混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)應(yīng)力

1、第九章第九章 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件Prestressed Concrete（PC) 山東建筑大學(xué)山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院土木工程學(xué)院 （2）不適用于大跨度結(jié)構(gòu)不適用于大跨度結(jié)構(gòu) 9.1.1 9.1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的概念預(yù)應(yīng)力混凝土的概念1、普通鋼筋混凝土構(gòu)件的缺陷、普通鋼筋混凝土構(gòu)件的缺陷（1）帶裂縫工作帶裂縫工作 不適用于裂縫控制等級較高的不適用于裂縫控制等級較高的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件；結(jié)構(gòu)或構(gòu)件； 降低了構(gòu)件剛度，增大了變形降低了構(gòu)件剛度，增大了變形 。 跨度增大跨度增大增大截面尺寸增大截面尺寸大跨度結(jié)構(gòu)自大跨度結(jié)構(gòu)自重及配筋過大重及配筋過大不經(jīng)濟(jì)不經(jīng)濟(jì)不合理不合理甚至不可能甚至不可

2、能9.1 9.1 概述概述以承受均布荷載的簡支梁為例：以承受均布荷載的簡支梁為例：qk=10kN/mL0混凝土：混凝土：C30鋼鋼 筋：筋：HRB335級級l0(m)bh(mm)gk(kN/m)MGk(kNm)M(kNm)As(mm2)62005002.511.2576.5587 124001000 10 180 468 1800 248002000 40 2880 4464 9000 48 16004000 160 46080 65030 63480 （3）無法充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼筋及高強(qiáng)混凝土的作用無法充分發(fā)揮高強(qiáng)鋼筋及高強(qiáng)混凝土的作用 裂縫寬度與鋼筋應(yīng)力基本成正比裂縫寬度與鋼筋應(yīng)力基本成正比一

3、般一般M=(0.50.7)My，如配筋按正截面承載力計算，如配筋按正截面承載力計算，M下下s ss=(0.50.7)fy。對于對于HRB335級鋼筋，級鋼筋，fy =300MPa，s ss=150210MPa，裂，裂縫寬度已達(dá)縫寬度已達(dá)(0.15 0.25) mm。如采用高強(qiáng)鋼筋，如采用高強(qiáng)鋼筋，fy=580MPa，則，則s ssk= 290 406 MPa，裂，裂縫寬度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過容許限值。縫寬度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過容許限值。)08. 09 . 1 (eqmaxtessqcrdcEws 產(chǎn)生以上問題主要原因是混凝土產(chǎn)生以上問題主要原因是混凝土抗抗拉強(qiáng)度低拉強(qiáng)度低，那么如何來克服這一缺陷呢？，那么如何來克

4、服這一缺陷呢？ 我們先看日常生活中的幾個例子。我們先看日常生活中的幾個例子。 對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，我們也可以對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，我們也可以預(yù)先對混凝土受拉區(qū)施加預(yù)壓力預(yù)先對混凝土受拉區(qū)施加預(yù)壓力以減小或抵消以減小或抵消荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而彌補(bǔ)混凝土抗荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而彌補(bǔ)混凝土抗拉強(qiáng)度低、抗裂性差的缺陷，這就是預(yù)應(yīng)力混拉強(qiáng)度低、抗裂性差的缺陷，這就是預(yù)應(yīng)力混凝土。凝土。2 2、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念2 2、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念)(壓pcs)(拉cs)(壓或拉bspccbsss2 2、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念、預(yù)應(yīng)力混

5、凝土的基本概念 預(yù)應(yīng)力混凝土最早是在預(yù)應(yīng)力混凝土最早是在1928 1928 年由著名的法國工年由著名的法國工程師弗來西奈程師弗來西奈（EFreyssinet）研究成功的。經(jīng)過數(shù)研究成功的。經(jīng)過數(shù)十年的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用，取得了很大進(jìn)展，在房十年的研究開發(fā)與推廣應(yīng)用，取得了很大進(jìn)展，在房屋建筑、橋梁、水利、海洋、能源、電力及通訊工程屋建筑、橋梁、水利、海洋、能源、電力及通訊工程中得到了廣泛應(yīng)用，節(jié)約了大量的材料與投資，促進(jìn)中得到了廣泛應(yīng)用，節(jié)約了大量的材料與投資，促進(jìn)了社會生產(chǎn)的發(fā)展。了社會生產(chǎn)的發(fā)展。（2）減輕結(jié)構(gòu)自重減輕結(jié)構(gòu)自重（3）提高梁的抗扭和抗剪承載力（提高梁的抗扭和抗剪承載力（但不提

