水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)網(wǎng)上輔導(dǎo)材料之八

1、水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)網(wǎng)上輔導(dǎo)材料之八第9章 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算一、 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念 （一）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本工作原理預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，就是在外荷載作用之前，先通過(guò)張拉鋼筋對(duì)混凝土施加壓力，造成人為的應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)。它所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力能抵消外荷載所引起的部分或全部拉應(yīng)力。這樣，在外荷載作用下，裂縫就能延緩或不會(huì)產(chǎn)生，即使出現(xiàn)了裂縫，裂縫寬度也不致過(guò)大。預(yù)應(yīng)力的作用可用圖9-1的梁來(lái)說(shuō)明。在外荷載作用下，梁下邊緣產(chǎn)生拉應(yīng)力s3，如圖9-1(b)。如果在荷載作用以前，給梁先施加一偏心壓力N，使得梁下邊緣產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力s1如圖9-1(a)，那么在外荷載作用后，截面的應(yīng)力分布將是兩者的

2、疊加,，如圖9-1(c)。梁的下邊緣應(yīng)力可為壓應(yīng)力（如s1s30）或數(shù)值很小的拉應(yīng)力（如s1s30。（二）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)（見(jiàn)圖示）與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比較，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)主要有以下方面的特點(diǎn)：1、預(yù)應(yīng)力荷載所產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力能抵消外荷載所引起的部分或全部拉應(yīng)力，這樣，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在使用荷載作用下不出現(xiàn)裂縫或推遲裂縫的出現(xiàn)。在同樣的荷載下，能減小裂縫寬度，所以抗裂度大為提高，因此也提高了構(gòu)件的剛度，增加了結(jié)構(gòu)的耐久性。但裂縫出現(xiàn)的荷載與破壞荷載比較接近，破壞前變形較小，延性較差。2、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力鋼筋從張拉直到破壞始終處于高應(yīng)力狀態(tài)，而混凝土在荷載到消壓階段以前主要處于受壓狀態(tài),

3、所以發(fā)揮了兩種材料各自的特長(zhǎng)。所以，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)可以合理、有效地利用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土從而節(jié)省材料，減輕結(jié)構(gòu)自重，也解決了大跨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題，可建造大跨度結(jié)構(gòu)，也就在這方面顯示了其優(yōu)勢(shì)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)材料時(shí)，由于混凝土的抗拉強(qiáng)度并沒(méi)有顯著提高，所以裂縫仍不易控制，而不能達(dá)到這一目標(biāo)。（三）預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的分類國(guó)際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會(huì)根據(jù)對(duì)構(gòu)件裂縫控制程度不同，劃分為：1全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在全部荷載即荷載效應(yīng)的短期組合下，截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，稱為全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：（1）抗裂性好。由于構(gòu)件截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力，混凝土不開(kāi)裂，因而其抗裂

4、性能好、剛度大，常用于對(duì)抗裂或抗腐蝕性能要求較高的結(jié)構(gòu)，如核電站安全殼、貯液罐、吊車梁等。（2）抗疲勞性能好。預(yù)應(yīng)力鋼筋從張拉到使用階段的全過(guò)程中，其應(yīng)力值變化幅度小，所以在重復(fù)荷載下抗疲勞性能好。（3）反拱值可能過(guò)大。當(dāng)按活荷載較大的短期組合設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件。而在正常使用情況下，會(huì)因存在的活荷載變小，預(yù)加應(yīng)力較高，引起結(jié)構(gòu)的反拱過(guò)大；而且也會(huì)使混凝土在施工階段產(chǎn)生裂縫。從而影響上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的正常使用。（4）延性較差。由于構(gòu)件的開(kāi)裂荷載與極限荷載較為接近，使構(gòu)件延較差，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震不利。2有限預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在全部荷載即荷載效應(yīng)的短期組合下，截面拉應(yīng)力不超過(guò)混凝土規(guī)定的抗拉強(qiáng)度；在長(zhǎng)期荷載即荷載

5、效應(yīng)的長(zhǎng)期組合下，截面不出現(xiàn)拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，稱為有限預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。3部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)截面允許出現(xiàn)裂縫，但最大的裂縫寬度不得超過(guò)允許的限值，稱為部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：（1）節(jié)約鋼材。可根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同使用要求、荷載作用情況及環(huán)境條件等，對(duì)裂縫進(jìn)行控制，降低了預(yù)應(yīng)力值，從而節(jié)約預(yù)應(yīng)力鋼筋及錨具的用量，簡(jiǎn)化張拉、錨固等工藝，降低造價(jià)。（2）反拱值不致于過(guò)大。由于施加預(yù)應(yīng)力較小，可避免產(chǎn)生過(guò)大反拱。（3）延性較好。由于配置了非預(yù)應(yīng)力鋼筋，可提高構(gòu)件的延性，有利于結(jié)構(gòu)抗震。有限預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)正好介于全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)之間?，F(xiàn)在

