《混凝土結構基本原理》第七知識單元 預應力 01

學習目標▲掌握預應力混凝土結構的基本概念；▲掌握預應力損失的概念及計算方法；▲熟練掌握軸心受拉構件各階段的應力狀態(tài)及其設計計算方法；第十章預應力混凝土構件的受力性能與設計

學習目標▲掌握受彎構件各階段的應力狀態(tài)及其設計計算方法；▲熟悉預應力混凝土結構的主要構造要求；▲了解部分預應力混凝土構件及無粘結預應力混凝土構件的概念。

教學提示▲本章應對預應力混凝土結構的基本概念、各項預應力損失值的意義和計算方法、預應力混凝土構件各階段的應力狀態(tài)、設計計算方法作重點講述?！菊碌碾y點是各項預應力損失值的意義和計算方法、預應力損失值的組合。參考書——葉列平.《混凝土結構》.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012杜拱辰.《現(xiàn)代預應力混凝土結構》.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000李國平.《預應力混凝土結構設計原理》.北京：人民交通出版社，2000薛偉辰.《現(xiàn)代預應力結構設計》.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003宋玉普.《新型預應力混凝土結構》.北京：機械工業(yè)出版社，2005李英民編，內伊（美國）著.《預應力混凝土》，重慶：重慶大學出版社，2007程東輝等.《預應力混凝土結構》.北京:中國計量出版社，2010第十章預應力混凝土構件10.1預應力混凝土的基本知識混凝土極限拉應變很小（約為0.00015），抗拉強度很低，抗裂性能差，不適應嚴格控制開裂的情況，限制混凝土結構應用范圍；隨著大跨結構應用發(fā)展和耐久性要求提高，裂縫與變形問題往往取代強度問題對結構設計起控制作用，成為混凝土結構設計的“瓶頸”。緣起……

常用措施和手段，無法很好解決裂縫和變形問題。增加鋼筋配筋量As，效果不明顯，而且不經(jīng)濟；增加截面尺寸b×h，增加材料用量，增加自重，不利大跨和抗震結構；采用高強鋼筋和高強混凝土，也不能有效改善開裂與變形性能：混凝土強度fc提高，ft約為0.1fc，提高不明顯，抗裂度提高有限；鋼筋強度fy提高，彈性模量Es≈2×105MPa，剛度不提高；鋼筋強度提高，鋼筋應力σsk提高，裂縫與變形加大；裂縫與變形問題影響和制約了高強材料的推廣應用——例如：由于裂縫寬度0.2~0.3mm，受拉鋼筋應力只能達到150~250MPa，高強鋼筋“英雄無用武之地”。裂縫與變形問題成為混凝土結構成為“萬里晴空上的兩朵烏云”。預應力混凝土的思想——在混凝土構件承受外荷載前，對高強度鋼筋進行張拉，利用高強度鋼筋的彈性回縮對構件受拉區(qū)混凝土施加預壓應力，利用混凝土較高抗壓強度彌補較低抗拉強度的不足，即形成預應力混凝土結構。預應力混凝土—PrestressedConcrete，簡稱PC。預應力是改善混凝土結構裂縫和變形的最有效措施1886年，美國H.杰克遜提出預應力概念;1928年，法國費雷爾曼提出采用高強鋼材，真正走向實用。預應力混凝土思想源于生活。自然粘結或者外加錨固自然粘結或者外加錨固預壓應力：可抵抗后期使用荷載產(chǎn)生的拉應力預應力混凝土—PrestressedConcrete，簡稱PC。預應力大預應力中預應力小（a）正常使用狀態(tài)下RC軸拉構件應力+不開裂較大拉力開裂例1：軸心受拉構件普通鋼筋混凝土（RC