6、高抗彎承載力但不提高抗彎承載力）（4）提高構(gòu)件的抗疲勞承載力提高構(gòu)件的抗疲勞承載力（1）抗裂性好抗裂性好,提高剛度和抗裂度提高剛度和抗裂度3、預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)點：、預(yù)應(yīng)力混凝土的優(yōu)點：（5）增強(qiáng)構(gòu)件的耐久性能增強(qiáng)構(gòu)件的耐久性能預(yù)應(yīng)力混凝土的缺點：預(yù)應(yīng)力混凝土的缺點：（1）設(shè)計計算比普通鋼筋混凝土構(gòu)件復(fù)雜；）設(shè)計計算比普通鋼筋混凝土構(gòu)件復(fù)雜；（2）施工制作要求較高的機(jī)械設(shè)備與技術(shù)條件，施工工序較多。）施工制作要求較高的機(jī)械設(shè)備與技術(shù)條件，施工工序較多。（3）較普通鋼筋混凝土構(gòu)件延性差些。）較普通鋼筋混凝土構(gòu)件延性差些。4 4、預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)用、預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)用下列結(jié)構(gòu)物宜優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土

7、：（1）要求裂縫控制等級較高的結(jié)構(gòu)；（2）大跨度或受力較大的結(jié)構(gòu)；（3）對剛度和變形控制要求較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。9.1.2 9.1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土的分類預(yù)應(yīng)力混凝土的分類全預(yù)應(yīng)力混凝土全預(yù)應(yīng)力混凝土 部分預(yù)應(yīng)力混凝土部分預(yù)應(yīng)力混凝土1 1、按預(yù)加應(yīng)力值大小對裂縫控制程度不同分、按預(yù)加應(yīng)力值大小對裂縫控制程度不同分使用荷載下砼不允許出現(xiàn)拉應(yīng)力（裂縫控制等級為一級）使用荷載下砼允許出現(xiàn)拉應(yīng)力,但不允許開裂（裂縫控制等級為二級）使用荷載下砼允許出現(xiàn)寬度不超過限值的裂縫（裂縫控制等級為三級）限值預(yù)應(yīng)力混凝土9.1.2 9.1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土的分類預(yù)應(yīng)力混凝土的分類2 2、按施加預(yù)應(yīng)力的方法分、按施加預(yù)

8、應(yīng)力的方法分先張法和后張法先張法和后張法3 3、按預(yù)應(yīng)力傳遞途徑分、按預(yù)應(yīng)力傳遞途徑分有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力9.1.3 9.1.3 張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法有兩種： 先張法先張法 后張法后張法 預(yù)應(yīng)力傳遞途預(yù)應(yīng)力傳遞途徑：徑：依靠鋼筋和依靠鋼筋和砼間的粘結(jié)傳遞。砼間的粘結(jié)傳遞。 適用性：適用性：中小中小型構(gòu)件工廠化生型構(gòu)件工廠化生產(chǎn)。產(chǎn)。 生產(chǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備：臺臺座、拉伸機(jī)、傳座、拉伸機(jī)、傳力架、夾具力架、夾具1、 先張法先張法張拉鋼筋并在臺座上固定澆注混凝土構(gòu)件混凝土強(qiáng)度達(dá)設(shè)計強(qiáng)度的75%以上時剪斷鋼筋2 、后張法、后張法預(yù)應(yīng)

