第十章

第10章预应力混凝土构件 第十章预应力混凝土结构 Prestressed Concrete Structure

第10章预应力混凝土构件 §10.1 预应力混凝土的基本概念 10.1.1 预应力混凝土结构的基本概念 10.1.2 预应力混凝土结构的优缺点 10.1.3 预应力混凝土结构的应用 10.1.4 预应力混凝土的分类第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 10.1.1 预应力混凝土的基本概念 • 普通钢筋砼的主要缺点 • 普通混凝土结构抗裂性很差。砼的极限拉应变约为(0.1~0.15)×10-3，钢筋弹性模量为2×105N/mm2，砼即将开裂时受拉钢筋的应力只能到20~30N/mm2，对不允许开裂构件，不能充分利用钢筋强度。 • 不能适用于大跨和重载结构。普通钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度满足变形和裂缝控制的要求而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。 • 不能充分利用高强钢筋。裂缝宽度一般应限制在0.2～0.3mm左右，受拉钢筋应力最高也只能达到150～250N/mm2 第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 e p s N pc q s ct N 要使钢筋混凝土结构得到进一步发展，就必须克服混凝土抗拉强度低这一缺点，于是人们在长期的生产实践中，创造出了预应力混凝土结构。预应力混凝土结构：是指在砼结构构件受外荷载作用之前，预先对受拉区混凝土施加压力，以产生预压应力来减小或抵消外荷载所引起的混凝土拉应力，从而阻止或延缓裂缝的发生，称为预应力混凝土结构。 sct-spc 第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 由于预加应力spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；全截面受压实际工程中，广泛应用的预应力钢筋砼构件有：预应力钢筋砼轴拉构件、预应力钢筋砼受弯构件、预应力混凝土大偏心受压构件、偏心受拉构件，预应力混凝土预制桩等。受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比普通钢筋混凝土构件（Np =0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 10.1.2 预应力混凝土结构的优缺点： cp ct — 优点：（1）提高了构件的抗裂能力和耐久性。因为承受外荷载之前预应力砼构件的受拉区已有预压应力存在，所以在外荷载作用下，只有砼预压应力被全部抵消转而受拉且拉应变超过砼的极限拉应变时，构件才会开裂。可建造水工建筑、储水结构、抗渗结构。 ◥ （2）提高了构件的刚度。预应力砼梁在预应力作用下会产生向上的预拱，因此在外荷载作用下其挠度大大减小，所以预应力砼结构的刚度大。◥ 第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 （3）提高构件的抗剪、抗扭承载力。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍构件斜裂缝的出现与开展. 注：施加预应力对混凝土构件（如受拉构件、受弯构件）的正截面承载力（如受弯、受拉承载力）无明显影响。图10.3　简支梁荷载挠度曲线第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 （4）充分利用高强钢筋。普通钢筋砼构件不能充分利用高强度钢筋，而预应力砼构件中，预应力钢筋先被预拉，而后在外荷载作用下钢筋拉应力进一步加大，因而始终处于高拉应力状态，即能够有效利用高强度钢筋，采用高强钢筋，可以减小所需的钢筋面积。（5）提高构件的抗疲劳性能。在预应力结构中，由于钢筋事先张拉，在往复移动荷载的作用下，钢筋应力变化幅度较小（不大于10%），不会引起钢筋疲劳。缺点：（1）施工工序多，技术要求高；（2）需要专门的锚具和张拉设备，以及预应力钢筋，费用高；（3）开裂荷载与破坏荷载过于接近，破坏前的延性差。

第九章预应力混凝土构件 10.1.3 预应力混凝土结构的应用范围：预应力砼结构虽有一定的优点，但施工和计算很复杂，使用也受到一定限制。但对下列结构宜优先选用预应力砼结构。（1）裂缝控制等级较高的结构；如水池、储油池、核反应堆、水利、海港工程结构等。（2）大跨度或受力很大的结构；如大跨度桥梁、体育馆和车间，大跨建筑的楼盖体系，高层建筑结构的转换层等。（3）对构件刚度和变形控制要求较高的结构构件。如吊车梁。可以通过预压力作用使构件产生的反拱，来抵消或减少荷载作用所产生的变形，以满足使用要求。如：码头、闸门、桩、压力水管、渡槽、水电站厂房的屋面梁及吊车梁等。第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 • 预应力在日常生活中的应用搬书上架 ——双手对书施加预压力，书就不会掉下来桶箍——使木板预受压，在使用中受水的张力，受拉。自行车 ——辐条和钢圈，辐条细，易压屈，受拉钢圈截面较大，可受压，旋紧辐条，使辐条预先受拉，在受力时不会产生压屈。第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 木锯——锯条受压，会发生压屈，但锯条的受拉性能好，拧紧拉绳使锯条受拉，不易产生压屈。第1节预应力混凝土基本概念

