大工13春《钢筋混凝土结构》辅导资料十六

钢筋混凝土结构辅导资料十六主题：课件第十章预应力混凝土构件（一）——预应力混凝土构件的材料，张拉控制应力的定义和取值，预应力损失的物理意义及组合值。

学习时间： 2013年7月15日－7月21日内容：这周我们学习第十章预应力混凝土构件的第一部分内容，学习本章时，必须掌握预应力构件的受力特征、材料性能、施工工艺、配筋计算、构造要求等方面的基本概念及轴心受拉构件的计算方法。

以达到能正确应用原理并提高解决实际问题的能力。

一、学习要求1．掌握预应力混凝土的概念、设计原理及对材料性能的要求。

了解预应力混凝土施加预应力的方法。

2．掌握张拉控制应力的定义和取值。

3．熟悉预应力损失的内容、物理意义，掌握预应力损失值的计算方法和预应力损失值的组合。

基本概念:先张法、后张法、预应力损失值及组合。

二、主要内容预应力混凝土的原理（一）预应力混凝土的概念钢筋混凝土受拉与受弯等构件，由于混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低，其极限拉应变约为0.1×103-～0.15×103-，即每米只能拉长0.1～0.15mm，所以在使用荷载作用下，通常是带裂缝工作的。

因而对使用上不允许开裂的构件，受拉钢筋的应力只能用到(20～30)N/mm2，此时的裂缝宽已达到0.2～0.3mm，构件耐久性有所降低，故不宜用于高湿度或侵蚀性环境中。

为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。

如果采用高强度钢筋，在使用荷载作用下，其应力可达(500～1000)N/mm2，此时的裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。

因而，钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥其作用的。

为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋及高强度混凝土，可以设法在结构构件受荷载前，用预压的办法来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，甚至使其处于受压状态。

在构件承受荷载以前预先对混凝土施加压应力的方法有多种，有配臵预应力钢筋，再通过张拉或其他方法建立预加应力的；也有在离心制管中采用膨胀混凝土生产的自应力混凝土等。

本章所讨论的预应力混凝土构件是指常用的张拉预应力钢筋的预应力混凝土构件。

现以图10-1所示预应力混凝土简支梁为例，说明预应力混凝土的概念。

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 ）预压力和外荷载共同作用下在荷载作用之前，预先在梁的受拉区施加偏心压力N ，使梁下边缘混凝土产生预压应力为c σ，梁上边缘产生预拉应力ct σ，见图10-1（a ）。

当荷载q (包括梁自重)作用时，如果梁跨中截面下边缘产生拉应力ct σ，梁上边缘产生压应力c σ，见图10-1（b ）。

这样，在预压力N 和荷载q 共同作用下，梁的下边缘拉应力将减至ct σ-c σ，梁上边缘应力一般为压应力，但也有可能为拉应力，见图10-1（c ）。

如果增大预压力N ，则在荷载作用下梁的下边缘的拉应力还可减小，甚至变成压应力。

由此可见，预应力混凝土构件可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。

预应力混凝土具有很多的优点，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。

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。

（二）预应力混凝土的分类根据预加应力值大小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与部分预应力的两类。

当使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件，称为全预应力混凝土，大致相当于《混凝土结构设计规范》中裂缝控制等级为一级，即严格要求不出现裂缝的构件。

当使用荷载作用下，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件，则称为部分预应力混凝土，大致相当于《混凝土结构设计规范》中裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。

当使用荷载作用下根据荷载效应组合情况，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。

由中国土木工程学会等编写的《部分预应力混凝土结构设计建议》（以下简称《建议》）中提出将预应力度分成全预应力、部分预应力和钢筋混凝土三类。

预应力λ定义为：0/M Mλ=受弯构件（10-1）0/N Nλ=轴心受拉构件（10-2）式中M——消压弯矩，即使构件控制载面受拉边缘应力抵消到零时的弯矩；M——使用荷载（不包括预加力）标准组合作用下控制截面的弯矩0N——消压轴向力，即使构件截面应力抵消到零时的轴向力；N——使用荷载（不包括预加力）标准组合作用下截面上的轴向拉力。

当λ≥1，为全预应力混凝土；当0＜λ＜1，为部分预应力混凝土；当λ=0，为钢筋混凝土。

可见，部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土两者之间。

为设计方便，按照使用荷载标准组合作用下正截面的应力状态，《建议》又将部分预应力混凝土分为以下两类：A类：正截面混凝土的拉应力不超过表10-1的规定限值；B类：正载面中混凝土的拉应力虽已超过表10-1的规定值，但裂缝宽度不超过表10-2的规定值。

（三）预应力混凝土的材料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强度高的混凝土。

因为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，以利加速施工进度。

因此，《混凝土结构设计规范》规定，预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C30。

对采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋的构件，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于C40。