9、力傳遞途預(yù)應(yīng)力傳遞途徑：徑：依靠錨具傳依靠錨具傳遞。遞。適用性：適用性：中、大中、大型構(gòu)件現(xiàn)場生產(chǎn)。型構(gòu)件現(xiàn)場生產(chǎn)。生產(chǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備：張拉張拉設(shè)備、錨夾具、灌漿設(shè)備、錨夾具、灌漿機(jī)。機(jī)。澆混凝土構(gòu)件，并在構(gòu)件中預(yù)留孔道在構(gòu)件中預(yù)留孔道中穿鋼筋并張拉錨固灌漿 總結(jié)先、后張法的不同總結(jié)先、后張法的不同預(yù)應(yīng)力傳遞途徑不同；以相同的張拉應(yīng)力張拉時，二者在砼中建立起的預(yù)壓應(yīng)力不同；生產(chǎn)設(shè)備和適應(yīng)性不同；9.1.4 9.1.4 夾具和錨具夾具和錨具1、錨夾具區(qū)別：、錨夾具區(qū)別： 當(dāng)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件制成后能夠取下重復(fù)利用的稱為夾具；而留在構(gòu)件上不再取下的稱為錨具。2、對錨具的要求、對錨具的要求（1）性能可靠，高

10、強(qiáng)度、高剛度；（2）由于錨具產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力損失小；（3）構(gòu)造簡單，便于制作與應(yīng)用；（4）材料省、價格低。3、常用錨具、常用錨具螺絲端桿錨具：利用螺帽、墊板等的承壓作用將預(yù)應(yīng)力鋼筋錨固在端部預(yù)應(yīng)力筋墊板螺絲桿端螺母對焊接頭錐形錨具鐓頭錨具鐓頭錨具夾具式錨具夾具式錨具主要類型有： JM12型錨具OVM型錨具QM型錨具XM型錨具OVM型錨具型錨具9.1.5 預(yù)應(yīng)力砼材料預(yù)應(yīng)力砼材料1 砼砼要求：強(qiáng)度高，收縮徐變小，快硬、早強(qiáng)。 砼設(shè)計規(guī)范規(guī)定： PC構(gòu)件，砼不宜 C40，且不應(yīng) C30。-2010規(guī)范2 鋼材鋼材要求：強(qiáng)度高；具有一定塑性；良好的加工性能； 與砼良好的粘結(jié)性能 。常用預(yù)應(yīng)力鋼材有：預(yù)應(yīng)

11、力鋼絲、 鋼絞線及預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋。9.1.6 張拉控制應(yīng)力張拉控制應(yīng)力con 定義：定義：張拉控制應(yīng)力是指預(yù)應(yīng)力鋼筋在進(jìn)行張拉時所控制達(dá)到的最大應(yīng)力值。其值為張拉設(shè)備（如千斤頂油壓表）所指示的總張拉力除以預(yù)應(yīng)力鋼筋截面面積而得的應(yīng)力值，用con表示 。con的取值原則：的取值原則：不宜過高，也不宜過低scon越大，混凝土中的預(yù)壓應(yīng)力越大，但過大會產(chǎn)生如下問題開裂荷載接近破壞荷載，使構(gòu)件出現(xiàn)脆性破壞施工階段已出現(xiàn)問題，開裂或局部受壓破壞；超張拉時，個別鋼筋可能超過屈服點或脆斷。過低混凝土產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力小，不能有效地提高抗裂度和剛度 con的限值的限值注意幾點：符合下列情況之一，注意幾點：符合下列情況

12、之一， con限值可提高限值可提高5：（1）為提高施工階段的抗裂性，使用階段受壓區(qū)內(nèi)設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼筋時。）為提高施工階段的抗裂性，使用階段受壓區(qū)內(nèi)設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼筋時。（2）要求部分抵消預(yù)應(yīng)力損失時。）要求部分抵消預(yù)應(yīng)力損失時。 9.1.7 預(yù)應(yīng)力損失預(yù)應(yīng)力損失l 1 定義：預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉應(yīng)力在PC構(gòu)件的施工和使用過程中因非荷載因素不斷降低，降低部分降低部分稱之為預(yù)應(yīng)力損失。2各種預(yù)應(yīng)力損失有：1）張拉端錨具變形及鋼筋內(nèi)縮引起的損失 (l1)2）鋼筋與孔道間的摩擦引起的損失 (l2)3）砼加熱養(yǎng)護(hù)時，受拉筋與臺座（設(shè)備）間的溫差引起的損失 (l3) 4)預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛損失 (l4)5)砼的收

