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1、第七章第七章预应力砼结构的基本概念及计算预应力砼结构的基本概念及计算本章主要内容：本章主要内容：预应力混凝土结构的概念、特点、分类；预应力混凝土结构的概念、特点、分类；预应力混凝土结构的基本工作原理；预应力混凝土结构的基本工作原理；先张法和后张法的施工工艺、相同和不同点；先张法和后张法的施工工艺、相同和不同点；预应力混凝土结构对混凝土、预应力钢筋的要求；预应力混凝土结构对混凝土、预应力钢筋的要求；锚具的分类及其受力原理；锚具的分类及其受力原理；预应力混凝土受弯钢筋受力阶段分析预应力混凝土受弯钢筋受力阶段分析 ；预应力损失预应力损失 一、钢筋砼结构的缺点一、钢筋砼结构的缺点 需要带裂缝工作需要带
2、裂缝工作(使构件刚度下降，不能应用于不使构件刚度下降，不能应用于不 允许开裂的结构中允许开裂的结构中)无法充分发挥高强度钢筋及高标号混凝土的作用；无法充分发挥高强度钢筋及高标号混凝土的作用；自重大，构件跨径受到限制自重大，构件跨径受到限制。二、预应力混凝土的基本概念二、预应力混凝土的基本概念 预应力混凝土结构，就是事先预应力混凝土结构，就是事先人为地在混凝土或钢筋人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的内力抵销到一个合适程度的混凝土。这种预先给载产生的内力抵销到一个合适程度的混凝土。这种预先给混凝土引入内部
3、应力的结构，就称为预应力混凝土结构。混凝土引入内部应力的结构，就称为预应力混凝土结构。以下图所示简支梁为例。以下图所示简支梁为例。7.1 7.1 概述概述例如，对混凝土或钢筋混凝土的受拉区预先施例如，对混凝土或钢筋混凝土的受拉区预先施加压应力，使之建立一种人为的应力状态，这种应加压应力，使之建立一种人为的应力状态，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的应力，因而使混凝土构件在使用荷载下允下产生的应力，因而使混凝土构件在使用荷载下允许出现拉应力而不致开裂，或推迟开裂，或者限制许出现拉应力而不致开裂，或推迟开裂，或者限制裂缝宽度大小。
4、裂缝宽度大小。以图以图7-17-1所示简支梁为例。所示简支梁为例。上面的算例说明了两个重要的问题：上面的算例说明了两个重要的问题：、由于预先给混凝土梁施加了预压力，使混凝土梁在、由于预先给混凝土梁施加了预压力，使混凝土梁在均布荷载作用下，下缘产生的拉应力完全或部分被预压应力均布荷载作用下，下缘产生的拉应力完全或部分被预压应力所抵消，因而可以所抵消，因而可以避免混凝土出现裂缝或推迟裂缝出现避免混凝土出现裂缝或推迟裂缝出现。、必须针对荷载作用下可能产生的应力状态来施加预应力。、必须针对荷载作用下可能产生的应力状态来施加预应力。所需施加的预压应力所需施加的预压应力y y，不仅与荷载（或者说弯矩，不仅
5、与荷载（或者说弯矩）值的值的大小有关，而且也与大小有关，而且也与y y的作用位置（即偏心距的作用位置（即偏心距 的大小）有的大小）有关。关。加筋混凝土结构的分类：加筋混凝土结构的分类：全预应力混凝土全预应力混凝土 部分预应力混凝土部分预应力混凝土 普通钢筋混凝土（非预应力混凝土普通钢筋混凝土（非预应力混凝土 )按预应力度分类按预应力度分类（1 1）预应力度：）预应力度：由预加应力大小确定的消压弯矩由预加应力大小确定的消压弯矩M M0 0与外与外 荷载产生的弯矩荷载产生的弯矩MsMs的比值。的比值。M M0 0：消压弯矩，消压弯矩，也就是构件抗裂边缘预压应力抵消到也就是构件抗裂边缘预压应力抵消到
6、0 0时的时的 弯矩；弯矩；MsMs：按作用（或荷载）：按作用（或荷载）短期效应组合短期效应组合计算的弯矩。计算的弯矩。全预应力砼构件：全预应力砼构件：1 1 部分预应力砼构件：部分预应力砼构件：1 1 0 0（分为（分为A A类和类和B B类）类）A A类：拉而有限类：拉而有限B B类：裂而有限类：裂而有限钢筋砼构件：不施加预应力的砼构件，即钢筋砼构件：不施加预应力的砼构件，即0 0（2 2）分类：）分类：三、预应力混凝土结构优缺点三、预应力混凝土结构优缺点 1 1、优点：、优点：（）提高了构件的抗裂度和刚度。（）提高了构件的抗裂度和刚度。（）节约材料，降低造价。（）节约材料，降低造价。（）