2.钢材预应力混凝土的构件所用的钢筋（或钢丝），需满足下列要求：（1）强度高。

混凝土预压力的大小，取决于预应力钢筋张拉应力的大小。

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张拉应力，这就要求预应力钢筋具有较高的抗拉强度。

（2）具有一定的塑性。

为了避免预应力混凝土构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋在拉断前，具有不一定期的伸长率。

当构件处于低温或受冲击荷载作用时，更应注意对钢筋塑性和抗冲击韧性的要求。

一般要求极限伸长率＞4%。

（3）良好的加工性能。

要求有良好的可焊性，同进要求钢筋“镦粗”后并不影响其原来的物理力学性能。

（4）与混凝土之间能较好地粘结。

对于采用先张法的构件，当采用高强度钢丝时，其表面经过“该痕”或“压波”等措施进行处理。

我国目前用于预应力混凝土构件中的预应力钢材主要有钢绞线、钢丝、热处理钢筋三大类。

（1）钢绞线常用的钢绞线是由直径5～6mm的高强度钢丝捻制的。

用三根钢丝捻制的钢绞线，其结构为1×3，公称直径有8.6mm、10.8mm、12.9mm。

用七根钢丝捻制的钢绞线，其结构为1×7，公称直径有9.5～15.2mm。

钢绞线的极限抗拉强度标准值可达1860N/mm²，在后张法预应力混凝土中采用较多。

钢绞线经最终热处理后以盘或卷供应，每盘钢绞线应由一整根组成，如无特殊要求，每盘钢绞线长度≥200mm。

成品的钢绞线表面不得带有润滑剂、油渍等，以免降低钢绞线与混凝土之间的粘结力。

钢绞线表面允许有轻微的浮锈，但不得锈蚀成目视可见的麻坑。

（2）钢丝预应力混凝土所用钢丝可分为冷拉钢丝与消除应力钢丝两种。

按外形分有光圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝；按应力松弛性能分则有普通松弛即Ⅰ级松弛及低松弛即Ⅱ级松弛两种。

钢丝的公称直径有3～9mm，其极限抗拉强度标准值可达1770N/mm²。

要求钢丝表面不得有裂纹、小刺、机械损伤、氧化铁皮和油污。

（3）热处理钢筋热处理钢筋是用热轧的螺纹钢筋经淬火和回火调质热处理而成。

热处理钢筋按其螺纹外形可分为有纵肋和无纵肋两种。

钢筋经热处理后应卷成盘，每盘钢筋由一整根钢筋组成，其公称直径有6～10mm，极限抗拉强度标准值可达1470N/mm²。

热处理钢筋表面不得有肉眼可见的裂纹、结疤、折叠。

钢筋表面允许有凸块，但不得超过横肋的高度，钢筋表面不得沾有油污，端部应切割正直。

在制作过程中，除端部外，应使钢筋不受到切割火花或其它方式造成的局部加热影响。

张拉预应力钢筋一般采用液压千斤顶。

但应注意每种锚具都有各种适用的千斤顶，可根据锚具或千斤顶厂家的说明书选用。

张拉控制应力与预应力损失（一）张拉控制应力张拉控制应力是指预应力钢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应力钢筋截面面积而得的σ表示。

应力值，以con张拉控制应力值的大小与施加预应力的方法有关，对于相同的钢种，先张法取值高于后张法。

这是由于先张法和后张法建立预应力的方式是不同的。

先张法是在浇灌混凝土之前在台座上张拉钢筋，故在预应力钢筋中建立的拉应力就是张σ。

后张法是在混凝土构件上张拉钢筋，在张拉的同时，混凝土被拉控制应力con压缩，张拉设备千斤顶所指示的张拉控制应力已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应σ值应适当低于先张法。

力。

为此，后张法构件的con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。

根据长期积累的设计和施工经验，《混凝土设计规范》规定，在一般情况下，张拉控制应力不宜超过10-4的限值。

注：1.表中f为预应力钢筋的强度标准值，见附录2附表2-8；ptk2.预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋的张拉控制应力值不应小于是0.4f。

ptk 符合下列情况之一时，表10-4中的张拉控制应力限值可提高0.05f：ptk（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臵的预应力钢筋；（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钢筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。

（二）各种预应力损失值在预应力混凝土构件施工及使过程中，预应力钢筋的张拉应力值是不断降低的，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。

下面将进述六项预应力损失，包括产生的原因、损失值的计算方法以及减少预应力损失值的措施。

σ1.预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失1l预应力直线钢筋当张拉到con σ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，以及由于钢筋和楔块在锚具内的滑移，使得被拉紧的钢筋内缩a 所引起的预应力损失值1l σ（N/mm ²），按下列计算：1s l a E lσ= （10-3）式中a －张拉端锚具变形和钢筋内缩值（mm ），按表10-5取用；l －张拉端至锚固端之间的距离（mm ）；Es －预应力钢筋的弹性模量（N/mm ²），按附录附表3-6取用。