混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[第十章預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件]山東大學(xué)期末考試

1、第十章 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件本章重點(diǎn)介紹了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)的基本原理、張拉方法、預(yù)應(yīng)力材料、預(yù)應(yīng)力損失、構(gòu)件的計(jì)算和構(gòu)造要求等內(nèi)容。闡明了先張法和后張法預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件及后張法預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件從張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋、施加外荷載直到構(gòu)件破壞的各受力階段(包括使用階段和施工階段 截面上的應(yīng)力狀態(tài)、應(yīng)力分析和計(jì)算方法。1本章主要內(nèi)容(1預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在計(jì)算前，首先需確定下列幾項(xiàng)主要參數(shù)：1確定預(yù)應(yīng)力鋼筋的鋼種、等級(jí)、混凝土的強(qiáng)度等級(jí)及張拉方法。2確定張拉控制應(yīng)力值。3確定截面的幾何特征：如換算截面面積、凈截面面積、截面重心、截面慣性矩和面積矩、預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力點(diǎn)至換算截面重心的距離

2、等參數(shù)。(2計(jì)算施工階段的各項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失值及混凝土預(yù)壓應(yīng)力值等。(3根據(jù)使用條件進(jìn)行抗裂度、應(yīng)力驗(yàn)算、裂縫寬度、承載力計(jì)算及變形驗(yàn)算，并對構(gòu)件在制作、運(yùn)輸及吊裝等施工階段的受力狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算。2具體設(shè)計(jì)的內(nèi)容(1使用階段1承載力計(jì)算。預(yù)應(yīng)力軸心受拉構(gòu)件的正截面受拉承載力計(jì)算或受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力及斜截面受剪承載力的計(jì)算。2裂縫控制驗(yàn)算。裂縫控制等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，對軸心受拉構(gòu)件，按抗裂要求進(jìn)行正截面抗裂度驗(yàn)算；對受彎構(gòu)件，按抗裂要求進(jìn)行正截面及斜截面的抗裂度驗(yàn)算。裂縫控制等級(jí)為三級(jí)的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，對軸心受拉構(gòu)件進(jìn)行裂縫寬度的驗(yàn)算；對受彎構(gòu)件進(jìn)行正截面裂縫寬度的驗(yàn)算及斜截

3、面應(yīng)力驗(yàn)算。3對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件尚需進(jìn)行構(gòu)件的撓度驗(yàn)算。(2施工階段1預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在制作、運(yùn)輸和吊裝過程中，進(jìn)行構(gòu)件截面邊緣混凝土最大受拉及受壓法向應(yīng)力的驗(yàn)算。2后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件端部錨固區(qū)的局部承壓驗(yàn)算。102重點(diǎn)講解、難點(diǎn)分析1021預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中比較簡單的一種受力構(gòu)件，學(xué)生必須重點(diǎn)掌握先張法與后張法預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件從張拉預(yù)應(yīng)力、施加外荷載直到構(gòu)件破壞的各個(gè)受力階段截面上應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力分析的全過程，它是掌握預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)原理的核心內(nèi)容，是本章的難點(diǎn)和重點(diǎn)。通過對先張法與后張法預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件各階段應(yīng)力變化的

4、比較，可加深理解預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的受力特征并掌握有關(guān)的計(jì)算方法。在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的承載力和抗裂等計(jì)算中，常用到從施工階段進(jìn)入到使用階段過程中的各種應(yīng)力值，其中最主要的是：混凝土的法向應(yīng)力Pc ，預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效預(yù)應(yīng)力Pe 及混凝土法向應(yīng)力為零(即預(yù)應(yīng)力鋼筋合力點(diǎn)處的混凝土法向應(yīng)力為零 時(shí)的預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力Po 等。這些應(yīng)力可分別根據(jù)先張法或后張法的施工程序，由預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力con 及相應(yīng)階段的預(yù)應(yīng)力損失值，按不同構(gòu)件，可由截面上力的平衡條件求得。必須注意，先張法和后張法的承載力計(jì)算公式、抗裂度和裂縫最大寬度驗(yàn)算的公式，其形式都相同，但式中各自的Pc 計(jì)算是不相同的。下面對一些具體問題

