第1讲 预应力简介

第一讲

预应力简介预应力混凝土结构PrestressedConcreteStructures湘潭大学建筑工程系预应力混凝土结构主要以混凝土为材料，并根据需要配置钢筋、预应力筋、型钢、钢管等，作为主要承重材料的结构，均可称为混凝土结构(ConcreteStructure)。

素混凝土钢筋混凝土(RC)预应力混凝土(PC)型钢混凝土(SRC)钢管混凝土(CFT)钢-混凝土混合结构

FRP筋混凝土纤维混凝土…混凝土结构钢-混凝土组合结构新型混凝土结构钢筋混凝土结构预应力混凝土结构Questions:WhatdisadvantagesdoRCstructureshave?Howtoovercomethedisadvantages?WhatistheconceptofPrestressedConcrete(PC)?WhatisthedifferenceinperformanceofPCbeamcomparedwithRCbeam?提出问题预应力混凝土结构混凝土结构的特点素混凝土梁L=1500mm120200C20P钢筋混凝土梁L=1500mm1202002f14C20PP=4.4kNP=62.5kN预应力混凝土结构实验结果分析通过对比分析，可知：钢筋混凝土梁承载力比素混凝土梁提高14倍；素混凝土属脆性破坏，无明显预兆；钢筋混凝土属延性破坏，有明显的裂缝和变形发展过程；钢筋混凝土充分利用了混凝土的抗压性能和钢筋的抗拉性能。预应力混凝土结构跨度5.2m的简支梁，截面尺寸200×450mm2，作用均布活载qk=10kN/m，均布恒载gk=5kN/m。实例分析预应力混凝土结构梁的跨中截面根据承载能力极限状态计算1、普通钢筋混凝土在应用于大跨度结构时有其局限性2、高强度钢材应用于普通钢筋混凝土结构时不能充分发挥其强度（受构件变形及裂缝宽度限制）预应力混凝土结构混凝土结构“两朵乌云”：裂缝和变形；大跨建筑结构和桥梁结构对混凝土的更高要求；高强度建筑材料对实现更高承载力的可能性；目前常用措施对减小裂缝和变形的局限性。预应力混凝土结构

不允许出现裂缝结构（水池、储罐）

材料性能未充分利用；裂缝间距增加

高强度混凝土、高强钢筋、FRP

大跨结构；大跨建筑及大跨桥梁

增加配筋率、界面面积不经济

增加自重，不利于大跨及抗震预应力发展的必然要求sctqepNspcsct-spcNq预应力预应力解决问题预应力混凝土结构预加压应力spc较大，受拉边缘处于受压状态，不会出现开裂；受拉边缘应力虽然处于受拉状态，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的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。预应力受力状态分析预应力混凝土结构sct-spcNq预应力一般通过张拉高强度钢筋、高强钢丝或钢绞线施予对高强度钢材进行预拉，使其产生一定的初始变形，从而降低高强度钢筋在构件使用阶段的变形量（高强度钢筋的应用）1、普通钢筋混凝土在应用于大跨度结构时有其局限性2、高强度钢材应用于普通钢筋混凝土结构时不能充分发挥其强度（受构件变形及裂缝宽度限制）预应力预应力混凝土结构高强钢筋的应用在结构承受外载荷之前，预先对其在外载荷作用下的受拉区施加压应力，以改善结构使用性能的结构型式称之为预应力结构。预应力是改善构件抗裂性能的有效途径，同时也是使高强度钢筋可以合理使用的一种工艺方法。

在混凝土构件承受外载荷之前，对其受拉区预先施加压应力，就形成了预应力混凝土。这种预压应力可以部分或全部抵消外载荷产生的拉应力，因而可推迟甚至避免裂缝的出现。

ACI（美国混凝土协会）定义：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。

预应力结构定义预应力混凝土结构预应力混凝土基本概念，预应力材料，施工工艺预应力张拉控制应力，预应力损失计算及有效预应力预应力混凝土结构设计基本原理预应力混凝土基本构件设计现代预应力混凝土技术介绍预应力混凝土结构预应力课程设想

预应力混凝土结构设计与施工工作必须依照国家颁布的各种结构类型的设计规范或规程进行。规范条文尤其是强制性条文是设计中必须遵守的带法律性的技术文件。由于工程结构类型很多，不同的结构类型有不同的设计规范或规程，但结构的基本理论是一致的，应重点学好基本理论。本课程将以基本理论为主，并结合《混凝土结构设计规范GB50010-2010》学习。预应力混凝土结构预应力结构学习建议

