预应力混凝土构件性能与设计

预应力混凝土构件性能与设计1预应力混凝土的基本知识;（掌握）2预应力混凝土构件设计一般规定；（熟悉）3预应力混凝土轴心受拉构件应力分析；（熟悉）4预应力混凝土轴心受拉构件计算验算；（掌握）5预应力混凝土受弯构件的设计计算；（自学）6预应力混凝土构件的构造要求；（了解）7公路桥涵预应力混凝土构件设计。（自学）参考资料——杜拱辰.《现代预应力混凝土结构》.北京：中国建筑工业出版社，2000李国平.《预应力混凝土结构设计原理》.北京：人民交通出版社，2000薛伟辰.《现代预应力结构设计》.北京：中国建筑工业出版社，2003宋玉普.《新型预应力混凝土结构》.北京：机械工业出版社，2005本章主要内容缘起-why?钢筋混凝土结构需要满足三种性能状态要求安全性——承载能力（Mu、Vu、

Nu、

Tu）适用性——正常使用极限状态下的裂缝与变形耐久性——裂缝和钢筋锈蚀大跨建筑结构和大跨桥梁结构对混凝土结构提出更高要求构件承载能力可以通过提高材料强度得到提高和保证减小裂缝与变形在实际工程中的常用措施均具有局限性1.1预应力混凝土的一般概念1预应力混凝土的基本知识增加钢筋配筋量As，不经济；增加截面尺寸b×h，增加自重，不利大跨、抗震结构、不经济；采用高强钢筋和高强混凝土，也不能明显减小裂缝与变形。混凝土强度fc提高，ft提高不明显，抗裂度提高不明显；钢筋强度fy提高，弹性模量Es≈2×105MPa，刚度不提高；钢筋强度提高，钢筋应力σsk提高，裂缝与变形加大。1预应力混凝土的基本知识混凝土结构的“两朵乌云”：裂缝和变形裂缝与变形限制了混凝土结构应用和发展，以下情况不适用：不允许出现裂缝的结构：水池、储罐等；高腐蚀环境的结构：海洋工程、跨海大桥等。大跨结构：大跨桥梁、大跨建筑等；高强材料：高强钢筋、高强混凝土、FRP等。因此，为发挥和利用混凝土结构取材方便、整体性好、可模性强、造价低廉等优点，必须解决裂缝和变形问题。1预应力混凝土的基本知识预应力技术是改善混凝土裂缝和变形最有效措施预应力技术源于生活实践——一些生活用具中得出以下经验：在生活用具零构件间引入足够的紧压力，紧压力超过可能发生的张拉力可以维持用具原型与功能。——减小裂缝。在生活用具零构件间引入足够张拉力，张拉力超过可能发生外荷载可以维持用具原型与功能——提高刚度、减小变形。5预应力混凝土基本思想——在混凝土构件承受外荷载前，对混凝土受拉区预先施加压应力，以改善构件抗裂性能，PrestressedConcrete，简称PC。（普通混凝土——RC）预应力大预应力中预应力小（a）正常使用状态下RC轴拉构件应力+不开裂较大拉力开裂例1：轴拉构件普通钢筋混凝土（RC

