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1、第 10章预应力混凝土构件思 考 题10.1 为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，避免因满足变形和裂缝控制的要求而导致构件自重过大所造成的不经济和不能应用于大跨度结构，也为了能充分利用高强度钢筋及高强度混凝土，可以采用对构件施加预应力的方法来解决，即设法在结构构件受荷载作用前，使它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而使结构构件的拉应力不大，甚至处于受压状态。预应力混凝土结构的优点是可以延缓混凝土构件的开裂，提高构件的抗裂度和刚度，并取得节约钢筋，减轻自重的效果，克服了钢筋混凝土的主要缺点。其缺点是构造、施工和计算均较钢筋混凝土构件复杂，且延性也差些。10.2 预应力混凝土结
2、构构件必须采用强度高的混凝土，因为强度高的混凝土对采用先法的构件，可提高钢筋预混凝土之间的粘结力，对采用后法的构件，可提高锚固端的局部承压承载力。预应力混凝土构件的钢筋（或钢丝）也要求由较高的强度，因为混凝土预压应力的大小，取决于预应力钢筋拉应力的大小，考虑到构件在制作过程中会出现各种应力损失，因此需要采用较高的拉应力，也就要求预应力钢筋具有较高的抗拉强度。10.3 拉控制应力是指预应力钢筋在进行拉时所控制达到的最大应力值。其值为拉设备所指示的总拉力除以预应力钢筋截面面积而得的应力值，以con表示。拉控制应力的取值不能太高也不能太低。如果拉控制应力取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，对混凝土
3、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。如果拉控制应力取值过高，则可能引起以下问题：1）在施工阶段会使构件的某些部位受到预拉力甚至开裂，对后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继续荷载值很接近，使构件在破坏前无明显的预兆，构件的延性较差；3）为了减小预应力损失，有时需进行超拉，有可能在超拉过程中使个别钢筋的应力超过它的实际屈服强度，使钢筋产生较大塑性变形或脆断。对于相同的钢种，先法的拉控制应力的取值高于后法，这是由于先法和后法建立预应力的方式是不同的。先法是在浇灌混凝土之前在台座上拉钢筋，故在预应力钢筋中建立的拉应力就是拉控制应力con。后法
4、是在混凝土构件上拉钢筋，在拉的同时，混凝土被压缩，拉设备千斤顶所指示的拉控制应力已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。为此，后法构件的con值应适当低于先法。10.4 预应力损失主要有以下六项：1）预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋缩引起的预应力损失1l；2）预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失2l；3）混凝土加热养护时受拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的预应力损失3l；4）预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失4l；5）混凝土收缩、徐变的预应力损失5l、5l；6）用螺旋式预应力钢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6l。第一种预应力损失1l是当预应力直线钢筋拉到c
5、on后，锚固在台座或构件上时，由于锚具、垫板与构件之间的缝隙被挤紧，以及由于钢筋和锲块在锚具的滑移，使得被拉紧的钢筋缩所引起的。减少1l损失的措施有：1）选择锚具变形小或使预应力钢筋缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板；3）增加台座长度。第二种预应力损失2l是采用后法拉直线预应力钢筋时，由于预应力钢筋的表面形状，孔道成型质量情况，预应力钢筋的焊接外形质量情况，预应力钢筋与孔道摩擦程度等原因，使钢筋在拉过程中与孔壁接触产生摩擦阻力而引起的。减少2l损失的措施有：1）对于较长的构件可在两端进行拉，但这个措施将引起1l的增加，应用时需加以注意；2）采用超拉，如拉程序为：1.1con停 2min 0.85