7、结构质量安全可靠。（）结构质量安全可靠。（）增强结构耐久性（）增强结构耐久性（durabilitydurability）。（）能促进桥梁新体系的发展。（）能促进桥梁新体系的发展。2 2、缺点：、缺点：（）工艺较复杂，对质量要求高。（）工艺较复杂，对质量要求高。（）需要有一定的专门设备。（）需要有一定的专门设备。（）预应力反拱不易控制。（）预应力反拱不易控制。（）设计要求高。（）设计要求高。四、预应力原理在日常生活中的应用四、预应力原理在日常生活中的应用 木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力。当桶中盛水后，木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力。当桶中盛水后，水压引起的拉应力小于预压应力时
8、，桶就不会漏水。水压引起的拉应力小于预压应力时，桶就不会漏水。从书架上取下一叠书，由于受到双手施加的压力，这一叠从书架上取下一叠书，由于受到双手施加的压力，这一叠书就如同一横梁，可以承担全部书的重量。书就如同一横梁，可以承担全部书的重量。木锯是利用预拉力来抵抗压力预先拧紧另一侧的绳子木锯是利用预拉力来抵抗压力预先拧紧另一侧的绳子使锯条预先受拉，如预加拉力大于锯木时产生的压力，使锯条预先受拉，如预加拉力大于锯木时产生的压力，锯条就始终处于受拉状态，不会产生压曲失稳。锯条就始终处于受拉状态，不会产生压曲失稳。一、先张法一、先张法 1 1、定义、定义 先张法是先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。先张
9、法所先张法是先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。先张法所用的预应力钢筋，一般可用高强钢丝、直径较小的用的预应力钢筋，一般可用高强钢丝、直径较小的钢绞线钢绞线。2 2、特点、特点 靠钢筋和混凝土之间的靠钢筋和混凝土之间的粘结力粘结力来传递和保持预应力。来传递和保持预应力。7.2 7.2 预加应力的方法与设备预加应力的方法与设备 3 3、先张法先张法工艺流程图工艺流程图4 4、优点：、优点：先张法生产工艺简单、工序少，效率高、质量容易保证，先张法生产工艺简单、工序少，效率高、质量容易保证，适宜工厂化大批量生产。适宜工厂化大批量生产。5 5、缺点：、缺点：需要专门的张拉台座，基建投资较大。先张法一般
10、宜于生需要专门的张拉台座，基建投资较大。先张法一般宜于生产直线配筋的中小型构件。产直线配筋的中小型构件。二、后张法二、后张法1 1、定义、定义 先浇筑混凝土后张拉钢筋的方法。张拉钢筋的同时，构先浇筑混凝土后张拉钢筋的方法。张拉钢筋的同时，构件混凝土受到预压。件混凝土受到预压。2 2、特点、特点 后张法主要是后张法主要是靠锚具传递和保持预加应力的。靠锚具传递和保持预加应力的。3 3、后张法后张法工艺流程图工艺流程图4 4、优点：、优点：后张法不用加力台座，张拉设备简单，便于现场后张法不用加力台座，张拉设备简单，便于现场施工，是生产大型预应力混凝土构件的主要方法。预施工，是生产大型预应力混凝土构件
11、的主要方法。预应力钢筋可按照需要布置成合理的曲线形。应力钢筋可按照需要布置成合理的曲线形。三、锚、夹具三、锚、夹具 1 1、概念、概念 在制作预应力混凝土构件时锚固预应力筋的一种在制作预应力混凝土构件时锚固预应力筋的一种装置。装置。夹具：夹具：通常把在构件制作完毕后，能够取下重复使用；通常把在构件制作完毕后，能够取下重复使用；锚具：锚具：锚固在构件端部，与构件联成一体共同受力，锚固在构件端部，与构件联成一体共同受力，不能取下重复使用。不能取下重复使用。2 2、对锚、夹具要求：、对锚、夹具要求：（）锚、夹具受力安全可靠；（）锚、夹具受力安全可靠；（）预应力损失小；（）预应力损失小；（）构造简单，
12、制作方便，用钢量少，价格便宜；（）构造简单，制作方便，用钢量少，价格便宜；（）施工设备简便，张拉锚固方便迅速。（）施工设备简便，张拉锚固方便迅速。3 3、锚具的分类、锚具的分类（1 1）依靠摩阻力锚固的锚具；如锥形锚、夹片式群锚、）依靠摩阻力锚固的锚具；如锥形锚、夹片式群锚、JMJM锚锚 （2 2）依靠承压锚固的锚具；如镦头锚、钢筋螺纹锚）依靠承压锚固的锚具；如镦头锚、钢筋螺纹锚 （3 3）依靠粘结力锚固的锚具；如先张法的筋束锚固、）依靠粘结力锚固的锚具；如先张法的筋束锚固、后张法固定端的钢绞线压花锚具后张法固定端的钢绞线压花锚具 4 4、几种常用的锚具、几种常用的锚具 四、预应力张拉机具系列
13、四、预应力张拉机具系列 其它设备：其它设备：五五.预加应力的其它设备预加应力的其它设备千斤顶千斤顶制孔器制孔器抽拔橡胶管抽拔橡胶管螺旋金属波纹管螺旋金属波纹管穿索机穿索机压浆机压浆机张拉台座（先张法）张拉台座（先张法）孔道成型材料孔道成型材料后张有粘结预应力钢筋的孔道成型方法分抽拔型和预埋型两类。后张有粘结预应力钢筋的孔道成型方法分抽拔型和预埋型两类。抽拔型抽拔型抽拔型抽拔型是在浇筑混凝土前预埋钢管或充水（充压）的橡胶管，是在浇筑混凝土前预埋钢管或充水（充压）的橡胶管，在浇筑混凝土后并达到一定强度时拔抽出预埋管，便形成了预留在浇筑混凝土后并达到一定强度时拔抽出预埋管，便形成了预留在混凝土中的孔