5、進(jìn)行討論：(1預(yù)應(yīng)力混凝土的特點(diǎn)及預(yù)壓應(yīng)力值的控制混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，極易開裂，開裂后構(gòu)件的剛度大幅下降。而預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，是在其受外荷載之前，人為地對截面施加預(yù)壓應(yīng)力，因而可推遲構(gòu)件裂縫的出現(xiàn)，提高構(gòu)件的抗裂度和剛度，克服鋼筋混凝土易開裂的主要缺點(diǎn)，并且由于使用了高強(qiáng)度材料，能取得節(jié)約材料、減輕自重的效果。對混凝土施加的預(yù)壓應(yīng)力愈大，截面的抗裂性能愈好，但控制要恰當(dāng)，否則由于混凝土預(yù)壓應(yīng)力值過大，會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生非線性徐變。對受彎構(gòu)件，易使截面預(yù)拉區(qū)開裂。對預(yù)壓應(yīng)力值大小的合理控制，可通過對截面進(jìn)行的應(yīng)力驗(yàn)算得到確認(rèn)。(2先張法和后張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的傳力特點(diǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的施工方法

6、主要有先張法和后張法兩種。先張法是在長線臺(tái)座(或鋼模 上張拉鋼筋，然后澆搗混凝土，依靠鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力，將鋼筋彈性回縮的壓力傳遞給混凝土。后張法是先澆搗混凝土，然后以結(jié)硬后的混凝土構(gòu)件作為臺(tái)座張拉鋼筋，依靠工作錨具來傳遞鋼筋回縮對混凝土產(chǎn)生的預(yù)壓力。(3先張法夾具和后張法錨具的特點(diǎn)先張法中應(yīng)用的錨具一般稱為夾具，是在張拉端夾住鋼筋進(jìn)行張拉以及在兩端I 臨時(shí)固定鋼筋用的工具式錨具，可以重復(fù)使用。后張法的錨具，是永遠(yuǎn)依附在混凝土構(gòu)件上，起著傳遞預(yù)應(yīng)力的作用，稱為工作錨具。(4先張和后張施工方法的選擇采用先張法施加預(yù)應(yīng)力，生產(chǎn)工序少，工藝簡單。由于夾具可重復(fù)利用，生產(chǎn)成本低，適用于工廠化成批

7、生產(chǎn)的中、小型構(gòu)件和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，但需要較大場地作臺(tái)座，一次性投資費(fèi)用較大。后張法利用構(gòu)件本身作為臺(tái)座，構(gòu)件可在施工現(xiàn)場制作，但錨具不能重復(fù)使用，耗鋼量大，成本較高，適用于運(yùn)輸不便的大型預(yù)應(yīng)力構(gòu)件或非標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。(5預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件需采用高強(qiáng)度材料預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，如采用一般強(qiáng)度的鋼筋，由于有預(yù)應(yīng)力損失，將起不到在構(gòu)件截面上產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力的效果，而采用了高強(qiáng)度材料，則在施工階段，混凝土始終處于高壓應(yīng)力狀態(tài)。而預(yù)應(yīng)力鋼筋從張拉鋼筋開始，直至破壞的全過程中，也始終處于高拉應(yīng)力狀態(tài)，這樣高強(qiáng)度鋼筋的受拉和高強(qiáng)度混凝土的受壓性能的優(yōu)點(diǎn)均得以充分利用。(6張拉控制應(yīng)力con 限值，為何采用鋼筋強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f pt

8、k不論先張法還是后張法，在施加預(yù)應(yīng)力的過程中，由于張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋是在施工階段進(jìn)行的，張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋是對鋼筋又一次進(jìn)行質(zhì)量的檢驗(yàn)，所以張拉控制應(yīng)力O' con 的限值，是由鋼筋強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值確定，而與鋼筋的極限抗拉強(qiáng)度的大小無關(guān)。(7張拉控制應(yīng)力U con 限值，為什么先張法大于后張法張拉控制應(yīng)力con 限值，先張法較后張法略高的原因是：先張法構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力(放松預(yù)應(yīng)力鋼筋 時(shí)，混凝土彈性壓縮是在鋼筋達(dá)到con 后發(fā)生的，因而鋼筋的預(yù)拉應(yīng)力隨之降低E PcI 。即：PeI =con 一lI 一E PcI 。而后張法構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力(張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋 時(shí)，混凝土隨之受到擠壓，當(dāng)鋼筋達(dá)到con 時(shí)

