1、鋼筋混凝土結構及鋼筋混凝土結構及砌體結構砌體結構第十章第十章 預應力鋼筋混凝土構件預應力鋼筋混凝土構件劉汾濤劉汾濤 主講主講廣東水利電力職業技術學院廣東水利電力職業技術學院 土木工程系土木工程系 力學教研室力學教研室u預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念u施加預應力的方法施加預應力的方法u開裂前預應力混凝土截面的基本分析開裂前預應力混凝土截面的基本分析u預應力混凝土材料和錨夾具預應力混凝土材料和錨夾具u張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失u預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析u預應力混凝土受彎構件的應力分析預應力混凝土受彎構件的應力分析u預應力混凝土

2、結構構件計算預應力混凝土結構構件計算u預應力混凝土構件施工階段驗算預應力混凝土構件施工階段驗算u預應力混凝土局部承壓驗算預應力混凝土局部承壓驗算u預應力混凝土構件的基本構造要求預應力混凝土構件的基本構造要求qk=10kN/mL0示例示例: 跨度跨度5.2m的簡支梁，截面尺寸的簡支梁，截面尺寸200450mm2，作用均布活荷載標準值作用均布活荷載標準值qk=10kN/m，均布恒荷載標，均布恒荷載標準值準值gk=5kN/m。10.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念10.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念 原跨度原跨度2倍跨度倍跨度4倍跨度倍跨度 高強鋼筋高強鋼筋 L0 /m 5.2m1

3、0.4m 20.8m 5.2m bh /mm2200 450400 900800 1900200 450gk /kN/m520805M /kN.m67.6513.965948.867.6fy /MPa300300300580As /mm2603210612650308Mk /kN.m50.7405.64867.250.7f = L0/300 /mm16.4=L0/316 38.1=L0/27388.8=L0/234 32.2=L0/161.5s ssk /MPa232264453wmax=0.3 /mm0.250.400.7510.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念 上述問題原因是因為砼

4、抗拉強度太低，導致受拉區上述問題原因是因為砼抗拉強度太低，導致受拉區砼過早開裂，截面抗彎剛度顯著降低。如為增加剛砼過早開裂，截面抗彎剛度顯著降低。如為增加剛度而加大截面尺寸，會導致自重進一步增大，形成度而加大截面尺寸，會導致自重進一步增大，形成惡性循環惡性循環; 如增加鋼筋來提高剛度，則鋼材強度得不如增加鋼筋來提高剛度，則鋼材強度得不到充分利用，造成浪費。到充分利用，造成浪費。 采用高強鋼筋，按正截面承載力要求可減少配筋，采用高強鋼筋，按正截面承載力要求可減少配筋，截面抗彎剛度基本與配筋面積成比例降低，故撓度截面抗彎剛度基本與配筋面積成比例降低，故撓度變形控制難以滿足。變形控制難以滿足。 裂縫

5、寬度與鋼筋應力基本成正比，如采用裂縫寬度與鋼筋應力基本成正比，如采用VI級高強級高強鋼筋，裂縫寬度已遠遠超過容許限值。鋼筋，裂縫寬度已遠遠超過容許限值。10.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念n 預應力基本原理預應力基本原理在構件使用前，通過預加外力，使受拉區預先產生在構件使用前，通過預加外力，使受拉區預先產生壓應力，以抵消或減小外荷載產生的拉應力，這樣壓應力，以抵消或減小外荷載產生的拉應力，這樣可利用砼的抗壓強度來彌補砼抗拉強度不足的缺陷，可利用砼的抗壓強度來彌補砼抗拉強度不足的缺陷，達到防止受拉區砼過早開裂的要求，從而提高截面達到防止受拉區砼過早開裂的要求，從而提高截面抗彎剛度和減小

6、裂縫寬度，甚至可以做到在使用荷抗彎剛度和減小裂縫寬度，甚至可以做到在使用荷載下不出現裂縫。載下不出現裂縫。10.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念n梁底預先產生壓應力梁底預先產生壓應力n荷載作用下梁底拉應力荷載作用下梁底拉應力n疊加后梁底應力疊加后梁底應力2hIeNANppppcs2hIMcs)2(2hIeNANhIMppppccbsss 預應力砼的基本概念預應力砼的基本概念 全預應力砼全預應力砼：預加應力：預加應力s spc較大，受拉邊緣仍處于較大，受拉邊緣仍處于受壓狀態，不會出現開裂；受壓狀態，不會出現開裂； 有限預應力砼有限預應力砼：受拉邊緣應力雖然受拉，但拉應力：受拉邊緣應力雖然

7、受拉，但拉應力小于砼的抗拉強度，一般不會出現開裂；小于砼的抗拉強度，一般不會出現開裂； 部分預應力砼部分預應力砼：受拉邊緣應力超過砼抗拉強度，雖：受拉邊緣應力超過砼抗拉強度，雖會產生裂縫，但比鋼筋砼構件（會產生裂縫，但比鋼筋砼構件（Np =0）開裂明顯推）開裂明顯推遲，裂縫寬度也顯著減小。遲，裂縫寬度也顯著減小。cpc0sscpctk0fsscpctkfss10.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念10.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念n 預應力概念的應用預應力概念的應用圖圖10-1 生活中預應力概念的應用生活中預應力概念的應用10.1 預應力混凝土的概念預應力混凝土的概念1. 改

