第五章.预应力混凝土基本知识

普通混凝土抗裂性很差

混凝土的极限拉应变很低，只有0.0001～0.0015，这时钢筋应力仅20～30N/mm2,另外提高混凝土的强度也不明显

高强材料得不到充分应用

裂缝宽度一般应限制在0.2～0.3mm以内，受拉钢筋应力最高也只能达到150～250N/mm2

结构自重大使用性能不好

普通混凝土结构不能适应现代化建设大跨度和大空间的需要，因为无法采用高强度的材料，势必导致截面尺寸过大和自重过大。问题引出1.普通混凝土构件存在问题第五章.预应力混凝土构件基本知识

2.预应力混凝土的产生

最早给混凝土施加预应力的概念是1888年德国工程师道伦（W.Doehring）提出的，由于当时钢材的强度不高，故未能获得实际结果。1928年法国工程师费列西奥（E.Freyssinet）利用高强度的钢丝和高强度等级的混凝土并施加高的预应力（大于400N/MM2）来制造预应力混凝土构件才获得实际意义的成功。我国是1954年开始研究预应力混凝土结构，并与1956年推广，以后获得了较大的发展。预应力的产生1预应力混凝土构件的基本概念㈠基本原理1、C20普通钢筋混凝土简支梁，在荷载作用下，在梁跨中下边缘产生10N/mm2的拉应力，混凝土梁早已开裂，且裂缝已有相当的开展。一、预应力基本原理及特点分析预应力混凝土的基本概念2、在预压力作用下，截面下边缘(预压区）跨中产生压应力σ1=10N/mm2，形成反拱f1

σ1σ1预压区预加应力单独作用下受力预拉区f1预应力混凝土的基本概念σ23、在外荷载作用下，截面下边缘产生拉应力σ2=9N/mm2，其挠度为f

2

f2荷载单独作用下受力受压区－砼受拉区－钢筋预应力混凝土的基本概念4、在预压力及外荷载作用，截面下边缘产生应力б2-σ1=1N/mm2,其挠度为f2–f1=f

使用阶段的荷载逐渐逐渐增加预应力单独作用截面应力使用荷载单独作用截面应力拉区砼未开裂拉区砼已开裂б2б1б2-б1f2-f1预应力混凝土的基本概念

所谓预应力砼构件就是在构件受荷之前（制作阶段），人为给拉区砼施加预压应力，受荷之后（使用阶段）首先要抵消拉区砼的预压应力，若再加荷拉区砼开裂，直至破坏为止。常见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得到广泛的应用。预应力混凝土的基本概念预应力混凝土与钢筋混凝土的比较1、预应力混凝土结构中，混凝土的强度等级要高，钢筋的强度也要高。2、预应力程度较高预应力混凝土结构，性能如同均质弹性材料。而普通钢筋混凝土在使用荷载作用下的性能是非线性的。3、预应力混凝土结构刚度大，挠度小，裂缝宽度小。4、一旦预应力被克服后，预应力混凝土和普通混凝土结构就没有本质上的不同，因而正截面承载力是一样的；5、预应力混凝土梁的斜截面抗剪强度高于普通混凝土，因而预应力混凝土梁的腹板可做得较薄，大大减轻了自重。预应力混凝土的基本概念预应力混凝土的特点优点：1.裂缝宽度小、刚度大、挠度小、结构的耐久性好。2.抗裂性高，可建造水工建筑、储水结构、抗渗结构。3.充分利用高强材料，节约了钢材、减轻了自重，特别在大跨度的结构中更为经济。4.提高构件的抗剪性能。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展.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，钢筋应力变化幅度不大10%以下，不会引起钢筋疲劳。预应力混凝土的基本概念

