预应力混凝土构件基本知识和组合

1、预应力混凝土构件基本知识和组合 本章内容：预应力混凝土结构构件。学习重点：预应力混凝土的工作原理，以及施加预应力的方法，预应力损失的种类及组合。本章提要7.1 预应力混凝土构件概述混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，或者裂缝宽度过宽，不满足适用性和耐久性的要求。混凝土的极限拉应变约为0.1-0.1510-3，钢筋弹性模量为2105N/mm2，则受拉钢筋的应力只能到20-30N/mm2，不能充分利用其强度；对允许开裂的构件，当受拉钢筋的应力达到250N/mm2，裂缝宽度已达0.2-0.3mm。钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循

2、环。高强钢筋的使用，应力达500-1000N/mm2，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。epNspcsctNqsct-spc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；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。预应力混凝土的基本概念普通钢筋混凝土中高强钢筋得不到充分利用，因而采用高强钢筋是不经济的，而提高混凝土的强度等级对提高构件的抗裂性能的作用极其有限。为了更好地利用混凝土的抗压性能，避免混凝土过早的出现裂缝，采用预应力混凝土结构

3、是最好的方法。1928年法国杰出的土木工程师E.Freyssnet发明了预应力混凝土。 预应力混凝土已经广泛应用于工业与民用建筑及交通运输建筑中。例如：预应力空心楼板、屋面大梁、屋架、吊车梁、预应力桥梁、铁路轨枕等。在水工建筑中也用来修建码头、 闸门、调压室、压力水管、工作桥、水电站厂房的屋面梁及吊车梁等结构构件，也可用预加压力的方法来加固大坝、衬砌隧洞等。预应力钢筋的下端锚固在坝基下的岩石中，在坝顶用千斤顶张拉钢筋，然后加以锚固。能使坝体的上游面产生预压应力，以抵消因水压作用而产生的拉应力。大大减缩坝体截面和增加坝体的稳定性。在水利水电工程的应用： 马鞍山水库大坝最大坝高31m,安全鉴定为三

4、类坝,坝体抗滑稳定不满足规范要求。为了节约投资、简化施工难度,采用预应力锚索加固坝体。 龙滩大坝底孔闸墩和支承梁式保证弧形工作闸门安全运行的关键受力结构，预应力锚索采用一端张拉的后张法施工。五强溪表孔闸墩采用预应力钢筋混凝土结构型式. 棉花滩水电站大坝预应力锚索孔道采用了预埋钢导管成孔，导管在加工厂下料、打磨管口，在现场拼装，对倾角、高差较大导管进行了多次拼装、预埋。预应力混凝土构件是在承受外荷载作用之前，先对混凝土预加压力，使其在构件截面上产生的预压应力来抵消外荷载引起的部分或全部拉应力。这样，在外荷载作用下，构件裂缝就能延缓或不出现，以充分发挥高强度钢筋的作用，改善混凝土的受拉性能，满足使

5、用要求。有粘结预应力钢筋预应力钢筋无粘结预应力钢筋 预应力混凝土结构的优缺点：优点：延缓构件开裂，减小裂缝宽度；刚度大，变形小；节约钢筋，减轻自重，可建造大跨高层结构。施工工序多，技术要求高；需要专门的锚具和张拉设备，以及预应力钢筋，费用高；开裂荷载与破坏荷载过于接近，破坏前的延性差。产生过大的反拱，影响正常使用。缺点：根据功能的要求，分成不同的类别进行设计。目前对预应力混凝土构件主要根据截面应力状态分为：（1）全预应力混凝土。（2）有限预应力混凝土。（3）部分预应力混凝土。（4）钢筋混凝土。预应力为零时的混凝土。 我国新编的水工混凝土结构设计规范规定，预应力混凝土结构构件设计时，应根据环境条

6、件和预应力钢筋种类选用不同的裂缝控制等级。三种裂缝控制等级大体上相当于前三种。截面控制裂缝的程度不同全预应力混凝土当使用荷载作用时，不允许出现拉应力的构件，相当于规范中裂缝控制等级为一级，即严格要求不出现裂缝的构件。部分预应力混凝土当使用荷载作用时，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件，相当于规范中裂缝控制等级为三级，即允许出现裂缝的构件。限值预应力混凝土当使用荷载作用下根据荷载效应组合情况，不同程度地保证混凝土不开裂的构件，相当于规范中裂缝控制等级为二级，即一般要求不出现裂缝的构件。亦属于部分预应力混凝土。优先采用预应力混凝土的结构：要求裂缝控制等级较高的构件；大跨度或受力很大的构