此外，设计工作是一项创造性工作。一方面在设计工作中必须按照规范进行，另一方面只有深刻理解规范的理论依据，才能更好地应用规范，充分发挥设计者的主动性和创造性。本学科还在不断的发展和更新，因此设计工作也不应被规范束缚，在经过各方面的可靠性论证后，应积极采用先进的理论和技术。规范一般十年左右修订一次，就是为了反映学科最新发展的成果。预应力混凝土结构预应力结构学习建议§1-1

预应力发展简史第一讲预应力简介§1-2

预应力混凝土的分类§1-3

预应力结构应用实例§1-4预应力结构发展方向预应力混凝土结构1-1-1预应力结构的简史§1-1预应力发展简史生活中使用预应力的实例预应力混凝土结构1.初期阶段预应力技术的发展预应力混凝土结构1928年，法国E.Freyssinet开始将高强度钢丝（

抗拉强度1725MPa，屈服点超过1240MPa）用于预应力混凝土。克服了因混凝土收缩和徐变等造成的预应力完全丧失问题，从而使预应力混凝土结构在工程上得以广泛应用；1939年，法国E.Freyssinet发明了锚固用的锥形契，使预应力结构在工程中应用推广。1886年，美国工程师P.H.Jackson申请了在混凝土拱内张紧钢拉杆作楼板专利；1888年，德国C.E.W.Doehring在楼板受荷载前用已施加拉力的钢筋来加强混凝土；1908年，美国C.R.Steiner提出了二次张拉的建议；1925年，美国R.E.Dill提出了无粘结的作法。2.工程实用阶段3.迅速发展阶段预应力技术的发展预应力混凝土结构40年代，预应力混凝土得到大规模推广；1950年，预应力混凝土协会（FIP）成立；1960年，预应力混凝土桥成为美国的标准作法。林同炎（1912-2003）“预应力混凝土先生”TheRuck-A-ChuckyBridge,designedtospanthemiddleforkoftheAmericanRiverbyT.Y.LinInternational.Girderis1300ft.spanboxgirderwithhorizontalcurvature,supportedon48cablesindividuallyanchoredtothecanyonwall.预应力技术的发展预应力混凝土结构日本、德国和比利时等等国家的预应力结构得到迅速发展4.世界普及阶段阶段德国Leonhardt.Fritz（1909～1999）斯图加特预应力混凝土电视塔（高210米）预应力技术的发展预应力混凝土结构50、60年代预制构件3-6m楼板，12-18米的大梁；70年代，北京、江浙等地出现了少量预应力框架；80年代，无粘结预应力混凝土的推广，多层、高层建筑和桥梁采用预应力混凝土结构；90年代，大跨度楼板和桥梁的预应力混凝土结构；新世纪，应用更广泛，体外预应力在桥梁新建及加固工程中的应用；目前，预应力高强复合材料和缓粘结预应力等新技术的出现。5.中国预应力发展吕志涛院士（1937-，东南大学）；董石麟院士（1932-，浙江大学）；郑文忠（1965-，哈尔滨工业大学）；苏小卒（1956-，同济大学）；叶列平（1960-，清华大学）中国预应力网/美国预应力协会（PCI，1954）/同吉科技：南京东大现代预应力工程公司：/中国建研院上海分公司：/default.htm1-1-2预应力混凝土结构的特点优点：

提高构件的抗裂能力；增大构件的刚度（不开裂或裂缝很小）；充分利用高强度材料（预拉）；扩大了构件的应用范围（大跨、重载、承受反复荷载的结构）。预应力混凝土结构缺点：优先采用预应力混凝土的结构：施工工序多，对施工技术要求高；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比较接近，破坏前的延性相对较差；反拱不易控制。

要求裂缝控制等级较高的构件；大跨度或重载荷结构；对构件刚度和变形控制要求较高的结构构件。1-1-2预应力混凝土结构的特点预应力混凝土结构§1-2预应力混凝土的分类1-2-1按预应力度分类1.国外分类（FIP,CEB）FédérationInternationaledelaPrécontrainte

ComitéEuropéeninternationalduBéton

全预应力混凝土

限值预应力混凝土

部分预应力混凝土

普通钢筋混凝土在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力在使用荷载作用下，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预应力混凝土结构2.国内分类（中国土木工程学会《部分预应力混凝土结构设计建议》）A类——限值预应力混凝土B类——部分预应力混凝土§1-2预应力混凝土的分类预应力混凝土结构