6.提高受压构件的稳定承载力。对于长细比较大的受压构件，由于预应力钢筋张拉的很紧，不但预应力钢筋本身不会压弯，而且可帮助周围混凝土提高抗弯的能力。缺点：7.工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。8.需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。9.预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。预应力混凝土的基本概念应用范围:1.在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可建造墙板、柱子等。2.桥梁中建造了预应力箱形截面简支梁跨度达240m，斜拉预应力混凝土桥跨度可达400m。3.特种结构方面可建造预应力混凝土电视塔，石油开采平台、预应力混凝土囤船、预应力压力容器等。预应力混凝土的基本概念预应力混凝土预制桩预应力空心板打完预制桩后，预应力管桩施工现场预应力混凝土的基本概念预应力混凝土连续箱梁在未完成受力体系转换时的支架系统至关重要预应力混凝土的基本概念1、预应力混凝土的分类按照粘结方式，预应力混凝土还可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。无粘结预应力混凝土，是指配置无粘结预应力钢筋的后张法预应力混凝土。无粘结预应力钢筋是将预应力钢筋的外表面涂以沥清、油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防锈蚀，并用塑料套管或以纸带、塑料带包裹，以防止施工中碰坏涂层，并使之与周围混凝土隔离，而在张拉时可沿纵向发生相对滑移的后张预应力钢筋。从90年代开始，无粘结束技术已在我国的某些桥梁工程中得到应用，目前最大跨度可达到20m。根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同分类（1）全预应力混凝土在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件。属严格要求不出现裂缝的构件。（2）有限预应力混凝土在使用荷载作用下，允许截面上混凝土出现拉应力的构件。但拉应力不能超过混凝土的抗拉强度标准值。（3）部份预应力混凝土允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件。属允许出现裂缝的构件。

3、施加预应力的方法（1）、先张法先张拉预应力钢筋，然后浇筑混凝土的施工方法，称为先张法。主要工艺过程：穿钢筋→张拉钢筋→浇筑混凝土并养护→切断钢筋（2）、后张法

先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋，这种施工方法称为后张法。主要工艺过程：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道）并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→往孔道内压力灌浆。先张法与后张法的比较（１）、张拉顺序先张法——先张拉钢筋，后浇注混凝土后张法——先浇注混凝土，后张拉钢筋（２）、工艺过程先张法——穿钢筋→拉钢筋→浇混凝土→养护至75％→断钢筋后张法——留孔道→浇混凝土→养护至75％→穿钢筋→拉钢筋→锚钢筋→压力灌浆。（３）、预压应力的传递先张法——传递主要靠钢筋和混凝土间的粘结力，因此，必须待混凝土达到设计强度75％以上，方可切断钢筋；后张法——主要通过工作锚具传递，因此，张拉钢筋时，混凝土强度必须达到设计强度75％以上。（５）、缺点先张法——需要台座，不适合现场施工；后张法——生产周期较长，需工作锚具，钢材消耗多，成本较高；

工序多，操作复杂，造价高于先张法。（６）、适用的构件先张法——适于工厂化生产，适宜长线法生产中、小型构件；后张法——大型预应力混凝土构件。（４）、优点先张法——工艺简单，工序少，效率高，质量易保证，由于省去了锚具和预埋件，成本较低；后张法——预应力钢筋直接在构件上张拉，无需台座，可在预制厂生产，也可在施工现场生产。先张法与后张法的比较4、锚具与夹具①、锚固钢丝的套筒式夹具

②、锚固粗钢筋用的螺丝端杆锚具（如下图）

③、锚固直径12mm或钢绞线的夹片式锚具（如右图）螺丝端杆锚具钢绞线夹片式锚具

夹片式锚具5、机具设备1、张拉设备（如千斤顶）

2、制孔器材

（如抽拔橡胶管、螺旋金属波纹管）

3、灌孔水泥浆和压浆机↑用镀锌或不镀锌低碳钢带螺旋折叠咬口制成的金属管，用于后张法预应力砼结构或构件的成孔。↓夹片锚张拉千斤顶预应力混凝土构件的一般规定1.预应力混凝土材料性能要求1.1钢筋的性能钢筋的性能强度高较好的塑性、可焊性。

良好的粘结性。低松弛。

预应力钢筋一直处于高强受拉应力超载情况下发生脆性破断，同时还要求具有良好的加工性能，提高与混凝土粘结强度减少预应力损失预应力混凝土构件一般规定1.2预应力钢筋的种类1.2.1消除应力钢丝包括光面（ΦP）、螺旋肋（ΦH）、三面刻痕（ΦI）刻痕钢丝螺旋肋钢丝消除应力钢丝见《预应力砼用钢丝》GB/T5223，是用高碳镇静钢轧制成的盘园，经过加温、淬火（铅浴）、酸洗、冷拔、回火矫直等处理工序来消除应力，而成的碳素钢丝可提高抗拉强度（光面钢丝fpy