）預應力鋼筋混凝土（PC）預應力施加完——鋼筋回縮、混凝土受壓構件承受荷載——混凝土由壓到拉當截面最大拉應力大于抗拉強度或最大拉應變大于極限拉應變，混凝土開裂。在本例中，經(jīng)合理設計，在正常使用階段，受拉構件可變?yōu)槭軌簶嫾?，裂縫問題可以得到改善和解決。預應力大預應力中預應力小（a）正常使用狀態(tài)下RC受彎構件應力（b）正常使用狀態(tài)下PC受彎構件應力+不開裂較大荷載開裂例2：受彎構件qq=當受拉區(qū)邊緣最大拉應力大于抗拉強度或最大拉應變大于極限拉應變，混凝土開裂。在本例中，經(jīng)合理設計，受彎構件可以變?yōu)槠珘簶嫾芽p和變形問題都得到根本解決。f各種受力情況下預應力所產(chǎn)生的等效荷載預應力混凝土實質——預應力產(chǎn)生等效荷載，平衡外加荷載。ACI（美國混凝土協(xié)會）定義——預應力混凝土是根據(jù)需要人為地預先設計、引入某一數(shù)值與分布的內應力，用以全部或部分抵消外荷載應力的一種加筋混凝土。f預應力混凝土的理解——根據(jù)上述分析，對于采用高強鋼材配筋的預應力混凝土構件，可以從以下三個概念進行分析和理解。第一種概念——預應力使混凝土構件在使用狀態(tài)下視為彈性材料在正常使用狀態(tài)下，在預應力和外加荷載共同作用下，混凝土不開裂甚至不出現(xiàn)拉應力，混凝土構件近似為彈性材料；應力、應變及變形可按材料力學方法計算，并且可以采用疊加原理。為預應力混凝土采用彈性分析提供依據(jù)。第二種概念——預加應力使高強鋼材和高強混凝土充分發(fā)揮潛力為產(chǎn)生高預應力以發(fā)揮預應力作用，預應力混凝土必須采用高強鋼材；為混凝土受壓破壞和徐變太大，預應力混凝土也盡量使用高強混凝土；受裂縫和變形控制，高強鋼材只在預應力混凝土中才能充分發(fā)揮作用；預應力混凝土材料選擇提供思路。第三種概念——預加應力對構件產(chǎn)生等效荷載，平衡使用荷載。設計預應力筋線型、位置和預應力值，可部分或全部抵消使用荷載;為預應力結構設計和分析提供簡便方法——荷載平衡法。一、鋼筋混凝土的缺點（1）抗裂性能差

通常帶裂縫工作，構件剛度小，耐久性差。（2）不能使用高強鋼筋。第十章預應力混凝土構件第一：砼的極限拉應變一般為（0.1~0.15）×10-3，

故砼開裂時，鋼筋的應力只有20~30MPa；第二：對應于裂縫寬度為(0.2~0.3)mm時的鋼筋應力約為250MPa。可見，普通砼中采用高強鋼筋，不能發(fā)揮高強鋼筋的強度優(yōu)勢。二、預應力的基本概念第十章預應力混凝土構件sbspc較大，全截面處于受壓狀態(tài)，不會開裂；稱全預應力砼。拉應力超過混凝土的抗拉強度，會產(chǎn)生裂縫，稱部分預應力砼。第十章預應力混凝土構件有小于混凝土抗拉強度的拉應力作用，一般不會開裂；稱有限預應力砼。第十章預應力混凝土構件10.2施加預應力的方法第十章預應力混凝土構件一、預應力混凝土的分類1.按制作、施工工藝劃分——先張法、后張法先張法預應力——在混凝土澆筑前對鋼筋施加預應力。后張法預應力——在混凝土澆筑后對鋼筋施加預應力。先張法預應力混凝土后張法預應力混凝土2.按預應力程度劃分——全部預應力、部分預應力全部預應力——在使用荷載作用下，構件截面混凝土不出現(xiàn)拉應力，為全截面受壓；部分預應力——在使用荷載作用下，構件截面混凝土允許出現(xiàn)拉應力或開裂，只有部分截面受壓。A類：在使用荷載作用下，構件截面拉應力不超過容許值；B類：在使用荷載作用下，構件截面裂縫寬度不超過容許值。=預應力大預應力中預應力小正常使用狀態(tài)下PC受彎構件應力+不開裂晚開裂q全預應力部分預應力3.按預應力筋與混凝土粘結程度劃分有粘結預應力——沿預應力筋全長與混凝土粘結，先張法預應力筋、后張法中孔道灌漿預應力混凝土；缺點：后張法孔道灌漿不易密實、預應力鋼筋銹蝕、構件斷裂無粘結預應力——沿預應力筋全長與混凝土不粘結，預應力筋伸縮、滑動自由。方法：無粘結預應力筋表面防銹、外套塑料管、與砼無粘結；優(yōu)點：施工方便（后張法使用不留孔道）、曲線更有優(yōu)勢；缺點：與有粘結相比裂縫少而寬、脆性破壞；措施：部分粘結預應力（有粘結和無粘結搭配）。無粘結預應力混凝土筋4.按預應力筋位置劃分體內預應力——預應力筋在構件內部；體外預應力——預應力筋（索）在構件外部，新建和加固工程體外預應力橋梁5.按制作場所劃分現(xiàn)澆預應力混凝土——大型和重型構件；預制預應力混凝土——工廠或工地預制，運輸?shù)跹b；組合式預應力混凝土——裝配整體式預應力混凝土。疊合板——可用于新建或加固工程。疊合板預制預應力混凝土箱梁二、施加預應力的方法先張法第十章預應力混凝土構件傳遞長度ltrsptspcspc后張法第十章預應力混凝土構件10.2施加預應力的方法后張法第十章預應力混凝土構件第十章預應力混凝土構件第十章預應力混凝土構件10.3預應力混凝土構件的基本分析方法方法一：利用材料力學公式計算截面應力認為開裂前材料是線彈性的，截面應力=預加力Np產(chǎn)生的應力+外力矩M產(chǎn)生的應力第十章預應力混凝土構件受荷前受荷后方法二：采用與鋼筋混凝土類同的計算方法