8、善結構的使用性能改善結構的使用性能延緩裂縫的出現及減小撓度，可建造大跨度結構延緩裂縫的出現及減小撓度，可建造大跨度結構2. 受剪承載力提高受剪承載力提高3. 卸載后的結構變形或裂縫得到恢復卸載后的結構變形或裂縫得到恢復4. 提高構件的疲勞承載力提高構件的疲勞承載力預應力可降低鋼筋的疲勞應力比，增加疲勞強度。預應力可降低鋼筋的疲勞應力比，增加疲勞強度。5. 使高強鋼材和混凝土得到應用使高強鋼材和混凝土得到應用10.2 施加預應力的方法施加預應力的方法 n 先張法：先張拉鋼筋，后澆筑砼先張法：先張拉鋼筋，后澆筑砼工序工序:1. 在臺座上張拉鋼筋至預定控制應力后作臨時固定在臺座上張拉鋼筋至預定控制應

9、力后作臨時固定2. 支模綁扎非預應力鋼筋支模綁扎非預應力鋼筋, 澆筑砼澆筑砼3. 砼達到預定強度后放松鋼筋砼達到預定強度后放松鋼筋, 鋼筋回縮擠壓砼鋼筋回縮擠壓砼, 產產生預壓應力生預壓應力10.2 施加預應力的方法施加預應力的方法 后張后張法法 (Pretension)先澆筑砼構件先澆筑砼構件, 然后在砼達到規定強度后張拉鋼筋然后在砼達到規定強度后張拉鋼筋工序工序:1. 澆筑砼構件并在構件中預留孔道澆筑砼構件并在構件中預留孔道2. 砼達預定強度后將預應力筋穿入預留孔道砼達預定強度后將預應力筋穿入預留孔道,安裝固安裝固定端錨具并張拉鋼筋至預定控制應力后用錨具錨固定端錨具并張拉鋼筋至預定控制應力

10、后用錨具錨固3. 用壓力泵將高強水泥漿灌入預留孔道用壓力泵將高強水泥漿灌入預留孔道, 使預應力使預應力鋼筋和孔道壁鋼筋和孔道壁產生粘結力產生粘結力10.2 施加預應力的方法施加預應力的方法 后張后張無粘結預應力無粘結預應力: 新技術新技術n 工序工序:n1. 預先鋪設表面涂有專用油脂并用塑料包裹后制預先鋪設表面涂有專用油脂并用塑料包裹后制成的無粘結預應力筋成的無粘結預應力筋n2. 澆筑混凝土澆筑混凝土n3. 砼達到預定強度后再行張拉砼達到預定強度后再行張拉 優缺點優缺點1. 無須預留孔道和灌漿無須預留孔道和灌漿2. 預應力鋼筋可多跨曲線布置，施工方便預應力鋼筋可多跨曲線布置，施工方便3. 預應

11、力鋼筋強度不能充分發揮預應力鋼筋強度不能充分發揮, 錨具要求高錨具要求高 技術要求技術要求1. 一定要有非預應力筋一定要有非預應力筋2. 錨具的可靠性錨具的可靠性3. 高強鋼絲的可靠度高強鋼絲的可靠度10.2 施加預應力的方法施加預應力的方法10.2 施加預應力的方法施加預應力的方法n 先張法先張法n1. 工藝簡單，但需要臺工藝簡單，但需要臺座座(或鋼模或鋼模)設施設施n2. 適用于預制構件廠批適用于預制構件廠批量生產、方便運輸的中小量生產、方便運輸的中小型構件；型構件；n3. 適用于直線預應力鋼適用于直線預應力鋼筋筋4. 通過預應力筋與砼間通過預應力筋與砼間粘結作用施加預應力粘結作用施加預應

12、力圖圖10-2 先張法中粘結力傳遞預壓力先張法中粘結力傳遞預壓力n 后張法后張法n1. 工藝復雜，需要對構件安裝永久性工作錨具，工藝復雜，需要對構件安裝永久性工作錨具，但不需要臺座；但不需要臺座；n2. 適用于現場成形或現適用于現場成形或現n場分階段張拉的大型構場分階段張拉的大型構n件；件；n3. 適用于直線預應力鋼適用于直線預應力鋼n筋及曲線預應力鋼筋；筋及曲線預應力鋼筋；n4. 通過錨具施加預應力。通過錨具施加預應力。spcsp錨具下混凝土局部承壓問題10.2 施加預應力的方法施加預應力的方法圖圖10-3 后張法中錨具傳遞預壓力后張法中錨具傳遞預壓力預壓力產生的應力預壓力產生的應力彎矩產生

13、的應力：彎矩產生的應力：疊加后應力：疊加后應力：ppppcNN eyAIspp pcpc()NN eMyyIAIsss10.3 開裂前預應力混凝土截面的開裂前預應力混凝土截面的基本分析基本分析圖圖10-4 開裂前截面應力開裂前截面應力（a）截面）截面 （b）預壓應力）預壓應力 （c）彎矩產生應力）彎矩產生應力 （d）疊加后應力）疊加后應力cMyIs受荷以前受荷以前受荷以后受荷以后MaCaNpCMNMap10.3 開裂前預應力混凝土截面的開裂前預應力混凝土截面的基本分析基本分析10.3 開裂前預應力混凝土截面的開裂前預應力混凝土截面的基本分析基本分析 預應力砼受彎構件是預應力砼受彎構件是依靠內力

14、臂的變化依靠內力臂的變化來抵抗外彎來抵抗外彎矩作用，在受力過程中預應力筋一直承受較大的拉矩作用，在受力過程中預應力筋一直承受較大的拉力力Np，而截面砼則一直主要承受壓力，而截面砼則一直主要承受壓力C。 鋼筋砼受彎構件開裂后，鋼筋砼受彎構件開裂后，內力臂基本保持不變內力臂基本保持不變，而，而鋼筋拉力鋼筋拉力T和壓區砼壓力和壓區砼壓力C隨彎矩增長不斷增大。隨彎矩增長不斷增大。 預應力砼的這種受力特點，充分利用了預應力砼的這種受力特點，充分利用了鋼筋抗拉強鋼筋抗拉強度和砼抗壓強度高特性度和砼抗壓強度高特性，可以使得高強度材料強度，可以使得高強度材料強度高的性能得以發揮。高的性能得以發揮。均布荷載均布