6、常把有限預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)包含于部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)之中，即一般意義的部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)包含了有限預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。與全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果較好。對(duì)于抗裂要求不太高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)已得到廣泛應(yīng)用。另外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是預(yù)應(yīng)力為零的混凝土結(jié)構(gòu)。以上分析可知，預(yù)應(yīng)力不是越大越好，而應(yīng)根據(jù)需要而定。一般可根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同使用要求、荷載作用情況及環(huán)境條件等，對(duì)裂縫進(jìn)行合理控制。二、施加預(yù)應(yīng)力的方法張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋，而后放松，預(yù)應(yīng)力鋼筋的彈性回縮受到混凝土阻止而使混凝土受到擠壓，產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。先張法是先張拉預(yù)應(yīng)力鋼

7、筋，后澆筑混凝土的方法。靠鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力來(lái)傳遞和保持預(yù)應(yīng)力。后張法是先澆筑混凝土構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件混凝土達(dá)到一定的強(qiáng)度后，在構(gòu)件上張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋的方法。靠端部承壓錨具傳遞和保持預(yù)應(yīng)力。三、預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力張拉控制應(yīng)力是指張拉預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋達(dá)到的最大應(yīng)力值。張拉控制應(yīng)力的大小直接影響預(yù)應(yīng)力的效果。張拉控制應(yīng)力取值越高，預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)混凝土的預(yù)壓作用越大，可適當(dāng)節(jié)省鋼筋。但如果張拉控制應(yīng)力取值過(guò)高，可能導(dǎo)致鋼筋脆斷，發(fā)生事故，也會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力松弛，降低預(yù)應(yīng)力的效果。con的取值過(guò)低也不行，影響預(yù)應(yīng)力鋼筋充分發(fā)揮作用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)過(guò)低。 四、預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算由于張拉工藝和材料性能

8、等原因，從張拉鋼筋開(kāi)始到構(gòu)件使用整個(gè)過(guò)程中，con將不斷降低，即張緊的鋼筋回縮松動(dòng)導(dǎo)致con降低，這種降低稱為預(yù)應(yīng)力損失l。凡是能使預(yù)應(yīng)力筋產(chǎn)生縮短的因素，都將引起預(yù)應(yīng)力損失。預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算和減少是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。過(guò)高或過(guò)低估計(jì)預(yù)應(yīng)力損失，都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的使用性能產(chǎn)生不利影響。同學(xué)要知道產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失的原因，可能出現(xiàn)的幾種預(yù)應(yīng)力損失及其常規(guī)算法和減少預(yù)應(yīng)力損失的措施。五、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的材料預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件所用的混凝土，需滿足下列要求：強(qiáng)度高；收縮、徐變?。豢煊?、早強(qiáng)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)構(gòu)件所用的鋼筋，需滿足下列要求：強(qiáng)度高；與混凝土有較好的粘結(jié)力；具有良好的加工性能；具有較

9、好的塑性。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的錨具，需滿足下列要求：與預(yù)應(yīng)力筋匹配，能可靠的錨固預(yù)應(yīng)力筋，避免其滑動(dòng)；構(gòu)造簡(jiǎn)單，造價(jià)低；耐久性好。六、預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件的應(yīng)力分析（一）先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件的應(yīng)力分析1、預(yù)應(yīng)力損失全部出現(xiàn)后的狀態(tài)(表9-6圖d)總的預(yù)應(yīng)力損失為l=l+l這是混凝土受到的預(yù)壓應(yīng)力pc，即為張拉完成之后在混凝土結(jié)構(gòu)中建立的有效預(yù)壓應(yīng)力，其計(jì)算公式為：預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力p為張拉控制應(yīng)力con減去全部預(yù)應(yīng)力損失l和混凝土受壓后產(chǎn)生壓縮變形導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力減少值sEs=Epc非預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土粘結(jié)變形協(xié)調(diào)，受到的是壓應(yīng)力s，其值為預(yù)應(yīng)力鋼筋和非預(yù)應(yīng)力鋼筋中減去預(yù)應(yīng)力損失

10、的總預(yù)拉力2、荷載作用下的消壓狀態(tài)(表9-6圖e)構(gòu)件在開(kāi)始外荷載作用后，會(huì)在某一特定軸向拉力N0下使混凝土的有效預(yù)壓應(yīng)力pc降為零，即截面混凝土應(yīng)力為零，該情況稱為消壓狀態(tài)，N0稱為消壓軸力。此后，混凝土才真正開(kāi)始受拉。此時(shí)截面中的各部分應(yīng)力均為外荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力與張拉完成之后的預(yù)應(yīng)力疊加結(jié)果：預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力p非預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓應(yīng)力s預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力鋼筋的合力3、混凝土即將開(kāi)裂的狀態(tài)(表9-6圖f) 隨著荷載的進(jìn)一步增加，使得混凝土受拉應(yīng)力，并達(dá)到混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk時(shí)，裂縫就將出現(xiàn)。此時(shí)由平衡條件可得開(kāi)裂荷載Ncr為混凝土的拉應(yīng)力預(yù)應(yīng)力筋的拉應(yīng)力非預(yù)應(yīng)力鋼筋的壓應(yīng)力式中f