全预应力混凝土

部分预应力混凝土

普通钢筋混凝土1-2-2按施工工艺分类先张法

先张法－在浇注混凝土之前张拉预应力筋

预应力筋回缩过程中利用其与混凝土之间的粘结力对混凝土施加预压应力。预应力混凝土结构预应力混凝土结构后张法

后张法－在混凝土强度达到设计值后张拉预应力筋以混凝土构件本身为台座支承张拉预应力筋预设孔道，混凝土浇注并养护在预设孔道内穿入预应力筋用特制锚具将预应力筋锚固形成永久预加力最后进行孔道灌浆1-2-2按施工工艺分类预应力混凝土结构先张法和后张法区别预应力混凝土结构先张法后张法受力传递粘结力锚具预留孔道否是是否需要锚具否是是否需要台座是否粘结方式有粘结预应力有粘结预应力无粘结预应力张拉浇筑顺序先张拉，后浇筑先浇筑，后张拉应用范围小跨度，预制连续多跨，重载张拉控制应力限值钢丝、钢绞线0.75fptk热处理钢筋0.7fptk钢丝、钢绞线0.75fptk钢丝钢绞线0.65fptk预应力损失预压前σlⅠ=σl1+σl2+σl3+σl4预压后σlⅡ=σl5预压前σlⅠ=σl1+σl2预压后σlⅡ=σl4+σl5+σl61-2-3按预应力筋的位置分类

体内预应力混凝土有粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土预应力混凝土结构

体外预应力混凝土1-2-3按预应力筋的位置分类预应力混凝土结构

预应力混凝土框架(梁、柱)一.房屋建筑

预应力混凝土平板结构（板）

预应力混凝土转换层结构预应力混凝土桩(管桩、方桩)预应力锚杆、锚索§1-3预应力结构应用实例预应力混凝土结构讨论

预应力混凝土与钢筋混凝土的区别；

预应力对构件极限承载力、剪力、变形和刚度的影响。预应力混凝土结构预应力混凝土框架(梁、柱)预应力混凝土平板结构（板）预应力混凝土转换层结构预应力混凝土桩(管桩、方桩)预应力锚杆、锚索1-3-1房屋建筑及防护结构§1-3预应力结构应用实例预应力混凝土结构预应力钢筋布置预应力混凝土结构预应力锚固端及节点预应力混凝土结构预应力混凝土结构预应力筋锚具预应力混凝土结构预应力筋锚固端及波纹管预应力空心楼盖预应力混凝土结构预应力混凝土结构预应力混凝土结构§1-3预应力结构应用实例预应力混凝土结构杭州钱塘江二桥为公路、铁路并行分离的公路、铁路两用桥。正桥均为18孔预应力混凝土箱形连续梁，分跨为45+65+14x80+65+45m，连续长度达1340m。箱梁采用三向预应力，纵筋采用钢绞线、群锚体系，最大张拉力达2000kN以上，1991年建成。1-3-2桥梁工程预应力混凝土结构浙江省瑞安县飞云江桥，桥全长1721m，分跨为18x51+5x62+14x35m，最大跨度62m。1988年建成。预应力混凝土结构1-3-2桥梁工程浙江省宁海县宁海越溪桥主孔为净跨75m的预应力混凝土桁架拱，拱矢度为1/9；边孔为净孔40m的双曲拱。该桥预应力混凝土的斜拉杆采用Ⅳ级预应力粗钢筋冷轧螺纹锚具和硫磺砂浆电热后张法工艺。该桥是当时国内跨径最大的预应力混凝土桁架拱公路桥。1976年建成。预应力混凝土结构1-3-2桥梁工程青岛铁港立交桥是国内最早建成的一座兼有弯、坡、斜特点的预应力混凝土立交桥。全桥总长349.70m，西引桥为14.5+2x16.0+6x20.0(m)的装配式预应力混凝土工字形梁。1986年建成。预应力混凝土结构1-3-2桥梁工程1-3-3特种结构预应力混凝土储液池、筒仓；预应力混凝土核安全壳；预应力混凝土悬挑结构；预应力混凝土高耸结构。1-3-4路面结构1-3-5加固、改造结构预应力混凝土路面工程技术规范GB50422-2007预应力混凝土结构笔山大型水泥筒仓群（越南）8个预应力筒仓，最大直径24米，最大高度69米。预应力混凝土结构1-3-3特种结构阿尔及利亚国际机场球形水塔(2500m3)水塔剖面图预应力混凝土结构1-3-3特种结构水塔预应力筋空间双向曲线布置图预应力混凝土结构1-3-3特种结构采用预应力的水塔预应力竖向构件结构简图天津电视塔（415m）预应力混凝土结构1-3-3特种结构预应力混凝土结构1-3-3特种结构多伦多电视塔（549米）预应力混凝土结构1-3-4加固、改造结构预应力改造加固预应力混凝土结构1-3-4加固、改造结构预应力混凝土结构1-3-4加固、改造结构§1-4预应力结构发展方向1-4-1预应力结构型式与体系