7、件；对构件刚度和变形控制要求较高的结构构件。预应力混凝土构件要按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行计算外，还需验算施工阶段（制作、运输、安装）混凝土的强度和抗裂性能。1、使用阶段：承载力计算；抗裂、裂缝宽度验算；挠度验算。2、施工阶段：混凝土强度验算、抗裂验算。设计预应力混凝土构件的计算内容：在构件上建立预应力，一般式通过张拉钢筋来实现的。将张拉钢筋锚固在混凝土构件上，由于钢筋弹性回缩，使得混凝土受到压力。根据结构及施工的具体条件，正确选择张拉方法与张拉工艺是设计预应力结构的一个前提。7.2 施加预应力的方法先张法 预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。优点：工序少、效率高、质量易保

8、证；施工简单。缺点：需要专门台座，基建投资较大；施加的预应力较小，用于中小构件和直线型配筋构件。先张法在浇灌混凝土之前张拉钢筋的方法，称为先张法。先张法施工工艺： 先在专门的台座上张拉钢筋，然后用锚具将钢筋临时固定在台座上，再浇筑混凝土构件，待混凝土达到一定强度（一般不低于混凝土设计强度的75%）后，从台座上切断或放松钢筋（简称放张）。在钢筋弹性回缩时，利用钢筋与混凝土之间的粘结力，使混凝土受到压力作用，从而产生预压应力。 先张法构件一般采用细钢丝、冷轧带肋钢筋或冷拉钢筋作为预应力钢筋。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。预应力是靠钢筋端部的锚具来传递的。优点：不需要专门台座

9、，可现场制作，应用灵活，用于大型构件；缺点：需要留孔，灌浆，施工复杂；锚具要附在构件内，耗钢量大。张拉钢筋一般采用千斤顶或机械张拉。也有采用电热法的，将钢筋通电、使得发热伸长，在钢筋两端用锚具将钢筋固定在构件或台座上，待停止通电钢筋冷却回缩，形成预应力。电热法只需要一套简单的变压设备，操作方便，但张拉的准确性不易控制。 在后张法中，按预应力筋粘结状态又可分为：有粘结预应力钢筋混凝土和无粘结预应力钢筋混凝土。 先浇捣混凝土构件，并在预应力钢筋设计位置上预留孔道，待混凝土达到一定强度（一般不低于混凝土设计强度的75%）后，将预应力钢筋穿入孔道，利用构件本身作为承力台座张拉钢筋，随着钢筋的张拉，构件

10、混凝土同时受到压缩，张拉完毕后用锚具将预应力钢筋锚固在构件上。 后张法施工工艺：无粘结预应力混凝土锚具的可靠性高强钢丝的可靠度一定要有非预应力筋 另外，也有采用自张拉法来施加预应力的，称为自应力混凝土。就是采用膨胀水泥浇制混凝土，在硬化过程中，构件自身膨胀伸长，与其粘结在一起的钢筋阻止混凝土膨胀，就使混凝土受到预压应力。 自应力混凝土主要用来制造压力钢管。 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

11、土粘结强度。 钢 材我国目前常用的预应力钢材主要有：钢绞线 钢丝 热处理钢筋 冷轧带肋钢筋 1、钢绞线 钢绞线是用直径56mm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9.515.2 mm，强度可高达1860MPa。无粘结预应力束 2、钢丝分为冷拉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1770N/mm2。钢丝公称直径为39mm。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。刻痕钢丝螺旋肋钢丝 3、热处理钢筋 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

12、分为有纵肋和无纵肋两种。直径为610mm，抗拉强度为1470 N/mm2 。 预应力混凝土的材料与张拉锚具混凝土1）强度高。预应力混凝土要求采用高强混凝土，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 一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C40。 夹具和锚具夹具：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。 在先张法中，

13、张拉钢筋时要用张拉夹具夹持钢筋，张拉完毕后，要用锚具将钢筋临时锚固在台座上。 后张法也要用锚具来张拉与锚固钢筋。 预应力混凝土的材料与张拉锚具对锚具的要求：（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；（3）构造简单，便于机械加工制作；（4）使用方便，省材料，价格低。预应力混凝土的材料与张拉锚具 螺丝端杆锚具常用锚具类型：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。螺丝端杆锚具 预应力混凝土的材料与张拉锚具锥形锚具优点：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。预应力混凝土的材料与

14、张拉锚具预应力混凝土的材料与张拉锚具镦头锚具(a) 张拉端 (b) 分散式固定端 (c) 集中式固定端 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。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。梳子板夹具一、预应力钢筋张拉控制应力scon预应力钢筋在进行张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（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而得到的应力值，以scon表示。 它是预应力筋在构件受荷以前所经

