华中科技大学土力学课件第1章

第十二章预应力混凝土结构的基本概念及其材料BasicConceptandMaterialsofPCStructure本章主要内容：

预应力混凝土结构的概念、特点、分类；

预应力度、消压弯矩、全预应力混凝土结构、部分预应力混凝土结构的基本概念；

预应力混凝土结构的基本工作原理；

先张法和后张法的施工工艺、相同和不同点；

预应力混凝土结构对混凝土、预应力钢筋的要求；

锚具的分类及其受力原理；

预应力混凝土结构的三种概念的内涵。04二月2023华中科技大学2/62

一、钢筋砼结构的缺点

①需要带裂缝工作(使构件刚度下降，不能应用于不允许开裂的结构中)

②无法充分发挥高强度钢筋及高标号混凝土的作用；

③自重大，构件跨径受到限制。二、预应力混凝土的基本概念

(prestressedconcretestructure)

预应力混凝土结构，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的内力抵销到一个合适程度的混凝土。这种预先给混凝土引入内部应力的结构，就称为预应力混凝土结构。以下图所示简支梁为例。§12.1概述04二月2023华中科技大学3/62以图10-1所示简支梁为例。04二月2023华中科技大学4/62

加筋混凝土结构的分类：全预应力混凝土

(fullprestressedconcretestructure)；部分预应力混凝土

(partiallyprestressedconcretestructure)。普通钢筋混凝土（非预应力混凝土)non-prestressedconcretestructure)

上面的算例说明了两个重要的问题：

１、由于预先给混凝土梁施加了预压力Ｎｙ，使混凝土梁在均布荷载ｑ作用下，下缘产生的拉应力完全或部分被预压应力所抵消，因而可以避免混凝土出现裂缝或推迟裂缝出。２、必须针对荷载作用下可能产生的应力状态来施加预应力。所需施加的预压应力Ｎy，不仅与荷载（或者说弯矩Ｍ）值的大小有关，而且也与Ｎy的作用位置（即偏心距ｅ的大小）有关。04二月2023华中科技大学5/62按预应力度分类（1）预应力度：由预加应力大小确定的消压弯矩M0与外荷载产生的弯矩Ms的比值。M0：消压弯矩，也就是构件抗裂边缘预压应力抵消到0时的弯矩；Ms：按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩。

全预应力砼构件：λ≥1

部分预应力砼构件：1＞λ＞0（分为A类和B类）A类：拉而有限B类：裂而有限钢筋砼构件：不施加预应力的砼构件，即λ＝0（2）分类：04二月2023华中科技大学6/62三、预应力混凝土结构优缺点1、优点：

（１）提高了构件的抗裂度和刚度。

（２）节约材料，降低造价。

（３）结构质量安全可靠。

（４）增强结构耐久性（durability）。

（５）能促进桥梁新体系的发展。

2、缺点：

（１）工艺较复杂，对质量要求高。

（２）需要有一定的专门设备。

（３）预应力反拱不易控制。

（４）设计要求高。

04二月2023华中科技大学7/62预应力混凝土结构基本概念预应力混凝土结构的基本原理如何实现预加力预加（拉）力预加（压）力04二月2023华中科技大学8/62四、预应力原理在日常生活中的应用

木桶是用环向竹箍对桶壁预先施加环向压应力。当桶中盛水后，水压引起的拉应力小于预压应力时，桶就不会漏水。04二月2023华中科技大学9/62

从书架上取下一叠书，由于受到双手施加的压力，这一叠书就如同一横梁，可以承担全部书的重量。

04二月2023华中科技大学10/62木锯是利用预拉力来抵抗压力预先拧紧另一侧的绳子使锯条预先受拉，如预加拉力大于锯木时产生的压力，锯条就始终处于受拉状态，不会产生压曲失稳。04二月2023华中科技大学11/62一、先张法（pretensioningmethod）：

1、定义

先张法是先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。先张法所用的预应力钢筋，一般可用高强钢丝、直径较小的钢铰线和小直径的冷拉钢筋。