预应力结构型式◆有粘结预应力结构◆无粘结预应力结构◆体外预应力结构

预应力结构体系◆房屋建筑◆桥梁工程◆特种结构预应力混凝土结构

预应力的基本原理并不限于使用钢筋混凝土建造的结构物，它同样可应用于钢结构砌体结构组合结构膜结构…………目标：较小使用阶段的变形阻止或延迟裂缝出现预应力结构扩展预应力混凝土结构南京电子部十四所02号宿舍和熊猫电子厂2号单身宿舍原建筑均为3层砖混结构房屋，改造为7层宿舍，采用外框式增层结构体系。北京日报社综合业务楼原建筑为地上四层、地下一层的砖混办公楼。增层体系采用了外套组合框架。山西省阳泉市信托投资大楼扩建工程原为三层框架结构，增层体系为采用预应力梁式转换层的外套巨型混凝土框架，增加层数为9层。套建增层工程实践及研究概况

预应力型钢混凝土结构哈尔滨医科大学第一临床医学院实验楼。采用套建预应力混凝土框架。哈尔滨制药六厂变电所套建工程增层。采用分离式规则预应力混凝土框架。一层梁采用钢桁架围托吊反梁技术。哈尔滨工业大学动力楼。采用了外套预应力混凝土巨型框架。绥芬河青云市场。在原房屋上方套建增层四个楼层，并向原建筑南侧扩出九个楼层。首次提出了“施工阶段自承重楼盖结构”的设计思想。哈尔滨工业大学开展的试点工程

预应力型钢混凝土结构

总结和思考：采用钢桁架围托预应力钢筋混凝土梁，以承担新增套建结构一层梁自重和施工荷载，将施工措施和结构受力分开考虑，建完后围托钢桁架需切割掉，造成很大浪费。提出了“施工阶段自承重混凝土楼盖结构”的设计思想。采用内置钢桁架仍存在问题：采用角钢作为弦杆，角钢在通过节点柱时占据空间太大，造成柱的纵筋布置拥挤；若采用圆（矩形）钢管作为桁架弦杆，则存在弦管压陷承载力太低的问题，需要给弦杆内注浆，从而导致施工复杂。

预应力型钢混凝土结构提出以内置H型钢预应力混凝土组合梁作为框架梁、以配置4个或8个角钢的角钢混凝土柱作为框架柱的套建增层预应力钢骨混凝土框架，可实现施工阶段自承重。预应力型钢混凝土结构预应力结构抗火研究预应力混凝土结构预应力结构抗火研究预应力混凝土结构用“粘贴碳纤维片材加固法”加固混凝土楼板预应力混凝土结构预应力加固结构抗火研究预应力混凝土结构预应力加固结构抗火研究CFRP布加固混凝土板抗火性能试验a)板底外层涂料局部脱落b)板侧与板底交界处涂料开裂c)钢丝网处内外层涂料分层d)内层涂料致密脱落处交界处开裂涂料与CFRP布和混凝土界面结合紧密CFRP布完好◆隧道防火涂料能够完全将氧气与CFRP布隔绝◆CFRP布火灾下完好，CFRP布与混凝土界面高温粘结性能可靠混凝土界面CFRP界面CFRP布加固混凝土板抗火性能试验板底涂料变形严重板侧与板底交界处钢丝网下垂CFRP布加固混凝土板抗火性能试验内层涂料与CFRP布界面分离脱开CFRP布完好◆钢结构防火涂料能将氧气与CFRP布隔绝◆CFRP布火灾下完好，CFRP布与混凝土界面高温粘结可靠◆钢丝网支托了内层涂料，