15、受的最大应力。 张拉控制应力scon取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，抵消部分预应力损失，可以使预应力筋充分发挥作用。 但scon取值过高，可能会在张拉时引起破断事故，产生过大应力松弛。因此，规范规定了张拉控制应力限值scon。预应力钢筋控制应力及预应力损失张拉控制应力的大小与施加预应力的方法有关，先张法高于后张法。先张法在台座上张拉钢筋，预应力钢筋中的拉应力就是张拉控制应力scon，施加后混凝土弹性回缩造成预应力筋拉力降低；后张法在混凝土构件上张拉钢筋，张拉的同时混凝土被压缩，张拉控制应力已经扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。7.4 预应力钢筋控制应力及预应力损失 预应力筋张拉后，由于

16、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。 由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失是预应力混凝土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。采取各种因素产生的预应力损失进行叠加的方法求得总预应力损失。6项预应力损失。 由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有： 锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。 摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间

17、的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。温差损失：先张法中的热养护引起的温差损失。 松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，会引起预应力损失。 混凝土的收缩和徐变引起的损失。 螺旋式预应力钢筋对混凝土的局部挤压损失。 由于张拉工艺和材料特性等原因，预应力钢筋在张拉时所建立的拉应力，在构件制作和使用过程中会受到损失。1、张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的损失11 。2、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失12 。3、混凝土采用蒸汽养护时预应力钢筋与张拉台座之间的温差引起的损失13 。4、预应力钢筋的应力松弛引起的损失14 。5、混凝土收缩和徐

18、变引起的损失15 。6、螺旋式预应力钢筋(或钢丝)挤压混凝土引起的损16 。 预应力钢筋控制应力及预应力损失减少l5的措施：1、采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用干硬性混凝土；2、采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性；3、加强养护，以减少混凝土的收缩。 预应力混凝土构件从预加应力开始即需要进行计算，而预应力损失是分批发生的。因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所产生的预应力损失。混凝土预压前完成的损失I；混凝土预压后完成的损失。根据上述预应力损失发生时间先后关系，具体组合见表。各阶段预应力损失的组合预应力损失值的组合先张法构件后张法构件混凝土预压前（第一批）损失slIsl

19、1 +sl2+sl3+sl4sl1 +sl2混凝土预压后（第二批）损失slIIsl5sl4+sl5+sl6 考虑到预应力损失计算的误差，在总损失计算值过小时，产生不利影响，规范规定当总损失值l =lI +lII小于下列数值时，按下列数值取用：先张法构件 100N/mm2后张法构件 80N/mm2 一般构造要求：1截面形式和尺寸对于预应力轴心受拉构件，通常采用正方形或矩形截面；对于预应力受弯构件，可采用T形、I形、箱形等截面。因预应力对构件刚度和抗裂能力有提高作用，故构件截面尺寸可选得小一些。一般预应力混凝土受弯构件其截面高度h可取为（1/201/14）l，l为构件跨度，翼缘宽度一般可取（1/3

20、1/2）h，翼缘厚度可取（1/101/6）h，腹板宽度尽可能小一些，可取（1/151/8）h。2预应力纵向钢筋的布置（1）直线布置：适用于荷载和跨度不大时，施工时用先张法和后张法均可；（2）曲线布置：适用于荷载和跨度较大时，施工时一般用后张法；（3）折线布置：适用于荷载和跨度较大时，施工时一般用先张法。3非预应力纵向钢筋的布置：（1）配置非预应力纵向钢筋的作用：防止施工阶段因混凝土收缩和温差引起预拉区裂缝；施加预应力过程中产生的拉应力；防止构件在制作、堆放、运输、吊装时出现裂缝或减小裂缝宽度。（2）非预应力纵向钢筋的强度等级宜低于预应力钢筋。在预应力钢筋弯折处，应加密箍筋或沿弯折处内侧布置非预

21、应力钢筋网片，以加强在钢筋弯折区段的混凝土。4构件端部的构造钢筋如在构件端部的预应力钢筋不能均匀布置而需集中布置在端部截面的下部或集中布置在上部和下部时，应在构件端部范围设置竖向附加的焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋。对槽形板类构件，宜在构件端部100mm范围内，沿构件板面设置附加的横向钢筋，以防板面端部产生纵向裂缝。5预应力钢筋的接头（1）轴心受拉构件必须采用焊接接头，受弯构件宜优先采用焊接接头。级钢筋必须采用闪光对焊；（2）轴心受拉构件的受力钢筋不得采用非焊接的搭接接头；（3）直接承受中、重级工作制吊车的构件，其纵向受拉钢筋不得采用绑扎搭接接头，且不得在钢筋上焊有任何附件，也不宜采用焊接接头；（4）在一个截面内有焊接接头的受拉钢筋截面面