6、con停 2min con。第三种预应力损失3l是在采用先法浇灌混凝土后由于采用蒸汽养护的办法加速混凝土的硬结，使得升温时钢筋受热自由膨胀所引起的。减小3l损失的措施有：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，再逐渐升温至规定的养护温度；2）在钢模上拉预应力钢筋。第四种预应力损失4l是由于钢筋的松弛和徐变所引起的。减小4l损失的措施有：进行超拉。先控制拉应力达1.05con1.1con，持荷 25min，然后卸载再施加拉应力至con。第五种预应力损失5l、5l是由于混凝土发生收缩和徐变，使得构件的长度缩短，造成预应力钢筋随之缩而引起的。减小5l损失的措施有：1）采用高标
7、号水泥，减少水利用量，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。第六种预应力损失6l是采用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件时，由于预应力钢筋对混凝土的挤压，使环形构件的直径有所减小，预应力钢筋缩短而引起的。10.5 因为六项预应力损失值有的只发生在先法构件中，有的只发生在后法构件中，有的两种构件均有，而且是分批产生的，因此，为了便于分析和计算，规按混凝土预压前和混凝土预压后将预应力损失值分为第一批损失l和第二批损失l。先法构件的预应力损失值的组合：第一批损失为1l2l3l4l，第二批损失为5l；后法构件的预应力损失值的
8、组合：第一批损失为1l2l，第二批损失为4l5l6l。10.6 （1）先法预应力轴心受拉构件在施工阶段：1）拉预应力钢筋时，预应力钢筋应力拉至con，非预应力钢筋部承受任何应力；2）在混凝土受到预压应力之前，完成第一批损失，此时预应力钢筋的拉应力由con降低到peconl，混凝土应力pc0，非预应力钢筋应力s0；3）放松预应力钢筋时，混凝土获得的预压应力为pcpEsEcpcon)(AAAAlpEnpAAN=0pAN，预应力钢筋应力s相应减小了Epc，即peconlEpc，同时，非预应力钢筋也得到预压应力sEpc；4）混凝土受到预压应力，完成第二批损失之后，混凝土所受的预压应力由pc降低至pcp
9、EsEcs5pcon)(AAAAAll=0s5pAANl，预应力钢筋的拉应力也由pe降低至peconlEpc，非预应力钢筋的压应力降至sEpc5l。在使用阶段：1）加载至混凝土应力为零时，混凝土的应力值变为零，预应力钢筋的拉应力0p是在pe的基础上又增加Epc，即0pconl，非预应力钢筋的压应力s是在原来压应力s的基础上增加了一个拉应力Epc，即ssEpc5l；2）加载至裂缝即将出现时，混凝土的拉应力即为混凝土轴心抗拉强度标准值ftk，预应力钢筋的拉应力crp是在0p的基础上再增加Eftk，即crpconlEftk，非预应力钢筋的应力s由压应力转为拉应力，其值为sEftk5l；3）加载至破坏
10、时，混凝土开裂，不再承受应力，预应力钢筋及非预应力钢筋的应力分别达到抗拉强度设计值fpy和fy。（2）后法预应力轴心受拉构件在施工阶段：1）浇灌混凝土后，养护至钢筋拉前，截面中不产生任何应力；2）拉预应力钢筋时，混凝土所获得的预压应力cpsEcp2con)(AAAlnp2con)(AAl，预应力钢筋的拉应力epcon2l，非预应力钢筋的压应力为Ecp；3）混凝土受到预压应力之前，完成第一批损失，混凝土的预压应力变为pcsEcpcon)(AAAlnpAN，预应力钢筋的拉应力由ep降低至peconl，非预应力钢筋的压应力变为sEpc；4）混凝土受到预压应力，完成第二批损失，混凝土所获得的预压应力变
11、为pcsEcs5pcon)(AAAAll=ns5pcon)(AAAll，预应力钢筋的拉应力由pe降低至peconl，非预应力钢筋中的压应力为sEpc5l。在使用阶段：1）加载至混凝土应力为零时，预应力钢筋的拉应力是在0p是在pe的基础上增加Epc，即0pconlEpc，非预应力钢筋的应力s在原来的压应力s的基础上，增加了一个拉应力Epc，即ssEpc5l；2）加载至裂缝即将出现时，混凝土的拉应力达到ftk，预应力钢筋的拉应力crp是在0p的基础上再增加Eftk，即crpconlEpcEftk，非预应力钢筋的应力s由压应力5l转为拉应力，其值为sEftk5l；3）加载至破坏时，混凝土不再承受应力
12、，预应力钢筋及非预应力钢筋的应力分别达到fpy和fy。10.7 由于预应力混凝土轴心受拉先法构件，产生弹性回缩时已拉完毕，混凝土、普通钢筋和预应力钢筋一同回缩，故计算pc时用A0；而后法构件是在拉钢筋的过程中产生弹性回缩的，此时只有混凝土和普通钢筋一同回缩，故计算pc时用An。但在使用阶段，由于在轴心拉力作用下，无论先法还是后法，混凝土、普通钢筋和预应力钢筋都是一同受拉的，故先法构件和后法构件都采用A0计算轴力。先法的A0计算如下：A0AcsEApEA，后法的An计算如下：AnAcsEA。10.8 对于预应力混凝土轴向受拉构件，如采用相同的控制应力con，预应力损失值也相同，则当加载至混凝土预