=1250N/mm2，其余fpy≥1110N/mm2），这样钢直径4~9mm，强度高低、低松弛。预应力混凝土构件一般规定1.2.2钢绞线由多根冷拉钢丝在绞线机上咬合并经消除应力回火而成的总称。有1×3捻用于先张法。1×7捻是外层钢丝围绕一根直径大20%的中心钢丝绞成后张法中应用广泛。直径用ΦS表示，外径8.6~15.2mm，fpy=1110~1320N/mm2，强度高、低松弛、伸直性好，比较柔软，盘弯方便，粘结性好。预应力混凝土构件一般规定钢丝绳与钢绞线的区别：在制作工艺上，钢丝绳是由钢丝绞成股，再由股捻成绳，有中间夹麻芯或钢芯和不加芯的钢丝绳；钢绞线是由钢丝只经过一次扭绞。在性能上，钢丝绳的弹性模量小与钢绞线。预应力混凝土构件一般规定1.2.4冷拉低合金钢和冷拔低碳钢丝由于强度低，不再列入钢筋砼规范。《规范》规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝、也可采用热处理钢筋。无粘结预应力钢筋则采用高强钢丝和钢绞线。预应力钢筋的发展趋势是高强度、低松弛、粗直径、耐腐蚀。1.2.3热处理钢筋将合金钢（40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr）经过调质热处理而成，达到提高抗拉强度（fPy

=1040N/mm2），改善塑性性能。ΦHT表示。这种筋具有强度高（节省钢材）低松弛的特点，其Φ=6~10mm以盘园形式供给省去焊接，有利施工。预应力混凝土构件一般规定1.3.混凝土混凝土性能高强度

收缩小、徐变小快硬、早强

《规范》规定：预应力砼结构强度等级不宜低于C30，当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时预应力砼结构强度等级不宜低于C40。预应力混凝土构件一般规定2.张拉控制应力σcon2.1定义：张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶上的油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得出的应力值，以σcon表示。2.2张拉控制应力σcon对预应力混凝土构件预压效果的影响分析：2.2.1如果σcon取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，对混凝土产生的预压应力过小，预应力混凝土的效果不明显，因此《规范》规定σcon不应小于0.4fptk。预应力混凝土构件一般规定2.2如果σcon取得太高，可能出现下列问题：2.2.2预应力钢筋已超过实际屈服强度而失去回缩能力，或已发生脆断现象。

2.2.3构件的开裂荷载与破坏荷载接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。2.2.4

构件的反拱过大，或者预拉区产生裂缝影响正常使用。《规范》规定，在一般情况下，张拉控制应力σcon值不宜超过下表的限值。预应力混凝土构件一般规定钢筋的种类张拉方法先张法后张法预应力消除钢丝、钢绞线0.75

f

ptk

0.75

fptk热处理钢筋0.70

fptk0.65fptk

规范指出，为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性而在受压区设置的预应力钢筋，其允许控制应力提高5%。张拉控制应力限值预应力混凝土构件一般规定预应力损失

定义:由于张拉工艺和材料特性的原因，从构件的制作、运输、安装、使用等各个过程中，使预应力钢筋的应力不断降低，这降低的部分就叫预应力损失。引起预应力损失的原因及的措施

1.锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1

当为直线型预应力钢筋时式中a——张拉端锚具变形和钢筋回缩值；

l——张拉端至锚固端之间的距离。

减少此项损失的措施有：①选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具，尽量减少垫板数；②对先张法构件，选择长台座。预应力损失2.预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失σl2式中k——考虑孔道局部偏差对摩擦影响的系数：

x——张拉端至计算截面的孔道长度，可近似取该孔道在纵轴上的投影长度，

μ——预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数，θ——从张拉端至计算截面曲线型孔道部分切线的夹角当预应力损失减少该项损失，可采取以下措施：

①对较长的构件可在两端进行张拉；②采用超张拉，张拉程序可采用：当第一次张拉至1.1σcon时，预应力钢筋应力沿EHD分布，当张拉应力降至0.85σcon，由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响，预应力沿FGHD分布，当再张拉至σcon时，钢筋应力沿CFGHD分布，可见，超张拉钢筋中的应力比一次张拉至σcon的应力分布均匀，预应力损失要小一些。