15、荷載gk下彎矩下彎矩:偏心矩偏心矩: , 取取則則:代入預應力砼截面應力公式代入預應力砼截面應力公式:表明表明: 采用合適曲線預應力筋采用合適曲線預應力筋,可使均布荷載作用下可使均布荷載作用下梁各截面均處軸心受壓狀態梁各截面均處軸心受壓狀態, 預應力筋僅受拉力預應力筋僅受拉力Np.2gk1()2Mglxx220)(4lxlxeepgpp pp()MNN eNyyIAIAs222kp ppkg2p()114()82g llxxN eNg lxxMNl 10.3 開裂前預應力混凝土截面的開裂前預應力混凝土截面的基本分析基本分析2k0p18g leN由微單元的徑向平衡得由微單元的徑向平衡得: wdx

16、 = Npd w = Npd /dx = Np 曲線微單元曲率半徑曲線微單元曲率半徑對偏心矩方程求導：對偏心矩方程求導： =d2ep/dx2 =8e0/l2因此：因此：w =Np =8Npe0/l2 =gk當當w=gk時，曲線預應力筋對砼產生橫向分布壓力恰時，曲線預應力筋對砼產生橫向分布壓力恰好抵消梁均布恒荷載好抵消梁均布恒荷載gk。按這種方法設計的預應力砼結構稱為按這種方法設計的預應力砼結構稱為平衡荷載法平衡荷載法。NpNpwdd/2d/2dx10.3 開裂前預應力混凝土截面的開裂前預應力混凝土截面的基本分析基本分析10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具 強度越高越好

17、：會有一部分應力損失強度越高越好：會有一部分應力損失 與混凝土間有足夠的粘結強度：與混凝土間有足夠的粘結強度： 通常采用通常采用“刻痕刻痕”或或“壓波壓波”方法方法 良好的加工性能：良好的加工性能： 良好的焊接性、冷鐓性及熱鐓性能良好的焊接性、冷鐓性及熱鐓性能具有一定的塑性：要求拉斷前有一定的伸長率具有一定的塑性：要求拉斷前有一定的伸長率 常用預應力鋼筋常用預應力鋼筋1. 冷拉低合金鋼筋冷拉低合金鋼筋 原原級級(抗拉強度標準值為抗拉強度標準值為540MPa)熱軋鋼筋經冷熱軋鋼筋經冷拉后作為預應力筋，抗拉強度標準值可達拉后作為預應力筋，抗拉強度標準值可達700MPa。 為解決粗直徑鋼筋連接問題，

18、鋼筋表面軋制成不為解決粗直徑鋼筋連接問題，鋼筋表面軋制成不帶縱向肋的精制螺紋，帶縱向肋的精制螺紋，可用套筒直接連接。可用套筒直接連接。 隨著近年來高強鋼絲隨著近年來高強鋼絲和鋼絞線的大量生產和鋼絞線的大量生產, 這種預應力筋的應用已很少這種預應力筋的應用已很少.10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具2. 中高強鋼絲中高強鋼絲 中高強鋼絲是采用優質碳素鋼盤條，經過幾次冷中高強鋼絲是采用優質碳素鋼盤條，經過幾次冷拔后得到。拔后得到。 鋼絲強度鋼絲強度中強中強: 8001200MPa高強高強: 14701860MPa 鋼絲直徑為鋼絲直徑為39mm。 為增加與砼粘結強度，為增加

19、與砼粘結強度，鋼絲表面可采用鋼絲表面可采用刻痕刻痕或或壓波壓波，也可制成，也可制成螺旋肋。螺旋肋。10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具消除應力鋼絲消除應力鋼絲n 鋼絲經冷拔后，存在有較大的內應力，一般都鋼絲經冷拔后，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。需要采用低溫回火處理來消除內應力。n 消除應力鋼絲的比例極限、條件屈服強度和彈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性模量均比消除應力前有所提高; 塑性也有所改善。塑性也有所改善。3. 鋼絞線鋼絞線 鋼絞線

20、是用鋼絞線是用2、3、7股高強鋼絲扭結而成的一種高股高強鋼絲扭結而成的一種高強預應力筋，其中以強預應力筋，其中以7股鋼絞線股鋼絞線應用最多。應用最多。 7股鋼絞線公稱直徑股鋼絞線公稱直徑9.5 15.2 mm,常用于無粘結預應常用于無粘結預應力筋力筋,強度高達強度高達1860MPa。 2、3股鋼股鋼 絞線用途不廣絞線用途不廣, 僅用于僅用于某些先張法某些先張法 構件構件, 以提高與砼的粘以提高與砼的粘結強度結強度.10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具4. 熱處理鋼筋熱處理鋼筋用熱軋中碳低合金鋼經過調質熱處理后制成的高強用熱軋中碳低合金鋼經過調質熱處理后制成的高強 度鋼

21、筋，直徑為度鋼筋，直徑為610mm，抗拉，抗拉 強度為強度為1470MPa。 除除冷拉低合金筋冷拉低合金筋外外, 其余預應力其余預應力 筋的應力筋的應力-應變曲線均無明顯屈應變曲線均無明顯屈 服點服點, 采用殘余應變為采用殘余應變為0.2%條件條件 屈服點屈服點作為抗拉強度設計指標作為抗拉強度設計指標.10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具a0.2%s0.2 fu10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具5. 無粘結預應力束無粘結預應力束 由由j12和和j15鋼絞線或鋼絞線或7 s5和和7 s4鋼絲束、油脂鋼絲束、油脂涂料層和護套包裹層組成。涂料層和

