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*第9章

预应力混凝土构件设计本章学习目标熟悉预应力混凝土构件的施工工艺及构造要求；?掌握轴心受拉构件和受弯构件各阶段受力分析及设计方法；?本章的重点是预应力的基本知识以及轴心受拉构件和受弯构件的设计；难点是各阶段预应力损失的计算。熟悉预应力混凝土的基本知识、分类方法、预应力损失及计算方法；§9.1预应力混凝土的基本知识9.1.1一般概念钢筋混凝土构件的最大缺点是抗裂性能差。由于混凝土的极限拉应变很小，在使用荷载作用下受拉区混凝土均已开裂，使构件的刚度降低，变形增大。裂缝的存在使构件不适用于高湿度及侵蚀性环境。为了满足对变形和裂缝控制的较高要求，可以加大构件截面尺寸和用钢量，但这不经济。由于自重太大时，构件所能承受的自重以外的有效荷载减小，因而特别不适用于大跨度、重荷载的结构。另外，提高混凝土强度等级和钢筋强度对改善构件的抗裂和变形性能效果也不大，这是因为采用高强度等级的混凝土，其抗拉强度提高很少；对于使用时允许裂缝宽度为0.2～0.3mm的构件，受拉钢筋应力只能达到150～250Mpa左右，这与各种热轧钢筋的正常工作应力相近，即在普通钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥作用的。预应力混凝土是改善构件抗裂性能的有效途径。在混凝土构件承受外荷载之前，对其受拉区预先施加应力，就成为预应力混凝土结构。美国混凝土协会（ACI）对预应力混凝土下的定义是：“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。这种预压应力可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力，因而可推迟甚至避免裂缝的出现。图9-1a所示简支梁，承受外荷载之前，先在梁的受拉区施加一对偏心预压力Np，从而在梁截面混凝土中产生预压应力，如图9-1b所示；而后，按荷载标准值pk计算时，梁跨中截面应力如图9-1c所示。将图9-1b、c叠加得梁跨中截面应力分布，如图9-1d所示。显然，通过人为控制预压应力Np的大小，可使梁截面受拉边缘混凝土产生压应力、零应力或很小的拉应力，以满足不同的裂缝控制要求，从而改变了普通钢筋混凝土构件原有的裂缝状态，成为预应力混凝土受弯构件。9.1.2预应力混凝土的分类根据制作、设计和施工的特点，预应力混凝土可以有不同的分类。1、先张法与后张法先张法是制作预应力混凝土构件时，先张拉预应力钢筋后浇灌混凝土的一种方法；后张法是先浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度后再张拉预应力钢筋的一种预加应力方法。2、 全预应力和部分预应力全预应力是在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力，即为全截面受压。部分预应力是在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出现拉应力或开裂，即只有部分截面受压。部分预应力又分为A、B两类：A类指在使用荷载作用下，构件预压区混凝土正截面的拉应力不超过规定的容许值；B类则指在使用荷载作用下，构件预压区混凝土正截面的拉应力允许超过规定的限值，但当裂缝出现时，其宽度不超过容许值。可见，以上是按照构件中预加应力大小的程度划分的9.1.2预应力混凝土的分类3、有粘结预应力与无粘结预应力有粘结预应力，是指沿预应力筋全长其周围均与混凝土粘结、握裹在一起的预应力混凝土结构。先张预应力结构及预留孔道穿筋压浆的后张预应力结构均属此类。无粘结预应力，指预应力筋伸缩、滑动自由，不与周围混凝土粘结的预应力混凝土结构。这种结构的预应力筋表面涂有防锈材料，外套防老化的塑料管，防止与混凝土粘结。无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合。9.1.3施加预应力的方法1、先张法通常通过机械张拉钢筋给混凝土施加预应力，可采用台座长线张拉或钢模短线张拉，其基本工序为：①在台座（或钢模）上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，并用夹具临时固定，如图9-2a、b所示；②支模并浇灌混凝土，如图9-2c所示；③养护混凝土（一般为蒸汽养护）至其达设计强度的75%以上时，切断预应力钢筋，如图9-2d所示。先张法构件是通过预应力钢筋与混凝土之间的粘结力传递预应力的。此方法适用于预制厂制作中、小型构件，如预应力混凝土楼板、屋面板、梁等。2、后张法后张法的基本工序为：①浇灌混凝土制作构件，并预留孔道，如图9-3a所示；②养护混凝土到规定强度值；③在孔道中穿筋，并在构件上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，如图9-3b所示；④张拉端用锚具锚住预应力钢筋，并在孔道内压力灌浆，如图9-3