13、压应力cp0，即截面处于消压状态时，先法与后法两种构件中钢筋的应力p不相同，前者pconl，后者pconlEpc，所以后法构件的p较大。10.9 在构件混凝土构件的最大裂缝宽度计算公式中，sk是指按荷载效应的标准组合计算的混凝土构件裂缝截面处纵向受拉钢筋的应力，即此时混凝土不承受任何应力，因此，对钢筋混凝土轴心受拉构件：sksk/AN。而对于预应力混凝土轴心受拉构件，由于施工阶段使得混凝土产生了有效预压应力pc，因此，必须先消掉混凝土的法向pc，使混凝土的应力等于零，即需给预应力混凝土轴心受拉构件施加一个消压轴向拉力N0pcA0，然后，在此基础上，在轴向力Nk的作用下，求得的纵向受拉钢筋（包括
14、预应力纵筋和非预应力纵筋）的应力才等效于钢筋混凝土构件最大裂缝宽度计算公式中的sk。故在预应力混凝土轴心受拉构件的最大裂缝宽度计算公式中，sk意为按荷载效应的标准组合计算的预应力混凝土构件纵向受拉钢筋的等效应力，其值为：skspP0kAANN10.10 对于先法预应力混凝土构件，当放松钢筋时，钢筋发生缩或滑移的现象，在构件端面以，钢筋的缩受到周围混凝土的阻止，使得钢筋受拉，产生了预拉应力p，随离构件端部距离x的增大，由于粘结力的积累，预应力钢筋的预拉应力p将随之增大，当x达到一定长度ltr时，在ltr长度的粘结力与预拉力pAp平衡，自ltr长度以外，预应力钢筋将建立起稳定的预拉应力pe，此时，
15、长度ltr即称为先法构件预应力钢筋的预应力传递长度。先法预应力混凝土构件的预压应力是靠构件两端一定距离钢筋和混凝土之间的粘结力来传递的，其传递并不能在构件的端部集中一点完成，而必须通过一定的传递长度进行。由于在先法构件预应力钢筋的传递长度ltr围的预应力值较小，所以对先法预应力混凝土构件端部进行斜截面受剪承载力计算以及正截面、斜截面抗裂验算时，应考虑预应力钢筋在其传递长度ltr围实际应力值的变化。因此，我们有必要分析预应力的传递长度ltr。预应力钢筋的预应力传递长度ltr可按下式计算：dfltkpetr式中pe放时预应力钢筋的有效预应力值；d预应力钢筋的公称直径；预应力钢筋的外形系数；tkf与
16、拉时混凝土立方体抗亚强度cuf相应的轴心抗拉强度标准值。10.11 后法构件的预应力是通过锚具经垫板传递给混凝土的。由于预压力很大时，而锚具下的垫板与混凝土的力接触面积往往很小，锚具下的混凝土将承受较大的局部压力，在局部压力的作用下，当混凝土强度或变形的能力不足时，构件端部会产生裂缝，甚至会发生局部受压破坏。为此，混凝土结构设计规规定，设计时既要保证在拉钢筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和不产生过大的变形，又要求计算锚具下所需配置的间接钢筋以满足局部受压承载力的要求。因此，为了满足构件端部局部受压区的抗裂要求，防止该区段混凝土由于施加预应力而出现沿构件长度方向的裂缝，对配置间接钢筋的混凝土结构构
17、件，应控制局部受压区的截面尺寸符合一定要求；为了有效地提高锚固区段的局部受压强度，防止局部受压破坏，应在锚固区段配置间接钢筋。10.12 对受弯构件的纵向受拉钢筋施加预应力后，其正截面受弯承载力不会提高，斜截面受剪承载力将有所增加。这是因为预应力混凝土受弯构件破坏时正截面上的应力状态与钢筋混凝土受弯构件的应力状态相类似，即破坏时截面上受拉区的预应力钢筋先达到屈服强度，而后受压区混凝土被压碎使截面破坏，其正截面受弯承载力计算值与相同材料强度等级及相同截面尺寸和配筋的钢筋混凝土受弯构件的正截面受弯承载力计算值完全相同。但对于斜截面受剪承载力，由于预应力抑制了斜裂缝的出现和发展，增加了混凝土剪压区高
18、度，从而提高了混凝土剪压区的受剪承载力，故预应力混凝土受弯构件的斜截面受剪承载力比钢筋混凝土受弯构件的大些。10.13 预应力混凝土受弯构件正截面的界限相对受压区高度b与钢筋混凝土受弯构件正截面的界限相对受压区高度b不相同。这是因为预应力混凝土受弯构件当受拉区预应力钢筋合力点处混凝土预压应力为零时，预应力钢筋中的应力达到0p，相应的预拉应变为sp0p0/E。界限破坏时，预应力钢筋到达抗拉强度设计值fpy，因而截面上受拉区预应力钢筋的应力增量为fpy0p，相应的应变增量为(fpy0p)/Es。因此，对于无明显屈服点的预应力钢筋，根据条件屈服点的定义及平截面假定可以推得，其界限相对受压区高度b表示