22、護套包裹層組成。 油脂涂料使預應力筋與其周圍砼隔離，減少摩擦油脂涂料使預應力筋與其周圍砼隔離，減少摩擦損失，防止預應力筋銹蝕。損失，防止預應力筋銹蝕。 包裹層作用包裹層作用:保護保護油脂涂料及隔離預應力筋和砼油脂涂料及隔離預應力筋和砼 目前多采用低密度聚乙烯與油脂涂料一同在預應目前多采用低密度聚乙烯與油脂涂料一同在預應力筋上擠出形成力筋上擠出形成無粘結預應力無粘結預應力筋的生產工藝。筋的生產工藝。10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具種種 類類符符 號號fptk fpy fpy 鋼絞線鋼絞線1 3s1860132039017201220157011101 7186013

23、2039017201220消除應消除應力鋼絲力鋼絲光面螺旋肋光面螺旋肋PH177012504101670118015701110刻痕刻痕處理鋼筋熱處理鋼筋40Si2MnHT1470104040048Si2Mn45Si2Cr 表表10-1 預應力鋼筋強度標準值和設計值（預應力鋼筋強度標準值和設計值（N/mm2）10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具 對混凝土的基本要求對混凝土的基本要求1. 高強度：高強度：可施加較大預壓應力，并可減小截面尺寸。可施加較大預壓應力，并可減小截面尺寸。2. 收縮、徐變小：收縮、徐變小：有利于減少徐變引起的預應力損失；

24、有利于減少徐變引起的預應力損失；3. 快硬、早強。快硬、早強。強度早期發展較快，可較早施加預應力，加快施工強度早期發展較快，可較早施加預應力，加快施工速度，提高臺座、模具、夾具的周轉率。速度，提高臺座、模具、夾具的周轉率。10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具 常用混凝土型號常用混凝土型號1. 一般預應力混凝土構件一般預應力混凝土構件 混凝土強度等級不低于混凝土強度等級不低于C302. 采用預應力鋼絞線、高強鋼絲和熱處理鋼筋采用預應力鋼絞線、高強鋼絲和熱處理鋼筋 混凝土強度等級不低于混凝土強度等級不低于C403. 先張法構件混凝土強度可比后張法高些先張法構件混凝土強度可

25、比后張法高些 先張法比后張法的預應力損失大先張法比后張法的預應力損失大10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具 錨具和夾具的區別錨具和夾具的區別 夾具夾具: 先張法中可取下重復使用的工具先張法中可取下重復使用的工具, 代號代號J 錨具錨具: 后張法中長期固定在構件上錨固預應力筋后張法中長期固定在構件上錨固預應力筋,代號代號M 錨、夾具的一般要求錨、夾具的一般要求: 具足夠的強度和剛度具足夠的強度和剛度 滑移小，構造簡單、節約鋼材滑移小，構造簡單、節約鋼材 10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具n 常用錨具類型：支承式、錐塞式、夾片式常用錨具類型：支

26、承式、錐塞式、夾片式n 螺旋端桿錨具螺旋端桿錨具n主要用于預應力鋼筋張拉端主要用于預應力鋼筋張拉端圖圖10-5 螺絲端桿錨具螺絲端桿錨具 10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具n 鐓頭錨具：用于錨固鋼絲束鐓頭錨具：用于錨固鋼絲束n張拉端采用錨杯，固定端采用錨板張拉端采用錨杯，固定端采用錨板圖圖10-6 鐓頭錨具鐓頭錨具(a) 張拉端張拉端 (b) 分散式固定端分散式固定端 (c) 集中式固定端集中式固定端10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具n 錐塞式錨具：用于錨固鋼絲束或鋼絞線束錐塞式錨具：用于錨固鋼絲束或鋼絞線束n錨具由帶錐孔的錨環和錐形錨塞

27、兩部分組成錨具由帶錐孔的錨環和錐形錨塞兩部分組成 圖圖10-7 錐塞式錨具錐塞式錨具10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具 夾片式錨具：采用鍥形夾片將預應力鋼筋束或鋼夾片式錨具：采用鍥形夾片將預應力鋼筋束或鋼絞線鍥緊錨固于錨環中絞線鍥緊錨固于錨環中圖圖10-8 夾片式錨具夾片式錨具（a）JM12型錨具（型錨具（b）XM型與型與QM型錨具夾片型錨具夾片10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具常用：常用：JM12型、型、QM型和型和XM型錨具型錨具圖圖10-8 夾片式錨具夾片式錨具（c） QM型單孔錨具型單孔錨具 （d）QM型多孔錨具型多孔錨具10.4

28、 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具n 常用先張法夾具類型：常用先張法夾具類型：n 錐形、鍥形夾具錐形、鍥形夾具:用于錨固單、雙根冷軋帶肋鋼筋用于錨固單、雙根冷軋帶肋鋼筋圖圖10-9 錐形夾具和鍥形夾具錐形夾具和鍥形夾具1 套筒套筒 2 錐銷錐銷 3 預應力筋預應力筋 4 錨板錨板 5 鍥塊鍥塊 10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具n 鋼模張拉用梳子板夾具鋼模張拉用梳子板夾具圖圖10-10 鋼模張拉用梳子板夾具鋼模張拉用梳子板夾具1 梳子板梳子板 2 鋼模橫梁鋼模橫梁 3 鋼絲鋼絲 4 鐓

29、頭鐓頭 5 千斤頂張拉時爪鉤孔及支撐位置示意千斤頂張拉時爪鉤孔及支撐位置示意6 固定用螺帽固定用螺帽 10.4 預應力混凝土的材料預應力混凝土的材料及錨夾具及錨夾具n 工具式錨桿工具式錨桿: 用于與粗鋼筋連接后固定于支承架用于與粗鋼筋連接后固定于支承架上上, 與粗鋼筋連接可用焊接或套筒式連接器連接與粗鋼筋連接可用焊接或套筒式連接器連接圖圖10-11 工具式錨桿工具式錨桿1 預應力筋預應力筋 2 焊接接頭焊接接頭 3 臺座固定傳力架臺座固定傳力架 4 工具式螺桿工具式螺桿 5 千斤頂千斤頂 6 螺帽螺帽 7 活動鋼橫梁活動鋼橫梁 10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失n 張拉