2、特点靠钢筋和混凝土之间的粘结力来传递和保持预应力。

§12.2预加应力的方法与设备

04二月2023华中科技大学12/62

3、先张法工艺流程图04二月2023华中科技大学13/624、优点：

先张法生产工艺简单、工序少，效率高、质量容易保证，适宜工厂化大批量生产。5、缺点：

需要专门的张拉台座，基建投资较大。先张法一般宜于生产直线配筋的中小型构件。二、后张法（posttensioningmethod）

1、定义

先浇筑混凝土后张拉钢筋的方法。张拉钢筋的同时，构件混凝土受到预压。2、特点

后张法主要是靠锚具传递和保持预加应力的。04二月2023华中科技大学14/62

3、后张法工艺流程图04二月2023华中科技大学15/6204二月2023华中科技大学16/624、优点：

后张法不用加力台座，张拉设备简单，便于现场施工，是生产大型预应力混凝土构件的主要方法。预应力钢筋可按照需要布置成合理的曲线形。三、锚具

1、概念

锚具是在制作预应力混凝土构件时锚固预应力筋的一种装置。

2、对锚具要求：

（１）锚具受力安全可靠；

（２）预应力损失小；

（３）构造简单，制作方便，用钢量少，价格便宜；

（４）施工设备简便，张拉锚固方便迅速。04二月2023华中科技大学17/62

3、锚具的分类

（1）依靠摩阻力锚固的锚具；如锥形锚、夹片式群锚、JM锚（2）依靠承压锚固的锚具；如镦头锚、钢筋螺纹锚（3）依靠粘结力锚固的锚具；如先张法的筋束锚固、后张法固定端的钢绞线压花锚具

4、几种常用的锚具04二月2023华中科技大学18/6204二月2023华中科技大学19/6204二月2023华中科技大学20/6204二月2023华中科技大学21/6204二月2023华中科技大学22/62锥塞式锚具

04二月2023华中科技大学23/62镦头锚具

04二月2023华中科技大学24/62夹片式锚具04二月2023华中科技大学25/6204二月2023华中科技大学26/6204二月2023华中科技大学27/6204二月2023华中科技大学28/62

锥形锚

其工作原理是通过张拉钢束时顶压锚塞，将预应力钢丝卡在锚圈与锚塞间，当张拉千斤顶放松预应力钢丝后，钢丝向梁内回缩时带动锚塞向锚圈内楔紧，这样预应力钢丝通过摩阻力将预应力传到锚圈，然后由锚圈承压，将预加力传到混凝土构件上。04二月2023华中科技大学29/62

镦头锚

其工作原理：先将钢丝逐一穿过锚杯的蜂窝眼，然后用专门的镦头机将钢丝端头镦粗，借镦粗头直接承压将钢丝固定于锚杯上。锚杯的外圆车有螺纹，穿束后，在固定端将锚圈（螺帽）拧上，即可将钢束锚固于梁端。在张拉端，则先将与千斤顶连接的拉杆旋入锚杯内进行张拉，待锚杯带动钢筋或钢丝伸长到设计需要时，将锚圈沿锚杯外的螺纹旋紧顶在构件表面，再慢慢放松千斤顶，退出拉杆，于是钢丝束的回缩力就通过锚圈、垫板，传到梁体混凝土上而获得锚固。04二月2023华中科技大学30/62

四、预应力张拉机具系列

04二月2023华中科技大学31/6204二月2023华中科技大学32/6204二月2023华中科技大学33/6204二月2023华中科技大学34/6204二月2023华中科技大学35/6204二月2023华中科技大学36/62

五、工程橡胶支座及伸缩缝系列

04二月2023华中科技大学37/6204二月2023华中科技大学38/6204二月2023华中科技大学39/6204二月2023华中科技大学40/6204二月2023华中科技大学41/6204二月2023华中科技大学42/62一、混凝土材料

2、混凝土的收缩与徐变

混凝土的收缩和徐变，使预应力混凝土构件缩短，因而引起预应力钢筋预应力下降，通常称此为预应力损失（lossofprestress）。

１、预应力混凝土结构中常用混凝土强度等级

《公路桥规》规定：预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。§12.3预应力混凝土结构的材料04二月2023华中科技大学43/62（１）混凝土的收缩

混凝土的收缩包括两部分：一部分为凝缩，系由水泥凝结硬化时所产生的收缩变形；另一部分为干缩，它是由于混凝土干硬出水后产生的收缩变形。影响徐变的主要因素是:应力的大小和受荷时混凝土的龄期。应力小于0.5～0.55Rａ时，徐变与应力成正比，为线性徐变；应力大于0.55Rａ时，徐变与应力不成正比，为非线性徐变。（２）混凝土的徐变

混凝土在受力后立即产生的变形称为急变（包括弹性变形和一部分塑性变形。在应力不变的情况下，随时间增长的塑性变形称为徐变。04二月2023华中科技大学44/62二、预应力钢筋

2、预应力钢筋的类型高强度钢丝；钢绞线；精轧螺纹钢筋。普通钢筋类型：光圆钢筋R235，带肋钢筋HRB335、

HRB400和KL400

3、对混凝土的要求①高强度②快硬、早强③收缩、徐变小1、对预应力钢筋的要求①高强度②有较好的塑性和可焊性；③与混凝土的粘着力强④应力松弛损失小04二月2023华中科技大学45/62三、钢筋的冷加工目的：提高强度，节约钢材，降低造价1、冷拉