14、道。适用于直线形孔道。在混凝土中的孔道。适用于直线形孔道。预埋型预埋型预埋型预埋型是在浇筑混凝土前预埋金属波纹管（或塑料波纹管），是在浇筑混凝土前预埋金属波纹管（或塑料波纹管），在浇筑混凝土后不再拔出而永久留在混凝土中，便形成了预留孔在浇筑混凝土后不再拔出而永久留在混凝土中，便形成了预留孔道。适用于各种线形孔道。道。适用于各种线形孔道。孔道成型材料孔道成型材料一、混凝土材料一、混凝土材料 、预应力混凝土结构中常用混凝土强度等级、预应力混凝土结构中常用混凝土强度等级 公路桥规公路桥规规定：预应力混凝土构件的混凝规定：预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于土强度等级不应低于C40C40。7.3
15、7.3 预应力混凝土结构的材料预应力混凝土结构的材料 2 2 预应力混凝土结构对混凝土的要求预应力混凝土结构对混凝土的要求 强度高强度高 预应力混凝土只有采用较高强度的混预应力混凝土只有采用较高强度的混凝土，才能建立起较高的预压应力，并可减少构件截面尺凝土，才能建立起较高的预压应力，并可减少构件截面尺寸，减轻结构自重。对先张法构件，采用较高强度的混凝寸，减轻结构自重。对先张法构件，采用较高强度的混凝土可以提高黏结强度，对后张法构件，则可承受构件端部土可以提高黏结强度，对后张法构件，则可承受构件端部强大的预压力；强大的预压力；收缩、徐变小收缩、徐变小 这样可以减少由于收缩、徐变这样可以减少由于收
16、缩、徐变引起的预应力损失；引起的预应力损失；快硬、早强快硬、早强 这样可以尽早施加预应力，加这样可以尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率，以利加快施工进度，降低快台座、锚具、夹具的周转率，以利加快施工进度，降低间接费用。间接费用。二、预应力钢筋二、预应力钢筋1、基本要求、基本要求预应力钢筋的强度预应力钢筋的强度越高越好越高越好越高越好越高越好。为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性有一定的塑性有一定的塑性有一定的塑性。要求具要求具有良好的加工性能有良好的加工性能有良好的加工性能有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦，
17、以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。粗的加工要求。钢丝类预应力筋，还要求钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能良好的粘结性能，通常采用通常采用刻痕刻痕或或压波压波方法方法来提高与混凝土粘结强度。来提高与混凝土粘结强度。2 2、预应力钢筋的种类：、预应力钢筋的种类：高强度钢丝；钢绞线；精轧螺纹钢筋。高强度钢丝；钢绞线；精轧螺纹钢筋。普通钢筋种类：光圆钢筋普通钢筋种类：光圆钢筋R235R235，带肋钢筋，带肋钢筋HRB335HRB335、HRB400HRB400和和KL400 KL400 2、种类、种类（1）冷拉低合金钢筋）冷拉低合金钢筋通常将通常将级热轧钢
18、筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。制螺纹，可用套筒直接连接。图图9-6 冷拉低合金钢筋冷拉低合金钢筋（2）中高强钢丝）中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为中强钢丝的为800-1200MPa，高强钢丝的强度为，高强钢丝的强度为1470-1860MPa。钢丝直径为钢丝直径为3-9mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表
19、面可。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用采用刻痕刻痕或或压波压波，也可制成螺旋肋。，也可制成螺旋肋。图图9-7中高强钢丝中高强钢丝消除应力钢丝：消除应力钢丝：消除应力钢丝：消除应力钢丝：钢钢丝经冷拔后，存在有较丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般都需大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。塑性也有所改善。（3 3）钢绞线）钢绞线）钢绞线）钢绞线钢绞线是用钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的
