预应力混凝土构件

预应力混凝土构件11.1概述11.2施加预应力的方法11.3预应力混凝土的材料及锚夹具11.4张拉控制应力和应力损失11.5预应力混凝土轴心受拉构件的计算11.6预应力混凝土受弯构件的计算11.7预应力混凝土构件的构造要求1.为什么要施加预应力?混凝土的抗拉强度低。（极限拉应变约为0.1*10-3~0.15*10-3；因此，对于不允许开裂的构件，受拉钢筋的应力仅能用到20~30N/mm2；对于允许开裂的构件，当钢筋的拉应力达到250N/mm2时，混凝土的裂缝宽度已达到0.2~0.3mm，构件的耐久性降低，为了满足构件挠度和裂缝宽度控制的要求，势必要增大截面尺寸和配筋量，这将导致构件自重过大，不经济，甚至使钢筋混凝土构件用于大跨度或承受动荷载的结构成为不可能）混凝土的抗拉强度与抗压强度的比值随混凝土强度等级的提高而降低。在钢筋混凝土构件中采用高强钢筋和高强混凝土，两种材料均不能充分发挥作用。2.预应力混凝土的概念ctcpcptqq0ctpc-ctpctkf-ctpctkf-3.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，混凝土构件可分为：当时，称为全预应力混凝土；当时，称为有限预应力混凝土；当时，称为部分预应力混凝土；当时，称为钢筋混凝土；0ctpctkf-ctpctkf-0pc0ctpc-4.预应力混凝土的优缺点优点：改善结构的使用性能；提高构件的受剪承载力；提高构件卸荷后的变形和裂缝的恢复能力；提高构件的疲劳承载力；可采用高强材料。缺点：构造、施工和设计均较钢筋混凝土构件复杂；构件的延性较钢筋混凝土构件差。1.先张法2.后张法3.无粘结预应力1.预应力混凝土材料对混凝土的要求:强度高；收缩、徐变小；快凝结、早强。≪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、热处理钢筋的预应力混凝土构件，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于C40。对钢筋的要求：强度高；具有一定的塑性；（一般要求极限伸长率要4％）良好的加工性能；（可焊性、镦头）与混凝土具有较好地粘结。我国目前常用的预应力钢筋：钢绞线：13（公称直径8.6mm、10.8mm、12.9mm)；17（公称直径9.5~15.2mm)。极限抗拉强度标准值可达1570~1860N/mm2。钢丝：（公称直径4~9mm)。极限抗拉强度标准值可达1570~1770N/mm2。热处理钢筋：（公称直径6~10mm)。极限抗拉强度标准值可达1470N/mm2。2.锚具和夹具螺丝端杆锚具；镦头锚具；锥塞式锚具；夹片式锚具。对锚具的要求：安全可靠，锚具本身应具有足够的强度和刚度；应使预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力损失；构造简单，便于机械加工；使用方便，省材料，价格低。1.张拉控制应力什么是张拉控制应力?张拉设备张拉预应力钢筋时所控制的总张拉力Np,con除以预应力钢筋截面面积Ap得到的应力称为张拉控制应力，用con表示。张拉控制应力con的取值直接影响预应力混凝土构件的使用效果。con越高，混凝土的预压应力越大，可以使预应力钢筋充分发挥作用。但是con过高，则可能引起下列问题：为什么张拉控制应力不宜过高?con越高，构件的开裂承载力与极限承载力越接近，构件延性较差；当进行超张拉时，可能使个别钢筋的应力超过屈服强度而产生永久变形或脆断；使预应力钢筋的松驰损失增大。根据长期设计和施工经验《规范》规定，在一般情况下，张拉控制应力不宜超过表11－1的限值。先张法后张法预应力钢丝、钢绞线0.75fptk0.75fptk热处理钢筋0.70fptk0.65fptk钢筋种类张拉方法表11-1张拉控制应力限值注:预应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋的张拉控制应力值不应小0.4fptk。符合下列情况之一时，表11－1中的张拉控制应力限值可提高0.05fptk：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置的预应力钢筋；要求部分抵消由于应力松驰、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。2.预应力损失1.锚固回缩损失l1预应力直线钢筋当张拉到con后，锚固时由于锚具和垫板的变形及其之间的缝隙被挤压，以及预应力钢筋在锚具内的滑移引起的预应力损失l1（N/mm2)。1slaEl(11-1)式中：a－张拉锚具变形和钢筋内缩值（mm)，按表11－2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/mm2)a螺帽缝隙1每块后加垫板的缝隙15有顶压时5无顶压时6~8锥塞式锚具（钢丝束钢质锥形锚具等）夹片式锚具表11-2锚具变形和钢筋内缩值a(mm)支承式锚具（钢丝束镦头锚具等）锚具类别注：1.表中的锚具变形和钢筋内缩值也可根据实测数值确定；2.其他类型的锚具变形和钢筋内缩值应根据实测数值确定。注意锚具损失只考虑张拉端减少锚具损失l1的措施：选择锚具变形小或预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板，因每增加一垫板，a值就增加1mm；增加台座长度。因l1值与台座长度成反比，采用先张法生产构件，当台座长度为100mm以上时，锚具损失l1可忽略不计。对于后张法构件曲线预应力钢筋或折线预应力钢筋的锚具损失的计算详见摩檫损失的讨论。2.摩擦损失l2dxpconAdxpN1pNdF-摩擦包括两部分：一是张拉直线预应力钢筋时，由于孔道偏差、孔壁粗糙及钢筋表面粗糙产生的刮碰摩擦阻力；二是由于曲线孔道的曲率，使预应力钢筋与孔壁之间产生法向接触压应力而引起的摩擦阻力。