30、控制應力的概念張拉控制應力的概念n1. 張拉預應力筋對構件施加預應力時，張拉設備張拉預應力筋對構件施加預應力時，張拉設備（千斤頂油壓表）所控制的總張拉力（千斤頂油壓表）所控制的總張拉力Np,con除以預應除以預應力筋面積力筋面積Ap得到的應力為張拉控制應力得到的應力為張拉控制應力s scon。2. 是預應力筋在構件受荷前所經受的最大應力。是預應力筋在構件受荷前所經受的最大應力。3. 張拉控制應力張拉控制應力s scon取值越高，預應力筋對砼的預取值越高，預應力筋對砼的預壓作用越大，可以使預應力筋充分發揮作用。壓作用越大，可以使預應力筋充分發揮作用。n 張拉控制應力限值張拉控制應力限值: s s

31、con取值過高取值過高,可能會在張拉時可能會在張拉時引起斷筋事故引起斷筋事故,產生過大應力松弛產生過大應力松弛. 10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失鋼 筋 種 類張 拉 方 法先 張 法后 張 法預應力鋼絲、鋼絞線0.75 fptk0.75 fptk熱處理鋼筋0.70 fptk 0.65 fptk表表10-2 張拉控制應力限值張拉控制應力限值s scon預應力筋的張拉過程在施工階段進行預應力筋的張拉過程在施工階段進行, 張拉預應力筋張拉預應力筋也是對它進行的一次檢驗也是對它進行的一次檢驗, 所以表中所以表中s scon以預應力筋以預應力筋標準強度給出，標準強度給出，不受

32、抗拉強度設計值限制不受抗拉強度設計值限制。10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失下列情況下，下列情況下， s scon可提高可提高0.05 fptk：1. 為提高構件在施工階段的抗裂性能，而在使用階為提高構件在施工階段的抗裂性能，而在使用階段受壓區內設置的預應力筋；段受壓區內設置的預應力筋；2. 為部分抵消應力松弛、摩擦、分批張拉和溫差產為部分抵消應力松弛、摩擦、分批張拉和溫差產生預應力損失。生預應力損失。為避免為避免s scon的取值過低，影響預應力筋充分發揮作的取值過低，影響預應力筋充分發揮作用，用，規范規范規定規定s scon不應小于不應小于0.4 fptk。10.5

33、 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失 由于砼和鋼材性質及制作方法上原因由于砼和鋼材性質及制作方法上原因,預應力筋張預應力筋張拉后應力會從拉后應力會從s scon逐步減少逐步減少,并經過相當長時間才會并經過相當長時間才會最終穩定下來最終穩定下來,這種應力降低現象稱為預應力損失這種應力降低現象稱為預應力損失. 穩定后的應力值才產生實際預應力效果穩定后的應力值才產生實際預應力效果.因此預應因此預應力損失是預應力砼結構設計和施工中一個關鍵問題力損失是預應力砼結構設計和施工中一個關鍵問題. 過高或過低估計預應力損失，都會對結構的使用過高或過低估計預應力損失，都會對結構的使用性能產生不利影響

34、。性能產生不利影響。10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失 引起預應力損失的原因及損失值的計算引起預應力損失的原因及損失值的計算由于預應力通過張拉預應力筋得到，由于預應力通過張拉預應力筋得到，凡使預應力筋凡使預應力筋產生縮短的因素，都將引起預應力損失產生縮短的因素，都將引起預應力損失，主要有：，主要有：砼彈性壓縮、砼收縮和徐變以及錨固損失、砼彈性壓縮、砼收縮和徐變以及錨固損失、高應力長期作用下的應力松弛損失、高應力長期作用下的應力松弛損失、摩擦損失、摩擦損失、溫差損失、溫差損失、分批張拉損失分批張拉損失 張拉端錨具變形和鋼筋內縮引起預應力損失張拉端錨具變形和鋼筋內縮引起預應

35、力損失s sl1預應力筋張拉后錨固時，由于錨具受力后變形、預應力筋張拉后錨固時，由于錨具受力后變形、墊板縫隙被擠緊以及鋼筋在錨具中的內縮滑移引起墊板縫隙被擠緊以及鋼筋在錨具中的內縮滑移引起的預應力損失的預應力損失。1. 直線預應力筋直線預應力筋:s sl1=aEs/l10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失錨錨 具具 類類 型型a支承式錨具支承式錨具(鋼絲束鐓頭、精軋螺紋鋼筋錨具鋼絲束鐓頭、精軋螺紋鋼筋錨具): 螺母縫隙螺母縫隙每塊后加墊板的縫隙每塊后加墊板的縫隙11錐塞式錨具錐塞式錨具(鋼絲束的鋼質錐形錨具等鋼絲束的鋼質錐形錨具等)5夾片式錨具夾片式錨具有頂壓時有頂壓時5無

36、頂壓時無頂壓時68表表10-3 錨具變形和預應力筋內縮值錨具變形和預應力筋內縮值a (單位單位:mm)a張拉端錨具變形和鋼筋內縮值張拉端錨具變形和鋼筋內縮值l張拉端至錨固端間距離張拉端至錨固端間距離（mm）10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失2. 曲線預應力筋：根據預應力曲線筋與孔道壁之間曲線預應力筋：根據預應力曲線筋與孔道壁之間反向摩擦影響長度反向摩擦影響長度lf范圍內預應力筋變形值等于錨范圍內預應力筋變形值等于錨具變形和鋼筋內縮值的條件確定具變形和鋼筋內縮值的條件確定圖圖10-12 圓弧形曲線預應力筋因錨具變形和鋼筋回縮引起的損失值示意圖圓弧形曲線預應力筋因錨具變形和