（認為外力矩M由截面上的抵抗內力偶相平衡。）截面應力第十章預應力混凝土構件1、預應力混凝土受彎構件是依靠內力臂a的變化

來抵抗外彎矩的作用，在受力過程中預應力筋一直承受較大的拉力Np，混凝土一直承受壓力C,

且Np

、C的值變化較小。由方法二可知：第十章預應力混凝土構件2、而鋼筋混凝土受彎構件開裂后，內力臂h0基本保持不變，而鋼筋拉力T和壓區(qū)混凝土的壓力C隨彎矩增長而不斷增大。ssAsMhh0C第十章預應力混凝土構件3、預應力混凝土的這種受力特點，充分利用了鋼筋抗拉強度和混凝土抗壓強度高的特性，可以使得高強度材料的性能得以發(fā)揮。方法三：平衡荷載法1、由外荷載g產(chǎn)生的彎矩epe02、布置預應力鋼筋gx使預加力產(chǎn)生的彎矩Npep和外荷載g產(chǎn)生的彎矩Mg抵消第十章預應力混凝土構件截面應力則且取取10.4預應力混凝土的材料及錨夾具（1）強度高：第一要在鋼筋中建立起高應力；

第二預應力混凝土會產(chǎn)生各種預應力損失

（2）一定的塑性：避免超載、低溫、沖擊及地震時的脆性斷裂。（3）良好的加工性能：以滿足焊接、鐓粗等加工要求。（4）低松弛性：以減小由于松弛而產(chǎn)生的預應力損失。（5）與混凝土良好的粘結性能：采用刻痕、壓波等方法來提高粘結強度。一、預應力鋼筋1、對預應力鋼筋的性能要求第十章預應力混凝土構件2、預應力鋼筋的種類

是用3或7股高強鋼絲扭結而成的一種高強預應力筋，其中以7股鋼絞線應用最多。無粘結預應力束（1）鋼絞線第十章預應力混凝土構件第十章預應力混凝土構件（2）預應力螺紋鋼筋(精軋制螺紋鋼)：

（3）消除應力鋼絲：

鋼絲經(jīng)冷拔后，存在有較大的內應力，一般都需要采用低溫回火處理來消除內應力。消除應力鋼絲的比例極限、條件屈服強度和彈性模量均比消除應力前有所提高，塑性也有所改善。第十章預應力混凝土構件第十章預應力混凝土構件種類符號d(mm)fptk鋼絞線1×3(三股）s8.6、10.81860、1720、157012.91720、15701×7(七股）9.5、11.1、12.7186015.21860、1720清除應力鋼絲光面螺旋助PH51770、1670、157091470、157071570預應力螺紋鋼筋螺紋T18、259801080123032、4050預應力鋼筋強度標準值（N/mm2）見教材P314附表2（1）高強度：一是可施加較大的預壓應力；

二是可減小截面尺寸、自重，實現(xiàn)大跨。（2）具有較高的彈性模量：

可提高截面抗彎剛度；

可減少預壓時的彈性回縮，減少預應力損失。（3）收縮、徐變小：可減少預應力損失。（4）與鋼筋有較大粘結強度：