预应力损失3.混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间温差引起的损失σl3

为了缩短先张法构件的生产周期，混凝土常采用蒸汽养护办法。升温时，新浇的混凝土尚未结硬，预应力筋与台座之间的温差△t使钢筋受热自由伸长，但两端的台座是固定不动的，即距离保持不变，于是钢筋就松了，钢筋的应力降低；降温时，预应力钢筋与混凝土已黏结成整体，加上两者的温度线膨胀系数相近，二者能够同步回缩，放松钢筋时因温度上升钢筋伸长的部分已不能回缩，因而产生了温差损失。仅先张法构件有该项损失。

σl3=2△t（N/mm2）预应力损失减少此项损失的措施有：

①采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土强度等级达到C7.5～C10，再逐渐升温至规定的养护温度，这时可认为钢筋与混凝土已结成整体，能够一起胀缩而不引起预应力损失;

②在钢模上张拉预应力钢筋。由于钢模和构件一起加热养护，升温时两者温度相同，可不考虑此项损失。

预应力损失4.钢筋应力松弛引起的预应力损失σl3钢筋的应力松弛是指钢筋在高应力作用下及钢筋长度不变条件下，其应力随时间增长而降低的现象。

钢筋应力松弛有以下特点：

①应力松弛与时间有关，开始快，以后慢；

②应力松弛与钢材品种有关。冷拉钢筋、热处理钢筋的应力松弛损失比碳素钢丝、冷拔低碳钢丝、钢绞线要小；③张拉控制应力σcon高，应力松弛大。

预应力损失采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张拉程序为:因为在较高应力下持荷两分钟所产生的松弛损失与在较低应力下经过较长时间才能完成的松弛损失大体相当，所以经过超张拉后再张拉至σcon时，一部分松弛损失已完成。5.混凝土的收缩徐变引起的预应力损失σl5

混凝土结硬时产生体积收缩，在预压力作用作用下，混凝土会发生徐变，这都会使构件缩短，构件中的预应力钢筋跟着回缩，造成预应力损失。

预应力损失先张法构件

后张法构件

式中

σpc,σpc′——分别为完成第一批预应力损失后受拉区、受压区预应力钢筋合力点处混凝土法向压应力；fcu′——施加预应力时混凝土的实际立方体抗压强度。一般fcu′不等于构件混凝土的立方体强度fcu，但要求fcu≥0.75fcu′；

预应力损失ρ，ρ′

——受拉区、受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率。

先张法构件

后张法构件

式中Ap,Ap′——分别为受拉区和受压区预应力钢筋截面面积，对称配筋的构件，取ρ，ρ′，此时配筋率应按钢筋截面面积的一半进行计算；A0,An′——分别为混凝土换算截面积、净截面面积。

预应力损失

后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小，原因是后张法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已完成一部分。公式适用于一般相对湿度环境，高湿度环境下，σl5、σl5′应降低，反之则增加。

减少此项损失的措施有：

①采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比；②采用级配良好的骨料，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，④控制混凝土应力σpc，要求

以防止发生非线性徐变。

预应力损失6.用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失σl6后张法中，当D≤3m，σl6=30MPa，当D＞3m，不考虑该项损失。此处D为环形构件的直径。

（2）预应力损失值的组合

各阶段预应力损失值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）的损失σlⅠ

σl1+σl2+σl3+σl4

σl1+σl2

混凝土预压后（第二批）的损失

σlⅡ

σl5

σl4+σl5+σl6

《规范》把预应力损失分为两批，混凝土受预压前产生的损失为第一批损失σlⅠ，而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批预应力损失σlⅡ。预应力损失预应力混凝土构件的一般构造要求1.钢筋的净距及保护层种类要求钢丝及热处理钢筋钢绞线1×31×7钢筋净距≥15mm≥15mm≥20mm≥25mm备注（1）钢筋保护层厚度同普通梁。（2）除满足上述净距要求外，预应力钢筋净距不应小于其公称直径d或等效直径deq的1.5倍，双并deq=1.4d、三并deq=1.7d。预应力混凝土构件的一般构造要求2.后张法（有粘结力预应力砼）孔道及排气孔要求孔道间水平净距≥50mm孔道至构件边净距≥30mm且≥孔径/2孔道内径—预应钢筋束外径 ≈（10～15）mm排气孔距或灌浆孔≤12m预应力混凝土构件的一般构造要求

在框架梁中，预留孔道在竖直方向的净距不应小于孔道外径，水平方向的净距不应小于1.5倍孔道外径，从孔壁算起的混凝土保护层厚度，梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm。3.先张法端部