）预应力钢筋混凝土（PC

）预应力施加完——混凝土受压构件承受荷载——混凝土由压到拉粘结锚固外加锚固因此，预应力可以有效避免开裂或提高开裂荷载。1预应力混凝土的基本知识预应力可以避免或延缓构件开裂——从而使构件在正常使用荷载下不裂缝或开裂荷载较大（在同样荷载下宽度较小）；提高刚度、减小变形——由于裂缝不开展或在较大荷载下开展，在正常使用荷载下构件刚度提高，构件变形减小。=预应力大预应力中预应力小（a）正常使用状态下RC受弯构件应力（b）正常使用状态下PC受弯构件应力+不开裂较大荷载开裂例2：受弯构件（直线预应力筋）qq1预应力混凝土的基本知识在本例中，预应力产生等效荷载，等效荷载可抵消外加荷载作用q，在理想状态下，受弯构件变为受压构件，裂缝和变形问题得到解决。因此，预应力相当于产生一个内在等效荷载，该等效荷载可以抵抗外加荷载，从而有效解决裂缝和变形问题。（a）正常使用状态下RC受弯构件应力（b）正常使用状态下PC受弯构件应力例3：受弯构件（曲线预应力筋）qqfACI（AmericanConcreteInstitute）——“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”。各种情况下预应力所产生的等效荷载预应力混凝土实质——预应力产生等效荷载，平衡外加荷载预应力对构件产生等效荷载，而且该等效荷载可以调整、设计；等效荷载可以部分或全部抵销外加使用荷载效应，减小裂缝与变形。1.2预应力结构混凝土的特点预应力混凝土是钢筋混凝土结构的一场新革命。与RC相比，预应力混凝土具有以下优点：提高了构件抗裂能力——避免或减小裂缝、提高抗裂度增大构件刚度、减小构件变形不开裂或裂缝很小——构件基本处于弹性阶段，刚度较大；预应力产生等效荷载，抵消外荷载，减小变形。充分利用高强度材料——裂缝和变形问题得到解决，高强混凝土和高强钢筋强度充分发挥，构件截面变小、自重小，经济合理；扩大混凝土结构应用范围——改善抗裂性能——可用于防渗、防水及耐久性要求高的构件；改善抗裂性能——连续梁桥梁（钢筋混凝土连续梁、连续组合梁）高强材料应用——结构强度高、变形小，适用大跨、重载结构；缺点——施工工序多、施工技术高，需要张拉设备、锚具等。RC和PC各有应用范围、均有生命力。RC结构—施工方便、造价较低、允许带裂缝工作；PC结构——RC“力不能及”的情况（大跨、重载结构）。1预应力混凝土的基本知识101预应力混凝凝土的基本本知识1.3预应力混凝凝土的分类类1.按制作、施施工工艺划划分——先张法、后后张法先张法概念念——在混凝土浇浇筑前对钢钢筋施加预预应力。将预应力筋筋用锚具临临时固定在在台座或钢钢模上，待待混凝土达达到一定强强度（一般般不低于75%设计强度）），放松预预应力筋，，使混凝土土在预应力力作用下，，构件受拉拉区混凝土土承受预压压应力。先张法施工工工序：张张拉固定钢钢筋→浇混凝土→养护混凝土土(至75%设计强度)→放张钢筋→运输安装。。先张法特点点：临时锚具，，通过粘结结作用保持持预应力；；需要台座，，一般多采采用预制构构件；预制构件整整体性差（（抗震性能能差）。先张法适用用范围：构构件厂生产产中、小型型构件（楼楼板、屋面面板、吊车车梁、桥面面板等）——大型构件运运输难；后张法概念念——在混凝土浇浇筑后对钢钢筋施加预预应力。先制作混凝凝土构件，，并在预应应力筋的位位置预留出出相应孔道道（波纹管管），待混混凝土强度度达到设计计规定的数数值后，穿穿入预应力力筋进行张张拉，并利利用锚具把把预应力筋筋锚固，最最后进行孔孔道灌浆。。后张法施工工工序：浇浇筑混凝土土结构或构构件(留孔)→养护拆模→(达75%强度后)穿筋张拉→固定→孔道灌浆→(浆达15N/mm2,混凝土达100%后)受荷、移动、吊吊装。后张法特点：不需台座，可现现场预制大型构构件；工序多、工艺复复杂，锚具不能能重复利用；灌浆是关键问题题——穿筋困难；灌浆浆不密实、钢筋筋锈蚀；总体而言，后张张法比先张法用用的更多。适用范围：大构构件及结构的现现场施工。1预应力混凝土的的基本知识2.按预应力程度划划分——全部预应力、部部分预应力全部预应力——在使用荷载作用用下，构件截面面混凝土不出现现拉应力，为全全截面受压；部分预应力——在使用荷载作用用下，构件截面面混凝土允许出出现拉应力或开开裂，只有部分分截面受压。