19、为：cusp0pycu10bb002.01Efhx而钢筋混凝土受弯构件由于不存在钢筋的预应力0p，当受拉区混凝土的应力为零时，受拉纵筋的应力亦为零。界限破坏时，受拉纵筋达到屈服强度fy，相应的应变为fy/Es，则截面上受拉纵筋的应变增量仍为fy/Es。因此，根据平截面假定推得，对于有明显屈服点的钢筋，其界限相对受压区高度b表示为：cusy10bb1Efhx对于无明显屈服点的钢筋，其界限相对受压区高度b表示为：cusycu10bb002.01Efhx10.14 对梁底受拉区需配置较多预应力钢筋的大型构件，当梁自重在梁顶产生的压应力不足以抵消偏心预压力在梁顶预拉区所产生的预拉应力时，往往在梁顶部也
20、需配置预应力钢筋pA，以缓冲受拉区的预应力钢筋pA在梁顶部引起的拉应力，避免构件因反拱值过大而导致梁顶部混凝土产生裂缝。受压预应力钢筋pA将参与到正截面受弯承载力的计算中。由于随着荷载的不断增大，在预应力钢筋pA重心处的混凝土的压应力有所增加，预应力钢筋pA的拉应力随之减小，故截面达到破坏时，pA的应力可能仍为拉应力，也可能变为压应力，但其应力值pe却达不到抗压强度设计值pyf，而仅为pep0pyf。矩形截面预应力混凝土受弯构件的正截面受弯承载力计算公式如下：ppyp0ppysysyc1)(AfAfAfAfbxf)()()()2(p0ppyp0s0sy0c1uahAfahAfxhbxfMM由上
21、式可知：当pA的应力pep0pyf0，为拉应力时，将降低正截面的受弯承载力Mu；但当pA的应力pep0pyf0，为压应力时，将提高正截面的受弯承载力Mu。10.15 因为预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段拉或放松预应力钢筋时，混凝土有可能会因为承载力不够而被压碎，且后法构件端部锚具下的混凝土也可能由于承受较大的局部压力而产生裂缝，甚至发生局部受压破坏，因此，必须对预应力混凝土轴心受拉构件进行施工阶段的验算。而预应力混凝土受弯构件由于在制作时，截面上受到了偏心压力，截面下边缘受压，上边缘受拉，而在运输、安装时，搁置点或吊点通常离梁端有一段距离，两端悬臂部分因自重引起负弯矩，与偏心预压力引起的负弯
22、矩是相叠加的。在截面上边缘，如果混凝土的拉应力超过了混凝土的抗拉强度时，预拉区将出现裂缝，并随时间的增长裂缝不断开展。在截面下边缘，如果混凝土的压应力过大，也会产生纵向裂缝。试验表明，预拉区的裂缝虽可在使用荷载下闭合，对构件的影响不大，但会使构件在使用阶段的正截面抗裂度和刚度降低。因此，必须对预应力混凝土受弯构件的制作、运输及安装等施工阶段进行相关验算。预应力混凝土轴心受拉构件与预应力混凝土受弯构件的正截面承载力均是依据构件破坏状态时的受力情况计算的，不过前者是正截面受拉承载力Nu，后者是正截面受弯承载力Mu，验算公式分别为：NNu和MMu。两者的抗裂度验算都是按照一级和二级两个裂缝控制等级进
23、行的，且验算公式形式完全一样，但两者的验算公式中ck、cq及pc的计算方法不同。轴心受拉构件ckNkA0，cqNqA0，pc按预应力混凝土轴心受拉构件的公式计算；而受弯构件ckMkW0，cqMqW0，pc按预应力混凝土受弯构件的公式计算。10.16 由于预应力混凝土受弯构件有预加应力的作用，所以它的变形必须要考虑预加应力的反拱作用。因此，预应力混凝土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，则预应力受弯构件的挠度ff1lf2l。而钢筋混凝土受弯构件的变形仅由荷载所引起，所以它的挠度仅为由荷载产生的挠度。10.17 预应力混凝土构件的主要
24、构造要求有：1）对截面形式和尺寸的要求；2）对预应力纵向钢筋及端部附加竖向钢筋的布置的要求；3）对非预应力纵向钢筋的布置的要求；4）对钢筋、钢丝、钢绞线的净间距的要求；5）对预应力钢筋的预留孔道的要求；6）对锚具的要求；7）对端部混凝土的局部加强的要求。习题10.1 混凝土强度等级为C60：fc27.5 N/mm2，fck38.5 N/mm2，ft2.04 N/mm2，ftk2.85 N/mm2，Ec3.6 104 N/mm2预应力钢筋为10H9 的螺旋肋钢筋：Ap636mm2，fptk1570 N/mm2，fpy1180 N/mm2，Es2.05 105 N/mm2拉控制应力11781570