37、鋼筋回縮引起的損失值示意圖（a）圓弧形曲線預應力筋）圓弧形曲線預應力筋 （b） s sl1分布圖分布圖10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失計算公式計算公式:1con fcf2()(1)lxlrlssrc圓弧形曲線預應力鋼筋的曲率半徑（圓弧形曲線預應力鋼筋的曲率半徑（m）;lf反向摩擦影響長度（反向摩擦影響長度（m）; 預應力筋與孔道壁之間摩擦系數；預應力筋與孔道壁之間摩擦系數； 考慮孔道每米長度局部偏差的摩擦系數；考慮孔道每米長度局部偏差的摩擦系數；x張張拉端至計算截面的距離拉端至計算截面的距離（mm）,不應大于不應大于lf . )/(1000cconssraElf10.

38、5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失 摩擦損失摩擦損失s sl2在在后張法后張法張拉鋼筋時，由于預應力筋與周圍接觸的張拉鋼筋時，由于預應力筋與周圍接觸的混凝土或套管之間存在摩擦，引起預應力筋應力隨混凝土或套管之間存在摩擦，引起預應力筋應力隨距張拉端距離的增加而逐漸減少的現象。距張拉端距離的增加而逐漸減少的現象。1.計算公式計算公式: x+ 0.2時時, 按近似公式按近似公式:2con11lxess)(con2ssxl 張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角（rad）x 張拉端至計算截面的孔道長度（張拉端至計算截面的孔道長度（m）。）。10.

39、5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失2. 減少摩擦損失的措施減少摩擦損失的措施為減少摩擦損失為減少摩擦損失,可采取兩端張拉或超張拉的方法可采取兩端張拉或超張拉的方法,但兩端張拉時但兩端張拉時, 兩端均需考慮錨具損失兩端均需考慮錨具損失.圖圖10-13 減少摩擦的措施減少摩擦的措施（a）一端張拉）一端張拉 （b） 兩端張拉兩端張拉 （c） 超張拉超張拉 熱養護損失熱養護損失s sl31. 先張法預應力砼構件進行蒸汽養護升溫時先張法預應力砼構件進行蒸汽養護升溫時,新澆砼新澆砼尚未結硬尚未結硬,鋼筋受熱膨脹鋼筋受熱膨脹, 但鋼筋長度不變但鋼筋長度不變, 因此預應因此預應力筋中應力隨溫

40、度增高而降低力筋中應力隨溫度增高而降低, 產生預應力損失產生預應力損失s sl3.2. 降溫時，砼達到了一定強度，與預應力筋之間已降溫時，砼達到了一定強度，與預應力筋之間已具有粘結作用，兩者共同回縮，已產生預應力損失具有粘結作用，兩者共同回縮，已產生預應力損失s sl3無法恢復。無法恢復。3. 養護升溫后養護升溫后, 預應力筋與臺座溫差為預應力筋與臺座溫差為D D t , 取鋼筋取鋼筋溫度膨脹系數為溫度膨脹系數為110-5/，有，有5531 102 102lsEtttsD D D10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失

41、 應力松弛損失應力松弛損失s sl41. 應力松弛的概念應力松弛的概念 鋼筋在高應力長期作用下具有隨時間增長產生塑鋼筋在高應力長期作用下具有隨時間增長產生塑性變形的性質。在長度保持不變的條件下，應力值性變形的性質。在長度保持不變的條件下，應力值隨時間增長而逐漸降低。隨時間增長而逐漸降低。 應力松弛與徐變應力松弛與徐變: 實質一樣實質一樣 應力松弛應力松弛: 長度不變長度不變,應力隨隨時間而減小應力隨隨時間而減小 徐變徐變: 應力不變應力不變,變形隨時間而增加變形隨時間而增加與初始應力水平和作用時間長短有關。與初始應力水平和作用時間長短有關。 可采用短時間超張拉方法減少松弛損失可采用短時間超張拉

42、方法減少松弛損失2. 規范給出的規范給出的s sl4計算公式計算公式 普通松弛預應力鋼絲和鋼絞線普通松弛預應力鋼絲和鋼絞線：為超張拉系數為超張拉系數,一次張拉一次張拉,取取=1;超張拉超張拉,=0.9 低松弛預應力鋼絲和鋼絞線：低松弛預應力鋼絲和鋼絞線： s scon 0.7fptk時，時， 0.7fptks scon 0.8fptk時時， 熱處理鋼筋熱處理鋼筋: 一次張拉一次張拉: s sl4=0.05s scon 超張拉超張拉: s sl4 =0.035s scon10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失con4conptk0.4 (0.5)lfssscon4conptk

43、0.125 (0.5)lfssscon4conptk0.2 (0.575)lfsss10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失 收縮徐變損失收縮徐變損失s sl5砼的砼的收縮收縮和和徐變徐變，都會導致預應力砼構件長度的縮，都會導致預應力砼構件長度的縮短，預應力筋隨之回縮，引起預應力損失。由于收短，預應力筋隨之回縮，引起預應力損失。由于收縮和徐變是同時隨時間產生的，且影響二者的因素縮和徐變是同時隨時間產生的，且影響二者的因素相同和時隨變化規律相似，規范將二者合并考慮。相同和時隨變化規律相似，規范將二者合并考慮。規范規定：混凝土收縮、徐變引起受拉區和受壓區規范規定：混凝土收縮、徐變