20、一种高强预应力股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中筋，其中以以以以7 7股钢绞线应用最多股钢绞线应用最多股钢绞线应用最多股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为股钢绞线的公称直径为9.5-15.2 mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达860MPa。2股和股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。件，以提高与混凝土的粘结强度。图图9-8钢绞线钢绞线（4 4）热处理钢筋）热处理钢筋）热处理钢筋）热处理钢筋用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强
21、度钢筋，直径为高强度钢筋，直径为6-10mm，抗拉强度为，抗拉强度为1470MPa。除冷拉低合金钢筋外，其余预应。除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点应变曲线均无明显屈服点，采用采用采用采用残余应变为残余应变为残余应变为残余应变为0.2%0.2%的条件屈服点作为抗的条件屈服点作为抗的条件屈服点作为抗的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。拉强度设计指标。拉强度设计指标。拉强度设计指标。小小 结结 深刻认识预应力混凝土结构的概念、工作原理深刻认识预应力混凝土结构的概念、工作原理 与实施；与实施；深刻认识预应力混凝土结构设计、施工中的一些深刻认识预应力混凝土结构设计、
22、施工中的一些 关键问题、难点内容，注意事项；关键问题、难点内容，注意事项；熟悉预应力混凝土结构所用材料的要求与实施；熟悉预应力混凝土结构所用材料的要求与实施；掌握预应力混凝土结构预加力的方法。掌握预应力混凝土结构预加力的方法。7.47.4预应力混凝土受弯构件受力阶段分析预应力混凝土受弯构件受力阶段分析一、预应力混凝土受弯构件的受力阶段分析与特点一、预应力混凝土受弯构件的受力阶段分析与特点 设问设问：预应力混凝土受弯构件的受力过程是怎样的呢预应力混凝土受弯构件的受力过程是怎样的呢 与普通钢筋混凝土受弯构件的受力阶段相同吗与普通钢筋混凝土受弯构件的受力阶段相同吗钢筋混凝土钢筋混凝土 施工阶段施工阶
23、段 整体工作整体工作 使用阶段使用阶段 带裂缝工作带裂缝工作 破坏阶段破坏阶段 破坏阶段破坏阶段 预应力混凝土预应力混凝土后张法构件工艺：后张法构件工艺：预加应力阶段预加应力阶段钢筋骨架制作钢筋骨架制作预埋管道预埋管道浇注浇注混凝土混凝土抽拔管道抽拔管道 穿索穿索张拉张拉封端封端存梁存梁吊梁吊梁就位就位运输安装阶段：运输安装阶段：1 1、施工阶段、施工阶段 预加应力预加应力和和运输安装运输安装二个受力阶段。二个受力阶段。1）预加应力阶段预加应力阶段钢筋骨架制作与预埋管道钢筋骨架制作与预埋管道浇注混凝土预应力钢筋穿索预应力钢筋穿索预应力钢筋张拉预应力钢筋张拉封端存梁封端存梁架梁架梁先张法工艺先张
24、法工艺在台座上在台座上张拉力筋张拉力筋放张放张封端封端存梁存梁吊梁吊梁就位就位预加应力阶段预加应力阶段运输安装阶段：运输安装阶段：钢筋骨架钢筋骨架制作制作灌注灌注 混凝土混凝土 预加应力阶段横截面上应力的特点预加应力阶段横截面上应力的特点:上缘上缘(预拉区预拉区)：可能是：可能是拉应力拉应力、零应力零应力、压应力压应力 下缘下缘(预压区预压区)：储备很大的压应力：储备很大的压应力 结论：结论：预加应力阶段就是使混凝土储备预加应力阶段就是使混凝土储备强大的预压应力，强大的预压应力，同同时还要保证梁的质量。时还要保证梁的质量。设计计算内容：设计计算内容：预加力预加力(张拉力张拉力)的控制；的控制；
25、混凝土上、下缘的应力满足混凝土上、下缘的应力满足规范规范要求；要求；端部锚固区局部承受能力满足要求，不能出端部锚固区局部承受能力满足要求，不能出现裂缝。现裂缝。计算的特点：计算的特点：计算方法：采用材料力学的方法计算方法：采用材料力学的方法 荷载：有效预应力最大，荷载最小，仅有自荷载：有效预应力最大，荷载最小，仅有自重作用。重作用。混凝土的强度相对较低，没有完全达到设计强混凝土的强度相对较低，没有完全达到设计强度。度。压浆前，采用净截面几何特性压浆前，采用净截面几何特性2 2）运输安装阶段运输安装阶段 与预加应力阶段的与预加应力阶段的差别差别：受力模式不同，增大拉应力。：受力模式不同，增大拉应
