应力为零图9-24受弯构件截面的应力变化(a)预应力作用下；(b)荷载作用下；(c)受拉区截面下边缘混凝土应力为零；(d)受拉区截面下边缘混凝土即将出现裂缝；(e)受拉区截面下边缘混凝土开裂 同理，预应力筋合力点处混凝土法向应力等于零时，受拉区及受压区的预应力筋的应力(2)加载至受拉区裂缝即将出现预应力混凝土受弯构件的开裂弯矩(3)加载至破坏当受拉区出现垂直裂缝时，裂缝截面上受拉区混凝土退出工作，拉力全部由受拉筋承受。当截面进入第Ⅲ阶段后，受拉筋屈服直至破坏，正截面上的应力状态与第3章讲述的钢筋混凝土受弯构件正截面承载力相似，计算方法亦基本相同。 10.3.3预应力混凝土受弯构件的计算预应力混凝土受弯构件的计算与钢筋混凝土受弯构件相似，应根据《混凝土结构设计规范》的规定，进行承载能力极限状态的计算(正截面承载力、斜截面承载力)和正常使用极限状态的验算(正截面抗裂、斜截面抗裂或裂缝宽度，构件挠度)以及制作、运输、安装等施工阶段的相应验算。1受弯构件使用阶段正截面承载力计算(1)破坏阶段的截面应力状态试验表明，预应力混凝土受弯构件与钢筋混凝土受弯构件相似，如果ξ≤ξb，破坏时截面上受拉区的预应力筋先到达屈服强度，而后受压区混凝土被压碎使截面破坏。受压区的预应力筋Ap’及普通钢筋As、As’的应力均可按平截面假定确定。 1)界限破坏时截面相对受压区高度ξb的计算对于无屈服点的预应力筋(钢丝、钢绞线等)，根据条件屈服点定义，见图9-26，预应力筋到达条件屈服点的拉应变图9-25相对受压区高度图9-26条件屈服钢筋的拉应变 2)任意位置处预应力筋及普通钢筋应力的计算图9-27预应力筋应力σpi的计算同理，普通钢筋的应力以上公式也可按下列近似公式计算：预应力筋的应力应符合下列条件普通钢筋应力应符合下列条件 3)受压区预应力筋应力(σpe’)的计算随着荷载的不断增大，在预应力筋Ap’重心处的混凝土压应力和压应变都有所增加，预应力筋Ap’的拉应力随之减小，故截面到达破坏时，Ap’的应力可能仍为拉应力，也可能变为压应力，但其应力值σpe’却达不到抗压强度设计值fpy’后张法构件 (2)正截面受弯承载力计算图9-28矩形截面受弯构件正截面承载力计算混凝土受压区高度应符合下列适用条件 当x＜2a′时，正截面受弯承载力可按下列公式计算：图9-29矩形截面预应力混凝土受弯构件垂直截面当x＜2a′时的计算简图当σpe’为拉应力时，取x=2as’，见图9-29。 2受弯构件施工阶段的验算图9-30预应力混凝土受弯构件(a)制作阶段；(b)吊装阶段；(c)使用阶段图9-31后张法预应力混凝土构件施工阶段验算简支构件端部区段截面预拉区边缘纤维的混凝土拉应力允许大于ftk；但不应大于1.2ftk’ 截面边缘的混凝土法向应力σct、σcc可按下式计算：3受弯构件的变形验算预应力受弯构件的挠度由两部分叠加而成：一部分是由荷载产生的挠度f1l，另一部分是预加应力产生的反拱f2l。(1)荷载作用下构件的挠度f1l挠度f1l可按一般材料力学的方法计算，即 其中截面弯曲刚度B应分别按下列情况计算：1)按荷载标准组合下的短期刚度，可由下列公式计算：对于使用阶段要求不出现裂缝的构件对于使用阶段允许出现裂缝的构件对预压时预拉区出现裂缝的构件，Bs应降低10%。2)按荷载标准组合并考虑预加力长期作用影响的刚度，可按第8章截面刚度B公式计算，其中取θ=2.0。 (2)预加力产生的反拱f2l预应力混凝土构件在偏心距为ep的总预压力Np作用下将产生反拱f2l，其值可按结构力学公式计算，即按两端有弯矩(等于Npep)作用的简支梁计算。设梁的跨度为l，截面弯曲刚度为B，则1)构件施加预应力引起的反拱值按荷载标准组合，B=0.85EcI0计算，此时的Np及ep均按扣除第一批预应力损失值后的情况计算，后张法构件为NpⅠ、epnⅠ。2)使用阶段的预加力反拱值在使用阶段由于预应力的长期作用，预压区混凝土的徐变变形使梁的反拱值增大，故使用阶段的预加力反拱值可按刚度B=EcI0计算，并应考虑预压应力长期作用的影响。此时Np及ep应按扣除全部预应力损失后的情况计算，后张法构件为NpⅡ、epnⅡ。简化计算时，可将计算的反拱值乘以增大系数2.0。 (3)挠度计算由荷载标准组合下构件产生的挠度扣除预应力产生的反拱，即为预应力受弯构件的挠度：图9-32预应力混凝土受弯构件设计步骤框图 10.4预应力混凝土构件的构造要求1截面形式和尺寸预应力轴心受拉构件通常采用正方形或矩形截面。