44、引起受拉區和受壓區預應力鋼筋的預應力損失預應力鋼筋的預應力損失s sl5 、s sl5 （N/mm2），可），可按下列公式計算按下列公式計算：10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失1. 先張法構件先張法構件2. 后張法構件后張法構件pccu5452801 15lfsspccu5452801 15lfss pccu5352801 15lfsspccu5352801 15lfss f cucu 施加預應力時的混凝土立方體抗壓強度施加預應力時的混凝土立方體抗壓強度10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失n s spcpc 、s s pcpc受拉區、受壓區預應力鋼

45、筋在各自合受拉區、受壓區預應力鋼筋在各自合力點處混凝土法向壓應力。計算公式：力點處混凝土法向壓應力。計算公式：n 先張法：先張法：n 后張法：后張法：n注：計算注：計算s sl5 、s sl5 時，預應力損失值僅考慮砼預時，預應力損失值僅考慮砼預壓前（第一批）的損失壓前（第一批）的損失, 其非預應力鋼筋中的應力其非預應力鋼筋中的應力s sl5 、s sl5 值取零，值取零， s spcpc 、s s pcpc值不得大于值不得大于0.5f cucu ，當，當s s pcpc為拉應力時，公式中為拉應力時，公式中s s pcpc =0，計算，計算s spcpc 、s s pcpc時時可根據構件制作情

46、況考慮自重影響。可根據構件制作情況考慮自重影響。popo popcoooNN eyAIspp pn2pconnnNN eMyAIIsn 、 受拉區、受壓區預應力鋼筋和非預應力鋼受拉區、受壓區預應力鋼筋和非預應力鋼筋的配筋率，計算公式為：筋的配筋率，計算公式為：n 對先張法構件：對先張法構件：n 對后張法構件：對后張法構件：n式中：式中：Ao先張法用混凝土換算面積；先張法用混凝土換算面積；nAn后張法用混凝土凈截面面積。后張法用混凝土凈截面面積。n構件對稱配筋時構件對稱配筋時, = , 按鋼筋截面面積一半計算按鋼筋截面面積一半計算0AAAsp0AAAspnspAAA nspAAA10.5 張拉控

47、制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失 預應力損失的特點預應力損失的特點 預應力混凝土構件從預加應力開始，即需要進行預應力混凝土構件從預加應力開始，即需要進行各項有關計算，由于預應力損失是分批發生的，因各項有關計算，由于預應力損失是分批發生的，因此，應根據計算需要，考慮相應階段所產生的預應此，應根據計算需要，考慮相應階段所產生的預應力損失。力損失。 以砼預壓時刻為界限，將預應力損失分為兩批：以砼預壓時刻為界限，將預應力損失分為兩批： 1. 混凝土預壓前完成的損失混凝土預壓前完成的損失s slI； 2. 混凝土預壓后完成的損失混凝土預

48、壓后完成的損失s slII。10.5 張拉控制應力和預應力損失張拉控制應力和預應力損失 預應力損失的組合預應力損失的組合考慮到預應力損失計算的誤差，在總損失計算值考慮到預應力損失計算的誤差，在總損失計算值過小時，產生不利影響，規范規定當總損失值過小時，產生不利影響，規范規定當總損失值s sl =s slI +s slII小于下列數值時，按下列數值取用小于下列數值時，按下列數值取用:先張法構件先張法構件 100MPa后張法構件后張法構件 80MPa表表10-4 各階段預應力損失值的組合各階段預應力損失值的組合預應力損失值的組合先張法構件后張法構件砼預壓前(第一批)損失s slI s sl1+s

49、sl2+s sl3+s sl4s sl1+s sl2砼預壓后(第二批)損失s slIIs sl5s sl4+s sl5+s sl610.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 施工階段施工階段n 放張前：放張前：n1. 張拉過程張拉過程n張拉鋼筋至張拉鋼筋至s scon后錨固于臺座后錨固于臺座澆注砼澆注砼構件養護構件養護n2. 應力分析應力分析: 產生第一批預應力損失產生第一批預應力損失s slIn預應力鋼筋預應力鋼筋: s spI= s scon - s slI混凝土混凝土: s spc = 010.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應

50、力分析的應力分析n 放張后：放張后：n1. 張拉過程張拉過程: 剪斷鋼筋剪斷鋼筋 鋼筋回縮鋼筋回縮 砼受壓砼受壓n2. 應力分析應力分析:n 預應力鋼筋預應力鋼筋: s speI= (s scon - s slI) - Es spcI n 根據內力平衡條件根據內力平衡條件: s speI Ap = s spcI Ann 混凝土混凝土:Ap預應力鋼筋截面面積預應力鋼筋截面面積;An構件混凝土凈截面面積構件混凝土凈截面面積;Ao構件換算截面面積構件換算截面面積, Ao=An+ EAp. conIppIpcInEpo()lANAAAsss10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應

51、力分析的應力分析n 砼收縮、徐變，產生第二批預應力損失砼收縮、徐變，產生第二批預應力損失s slII ：n1. 預應力總損失預應力總損失: n s sl =s slI +s slIIn2. 應力分析應力分析:n 預應力鋼筋預應力鋼筋: s speII =s scon-s sl - Es spcII n 混凝土混凝土:conpopcIInEpo()lANAAAsss10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 使用階段使用階段n 消壓狀態：消壓狀態：N0 =s spcIIA0 n1. 應力分析應力分析: n 混凝土混凝土: s spc =0n 預應力鋼筋預應力

52、鋼筋: s spe=s speII + Es spcII =s scon - s sln2. 消壓軸力：消壓軸力：n N0 =s speAp=(s scon - s sl)Ap10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 開裂軸力開裂軸力Ncr ：n1. 施加的軸力施加的軸力: Ncr =(s spcII +ftk )A0 = N0+ ftkA0n2. 應力分析應力分析:n 混凝土混凝土: s spc = ftk n 預應力鋼筋預應力鋼筋: s spe= (s scon - s slI) + E ftk n 極限軸力極限軸力Nu ：n Nu = fpyAp1