A类：在使用荷载载作用下，构件件截面拉应力不不超过容许值；；B类：在使用荷载载作用下，构件件截面裂缝宽度度不超过容许值值。=预应力大预应力中预应力小（b）正常使用状态态下PC受弯构件应力+不开裂晚开裂q全预应力部分预应力1预应力混凝土的的基本知识3.按预应力筋与混混凝土粘结程度度划分有粘结预应力——沿预应力筋全长长与混凝土粘结结，先张法预应应力筋、后张法法中孔道灌浆预预应力混凝土；；特点：后张法孔孔道灌浆不易密密实、预应力钢钢筋锈蚀、构件件断裂无粘结预应力——沿预应力筋全长长与混凝土不粘粘结，预应力筋筋伸缩、滑动自自由。特点：无粘结预应力筋表面防锈、外套套塑料管、与砼砼无粘结；优点：施工方便便（后张法使用用不留孔道）、、曲线更有优势势；缺点：与有粘结结相比裂缝少而而宽、强度稍低低、脆性破坏；；措施：部分粘结结预应力（有粘粘结和无粘结搭搭配）。缓粘结预应力——表面有缓凝胶，，后张法施工张张拉时不胶不硬硬化（无粘结）），张拉完后再再硬化（有粘结结）。特点：综合有粘粘结和无粘结优优点、施工方便便、受力合理。。关键：缓缓粘结剂剂的缓粘粘结时间间——张拉时不不硬化、、张拉后后硬化1预应力混混凝土的的基本知知识15无粘结预预应力混混凝土筋筋4.按预应力力筋线型型划分线预加应应力——预应力筋筋是直线线、折线线或曲线线；环预加应应力——将预应力力用于环环形结构构：圆形形池罐等等。球形水池池1预应力混混凝土的的基本知知识5.按预应力力筋位置置划分体内预应应力——预应力筋筋在构件件内部；；体外预应应力——预应力筋筋（索））在构件件外部，，新建和和加固工工程6.按预应力力张拉方方法划分分机械张拉拉——穿心千斤斤顶。电热张拉拉——通电加热热张拉。。预起拱方方法——浇注砼前前用千斤斤顶预起起拱，浇浇筑后释释放。体外预应应力桥梁梁预应力现现场张拉拉穿心千斤斤顶1预应力混混凝土的的基本知知识7.按制作场场所划分分现浇预应应力混凝凝土——大型和重重型构件件；预制预应应力混凝凝土——工厂或工工地预制制，运输输吊装；；整体性差差、抗震震性能差差——汶川地震震。组合式预预应力混混凝土——预制和现现浇结合合。装配整体体式——预制板作作模板，，再现浇浇混凝土土；叠合板——可用于新新建或加加固工程程。叠合板SP空心板1预应力混混凝土的的基本知知识1.4预应力混混凝土的的材料钢筋——预应力筋筋和非预预应力筋筋。非预应力力筋——选用原则则与普通通混凝土土中钢筋筋相同：：HRB335、HRB400和RRB400；预应力筋筋——施加预应应力的钢钢筋、高高强高耐耐久性。。必须具有有很高强强度：提提供高预预应力、、还要有有应力富富余以承承受外加加荷载；；由于早期期预应力力筋未用用高强钢钢筋，结结果失败败；具有一定定塑性、、良好可可焊性；；先张法和和孔道灌灌浆后张张法中要要求有足足够粘结结力。一般常用用：钢绞绞线、消消除应力力钢丝、、热处理理钢筋。。混凝土——宜采用高高强混凝凝土。高强度——足够承受受预压力力；高弹模——弹性变形形和徐变变变形小小、减小小预应力力损失；；高粘结力力——有利先张张法；高强混凝凝土、高高强钢筋筋匹配使使用——截面尺寸寸小、经经济性好好。《砼规范》——≥≥C30，采用钢钢绞线、、钢丝、、热处理理钢筋≥C40。FRP———高强、轻轻质、耐耐久性好好、疲劳劳性能好好。1预应力混混凝土的的基本知知识1.5预应力混混凝土的的锚具1预应力混混凝土的的基本知知识20锚具——锚固预应应力筋的的装置，，是构件件中建立立有效预预应力关关键元件件。先张法：：锚具可可以重复复使用，，亦称夹夹具或工工作锚具具；后张法：：预应力力筋的预预应力由由锚具保保持，锚锚具是构构件组成成部分，，不能重重复使用用；根据锚具具构造形形式和锚锚固原理理，分为为三种基基本类型型：锚块锚塞塞型——由锚块和和锚塞组组成，可可用于固固定端和和张拉端端螺杆螺帽帽型——采用螺杆杆和螺帽帽固定预预应力筋筋。常用用于后张张法构件件张拉端端，也可可用于固固定端；；墩头型——预应力筋端部墩粗粗，用锚板固定，，用于张拉端和固固定端锚具要求——安全可靠、使用有有效、制作简单