13、縮徐變引起的損失 (l5 )6)環(huán)形構(gòu)件用螺旋式預(yù)應(yīng)力鋼筋，砼受到局部受壓引起的損失 (l6 )3 各項損失的計算各項損失的計算(1) l1 的計算 設(shè)各種原因引起的鋼筋回縮量為a（mm） 對直線筋： (N/mm2)SlEla1s張拉端錨具的變形和鋼筋的內(nèi)縮值（mm）預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性模量張拉端至錨固端之間的距離（mm）減少減少l1的措施：的措施：減小 a（選擇變形和內(nèi)縮小的錨夾具，少用墊片），增加l。注：l1先張法小，后張法大。錨具類別 a 支承式錨具(鋼絲束鐓頭錨具等) 螺帽縫隙 1每塊后加墊板的縫隙 1夾片式錨具 有頂壓時 5無頂壓時 6-8表表9-2 9-2 錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮值錨具

14、變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮值a(mma(mm) ) 注：注：1、 表中的錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮值也可根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定；表中的錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮值也可根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定； 2 、其它類型的錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮值應(yīng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定。、其它類型的錨具變形和預(yù)應(yīng)力筋內(nèi)縮值應(yīng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)確定。 塊體拼成的結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力損失尚應(yīng)計及塊體間填縫的預(yù)壓變形。當(dāng)塊體拼成的結(jié)構(gòu)，其預(yù)應(yīng)力損失尚應(yīng)計及塊體間填縫的預(yù)壓變形。當(dāng)采用混凝土或砂漿為填縫材料時，每條填縫的預(yù)壓變形值可取為采用混凝土或砂漿為填縫材料時，每條填縫的預(yù)壓變形值可取為1mm。 lf：反向摩擦影響長度對曲線筋(后張法) l1 ：)1)(21fcfconl

15、lxkrlss)(1000kraElcconsfs 預(yù)應(yīng)力筋錨固在構(gòu)件端頭時,預(yù)應(yīng)力筋回縮，由于鋼筋與孔道壁間反向摩擦力的影響，預(yù)應(yīng)力損失只能在一定的反向摩擦影響長度 lf范圍內(nèi)發(fā)生，l1近似按下式計算：)1)(21fcfconllxkrlss x 從張拉端至計算截面的孔道長度 可近似在縱軸上的投影長度，應(yīng)有 xlf; k-考慮孔道局部偏差的摩擦系數(shù)； rc- 圓弧形曲線預(yù)應(yīng)力筋的曲率半徑（mm）。 預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁間的摩擦系數(shù)； k 取值見表93(2)摩擦損失l2計算l2產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：后張法中，張拉鋼筋時，鋼筋要在孔道中滑動，由于孔道施工局部偏差、孔道壁粗糙就會產(chǎn)生摩擦力.摩擦力大?。?/p>

16、摩擦力大?。呵€孔道直線孔道 遠(yuǎn)端近端l2計算：（推導(dǎo)略）NpNp-dF1dx)e1-(1kxcon2ls式中: k-考慮孔道局部偏差的摩擦系數(shù) x - 從張拉端至計算截面的孔道長度 可近似在縱軸上的投影長度; -從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角（弧度）； 預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁間的摩擦系數(shù)；當(dāng)kx+0.3時， l2 con (kx+)k表9.3 摩擦系數(shù)0.090.0040無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋0.600.550.0014抽芯成型0.300.0010預(yù)埋鋼管0.150.0015預(yù)埋塑料波紋管0.500.250.0015預(yù)埋金屬波紋管預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋鋼絞線、鋼絲束孔道成型方式注：表中系數(shù)也可根據(jù)實測數(shù)

17、據(jù)確定。 減少l2措施：兩端張拉；超張拉超張拉工藝： 01.1scon停2分鐘0.85scon停2分鐘scon(3)溫差損失l3的計算減少l3的措施: (1)兩次升溫 (2)于鋼模上制作溫度為t0時的應(yīng)力為scon溫度回落到t0時由于混凝土已結(jié)硬和鋼筋同時回縮，此處的應(yīng)力為scon scon)/(210200001. 0253mmNtttEpls鋼筋的線膨脹系數(shù)混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)時,預(yù)應(yīng)力鋼筋與臺座之間溫差引起的損失溫度升到t1（4）松弛損失l4的計算鋼筋在高應(yīng)力作用下，長度不變而應(yīng)力隨時間逐漸降低的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛。鋼筋張拉后1小時內(nèi)約完成總松弛的50%，24小時內(nèi)完成總松弛的80%，以后逐漸收