11、tkA0即為鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件的開(kāi)裂荷載。由上式可見(jiàn)，預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的抗裂能力由于多了一項(xiàng)pcA0而比非預(yù)應(yīng)力構(gòu)件大大提高。4、破壞階段(表9-6圖h)當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋、非預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力達(dá)到各自受拉屈服強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件就發(fā)生破壞。此時(shí)的外荷載為構(gòu)件的極限承載力Nu（二）后張法預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件的應(yīng)力分析預(yù)應(yīng)力損失全部出現(xiàn)后，各部分應(yīng)力為：外荷載作用后的計(jì)算方法與先張法完全一樣，但要注意張拉完成之后的預(yù)應(yīng)力結(jié)果的不同。式中：Ac混凝土截面面積，Ac=AAsApAn凈截面面積 ，An= Ac+E As A0換算截面面積，A0=Ac+EAs+EAp。換算截面是按整體工作階段應(yīng)變協(xié)調(diào)的原則將縱向非預(yù)應(yīng)力

12、鋼筋和縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋換算成混凝土截面面積再加上混凝土的凈截面面積三者的總合，即A0= Ac+E As+E Ap。凈截面是對(duì)后張法構(gòu)件，施工階段由于預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土之間還沒(méi)有粘結(jié)，預(yù)應(yīng)力合力相當(dāng)于外力作用在鋼筋混凝土凈截面An (An= Ac+E As) 上，沒(méi)有包括預(yù)應(yīng)力鋼筋的換算截面面積。而在使用階段，已經(jīng)灌漿形成整體，所以兩者都用換算截面面積A0。先張法與后張法相應(yīng)公式相比，只是張拉施工階段有些不同。同時(shí),先張法用換算截面面積A0，后張法采用凈截面面積An，因?yàn)锳0>An,所以，若兩種方法 con的相同，則后張法構(gòu)件中建立的預(yù)壓應(yīng)力要高些。希望同學(xué)們把預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件的應(yīng)力

13、分析一節(jié)學(xué)好，這是我們理解預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)。七、預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件承載力計(jì)算構(gòu)件破壞時(shí)，荷載全部由預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力鋼筋承擔(dān)，其正截面承載力由下時(shí)計(jì)算：當(dāng)材料強(qiáng)度等級(jí)和配筋量相同時(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件與普通混凝土軸心受拉構(gòu)件的承載力相同。因?yàn)椋瑯?gòu)件破壞時(shí)荷載全部由預(yù)應(yīng)力和非預(yù)應(yīng)力鋼筋承擔(dān)，而且它們都達(dá)到抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。八、正截面裂縫控制驗(yàn)算規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件所處環(huán)境類別，鋼筋種類對(duì)腐蝕的敏感性，以及荷載作用時(shí)間，將裂縫控制分為三個(gè)等級(jí)： （一）嚴(yán)格要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件(抗裂驗(yàn)算) 在荷載效應(yīng)的短期組合下應(yīng)滿足條件：scsspc0.0 （二）一般要求不出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件(抗裂驗(yàn)算)

14、1、在荷載效應(yīng)的短期組合下應(yīng)滿足條件： scsspcactgftk 2、在荷載效應(yīng)的長(zhǎng)期組合下應(yīng)滿足條件：sclspcactgftk 式中，spc扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后在驗(yàn)算截面邊緣混凝土的預(yù)壓 應(yīng)力，即為張拉完成之后在混凝土結(jié)構(gòu)中建立的有效預(yù)壓應(yīng)力pc。這里按應(yīng)力進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。（三）允許出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件（裂縫寬度驗(yàn)算）在荷載效應(yīng)的短期和長(zhǎng)期組合下最大的裂縫寬度不得超過(guò)規(guī)范允許值。最大裂縫寬度的計(jì)算公式與鋼筋混凝土構(gòu)件相同，但計(jì)算縱向受拉鋼筋的等效應(yīng)力sss及ssl，這里要考慮預(yù)應(yīng)力荷載的作用效果。三種裂縫控制等級(jí)大體前述的相當(dāng)于全預(yù)應(yīng)力混凝土、有限預(yù)應(yīng)力混凝土和部分預(yù)應(yīng)力混凝土。九、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件與普通混凝土構(gòu)件受力特點(diǎn)比較（見(jiàn)圖示）(1)在普通混凝土構(gòu)件中,鋼筋中的應(yīng)力