张拉钢筋并在 台座上固定浇注混凝土构件混凝土强度达设计强度的75%以上时剪断钢筋浇混凝土构件，并在构件中预留孔道在构件中预留孔道中穿钢筋并张拉锚固灌浆 10.1.4 预应力混凝土的分类 1、按施加预应力方式分后张法预应力砼先张法预应力砼先张法后张法第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 有粘结预应力混凝土特点先张法生产的预应力混凝土构件以及后张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小 2. 按预应力筋与砼是否存在粘结作用分 • 有粘结预应力砼：是指沿预应力筋全长其周围均与砼粘结、握裹在一起的砼结构。灌浆灌浆第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 无粘结预应力混凝土特点后张法张拉钢筋后不在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件或在预应力筋外面涂防腐油脂外包塑料套管防止钢筋与砼粘结。无粘结预应力束造价低，便于以后再次张拉或更换预应力钢筋 • 无粘结预应力砼：是指预应力钢筋伸缩、滑动自由，不与周围砼粘结的预应力砼结构。第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 3、按施加预应力程度分： • 预应力混凝土结构构件的裂缝控制等级： • 一级——严格要求不出现裂缝的构件，要求构件受拉边缘砼不应产生拉应力； • 二级——一般要求不出现裂缝的构件，要求构件受拉边缘砼的拉应力不超过砼的抗拉强度； • 三级——允许出现裂缝的构件，要求构件正截面最大裂缝宽度计算值不超过规定的限值。在使用荷载下允许砼受拉区产生拉应力或宽度不大的裂缝，即只有部分截面受压。相当于裂缝控制等级为二、三级的构件。在使用荷载作用下，构件截面砼不出现拉应力，即全截面受压。大致相当于裂缝控制等级为一级的构件。部分预应力混凝土构件全预应力混凝土构件第1节预应力混凝土基本概念

第10章预应力混凝土构件 §10.2 施加预应力的方法与预应力砼的材料 10.2.1 施加预应力的方法 10.2.2 预应力混凝土的材料 10.2.3 夹具和锚具第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 10.2.1 施加预应力的方法 1、先张法－先张拉预应力钢筋后浇灌砼的方法，称为先张法。设计强度的75%以上先张法钢筋就位  张拉钢筋  支模、浇砼 砼达到一定强度剪丝  砼中产生预应力预压应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 （a）第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 灌浆灌浆 2、后张法—在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法。后张法浇砼，预留孔道  达到强度，穿筋  张拉钢筋，锚固  孔道灌浆预应力是靠钢筋端部的锚具来锚住预应力筋并传递预压应力的。第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 第2节施加预应力的方法

