第二篇預應力
第十二章預應力的基本概念
預應力混凝土：
結構構件受外荷載作用前，預先對由外荷載產生的混凝土受拉區施加壓力
由此產生的預壓應力可以減小或抵消外荷載所引起的混凝土拉應力。
主要用於：①要求裂縫控制等級較高的結構；
②大跨度或受力很大的構件；
③對剛度或變形要求較高的構件。
鋼筋混凝土結構在使用中存在的問題：
要帶裂縫工作(使構件剛度下降，不能應用於不允許開裂的結構中)
無法充分發揮高強度鋼筋及高標號混凝土的作用（裂縫寬度受限）
自重大，構件跨徑受到限制
材料的要求：
預應力混凝土結構中必須採用高強材料，才能充分發揮高強鋼材的抗拉強度，有效的減少構件截面尺寸，減輕結構自重。
預應力度λ：按正常使用極限狀態設計時受彎構件預應力度λ是由預加力大小確定的消壓彎矩m0與外荷載彎矩m的比值
鋼筋混凝土的分類（根據預應力度）
（1）全預應力混凝土結構---λ≥1，沿預應力筋方向的正截面不出現拉應力，（不得消壓）。
（2）部分預應力混凝土結構---0<λ<1 ，沿預應力筋方向正截面出現拉應力或出現不超過規定寬度的裂縫。
（3）鋼筋混凝土結構---λ=0，受拉區混凝土很快達到其極限拉應變，出現裂縫，拉力主要由鋼筋承受，只至鋼筋屈服，受壓區混凝土最終壓碎破壞。
預應力結構的優缺點
優點：①提高了構件的抗裂度和剛度
可以節省材料，減少自重
可以減小混凝土梁的豎向剪力和主拉應力
結構質量安全可靠
促進了橋梁結構新體系與施工方法的發展
提高結構的耐疲勞效能
缺點：①工藝較複雜
需要有專門裝置
預應力反拱度不易控制
對於跨徑小、構件數量少的工程，成本較高
先張法：在澆灌混凝土前張拉鋼筋的方法。
優點：(1)工序簡單 (2)不必耗費錨具 (3)質量較穩定
缺點：(1)僅適於中、小跨度結構 (2)需台座和預製場地
傳力：靠鋼筋與混凝土間的粘結力來傳遞。
後張法：在混凝土結硬後在構件上張拉鋼筋的方法。
優點：(1)無需台座 (2)適宜大跨度和曲線配筋
缺點：(1)工藝複雜 (2)錨具用量大
傳力：永久性錨具。
錨具的要求：
1 力安全可靠 ②預應力損失小 ③構造簡單、緊湊，製作方便
④用鋼量少 ⑤張拉錨固方便迅速，裝置簡單
錨具的分類
按傳力錨固的受力原理來分
①摩阻型錨具——依靠摩阻力實現錨固
如楔形錨、錐形錨和夾片式群錨等
②承壓型錨具——依靠區域性承壓實現錨固
如鐓頭錨、鋼筋螺紋錨等
③粘結型錨具——依靠粘結力實現錨固
如先張法的預應力鋼筋錨固，以及後張法固定端的鋼絞線壓花錨具等。
常用錨具的種類、工作原理、適用場合及相應的優缺點
（1）錐形錨：依靠摩阻力錨固的錨具，主要用於鋼絲束的錨固。
優點：是錨固面積小，便於在梁體上分散布置
缺點：錨固時鋼絲的回縮量大，應力損失較其他錨具大，不能重複張拉和接長。
（2）墩頭錨：依靠鋼絲的鐓粗頭承壓進行錨固，主要用於直線式鋼絲束的錨固，也可錨固直徑14mm以下的直線式鋼筋束。
優點：錨固可靠，不滑絲，應力損失小
缺點：筋束張拉噸位大，鋼絲數多，施工麻煩。
（3）鋼筋螺紋錨具：依靠鋼筋螺紋承壓進行錨固，主要用於預應力筋束為高強粗鋼筋時。
優點：錨固可靠，施工方便，預應力損失小，能重複張拉。
（4）夾片錨具：鋼絞線夾片錨和扁型夾片錨具主要是靠摩阻力進行錨固，主要用於錨固鋼絞線筋束
優點：錨固噸位大，鋼絞線為單獨工作
缺點：因布置的需要，必須擴孔。
預應力混凝土的材料要求
1 對混凝土的要求
(1) 強度高。可以提高鋼筋與混凝土之間的粘結應力；
對採用後張法的構件，可提高錨固端的區域性承壓承載力，
還可減小構件截面尺寸。
(2)收縮、徐變小。以減小收縮、徐變引起的預應力損失。
(3)快硬、早強。可盡早施加預應力，加快施工進度。
《公路橋規》規定：預應力混凝土構件的混凝土強度等級不應低於c40。
鋼材強度越高，混凝土強度級別也相應要求提高
2 對預應力鋼筋的要求：高強度；塑性好；粘結性好；低鬆弛
原因：混凝土預壓應力的大小，取決於預應力鋼筋張拉應力的大小；
考慮到構件在製作中會出現各種應力損失，因此需要採用較高的張拉應力，這就要求預應力鋼筋具有較高的抗拉強度。
混凝土的配製要求與措施：
第十三章預應力受彎構件
預先建立乙個與使用荷載產生的應力效應大致相反的應力效應，從而能非常有效地改善結構在正常使用階段的工作效能（混凝土不開裂或晚開裂）。