26、力。在预加应力阶段梁体上缘可能产生在预加应力阶段梁体上缘可能产生拉应力拉应力；吊梁时产生负弯矩，吊梁时产生负弯矩，增加上缘的拉应力增加上缘的拉应力；起吊放梁的冲击作用，起吊放梁的冲击作用，加大了拉应力加大了拉应力效应。效应。公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范计计入入1.21.2或或0.850.85的动力系数，验算构件支点或吊点截面混的动力系数，验算构件支点或吊点截面混凝土的拉应力。荷载效应有利时计凝土的拉应力。荷载效应有利时计0.850.85的动力系数，的动力系数，不利时计不利时计1.21.2的动力系数。的动力系数。建筑建筑混凝土结构设计规范混凝土
27、结构设计规范6.1.116.1.11条：预应力条：预应力混凝土结构构件的施工阶段，除了进行承载力极限状混凝土结构构件的施工阶段，除了进行承载力极限状态验算外，对预拉区不允许出现裂缝的构件或预压时态验算外，对预拉区不允许出现裂缝的构件或预压时全截面受压的构件，在预加力、自重及施工荷载（全截面受压的构件，在预加力、自重及施工荷载（必必要时应考虑动力系数要时应考虑动力系数）作用下，其截面边缘混凝土的）作用下，其截面边缘混凝土的法向应力尚应符合下列规：法向应力尚应符合下列规：2、使用阶段、使用阶段桥梁通车运营使用整个工作阶段桥梁通车运营使用整个工作阶段运营运营阶段。它经历了消压、裂缝出现和带裂缝工作阶
28、段。它经历了消压、裂缝出现和带裂缝工作.全预应力混凝土结构此阶段全预应力混凝土结构此阶段不允许出现拉应力；不允许出现拉应力；A类部分预应力混凝土类部分预应力混凝土，允许出现拉应力，不，允许出现拉应力，不允许开裂；允许开裂；B类部分预应力混凝土，类部分预应力混凝土，允许出现裂缝，裂缝允许出现裂缝，裂缝宽度不超过规定值。宽度不超过规定值。1 1）消压阶段）消压阶段 偏心预加力偏心预加力+一期恒载一期恒载G1G1+二期恒载二期恒载G2G2+活荷载活荷载Q Q。图图13-2 13-2 消压阶段各种作用下控制截面的应力分布消压阶段各种作用下控制截面的应力分布 消压以前的状态是预应力混凝土消压以前的状态是
29、预应力混凝土所特有的，所特有的，消压消压后与钢筋混凝土受弯构件处于同一后与钢筋混凝土受弯构件处于同一“起点起点”。2 2）裂缝出现）裂缝出现 在使用荷载作用下截面下边缘经历了在使用荷载作用下截面下边缘经历了压应力压应力零应力零应力拉应力拉应力混凝土开裂混凝土开裂.3 3）带裂缝工作）带裂缝工作 混凝土开裂退出工作，钢筋应力增加直到屈服，中性轴混凝土开裂退出工作，钢筋应力增加直到屈服，中性轴上移，受压混凝土应力变大。上移，受压混凝土应力变大。设计计算内容：设计计算内容：混凝土的正应力、主应力、力筋的应力均应满足混凝土的正应力、主应力、力筋的应力均应满足要求要求;进行构件的正截面、斜截面抗裂性验算
30、进行构件的正截面、斜截面抗裂性验算;（全预（全预应力、应力、A类部分类部分预应力混凝土）预应力混凝土）构件维持正常使用的变形验算。构件维持正常使用的变形验算。计算的特点计算的特点:预应力损失大部分已经发生，有效预应力小；预应力损失大部分已经发生，有效预应力小；外荷载最大，包括全部使用活载；外荷载最大，包括全部使用活载；用换算截面几何特性；用换算截面几何特性；计算方法：全预应力结构，采用材料力学方法。计算方法：全预应力结构，采用材料力学方法。3 3、破坏阶段、破坏阶段极限承载力状态极限承载力状态 极限状态时，受拉钢筋先屈服，后受压区混凝土压碎，极限状态时，受拉钢筋先屈服，后受压区混凝土压碎，破坏
31、时的破坏时的应力状态应力状态与钢筋混凝土与钢筋混凝土相似相似，计算方法相同计算方法相同。特别注意：特别注意：预应力混凝土结构的预应力混凝土结构的极限承载力极限承载力也是以材料强也是以材料强度耗尽而结束。度耗尽而结束。预应力对构件的承载力有什么影响预应力对构件的承载力有什么影响 开裂线开裂线Mw弯矩弯矩-挠度曲线比较挠度曲线比较钢筋混凝土受弯构件钢筋混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件预应力混凝土受弯构件受力阶段的特点预应力混凝土受弯构件受力阶段的特点 受力阶段受力阶段 项目项目施工阶段施工阶段使用阶段使用阶段破坏阶段破坏阶段外观特征外观特征 荷载荷载-挠度曲线挠度曲线梁无裂梁