9、，混凝土的彈性壓縮已基本完成，因此，鋼筋張拉控制應(yīng)力con ，不會(huì)因混凝土的彈性壓縮而降低。即：PeI =con 一l I 。在鋼筋的張拉控制應(yīng)力值con 和預(yù)應(yīng)力損失值lI 相同的條件下，由上兩式比較，可知先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力總比后張法的低。同樣，受荷載后，當(dāng)截面上混凝土的拉應(yīng)力恰好全部抵消混凝土的有效預(yù)壓應(yīng)力(消壓狀態(tài) 時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力，先張法構(gòu)件：po =con 一l ；后張法構(gòu)件：po =con 一l +E Pc 。先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力仍比后張法低。為使先張法和后張法構(gòu)件的抗裂能力具有大致相同的水平，因而，適當(dāng)提高了先張法構(gòu)件的張拉控制應(yīng)力值con 。(8預(yù)應(yīng)力損失值的采用

10、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件從施加預(yù)應(yīng)力開始，由于混凝土和鋼材的性能特征以及施工工藝上的原因，con 會(huì)逐步下降，這種應(yīng)力降低的現(xiàn)象稱為預(yù)應(yīng)力損失，影響預(yù)應(yīng)力損失的因素很多，要精確計(jì)算是十分困難的，過高或過低估計(jì)預(yù)應(yīng)力損失值，均會(huì)對結(jié)構(gòu)的使用性能產(chǎn)生不利的影響。為簡化計(jì)算，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡稱規(guī)范 規(guī)定，采用分別計(jì)算各種因素產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失值進(jìn)行疊加，來確定總預(yù)應(yīng)力損失值。應(yīng)盡量采取措施，減少預(yù)應(yīng)力的損失，以保證混凝土能獲得較高的有效預(yù)壓應(yīng)力pc 。預(yù)應(yīng)力損失是分批產(chǎn)生的，因此，應(yīng)根據(jù)計(jì)算需要，考慮相應(yīng)階段所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失值，通常以混凝土預(yù)壓時(shí)間為界限，將預(yù)應(yīng)力損失分為兩批，即混凝土預(yù)壓前(第一批 完

11、成的損失lI ；混凝土預(yù)壓后(第二批 完成的損失l 。(9換算截面A0和凈截面面積An 的應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件施工階段時(shí)：先張法構(gòu)件在預(yù)壓前(放松預(yù)應(yīng)力鋼筋前 ，混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼筋已有粘結(jié)作用，在預(yù)壓過程中，預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土共同承受預(yù)壓力，產(chǎn)生相同的變形，因而，采用換算截面A 0計(jì)算混凝土的預(yù)壓力，即采用將全部預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋統(tǒng)一換算成混凝土的截面面積，即A 0=Ac +E A s +E A P 。對于后張法構(gòu)件，由于構(gòu)件在預(yù)壓前，混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼筋無粘結(jié)作用，在張拉或預(yù)壓過程中，僅由混凝土和非預(yù)應(yīng)力鋼筋承受預(yù)壓力，因而，采用凈截面面積A n 計(jì)算混凝土的預(yù)壓力，即A n =Ac +

12、E A s 。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件使用階段時(shí)：不論先張法或后張法，混凝土與預(yù)應(yīng)力鋼筋均已產(chǎn)生粘結(jié)，共同承受外力，因而，均采用換算截面A0進(jìn)行計(jì)算。(10預(yù)應(yīng)力軸心受拉構(gòu)件中、的取值在求混凝土收縮、徐變預(yù)應(yīng)力損失l5和l5時(shí)，其中對' 的計(jì)算，對于軸心受拉構(gòu)件，應(yīng)按全部預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋面積的一半進(jìn)行計(jì)算。 即先張法' =(AP +As 2A 0；后張法=(AP +As 2A n 。(11非預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用及其應(yīng)力的取值為防止施工階段因混凝土收縮和溫差引起預(yù)拉區(qū)的裂縫、承擔(dān)預(yù)拉區(qū)的拉應(yīng)力、防止構(gòu)件在制作、堆放、運(yùn)輸、吊裝時(shí)出現(xiàn)的裂縫或減小裂縫寬度，在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中往往配置了