預應力混凝土可採用高強材料，大幅度的提高了構件的承載能力及跨越能力。（承載力的提高，是因為材料的強度提高，而不是因為施加了預應力）
預應力混凝土結構的基本原理：
對混凝土或鋼筋混凝土梁的受拉區預先施加壓應力，
有利於抵消使用荷載作用下產生的拉應力，
使混凝土構件在使用荷載作用下不致開裂，
或推遲開裂，或者使裂縫寬度減小。
構件受力可分為三個主要階段：施工階段、使用階段、破壞階段
1、施工階段（預加應力階段；運輸、安裝階段）
預加應力階段： 1)預加應力階段指從預加應力開始，至預加應力結束；
2)構件所承受的作用主要是偏心預壓力np；
3)梁自重g1、預加力np同時參加作用。
本階段的設計計算要求：
（1）截面上、下緣拉、壓應力不應超出規定值；
（2）控制預應力筋的最大張拉應力；
（3）錨固區承壓承載力足夠安全度，不出現縱向裂縫。
運輸、安裝階段
1)引起預應力損失的因素增加，np比預加應力階段小；
2)運輸中支點或安裝時吊點與正常不同，需進行驗算。
2、使用階段
1、載入至受拉邊緣混凝土預壓應力為零
1）構件僅在永存預加力np，其下邊緣混凝土的有效預壓應力為σpc。
2）至某一特定荷載，其下邊緣混凝土的預壓應力σpc恰被抵消為零，此時在控制截面上彎矩m0稱為消壓彎矩。
2、載入至受拉區裂縫即將出現
1）消壓後繼續載入，使受拉區混凝土應力達到ftk時的應力狀態，即稱為裂縫即將出現狀態。
2）構件出現裂縫時的理論臨界彎矩稱為開裂彎矩mcr
σpc - m0/ w0=0
σpc——由永存預加力ny在梁下邊緣產生的混凝土有效預加力；
w0——換算截面對受拉邊的抗彎模量。
把在m0作用下控制截面上的應力狀態，稱為消壓狀態，而把m0稱為消壓彎矩。
3、帶裂縫工作特點：
1）繼續增大荷載，截面下緣開始開裂，裂縫向截面上緣發展，
梁進入帶裂縫工作階段。
2）在消壓狀態出現後，預應力混凝土梁的受力
如同普通鋼筋混凝土梁一樣。
3）預應力混凝土梁的開裂彎矩mcr要比同截面、
同材料的普通鋼筋混凝土梁的開裂彎矩mcr,c大乙個消壓彎矩m0，
故預應力混凝土梁在外荷載作用下裂縫的出現被大大推遲。
混凝土梁施加了預壓應力，可避免或推遲混凝土出現裂縫，提高了樑中混凝土的抗裂效能，因此可以充分利用高強鋼材。
3、破壞階段
1、只在受拉區配置預應力鋼筋的適筋梁，破壞時，
應力狀態與鋼筋混凝土構件相似，計算方法也基本相同。
2、正常配筋的範圍內，預應力梁與同條件普通鋼筋混凝土梁的破壞彎矩值幾乎相同；（承載力相比，沒有提高）
3、可見預應力混凝土結構不能創造出超越其本身材料強度能力之外的奇蹟；
4、只能大大改善了結構在正常使用階段的工作效能。
（開裂荷載前者高於後者，大乙個消壓彎矩）
縱向受拉鋼筋施加預應力對承載力的影響：
正截面受彎承載力影響不明顯：
預應力可以提高抗裂度和剛度。破壞時，預應力已經抵消掉，與非預應力鋼筋混凝土受彎構件破壞特性相似。首先達到屈服，然後受壓區混凝土受壓邊緣應變到達極限應變而破壞。
提高斜截面受剪承載力：
因為預應力鋼筋有約束斜裂縫開展的作用，增加了混凝土剪壓區高度，從而提高了混凝土剪壓區所承擔的剪力。
持久狀況承載力極限狀態計算包括
1、正截面承載力計算；
2、斜截面承載力計算；
3、作用效應組合採用基本組合。
受壓區配置預應力鋼筋
跨度較大的構件，為滿足運輸，安裝過程中的受力要求，需在使用階段的受壓區配置預應力鋼筋；
不利影響：使預應力筋的應力降低，抗裂性和承載力均下降。
預加力的計算與預應力損失的估算
張拉控制應力
1、預應力鋼筋的預應力隨著張拉、錨固過程和時間推移而降低的現象稱為預應力損失（σl）。
2、扣除相應階段的應力損失後，鋼筋中實際存餘的預應力稱為有效預應力（σpe）。
3、設計中所需的鋼筋預應力值，應是有效預應力，即： σpe=σcon -σl
張拉控制應力：預應力鋼筋錨固前張拉鋼筋的千斤頂所顯示的總拉力除以預應力鋼筋截面積所求得的鋼筋應力值。
（錨口有摩擦時，應扣除錨口摩擦力）
張拉控制應力大小：
過低：材料得不到有效利用。
過高：1鋼筋可能被拉斷；
2應力鬆弛也將增大；
3冷拉ⅳ級鋼筋會發生脆斷
4先張法工藝事故率增加。
預應力損失的估算
徐變和收縮對預應力混凝土受彎構件的影響：
（1）引起預應力損失；
（2）徐變使構件變形加大；
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