32、无裂 直线直线出现裂缝，带裂缝工出现裂缝，带裂缝工作作 出现转折点出现转折点拉区开裂拉区开裂 接近水平线接近水平线混凝土应力混凝土应力(拉、压）拉、压）几乎全截面受压几乎全截面受压 梁的顶部可能有梁的顶部可能有拉应力拉应力下缘由下缘由压应力压应力-拉应力拉应力-开裂开裂，上缘压应力逐，上缘压应力逐渐变大渐变大下缘开裂退出工作，下缘开裂退出工作，上缘混凝土压碎上缘混凝土压碎预应力钢筋应力预应力钢筋应力有效预应力较大有效预应力较大 拉应力增加拉应力增加受拉屈服受拉屈服与设计计算的联系与设计计算的联系施工阶段应力控施工阶段应力控制的依据制的依据正常使用计算正常使用计算 的依据的依据强度计算强度计算
33、的依据的依据 二、构件的消压弯矩、开裂弯矩、极限弯矩的计算二、构件的消压弯矩、开裂弯矩、极限弯矩的计算 1 1、消压弯矩、消压弯矩 定义：使定义：使控制截面下边缘达到零应力控制截面下边缘达到零应力状态时称为状态时称为消压消压，此，此时时外荷载弯矩外荷载弯矩为消压弯矩为消压弯矩 。2 2、开裂弯矩、开裂弯矩 “消压消压”后，混凝土出现拉应力，随即开裂后，混凝土出现拉应力，随即开裂3 3、破坏弯矩、破坏弯矩 当钢筋屈服，混凝土压碎时达到极限时当钢筋屈服，混凝土压碎时达到极限时,对应极限弯矩对应极限弯矩称为破坏弯矩。称为破坏弯矩。破坏弯矩破坏弯矩与同材料、同截面的（无预应力）钢筋混凝土构与同材料、同
34、截面的（无预应力）钢筋混凝土构件件完全相同完全相同。7.5张拉控制应力与预应力损失的计算张拉控制应力与预应力损失的计算一、张拉控制应力的确定一、张拉控制应力的确定 张拉控制应力张拉控制应力:指张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值，其值为张拉指张拉预应力钢筋时所控制的最大应力值，其值为张拉设备所控制的总的张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值。设备所控制的总的张拉力除以预应力钢筋面积得到的应力值。有效预应力：有效预应力：预应力筋中实际存余的预应力预应力筋中实际存余的预应力 从充分发挥预应力优点的角度考虑，张拉控制应力宜尽从充分发挥预应力优点的角度考虑，张拉控制应力宜尽可能地定得高一些，可能地定得高一
35、些，concon定得高，形成的有效预压应力高，定得高，形成的有效预压应力高，构件的抗裂性能好，且可以节约钢材，但如果控制应力过高，构件的抗裂性能好，且可以节约钢材，但如果控制应力过高，会出现以下问题：会出现以下问题：concon越高，构件的开裂荷载与极限荷载越接近，使构越高，构件的开裂荷载与极限荷载越接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力甚至开裂，对在施工阶段会使构件的某些部位受到拉力甚至开裂，对后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏。后张法构件有可能造成端部混凝土局部受压破坏。有时为了减少预应力损失，需对
36、钢筋进行超张拉，由于有时为了减少预应力损失，需对钢筋进行超张拉，由于钢材材质的不均匀，可能使个别钢筋的应力超过它的实际屈钢材材质的不均匀，可能使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度，而使钢筋产生较大塑性变形或脆断，使施加的预应服强度，而使钢筋产生较大塑性变形或脆断，使施加的预应力达不到预期效果。力达不到预期效果。使预应力损失增大使预应力损失增大 。concon也不能定得过低，它应有下限值。否则预应力钢筋也不能定得过低，它应有下限值。否则预应力钢筋在经历各种预应力损失后，对混凝土产生的预压应力过小，在经历各种预应力损失后，对混凝土产生的预压应力过小，达不到预期的抗裂效果。达不到预期的抗裂效果。张拉
37、控制应力大小的确定与预应力钢筋的张拉控制应力大小的确定与预应力钢筋的品种品种和施加预和施加预应力的应力的方法方法有关。有关。先先张张法法构构件件的的concon值值适适当当高高于于后后张张法法构构件件，原原因因在在于于先先张张法法的的张张拉拉力力是是由由台台座座承承受受，预预应应力力钢钢筋筋受受到到实实足足的的张张拉拉力力，当当放放松松钢钢筋筋时时，混混凝凝土土受受到到压压缩缩，钢钢筋筋随随之之缩缩短短，从从而而使使预预应应力力钢钢筋筋中中的的应应力力有有所所降降低低，而而后后张张法法的的张张拉拉力力是是由由构构件件承承受受，构构件件受受压压后后立立即即缩缩短短，所所以以张张拉拉设设备备所所指