设刮碰摩擦阻力与预应力钢筋拉力Np的大小成正比，单位长度刮碰摩擦系数为k，则由平衡条件可得：1pddxNFk-(11-2)对于曲线预应力钢筋：pconAx0Y211sin)sin22(ppdxdddpNNF-211sinsin222pdddNF-令11sin22dd，忽略数值较小的21sin2ddF，则得：pdxdpN(11-3)dxpN2pNdF-d/2d/2dpr设对应法向压应力p的摩擦系数为m，则由条件可得：0X2pddxdpNFmm--因为，dxdrpppNA，则总摩擦力为：12()pppprdddddFAFFAkm-故可得：()pprddkm-从张拉端到计算截面对上式两边积分的：lnln()pconrkm--即()rpconekm-所以()rpconekm-则摩擦损失l2为2lconp-，近似取xr，则有2()11xlconekm-(11-4)当时，可按下列近似公式计算：()0.2xkm2()lconxkm(11-5)式中X—张拉端至计算截面的孔道长度（m)，可近似取该段孔道在纵轴上的投影长度；–张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角（rad)；k–考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，按表11－3采用；m–预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数，按表11－3采用。孔道成型方式km预埋金属波纹管0.00150.25预埋钢管0.0010.3橡胶管或钢管抽芯成型0.00140.55表11-3摩擦系数注：1.表中系数也可根据实测数据确定；2.当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式锚具时,尚应考虑锚环口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定。减少摩擦损失l2的措施：对于较长的构件可在两端进行张拉预应力钢筋；注意：两端张拉将引起锚具损失l1增加。采用超张拉。1.1con停2min0.85con停2mincon反向摩擦影响长度lf及在lf范围内由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失值l1的计算xflpconAflcr由于随x的增大而增大,可近似为x的线性函数.因此可取xxkm则xxxkmkm由于锚具变形及钢筋内缩，锚固端预应力钢筋的张拉力由A点降至B点，其差值为r。则直线AC上任意点预应力钢筋的应力为21conlconxkm--1conconconxx--反向摩擦损失取上述正反两个方向的摩擦系数近似相等。则直线BC上任意点的预应力钢筋的应力为conconx-在C点，即，上两式的预应力钢筋应力值应相等，故得fxlconconconconxx--所以2fconl求：锚具变形和钢筋内缩值a，使预应力钢筋在lf区段内产生得平均内缩应变为a/lf，则平均应力损失值为(a/lf)Es。预应力钢筋应力损失值在张拉端为最大，而在C点处为零。在两者之间得中点处即为平均应力损失值：(a/lf)Es。故2sfaEl代入上式可得222sffconconaEll所以ssfconconxaaEElmk(11-6)抛物线形配置预应力钢筋可近似按圆弧形曲线考虑，且其对应的圆心角不大于300时，则1cxr式中rc—圆弧曲线预应力钢筋的曲率半径（m).将上式代入式（11－6），并将其长度单位均化为m计算，则1000ssfconconcaaEElrmk(11-6)再由2fconl22confconfcllrmk距张拉端的距离为x的任意截面处因锚具变形和钢筋内缩而引起的预应力损失值l1，可按线性关系求出，即112lconfcfxllrmk-(11-7)式中x—张拉端至计算截面的距离（m)，且应符合x≤lf。对于采用束形的后张预应力钢筋在反向摩擦影响长度lf范围内的预应力损失值l1的计算方法见≪规范≫附录D。3.温差损失l3为了缩短先张法构件的生产周期，浇灌混凝土后常采用蒸汽养护的方法加速混凝土凝结。升温时，钢筋受热后在保持其长度不变的情况下自由膨胀，产生预应力钢筋与台座之间温差引起的预应力损失l3。设混凝土加热养护时，预应力钢筋与台座之间的温差为rt（0c)，钢筋的线膨胀系数为a0.0001/0c，则可按下式计算：3sssslsllttllEEEEaa若取钢筋的弹性模量Es=2.0105(N/mm2)，则32lt(N/mm2)(11-7)减少温差损失l3的措施：采用两次升温养护。先在常温下养护，待混凝土强度达到一定强度等级，例如达到C7.5∼C10时，再逐渐升温至规定的养护温度，此时可认为钢筋与混凝土已结成整体，两者能够一起膨胀而不引起应力损失；在钢模上张拉预应力钢筋。由于预应力钢筋锚固在钢模上，升温时两者温度相同，故可以不考虑该项损失。4.钢筋应力松驰损失l4钢筋在高应力作用下其塑性变形具有随时间增长而增长的性质，在其长度保持不变的条件下，钢筋应力值随时间增长而逐渐降低，这种现象称为钢筋应力松驰。钢筋应力保持不变的条件下，其应变随时间增长而逐渐增大，这种现象称为钢筋的徐变。钢筋应力松弛损失与初应力水平和作用时间长短有关。≪规范≫根据试验结果，按下式计算钢筋应力松弛损失l4普通松弛预应力钢丝和钢绞线：(11-8)式中—超张拉系数。一次张拉＝1；超张拉＝0.9。40.40.5conlconptkf-低松弛预应力钢丝和钢绞线：当时0.7conptkf40.1250.5conlconptkf-(11-9)当时0.80.7ptkptkconff40.20.575conlconptkf-(11-10)热处理钢筋:一次张拉40.05lcon超张拉40.035lcon(11-11)(11-12)注意当采用上述超张拉的应力松弛损失值时，张拉程序应符合现行国家标