指在常温下，将热轧钢筋拉伸，使其应力超过屈服强度但小于极限强度的方法称冷拉，然后卸载，经过一段时间再拉伸，则获得比原来的屈服强度更高的新的屈服强度限值，这种随时间延续而逐渐硬化的现象称冷拉时效（或时效硬化）。

经冷拉时效后，强度提高，伸长率减小

冷拉只提高抗拉屈服强度，不提高抗压屈服强度，不宜用作受压钢筋。

双控：冷拉操作时，同时控制冷拉应力和伸长率单控：冷拉操作时，只控制伸长率04二月2023华中科技大学46/62

冷拔可提高抗拉、抗压强度，冷拔后的钢筋没有明显的屈服点和流幅。2、冷拔指在常温下，将小直径的圆盘钢筋强行拉伸通过比原直径还小的硬质合金拔丝模孔，变成直径较原来小的钢丝的方法。04二月2023华中科技大学47/62一、预应力混凝土结构的分类：

按照钢筋与砼之间的粘结情况分：有粘结预应力结构和无粘结预应力结构。按照钢筋是否布置在砼截面内分：体内预应力砼结构和体外预应力砼结构。

§12.4预应力混凝土结构的三种概念04二月2023华中科技大学48/62二、体内有粘结预应力砼结构的三种基本概念1、预加应力的目的是将砼变成弹性材料：

预加应力的目的只是为了改变混凝土的性能，变脆性材料为弹性材料。这种概念认为预应力混凝土与普通钢筋混凝土是两种完全不同的材料，预应力钢筋的作用不是配筋而是施加预压应力以改变混凝土性能的一种手段。如果预压应力大于荷载产生的拉应力，则混凝土就不承受拉应力。

这种概念要求将无应力或零应力作为预应力砼设计准则。这样可以用材料力学公式计算砼的应力、应变和挠度、上拱，并在需要时可采用叠加原理，计算十分方便。04二月2023华中科技大学49/621）预压力F作用在预应力钢筋的重心处，作用线通过截面的重心。图12-15同轴预应力混凝土截面的应力分布

a)受预加力及外荷载作用的梁b)预压力F作用的应力c)外弯矩M作用的应力d)F及M共同作用的应力04二月2023华中科技大学50/62

由于预压力F的作用，在面积为A的截面上将产生一均匀压应力为

如果M为梁上荷载及自重在某一截面处所引起的外弯矩，则该截面任意一点处由M引起的应力为

叠加后的应力分布表示为

04二月2023华中科技大学51/622）如果预应力钢筋偏离混凝土截面重心布置图12-16偏心预应力混凝土截面的应力分布a）偏心预应力及加外荷载的梁b）预压力F轴压作用下的应力c）预压力偏心矩作用下的应力d）外弯矩M作用下的应力e）偏心预压力及外弯矩共同作用下的应力04二月2023华中科技大学52/62

预压力产生的弯矩Fe在混凝土截面上任意一点处引起的应力为

而叠加后的应力表示为

04二月2023华中科技大学53/623）预应力钢筋是弯曲的或弯折的［图12-17a）］。图12-17常高度预应力简直梁图12-18不等高度预应力混凝土简支梁a）预应力梁b）隔离体a）预应力梁b）隔离体04二月2023华中科技大学54/62

偏心力F在混凝土内引起的应力为

所以，预应力在任一截面处引起的混凝土应力仅取决于F在该截面处的大小和位置，而与预应力钢筋沿梁在其他纵断面上的位置无关。

作用：有助于预计开裂的程度

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2、施加预应力的目的是使高强度钢筋和砼能够共同工作

将预应力砼看作是高强钢筋与砼两种材料组成的一种特殊的钢筋砼。预先将预应力钢筋张拉到一定的应力状态，在使用阶段预应力钢筋的应力（应变）增加的幅度较小，砼不开裂或裂缝较细，这样高强钢筋就可以与砼一起正常工作。04二月2023华中科技大学56/62图12-19预应力混凝土梁和钢筋混凝土梁的内部抵抗力矩a）钢筋混凝土梁的隔离体b）预应力混凝土梁的隔离体图12-20采用高强度钢筋的混凝土梁a）普通钢筋的——

裂缝及过度的挠度b）预应力的——

无裂缝及很小的挠度04二月2023华中科技大学57/62根据这种观点，可以得出预应力混凝土和钢筋混凝土之间的基本相似性。这样，就可以大大简化预应力结构的设计和计算。同时，根据两者的相似性，可以将预应力钢筋与普通钢筋作等强代换，减少用钢量，这在很多情况下是经济可行的。

作用：主要是