53、0.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 施工階段施工階段n 第一批預應力損失完成后應力狀態第一批預應力損失完成后應力狀態n 預應力鋼筋預應力鋼筋: s speI= s scon - s slIn 混凝土混凝土:n 第二批預應力損失完成后應力狀態第二批預應力損失完成后應力狀態n 預應力鋼筋預應力鋼筋: s speII= s scon - s sl 混凝土混凝土:conIppIpcInn()lANAAsssconppIIpcIInn()lANAAsss10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 使用階段使用階段n 消壓狀

54、態：消壓狀態： N0 =s spcIIA0 n1. 應力分析應力分析: n 混凝土混凝土: s spc = 0n 預應力鋼筋預應力鋼筋: s spe= s speII + Es spcII =s scon-s sl + Es spcII n2. 消壓軸力：消壓軸力：n N0 =s speAp=(s scon - s sl + Es spcII)Ap10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 開裂軸力開裂軸力Ncr ：n1. 施加的軸力施加的軸力: Ncr =(s spcII +ftk )A0 = N0+ ftkA0n2. 應力分析應力分析:n 混凝土混凝土

55、: s spc = ftk n 預應力鋼筋預應力鋼筋: s spe= (s scon-s slI + Es spcII) + E ftk n 極限軸力極限軸力Nu ：n Nu = fpyAp10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 抗裂性提高抗裂性提高n1. 與普通混凝土軸心受拉構件相比，預應力與普通混凝土軸心受拉構件相比，預應力軸心軸心受拉構件的開裂荷載推遲了受拉構件的開裂荷載推遲了N0；n2. 在開裂荷載以前，混凝土處于受壓，預應力鋼在開裂荷載以前，混凝土處于受壓，預應力鋼筋一直處于高應力狀態，這使得鋼筋受拉和砼受壓筋一直處于高應力狀態，這使得鋼筋受

56、拉和砼受壓性能高的優點得到發揮。性能高的優點得到發揮。n 正截面承載力不提高正截面承載力不提高最大承載力與普通砼軸心受拉構件計算公式相同最大承載力與普通砼軸心受拉構件計算公式相同10.6 預應力混凝土受彎構件的預應力混凝土受彎構件的應力分析應力分析n 先張法構件先張法構件n 僅截面受拉側配預應力筋僅截面受拉側配預應力筋Apn 1. 張拉軸力張拉軸力: Np0=(s scon -s sl)Ap n 2. 應力分析應力分析:n 混凝土混凝土:n 預應力筋預應力筋: s sp=s scon-s sl - Es spc p0p0 popc000NN eyAIs圖圖10-14 先張法受彎構件施工階段應力

57、分析先張法受彎構件施工階段應力分析（a）換算截面）換算截面 （b）放張前）放張前 （c）放張后）放張后10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 受壓區同時配預應力筋受壓區同時配預應力筋Ap ：n1. 張拉軸力張拉軸力: Np0=(s scon-s sl)Ap+(s s con-s s l)Ap n 偏心距偏心距: ep0=(s scon-s sl)Apyp+(s s con-s s l)Ap yp /Np0n2. 應力分析應力分析: 公式同上公式同上圖圖10-15 （a）換算截面）換算截面 （b）放張前）放張前 （c）放張后）放張后10.6 預應力混凝土

58、受彎構件的預應力混凝土受彎構件的應力分析應力分析n 后張法構件后張法構件n 僅截面受拉側配預應力筋僅截面受拉側配預應力筋Apn 1. 張拉軸力張拉軸力: n Np=(s scon -s sl)Ap n 作用于凈換算截面（作用于凈換算截面（ An , In ）計算截面應力）計算截面應力n 2. 應力分析應力分析: n 混凝土混凝土:n 預應力筋預應力筋: s sp=s scon-s slpp pnpcnnnNN eyAIs10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 受壓區同時配預應力筋受壓區同時配預應力筋Ap ：n1. 張拉軸力張拉軸力: Np=(s sco

59、n-s sl)Ap+(s s con-s s l)Ap n 偏心距偏心距: epn=(s scon-s sl)Apypn+(s s con-s s l)Ap ypn /Npn2. 應力分析應力分析: 公式同上公式同上圖圖10-16 后張法受彎構件施工階段應力分析后張法受彎構件施工階段應力分析10.6 預應力混凝土受彎構件的預應力混凝土受彎構件的應力分析應力分析無論是先張法還是后張法，施加外彎矩無論是先張法還是后張法，施加外彎矩M后，預應后，預應力鋼筋與砼共同變形，因此在達到混凝土抗拉強度力鋼筋與砼共同變形，因此在達到混凝土抗拉強度ftk之前，可用換算截面按材料力學方法來確定彎矩之前，可用換算截

60、面按材料力學方法來確定彎矩產生的截面應力，即產生的截面應力，即相應預應力鋼筋的應力增量為預應力鋼筋位置相應預應力鋼筋的應力增量為預應力鋼筋位置s scM處的處的 E倍，即倍，即 DsDsp= Es scM cM00MyIs10.6 預應力混凝土軸心受拉構件預應力混凝土軸心受拉構件的應力分析的應力分析n 消壓彎矩消壓彎矩M0n當外彎矩當外彎矩M引起的截面受拉邊緣的拉應力引起的截面受拉邊緣的拉應力s scM恰好恰好抵消該處砼的預壓應力抵消該處砼的預壓應力s spc時，此時彎矩為消壓彎矩。時，此時彎矩為消壓彎矩。1. 混凝土受拉邊緣應力混凝土受拉邊緣應力: s sc =s scM -s spc=M0