混凝土结构设计原理[第十章预应力混凝土构件]山东大学期末考试知识点复习

第十章 预应力混凝土构件

本章重点介绍了有粘结预应力混凝土构件设计的基本原理、张拉方法、预应力材料、预应力损失、构件的计算和构造要求等内容。阐明了先张法和后张法预应力混凝土轴心受拉构件及后张法预应力混凝土受弯构件从张拉预应力钢筋、施加外荷载直到构件破坏的各受力阶段(包括使用阶段和施工阶段)截面上的应力状态、应力分析和计算方法。

1．本章主要内容

(1)预应力混凝土结构构件在计算前，首先需确定下列几项主要参数：

1)确定预应力钢筋的钢种、等级、混凝土的强度等级及张拉方法。

2)确定张拉控制应力值。

3)确定截面的几何特征：如换算截面面积、净截面面积、截面重心、截面惯性矩和面积矩、预应力钢筋的合力点至换算截面重心的距离等参数。

(2)计算施工阶段的各项预应力损失值及混凝土预压应力值等。

(3)根据使用条件进行抗裂度、应力验算、裂缝宽度、承载力计算及变形验算，并对构件在制作、运输及吊装等施工阶段的受力状态进行验算。

2．具体设计的内容

(1)使用阶段

1)承载力计算。预应力轴心受拉构件的正截面受拉承载力计算或受弯构件的正截面受弯承载力及斜截面受剪承载力的计算。

2)裂缝控制验算。裂缝控制等级为一级、二级的预应力混凝土构件，对轴心受拉构件，按抗裂要求进行正截面抗裂度验算；对受弯构件，按抗裂要求进行正截面及斜截面的抗裂度验算。

裂缝控制等级为三级的预应力混凝土构件，对轴心受拉构件进行裂缝宽度的验算；对受弯构件进行正截面裂缝宽度的验算及斜截面应力验算。

3)对预应力混凝土受弯构件尚需进行构件的挠度验算。

(2)施工阶段

1)预应力混凝土构件在制作、运输和吊装过程中，进行构件截面边缘混凝土最大受拉及受压法向应力的验算。

2)后张法预应力混凝土构件端部锚固区的局部承压验算。

10．2重点讲解、难点分析

10．2．1预应力混凝土轴心受拉构件

预应力混凝土轴心受拉构件是预应力混凝土构件中比较简单的一种受力构件，学生必须重点掌握先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件从张拉预应力、施加外荷载直到构件破坏的各个受力阶段截面上应力状态和应力分析的全过程，它是掌握预应力混凝土设计原理的核心内容，是本章的难点和重点。通过对先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件各阶段应力变化的比较，可加深理解预应力混凝土构件的受力特征并掌握有关的计算方法。

在预应力混凝土构件的承载力和抗裂等计算中，常用到从施工阶段进入到使用阶段过程中的各种应力值，其中最主要的是：混凝土的法向应力σPc，预应力钢筋的有效预应力σPe及混凝土法向应力为零(即预应

力钢筋合力点处的混凝土法向应力为零)时的预应力钢筋应力σPo等。这些应力可分别根据先张法或后张法的施工程序，由预应力钢筋的张拉控制应力σcon及相应阶段的预应力损失值，按不同构件，可由截面上力的平衡条件求得。

必须注意，先张法和后张法的承载力计算公式、抗裂度和裂缝最大宽度验算的公式，其形式都相同，但式中各自的τPcⅡ计算是不相同的。

下面对一些具体问题进行讨论：

(1)预应力混凝土的特点及预压应力值的控制

混凝土的抗拉强度很低，极易开裂，开裂后构件的刚度大幅下降。而预应力混凝土构件，是在其受外荷载之前，人为地对截面施加预压应力，因而可推迟构件裂缝的出现，提高构件的抗裂度和刚度，克服钢筋混凝土易开裂的主要缺点，并且由于使用了高强度材料，能取得节约材料、减轻自重的效果。对混凝土施加的预压应力愈大，截面的抗裂性能愈好，但控制要恰当，否则由于混凝土预压应力值过大，会导致混凝土产生非线性徐变。对受弯构件，易使截面预拉区开裂。对预压应力值大小的合理控制，可通过对截面进行的应力验算得到确认。