25、75.075.0ptkconf N/mm2放松钢筋时的混凝土立方体抗压强度cuf0.8 6048 N/mm2截面几何特征：预应力45csE1106.31005.2EE=5.69 csE2cnAAAA250 16063639364mm2pE1n0AAA393645.69 63642983mm2（1）锚具变形损失1l由镦头锚具，查表得1mm 1l5s1005.21000001El2.05 N/mm2（2）孔道摩擦损失2l直线配筋0，kx0.0015 240.036 2l)11(1178)11(036.0coneekx41.65 N/mm2（3）温差损失3l3l2t22040 N/mm2（4）预应力
26、钢筋的应力松弛损失4l超拉9.04l1178)5.015701178(9.04.0)5.0(4.0conptkconf106.16 N/mm2则第一批损失为：l1l2l3l4l2.05 41.6540106.16 189.86 N/mm2（5）混凝土的收缩和徐变损失5lpc42983636)86.1891178()(0pconAAl14.62 N/mm24862.14cupcf0.3050.5 015.0429836360spAAA45.106015.0151305.02804515128045cupc5fll N/mm2则总损失lll189.86106.45296.31 N/mm2100 N
27、/mm210.2 （1）使用阶段的承载力验算fpyApfyAs1040472360452653.6kN N01.1(1.2 3001.4 150)627kN（2）使用阶段的抗裂度验算1）截面几何尺寸预应力45csE11045.3100.2EE=5.80 非预应力45csE21045.3100.2EE5.80 sE2cnAAA250200250424525.80 452 48245mm2pE1n0AAA482455.80 47250982mm22）计算混凝土的收缩和徐变损失5lpc48245472)08.741029()(npconAAl9.33 N/mm25033.9cupcf0.187 0.
28、5 019.048245452472nspAAA98.67019.0151187.02803515128035cupc5fl N/mm23）验算抗裂度计算混凝土有效预压应力pcns5pcon)(AAAll4824545298.67472)16.9008.741029(7.82 N/mm2在荷载标准组合下Nk300150450kN 83.8509821045030kckAN N/mm2ckpc8.83 7.82 1.01 N/mm20 对一级构件不满足抗裂度要求。在荷载准永久组合下ckpc8.83 7.82 1.01 N/mm2ftk2.65 N/mm2Nq3000.5 150375 N/mm2
29、36.7509821037530qcqAN N/mm2cqpc7.36 7.82 0 对二级构件满足抗裂度要求。（3）施工阶段拉预应力钢筋时的承载力验算截面上混凝土的预压应力07.10482454721029npconccAA N/mm292.254.3283.08.0ckf N/mm2，满足要求。10.3 混凝土强度等级为C60：fc27.5 N/mm2，fck38.5 N/mm2，ft2.04 N/mm2，ftk2.85 N/mm2，Ec3.6 104 N/mm2预应力钢筋采用刻痕钢丝7I5 二束：Ap275mm2，fptk1570 N/mm2，fpy1110 N/mm2，Es2.05 1
30、05 N/mm2拉控制应力1178157075.075.0ptkconf N/mm2（1）端部受压区截面尺寸验算混凝土的局部受压面积Al220(100+2 20)30800mm2 局部受压的计算底面积Ab220(140 260)57200mm2 混凝土局部受压净面积Aln308002504226875mm2363.13080057200bllAA当fcuk60N/mm2时，按直线插法得c0.933 74.38827511782.12.1pconAFlkN nc35.1lclAf268755.27363.1933.035.18.1268kN，满足要求。（2）局部受压承载力计算间接钢筋采用4 片8 方格焊接网片，间距s50mm，网片尺寸如图14 所示。Acor20020040000mm2Al30800mm2140.13080040000corcorlAA706070200706070200图 14 钢筋网片尺寸图04.050400002003.5042003.504cor2s221s11vsAlAnlAn混凝土强度等级为C60，按直线插法得0.95 则nycorvcc)2(9.0llAff0.9(0.933 1.363 27.5+2 0.95 0.04 1.140210)26875 1285.95kNFl388.74kN 满足要求