38、指示示的的控控制制应应力力是是已已扣扣除除混混凝凝土土弹弹性性压压缩缩后后的的钢钢筋筋应应力力，为为了了使使两两种种方方法法所所得得预预应应力力保持在相同水平，保持在相同水平，故后张法的故后张法的concon应适当低于先张法应适当低于先张法。冷拉热轧钢筋塑性较好，有明显的流幅，以屈服冷拉热轧钢筋塑性较好，有明显的流幅，以屈服强度作为标准值，故强度作为标准值，故concon定得高，冷拔低碳钢丝、钢定得高，冷拔低碳钢丝、钢绞线、热处理钢筋属于无明显流幅的钢筋，塑性差，绞线、热处理钢筋属于无明显流幅的钢筋，塑性差，且以极限抗拉强度作为标准值，故且以极限抗拉强度作为标准值，故concon定得低。定得低
39、。公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定，预规定，预应力应力 钢筋端部（锚下）的控制应力应符合下列规定：钢筋端部（锚下）的控制应力应符合下列规定：对于钢丝、钢绞线对于钢丝、钢绞线 对于精轧螺纹钢筋对于精轧螺纹钢筋 在实际工程中，对于仅需在短时间内保持高应力的钢在实际工程中，对于仅需在短时间内保持高应力的钢筋，可以进行筋，可以进行超张拉，超张拉，但在但在任何情况下任何情况下，钢筋的最大张拉，钢筋的最大张拉控制应力，对于钢丝、纲绞线不应超过控制应力，对于钢丝、纲绞线不应超过0.8 0.8 ；对于精轧；对于精轧螺纹钢筋不应超螺纹钢筋不应超0.95 0.9
40、5 。二、预应力损失及其计算二、预应力损失及其计算 钢筋的张拉控制应力，从开始张拉至构件使用；由于钢筋的张拉控制应力，从开始张拉至构件使用；由于张拉工艺和材料特性等原因将不断降低，这种预应力降低张拉工艺和材料特性等原因将不断降低，这种预应力降低的现象称为预应力损失。预应力损失包括以下的现象称为预应力损失。预应力损失包括以下6 6项：项：1 1）预应力筋与管道壁间摩擦引起的应力损失）预应力筋与管道壁间摩擦引起的应力损失 摩擦损失摩擦损失摩擦损失包括两部分：摩擦损失包括两部分：由管道的位置偏差引起的、孔壁粗糙及钢筋表面的粗糙由管道的位置偏差引起的、孔壁粗糙及钢筋表面的粗糙等原因，使得预应力钢筋与孔
41、壁摩擦产生损失等原因，使得预应力钢筋与孔壁摩擦产生损失也称为也称为管道偏差影响（或称长度影响）摩擦损失管道偏差影响（或称长度影响）摩擦损失，其数值较小；，其数值较小；张拉曲线预应力钢筋，由于孔道的曲率，预应力筋与孔张拉曲线预应力钢筋，由于孔道的曲率，预应力筋与孔之间产生径向压力所引起的摩擦损失之间产生径向压力所引起的摩擦损失称为弯道影响摩称为弯道影响摩擦损失，其数值较大。擦损失，其数值较大。摩擦损失计算公式为：摩擦损失计算公式为：减少摩擦损失的措施减少摩擦损失的措施：采用两端张拉，以减小加值采用两端张拉，以减小加值 及管道长度及管道长度x x值；值；采用超张拉。对于后张法预应力钢筋，其张拉工艺
42、按下列采用超张拉。对于后张法预应力钢筋，其张拉工艺按下列要求进行：要求进行：对于钢绞线束对于钢绞线束 对于钢丝束对于钢丝束 2 2）锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失）锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的应力损失锚具损失锚具损失 当预应力张拉结束并进行锚固时，锚具受力变形、缝当预应力张拉结束并进行锚固时，锚具受力变形、缝隙被挤密以及钢筋向内回缩，此外，拼装式构件的接缝，隙被挤密以及钢筋向内回缩，此外，拼装式构件的接缝，在锚固后也将被压密变形引起的应力损失在锚固后也将被压密变形引起的应力损失 ：锚具变形和钢筋内缩值 锚 具 类 别(mm)带螺帽的锚具（包括钢丝束的锥形螺杆锚具、筒式锚具等）
43、螺帽缝隙1每块后加垫板的缝隙1钢丝束的镦头锚具1钢丝束的钢制锥形锚具5夹片式锚具有预压时5无预压时68减小损失的方法减小损失的方法：选择锚具变形和钢筋内缩值较小的锚具；选择锚具变形和钢筋内缩值较小的锚具；尽量减少垫板的数量；尽量减少垫板的数量；对先张法，可增加台座的长度。对先张法，可增加台座的长度。3 3）钢筋与台座间的温差引起的应力损失）钢筋与台座间的温差引起的应力损失温差损失温差损失 先张法构件先张法构件在采用蒸汽或其他加热方法养护混凝土时，在采用蒸汽或其他加热方法养护混凝土时，新浇混凝土尚未结硬，钢筋受热膨胀，台座固定不动，即新浇混凝土尚未结硬，钢筋受热膨胀，台座固定不动，即钢筋长度保持
44、不变，钢筋中的应力随温度的增高而降低而钢筋长度保持不变，钢筋中的应力随温度的增高而降低而产生的应力损失产生的应力损失 。减小温差损失减小温差损失，常采用二次升温的养护方法，即第一，常采用二次升温的养护方法，即第一次由常温升温至进行养护。次由常温升温至进行养护。初次升温的温度一般控制在初次升温的温度一般控制在2020以内，待混凝土达到以内，待混凝土达到一定强度（例如一定强度（例如7.5-10MPa7.5-10MPa）能够阻止钢筋在混凝土中自）能够阻止钢筋在混凝土中自由滑移后，再将温度升至进行养护。由滑移后，再将温度升至进行养护。4 4）混凝土弹性压缩引起的应力损失）混凝土弹性压缩引起的应力损失弹