预应力受弯构件可采用T形、I形及箱形等截面。为了便于布置预应力筋以及预压区在施工阶段有足够的抗压能力，可设计成上、下翼缘不对称的I形截面，其下部受拉翼缘的宽度可比上翼缘狭些，但高度比上翼缘大。截面形式沿构件纵轴也可以变化，如跨中为I形，近支座处为了承受较大的剪力并能有足够位置布置锚具，在两端往往做成矩形。由于预应力构件的抗裂度和刚度较大，其截面尺寸可比钢筋混凝土构件小些。对预应力混凝土受弯构件，其截面高度h=l/20～l/14，最小可为l/35(l为跨度)，大致可取为钢筋混凝土梁高的70%左右。翼缘宽度一般可取h/3～h/2，翼缘厚度可取h/10～h/6，腹板宽度尽可能小些，可取h/15～h/8。 2预应力纵向钢筋及端部附加竖向钢筋的布置直线布置：当荷载和跨度不大时，直线布置最为简单，见图9-33(a)，施工时用先张法或后张法均可。曲线布置、折线布置：当荷载和跨度较大时，可布置成曲线形(图9-33b)或折线形(图9-33c)，施工时一般用后张法，如预应力混凝土屋面梁、吊车梁等构件。图9-33预应力钢筋的布置(a)直线形；(b)曲线形；(c)折线形 当构件端部的预应力筋需集中布置在截面的下部或集中布置在上部和下部时，应在构件端部0.2h(h为构件端部的截面高度)范围内设置防端面裂缝的附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋，且宜采用带肋钢筋，其截面面积应符合下列规定：当e＞0.2h时，可根据实际情况适当配置构造钢筋。当端部截面上部和下部均有预应力筋时，附加竖向钢筋的总截面面积应按上部和下部的预应力合力分别计算的较大值采用。在构件端面横向也应按上述方法计算抗端面裂缝钢筋，并与上述竖向钢筋形成网源筋配置。 3普通纵向钢筋的布置预应力构件中，除配置预应力筋外，为了防止施工阶段因混凝土收缩、温差及预加力过程中引起预拉区裂缝以及防止构件在制作、堆放、运输、吊装时出现裂缝或减小裂缝宽度，可在构件截面(即预拉区)设置足够的普通钢筋。在后张法预应力混凝土构件的预拉区和预压区，宜设置纵向普通构造钢筋；在预应力筋弯折处，应加密箍筋或沿弯折处内侧布置普通钢筋网片，以加强在钢筋弯折区段的混凝土。对预应力筋在构件端部全部弯起的受弯构件或直线配筋的先张法构件，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，宜在构件端部可能产生裂缝的部位，设置足够的普通纵向构造钢筋。 4钢丝、钢绞线净间距先张法预应力筋之间的净间距应根据浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固要求确定。预应力筋之间的净间距不宜小于其公称直径的2.5倍和混凝土粗骨料最大粒径的1.25倍，且应符合下列规定：对预应力钢丝不应小于15mm；对三股钢绞线不应小于20mm；对七股钢绞线不应小于25mm。 5后张预应力筋的预留孔道(1)对预制构件中预留孔道之间的水平净间距不应小于50mm，且不宜小于粗骨料粒径的1.25倍，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；(2)在现浇混凝土梁中预留孔道在竖直方向的净间距不宜小于孔道外径，水平方向的净间距不宜小于1.5倍孔道外径，且不应小于粗骨料粒径的1.25倍；从孔道外壁至构件边缘的净间距：梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm，裂缝控制等级为三级的梁，梁底、梁侧分别不宜小于60mm和50mm；(3)预留孔道的内径宜比预应力束外径及需穿过孔道的连接器外径大6mm～15mm，且孔道的截面积宜为穿入预应力束截面积的3.0～4.0倍；(4)在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，其孔距不宜大于12m；(5)凡制作时需要起拱的构件，预留孔道宜随构件同时起拱。 6锚具后张法预应力筋的锚固应选用可靠的锚具，其制作方法和质量要求应符合国家现行有关标准的规定。7端部混凝土的局部加强对先张法预应力混凝土构件单根配置的预应力筋，其端部宜设置螺旋筋；分散布置的多根预应力筋，在构件端部10d(d为预应力筋的公称直径)，且不小于100mm长度范围内，宜设置3～5片与预应力筋垂直的钢筋网片。