18、斂。規(guī)范對預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線的規(guī)定：1 1、消除應(yīng)力鋼絲、鋼絞線的規(guī)定：、消除應(yīng)力鋼絲、鋼絞線的規(guī)定：普通松弛普通松弛：conptkconlfsss)5 . 0(4 . 04低松弛低松弛：當(dāng)當(dāng)s scon0.7fptk時，時，conptkconlfsss)5 . 0(125. 04當(dāng)當(dāng)0.7fptk s scon0.8fptk時時，conptkconlfsss)575. 0(2 . 04減少l4的措施：超張拉0(1.051.10)scon停25分鐘0scon在高應(yīng)力下，本需1小時才能完成的損失，在25分鐘內(nèi)就完成了大部分注：當(dāng)當(dāng)s scon0.5fptk時，可不考慮應(yīng)力松弛損失，即取時，可不考

19、慮應(yīng)力松弛損失，即取s sl4=0。2 2、中強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲：、中強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲：3 3、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋：、預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋：conlss08. 04conlss03. 04(5)l5的計算混凝土的混凝土的收縮收縮和和徐變徐變，都會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件長度的縮，都會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件長度的縮短，預(yù)應(yīng)力筋隨之回縮，引起預(yù)應(yīng)力損失。短，預(yù)應(yīng)力筋隨之回縮，引起預(yù)應(yīng)力損失。由于收縮和徐變是同時隨時間產(chǎn)生的，且影響二者的因素相由于收縮和徐變是同時隨時間產(chǎn)生的，且影響二者的因素相同、變化規(guī)律相似，同、變化規(guī)律相似，規(guī)范規(guī)范將二者合并考慮。將二者合并考慮。規(guī)范規(guī)范對混凝土收縮和徐變引起的損失，按下列公式計算

20、：對混凝土收縮和徐變引起的損失，按下列公式計算：先張法對拉區(qū)預(yù)應(yīng)力筋:（預(yù)壓區(qū)）對壓區(qū)預(yù)應(yīng)力筋:（預(yù)拉區(qū)）ss151340605cupclfss151340605cupclf在受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力筋合力點處混凝土法向壓應(yīng)力。在受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力筋合力點處混凝土法向壓應(yīng)力。施加預(yù)應(yīng)力時混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率受壓區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的配筋率對拉區(qū)預(yù)應(yīng)力筋:（預(yù)壓區(qū)）后張法注：1)pc、pc計算時僅考慮l 2)應(yīng)有pc、pc0.5fcu； 3)pc、pc為拉力時,取為0。對壓區(qū)預(yù)應(yīng)力筋:（預(yù)拉區(qū)）ss151300555cupclfss151300555cupclf的計算

21、：的計算：先張法后張法0AAAsp0AAAspnspAAA nspAAA換算截面；包括凈截面積以及全部縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋面積換算成混凝土的換算截面；包括凈截面積以及全部縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋面積換算成混凝土的 截面積。截面積。A0=Ac+ pAp+ sAsAn=Ac + sAs凈截面積，即扣除孔道、凹槽等削弱部分以外的混凝土全部截面面積及凈截面積，即扣除孔道、凹槽等削弱部分以外的混凝土全部截面面積及縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋截面積換算成混凝土面積之和；對由于不同混凝土強(qiáng)縱向非預(yù)應(yīng)力鋼筋截面積換算成混凝土面積之和；對由于不同混凝土強(qiáng)度等級組成的截面，應(yīng)根據(jù)混凝土彈性模量比值換算成同一強(qiáng)度等級的度等級組成的截面，應(yīng)根據(jù)混凝土彈性模量比值換算成同一強(qiáng)度等級的截面積截面積 。對于對稱配置預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的構(gòu)件（如軸心受拉構(gòu)件），配筋對于對稱配置預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋的構(gòu)件（