13、非預(yù)應(yīng)力鋼筋，配置非預(yù)應(yīng)力鋼筋能對混凝土預(yù)壓變形起約束作用，使混凝土的收縮和徐變減小，相應(yīng)地減小了預(yù)應(yīng)力鋼筋因收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失。但當(dāng)非預(yù)應(yīng)力鋼筋配置較多時(shí)，混凝土的收縮和徐變，將使非預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生壓應(yīng)力，從而對混凝土產(chǎn)生了附加的拉應(yīng)力，使混凝土的預(yù)壓應(yīng)力減小，影響了構(gòu)件的抗裂性能。為此，在計(jì)算中，應(yīng)考慮非預(yù)應(yīng)力鋼筋對構(gòu)件抗裂的不利影響。為簡化計(jì)算，非預(yù)應(yīng)力鋼筋中產(chǎn)生的壓應(yīng)力，可近似假定等于混凝土收縮和徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失值l5和l5。(12為什么后張法構(gòu)件的有效預(yù)壓應(yīng)力盯Pc 比先張法Pc 大在施工階段，先張法和后張法PcI 、Pc 的計(jì)算公式的形式基本相似，但預(yù)應(yīng)力損失值l 的計(jì)算

14、值不同，同時(shí)先張法用A O (AO =Ac +E A s +E A P ；后張法用A n (An =Ac +E A s ，由于A O >An ，若控制應(yīng)力con 、材料強(qiáng)度、截面尺寸，鋼種、預(yù)應(yīng)力損失值均相等，則后張法構(gòu)件的有效預(yù)壓應(yīng)力Pc 比先張法大。(13先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中傳遞長度l tr 的物理概念預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固長度是指使鋼筋充分發(fā)揮其抗拉強(qiáng)度所需的鋼筋最短的埋人長度。計(jì)算先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件端部錨固區(qū)正截面和斜截面受彎承載力時(shí)，錨固區(qū)內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，一般情況，取在錨固起點(diǎn)處為零，錨固終點(diǎn)處為f pr ，兩點(diǎn)之間按線性內(nèi)插法確定。規(guī)范規(guī)定，當(dāng)采用驟然放松預(yù)應(yīng)

15、力鋼筋的施工工藝時(shí)，先張法預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固長度l a 的起點(diǎn)應(yīng)從距構(gòu)件頂端025 ltr 處開始計(jì)算。此處ltr 為預(yù)應(yīng)力混凝土的傳遞長度。這是因?yàn)橄葟埛A(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件放張或切斷預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，需要經(jīng)過一段必要的長度才能通過鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力，將預(yù)壓應(yīng)力全部傳遞給混凝土，這段長度稱為預(yù)應(yīng)力混凝土的傳遞長度l tr ，在傳遞長度l tr 范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力是變化的，預(yù)應(yīng)力鋼筋的實(shí)際應(yīng)力，可近似地認(rèn)為按線性規(guī)律增長，在構(gòu)件的端部為零。實(shí)測表明，預(yù)應(yīng)力鋼筋和混凝土中的預(yù)壓應(yīng)力只有經(jīng)過傳遞長度l tr 后才能保持穩(wěn)定不變，在傳遞長度l tr 末端為有效預(yù)應(yīng)力Pe 。當(dāng)采用驟然放松預(yù)應(yīng)力鋼筋的

16、施工工藝時(shí)，錨固端可能局部受損，而影響應(yīng)力的傳遞，因此，設(shè)計(jì)時(shí)，l tr 的起點(diǎn)應(yīng)從距構(gòu)件頂端025 ltr 處開始算起。 (14為什么預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件不能提高構(gòu)件的承載力當(dāng)混凝土和鋼筋的強(qiáng)度及截面尺寸相同時(shí)，鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件相比，兩者的承載力是相同的，因?yàn)殇摻罨炷翗?gòu)件中混凝土的抗拉強(qiáng)度低，開裂荷載很小，鋼筋應(yīng)力也很低，但由開裂到破壞，在裂縫截面處，不論是鋼筋混凝土還是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件截面上的軸向拉力全部由鋼筋承擔(dān)，因而與對截面施加預(yù)應(yīng)力與不施加預(yù)應(yīng)力無關(guān)。 1022預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在掌握了預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件的學(xué)習(xí)要求后，便不難理解預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)原理和方法，與前者相比，后者的計(jì)算特點(diǎn)是，在截面上的預(yù)加力一般為偏心作用。因此，學(xué)習(xí)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的計(jì)算方法，首先必須理解受彎構(gòu)件截面在偏心預(yù)加力作用下，施工階段和使用階段截面上預(yù)應(yīng)力鋼筋、非預(yù)應(yīng)力鋼筋