第2节施加预应力的方法

3、先张法与后张法的特点比较 • 先张法 • 优点（1）张拉工序比较简单； • （2）不需要在构件上放置永久性锚具； • （3）能成批生产，效率高，特别适用于量大面广中小型构件。 • 缺点：（1）需要专门台座，基建投资较大； • （2）预应力筋的布置多为直线型，曲线布置比较困难。 • 后张法 • 优点：（1）张拉预应力筋可以直接在构件或结构上进行，不需要专门台座，可现场制作，用于大型构件； • （2）可以根据不同荷载性质合理布置各种形状的预应力筋。 • 缺点：（1）需要留孔，灌浆，施工复杂； • （2）锚具要永久附在构件内，耗钢量大。 • 其他方法：电热法、自应力混凝土等。第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 (1)电热法电热张拉法是利用钢筋热胀冷缩的原理，在预应力钢筋上通过强大的电流，短时间内将钢筋加热，使钢筋的温度升高，钢筋随之伸长。当钢筋伸长到要求长度后，切断电源，锚固钢筋。随着温度的下降，钢筋逐渐冷却回缩，从而在混凝土中产生预压应力。所以，电热法只不过是以电热代替千斤顶的机械张拉，可用于先张法和后张法。电热张拉法具有设备简单、操作方便、生产效率高、无摩擦损失、便于曲线张拉和高空作业等优点；但也有耗电量较大、用伸长值控制应力不易准确、成批生产尚需校核张拉力等缺点。第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 (2)用膨胀水泥的自张法在先张法中，可利用膨胀水泥或混合料，使混凝土在凝结硬化过程中产生体积膨胀，内部钢筋被混凝土的膨胀所拉长。于是钢筋被预张受拉，转而在混凝土中造成预压应力。这常称为自应力，也可叫做化学预加应力。这种预应力方法生产工艺简单，但是目前产生的预应力还不够大，需研究改进。第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 10.2.2 预应力混凝土材料 1、混凝土 1）强度高。预应力砼要求采用高强砼，可以施加较大的预压应力，有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求； 2）收缩、徐变小，有利于减少收缩、徐变引起的预应力损失； 3）快硬、早强。可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、模具、夹具的周转率 4）弹性模量高。这样可使构件刚度加大，变形小，以减小因变形而引起的预应力损失。 • 《规范》规定：一般预应力混凝土构件的砼强度等级不低于C30，当采用高强钢丝、钢绞线时砼强度等级不低于C40。 • 《规范》规定：施加预应力时，所需砼立方体抗压强度应经计算确定，且不宜低于设计砼强度等级值的75%。第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 2、预应力钢筋 1）强度高；预应力钢筋具有较高的抗拉强度。 2）具有一定的塑性；为避免构件发生脆性破坏，预应力筋在拉断前具有一定的伸长率。 3）良好的加工性能；以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。 4）与混凝土之间有良好的粘结；通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。我国目前常用的预应力钢材主要有：钢绞线消除应力钢丝螺纹钢筋或钢棒第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 • 钢绞线 • 钢绞线是用直径5~6mm的高强钢丝捻制而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.5~17.8 mm，强度可高达1970MPa。无粘结预应力束第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 刻痕钢丝螺旋肋钢丝 • 钢丝 • 分为中强度钢丝和消除应力钢丝两种。 • 外形分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝三种。 • 极限抗拉强度标准值可达1860N/mm2。 • 钢丝公称直径为3~9mm。 • 为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用‘刻痕’或‘压波’，也可制成螺旋肋。第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 • 螺纹钢筋和钢棒（规格见第一章） • 用热轧螺纹钢筋经过淬火和回火的调质热处理后制成的高强度钢筋，按其螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种。直径为18mm、25mm、32mm、40mm、50mm，抗拉强度标准值最高可达1230 N/mm2。第2节施加预应力的方法

10.2.3 夹具和锚具 是预应力砼构件中锚固预应力筋的装置。对在构件中建立有效预应力起着至关重要的作用。夹具：当预应力构件制成后能够取下重复使用的称为夹具；锚具：留在构件上不再取下的称锚具。二者均是依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或锚住钢筋。 1、对锚具的要求：（1）安全可靠，具有足够的强度和刚度；（2）应使预应力钢筋在锚具内尽可能的不产生滑移，以减小预应力损失；（3）构造简单，且便于机械加工制作；（4）使用方便，省材料，价格低。第2节施加预应力的方法

2、锚具的类型 锚具的种类繁多，按其传力锚固受力原理，可分为三类：如楔形锚、锥形锚和用于锚固钢绞线的JM锚与夹片式群锚等。依靠摩擦力锚固的锚具。依靠承压锚固的锚具。如墩头锚、钢筋螺纹锚等。如先张法的筋束锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等。依靠粘结力锚固的锚具。第2节施加预应力的方法

锥形锚具 预应力钢筋通过摩擦力将预拉应力传到锚环，后者在通过承压力和粘结力将预拉应力传到混凝土构件。优点：锚固多根平行钢丝束或钢绞线束；缺点：滑移大，不易保证每根应力均匀。第2节施加预应力的方法

夹具式锚具 预应力靠摩擦力将预拉力传给夹片，夹片依靠其斜面上的承压力传锚环，再由锚环依靠承压力传给构件。第2节施加预应力的方法

(a) (b) (c) 张拉端分散式固定端集中式固定端镦头锚具预应力靠镦头的承压力传到锚环，在依靠罗纹上的承压力传到螺帽，再经过垫板传到混凝土构件上。优点：锚固性能可靠，锚固力大，张拉操作方便；缺点：对钢筋钢丝束的长度精度要求高。第2节施加预应力的方法

螺丝端杆锚具 螺丝端杆锚具拉力由钢筋端部的螺纹通过剪切作用传给锚头（螺母）并挤压垫板和砼。优点：操作简单，预应力钢筋基本不发生滑动；缺点：对预应力钢筋长度的精度要求高，不能太长或太短。第2节施加预应力的方法