45、性压缩损失弹性压缩损失 当混凝土受到预压力产生压缩变形时，对于已经张拉锚固当混凝土受到预压力产生压缩变形时，对于已经张拉锚固于构件上的预应力钢筋来说，也会产生压缩应变于构件上的预应力钢筋来说，也会产生压缩应变 ，从而产生应力损失，既混凝土弹性压缩损失从而产生应力损失，既混凝土弹性压缩损失 。（1 1）先张法构件）先张法构件 当预应力钢筋放张时，混凝土的弹性压缩应变引起的当预应力钢筋放张时，混凝土的弹性压缩应变引起的应力损失为：应力损失为：（2 2）后张法构件）后张法构件 后张法构件一般是采用分批张拉锚固，先张拉的钢筋后张法构件一般是采用分批张拉锚固，先张拉的钢筋就要受到后张拉钢筋所引起的混凝土
46、弹性压缩产生的应力损就要受到后张拉钢筋所引起的混凝土弹性压缩产生的应力损失，称为分批张拉应力损失，也以失，称为分批张拉应力损失，也以 表示。表示。公路桥规公路桥规规定规定 可按下式计算：可按下式计算：5 5）钢筋松弛引起的应力损失）钢筋松弛引起的应力损失松弛损失松弛损失 钢筋长度固定不变，则钢筋中的应力将随时间延长而钢筋长度固定不变，则钢筋中的应力将随时间延长而降低，产生钢筋的应力松弛，图降低，产生钢筋的应力松弛，图7-117-11为典型的预应力钢筋为典型的预应力钢筋松弛曲线。松弛曲线。图图7-11 7-11 典型的预应力钢筋松弛曲线典型的预应力钢筋松弛曲线由钢筋松弛引起的应力损失终值，按下列
47、规定计算：由钢筋松弛引起的应力损失终值，按下列规定计算：对于精轧螺纹钢筋对于精轧螺纹钢筋 一次张拉一次张拉 超张拉超张拉 对于预应力钢丝、钢绞线对于预应力钢丝、钢绞线 公路桥规公路桥规还规定，对碳素钢丝、钢绞线，当还规定，对碳素钢丝、钢绞线，当 时，应力松弛损失值为零。时，应力松弛损失值为零。减小的措施：减小的措施：采用超张拉，或者采用低松弛的预应力钢筋。采用超张拉，或者采用低松弛的预应力钢筋。6 6）混凝土收缩和徐变引起的应力损失）混凝土收缩和徐变引起的应力损失收缩徐变损失收缩徐变损失 混凝土收缩、徐变会使预应力混凝土构件缩短，引起的应混凝土收缩、徐变会使预应力混凝土构件缩短，引起的应力损失
48、。力损失。（1 1）受拉区预应力钢筋的预应力损失为：）受拉区预应力钢筋的预应力损失为：（2 2）受压区配置预应力钢筋）受压区配置预应力钢筋 和非预应力钢筋和非预应力钢筋 的构件，的构件，由混凝土收缩、徐变引起构件受压区预应力钢筋的预应损由混凝土收缩、徐变引起构件受压区预应力钢筋的预应损失失 为：为：应当指出，混凝土收缩、徐变应力损失，与钢筋的松弛应当指出，混凝土收缩、徐变应力损失，与钢筋的松弛 应力损失等是相互影响的，目前采用分开单独计算的方法不应力损失等是相互影响的，目前采用分开单独计算的方法不 够完善。够完善。减小减小 的措施：的措施：采用高强混凝土，提高施工养护质量。采用高强混凝土，提高
49、施工养护质量。采用高标号水泥，以减少水泥用量；采用高标号水泥，以减少水泥用量；采用高效减水剂，以减小水灰比；采用高效减水剂，以减小水灰比；采用级配好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；采用级配好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；三、钢筋的有效预应力计算三、钢筋的有效预应力计算 预应力钢筋的有效预应力预应力钢筋的有效预应力 为预应力钢筋控制应力为预应力钢筋控制应力 扣除相应阶段的应力损失扣除相应阶段的应力损失 后实际存余的应力值。具体如后实际存余的应力值。具体如表表13-113-1所示。所示。表表13-113-1各阶段预应力损失值的组合各阶段预应力损失值的组合 预应力损失值的组合预应力损失
50、值的组合先张法构件先张法构件后张法构件后张法构件传力锚固时的损失传力锚固时的损失（第一批）（第一批）传力锚固后的损失传力锚固后的损失（第二批）（第二批）预应力钢筋的有效预应力：预应力钢筋的有效预应力：在预加应力阶段，预应力筋中的有效预应力为：在预加应力阶段，预应力筋中的有效预应力为：在使用阶段，预应力筋中的有效预应力，即永存预应力为：在使用阶段，预应力筋中的有效预应力，即永存预应力为：7.6 7.6 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 预应力混凝土受弯构件的应力分析与预应力混凝土轴心受拉构件并无原则区别，也分为施工阶段和使用阶段。在施工阶段和使用阶段混凝土开裂前都用材料力学的