后张法构件端部尺寸，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。在预应力筋锚具下及张拉设备的支承处，应设置预埋钢垫板及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可靠的防腐及防火措施。后张法预应力混凝土构件的曲线预应力钢丝束、钢绞线束的曲率半径不宜小于4m。对折线配筋的构件，在预应力筋弯折处的曲率半径可适当减小。 在局部受压间接钢筋配置区以外，在构件端部长度l不小于3e(e为截面重心线上部或下部预应力筋的合力点至邻近边缘的距离)，但不大于1.2h(h为构件端部截面高度)，高度为2e的附加配筋区范围内，应均匀配置附加防劈裂箍筋或网片，配筋面积可按下式计算： 10.5部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土1部分预应力混凝土(1)部分预应力混凝土的特点1)可合理控制裂缝与变形，节约钢材因可根据结构构件的不同使用要求、可变荷载的作用情况及环境条件等对裂缝和变形进行合理的控制，降低了预加力值，从而减少了锚具的用量，适量降低了费用；2)可控制反拱值不致过大由于预加力值相对较小，构件的初始反拱值小，徐变变形亦减小；3)延性较好在部分预应力混凝土构件中，通常配置普通钢筋，因而其正截面受弯的延性较好，有利于结构抗震，并可改善裂缝分布，减小裂缝宽度；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)计算较为复杂部分预应力混凝土构件需按开裂截面分析，计算较繁冗，又如部分预应力混凝土多层框架的内力分析中，除需计算由荷载及预加力作用引起的内力外，还需考虑框架在预加力作用下的轴向压缩变形引起的内力。此外，在超静定结构中还需考虑预应力次弯矩和次剪力的影响，并需计算及配置普通钢筋。 (2)荷载-挠度曲线对部分预应力混凝土，较多采用预应力高强度钢材(钢丝、钢绞线)与普通钢筋(HRB335、HRB400级钢筋等)混合配筋的方式。其中，普通钢筋的作用如下：1)如果在无粘结预应力混凝土梁中配置了一定数量的普通钢筋，则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)在受压区边缘配置的普通钢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，从而改善梁的使用性能并提高梁的正截面受弯承载力。 2无粘结预应力混凝土(1)有粘结预应力束和无粘结预应力束对后张法施工的预应力混凝土构件，通常的做法是，在构件中预留孔道，待混凝土结硬后，穿入预应力束进行张拉至控制应力并锚固，最后用压力灌浆将预留孔道的孔隙填实。这种沿预应力束全长均与混凝土接触表面之间存在粘结作用、而不能发生纵向相对滑动的束称为有粘结预应力束。如果沿预应力束全长与混凝土接触表面之间不存在粘结作用、而能发生纵向相对滑动的束则称为无粘结预应力束。无粘结预应力束的一般做法是，将预应力束的外表面涂以沥青、油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防止锈蚀，然后用纸带或塑料带包裹或套以塑料管，以防止在施工过程中碰坏涂料层，并使预应力束与混凝土隔离，将预应力束按设计的部位放入构件模板中浇捣混凝土，待混凝土达到规定强度后即可进行张拉。上述涂料应具有防腐蚀性能，要求在预期的使用温度范围内不致发脆开裂，也不致液化流淌，并应具有化学稳定性。无粘结预应力束可在工厂预制，并且不需要在构件中留孔、穿束和灌浆，因而可大为简化现场施工工艺，但无粘结预应力束对锚具的质量和防腐蚀要求较高，锚具区应用混凝土或环氧树脂水泥浆进行封口处理，防止潮气入侵。 (2)无粘结预应力混凝土梁的受弯性能当无粘结预应力混凝土梁的配筋率较低时，在荷载作用下，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，类似于带拉杆的拱。试验结果表明，如果在无粘结预应力混凝土梁中配置了一定数量的普通钢筋，则能显著改善梁的使用性能及改变其破坏形态。无粘结预应力混凝土结构构件的抗震性能是目前尚在研究的课题，其抗震设计应符合专门规定。