锥形夹具、偏心夹具和楔形夹具 1——套筒 2——锥销 3——预应力钢筋 4——锚板 5——楔块第2节施加预应力的方法

锥形锚块夹具 螺杆镦粗夹具套筒式连接器第2节施加预应力的方法

第10章预应力混凝土构件 §10.3 预应力钢筋张拉控制应力与预应力损失 10.3.1 预应力筋张拉控制应力con(control stress by spread out) 10.3.2 预应力损失计算 10.3.3 预应力损失值的组合第3节张拉控制应力与预应力损失

第10章预应力混凝土构件 10.3.1 张拉控制应力（scon）概念及取值 1、概念：是张拉预应力筋时所控制达到的最大拉应力值。其值等于张拉设备（千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积所得到的应力值，以scon表示 • 2、张拉控制应力scon取值原则 • scon是施工时张拉预应力钢筋的依据，既不能取值过高也不能取值过低。 • ◆ 张拉控制应力scon取值过低，经过预应力损失后，对砼施加的预压应力过小，不能有效地提高预应力砼构件的抗裂度。因此《规范》规定con不应小于0.4 fptk。 • ◆ scon取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，构件的抗裂性越强。但scon取值过高，则会产生如下问题：第3节张拉控制应力与预应力损失

第10章预应力混凝土构件 （1）张拉钢筋时个别钢筋可能被拉断；（2）施工阶段可能会使构件的某些部位受到拉力（称为预拉区）甚至开裂。还可能使后张法构件端部混凝土产生局部受压破坏；（3）使开裂荷载与破坏荷载相近，一旦开裂，将很快破坏，即可能产生无预兆的脆性破坏。（4）con取值过高，还会增大预应力钢筋的松弛损失。因此，《规范》规定预应力钢筋的张拉控制应力值不宜超过表10-1规定的张拉控制应力限值[con]。 fptk——预应力钢筋的抗拉强度标准值。第3节张拉控制应力与预应力损失

第10章预应力混凝土构件 张拉控制应力允许值[con] 表10-1 张拉方法钢种先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线 0.75 fptk 0.75 fptk 0.75 fptk 0.7 fptk 螺纹钢筋 0.65 fptk 0.70 fptk 钢棒 fptk：预应力钢筋强度的标准值，按附录2表8采用第3节张拉控制应力与预应力损失

第10章预应力混凝土构件 • 在下列情况下， [scon]可提高0.05 fptk： • ⑴ 要求提高构件在施工阶段的抗裂性能，而在使用阶段受压区内设置的预应力筋； • ⑵要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差等原因产生的预应力损失。第3节张拉控制应力与预应力损失

第10章预应力混凝土构件 • 在相同的条件下，对于相同的预应力钢筋，先张法构件的张拉控制应力con取值高于后张法。这是由于先张法和后张法建立预应力的方式是不同的。 • 先张法是在浇筑混凝土之前在台座上张拉钢筋，故在预应力钢筋中建立的拉应力就是张拉控制应力con。放张预应力钢筋时，混凝土受到压缩，钢筋随之缩短，从而使预应力筋中的应力有所降低； • 而后张法是在混凝土构件上张拉钢筋，在张拉的同时，混凝土被压缩，张拉设备千斤顶所指示的张拉控制应力是已扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。 • 为了使两种方法所得到的砼预压应力保持在相同水平，故先张法构件的con值应适当高于后张法。第3节张拉控制应力与预应力损失

第10章预应力混凝土构件 10.3.2 预应力损失 • ◆ 定义：预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中应力会从scon逐步减少，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。 • ◆ 由于最终稳定后的钢筋应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失计算是预应力砼结构设计和施工中的一个关键的问题。 • ◆ 过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响。 • 《规范》采取分项计算各种因素产生的预应力损失，再用叠加的方法求得总预应力损失。一般考虑以下6种预应力损失：第3节张拉控制应力与预应力损失

第10章预应力混凝土构件 1、预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失（简称锚固损失）sl1 （1）预应力损失sl1的计算预应力筋张拉到s con后,当将它锚固在台座或构件上时，由于锚具受力后变形，锚具、垫板与构件之间的缝隙被挤紧，以及钢筋在锚具中的滑移产生的预应力损失sl1按下式计算 a－张拉端锚具变形和钢筋内缩值(mm)；按表10-2取值 l－张拉端与锚固端之间的距离(mm)； Es（或Ep）——预应力钢筋的弹性模量。第3节张拉控制应力与预应力损失

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