(2)先张法和后张法预应力混凝土构件的传力特点

预应力混凝土构件的施工方法主要有先张法和后张法两种。先张法是在长线台座(或钢模)上张拉钢筋，然后浇捣混凝土，依靠钢筋与混凝土之间的粘结力，将钢筋弹性回缩的压力传递给混凝土。后张法是先浇捣混凝土，然后以结硬后的混凝土构件作为台座张拉钢筋，依靠工作锚具来传递钢筋回缩对混凝土产生的预压力。

(3)先张法夹具和后张法锚具的特点

先张法中应用的锚具一般称为夹具，是在张拉端夹住钢筋进行张拉以及在两端I临时固定钢筋用的工具式锚具，可以重复使用。后张法的锚具，是永远依附在混凝土构件上，起着传递预应力的作用，称为工作锚具。

(4)先张和后张施工方法的选择

采用先张法施加预应力，生产工序少，工艺简单。由于夹具可重复利用，生产成本低，适用于工厂化成批生产的中、小型构件和标准构件，但需要较大场地作台座，一次性投资费用较大。后张法利用构件本身作为台座，构件可在施工现场制作，但锚具不能重复使用，耗钢量大，成本较高，适用于运输不便的大型预应力构件或非标准构件。

(5)预应力混凝土构件需采用高强度材料

预应力混凝土构件，如采用一般强度的钢筋，由于有预应力损失，将起不到在构件截面上产生预压应力的效果，而采用了高强度材料，则在施工阶段，混凝土始终处于高压应力状态。而预应力钢筋从张拉钢筋开始，直至破坏的全过程中，也始终处于高拉应力状态，这样高强度钢筋的受拉和高强度混凝土的受压性能的优点均得以充分利用。

(6)张拉控制应力σcon限值，为何采用钢筋强度标准值f ptk

不论先张法还是后张法，在施加预应力的过程中，由于张拉预应力钢筋是在施工阶段进行的，张拉预应力钢筋是对钢筋又一次进行质量的检验，所以张拉控制应力O'con的限值，是由钢筋强度的标准值确定，而与钢筋的极限抗拉强度的大小无关。

(7)张拉控制应力U con限值，为什么先张法大于后张法

张拉控制应力σcon限值，先张法较后张法略高的原因是：先张法构

件施加预应力(放松预应力钢筋)时，混凝土弹性压缩是在钢筋达到σcon 后发生的，因而钢筋的预拉应力随之降低σEσPcI。即：σPeI=σcon一σlI一σEσPcI。而后张法构件施加预应力(张拉预应力钢筋)时，混凝土随之受到挤压，当钢筋达到σcon时，混凝土的弹性压缩已基本完成，因此，钢筋张拉控制应力σcon，不会因混凝土的弹性压缩而降低。即：σPeI=σcon一σl I。在钢筋的张拉控制应力值σcon和预应力损失值σlI相同的条件下，由上两式比较，可知先张法预应力钢筋的应力总比后张法的低。同样，受荷载后，当截面上混凝土的拉应力恰好全部抵消混凝土的有效预压应力(消压状态)时，预应力钢筋中的应力，先张法构件：σpo=σcon一σl；后张法构件：σpo=σcon一σl+σEσPcⅡ。先张法预应力钢筋中的应力仍比后张法低。为使先张法和后张法构件的抗裂能力具有大致相同的水平，因而，适当提高了先张法构件的张拉控制应力值σcon。

(8)预应力损失值的采用

预应力构件从施加预应力开始，由于混凝土和钢材的性能特征以及施工工艺上的原因，σcon会逐步下降，这种应力降低的现象称为预应力损失，影响预应力损失的因素很多，要精确计算是十分困难的，过高或过低估计预应力损失值，均会对结构的使用性能产生不利的影响。

为简化计算，《混凝土结构设计规范》(以下简称《规范》)规定，采用分别计算各种因素产生的预应力损失值进行叠加，来确定总预应力损失值。应尽量采取措施，减少预应力的损失，以保证混凝土能获得较高的有效预压应力σpcⅡ。

预应力损失是分批产生的，因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所产生的预应力损失值，通常以混凝土预压时间为界限，将预应力损失分为两批，即混凝土预压前(第一批)完成的损失σlI；混凝土预压后