第八章预应力混凝土结构的基本概念

因此混凝土受拉区开裂较早，此时的钢筋应力只有（20～40）N/mm2左右,大概只发挥了其强度的十分之一左右。因而在使用阶段钢筋砼构件一般是带裂缝工作的！8.1预应力混凝土的基本原理14构件中若采用高强度钢筋，将使——

使用荷载下钢筋的工作应力提高很多，挠度和裂缝宽度将远远超过允许值!——若拉区最大裂缝控制在0.3mm以内的话，钢筋的拉力仅达到150~250N/mm2,只占高强钢筋抗拉强度设计值（1000~1300N/mm2）的15%～20%

——

不能充分利用高强钢筋的强度！8.1预应力混凝土的基本原理15实际上高强度钢筋在钢筋混凝土构件中将很难得到合理的使用——

因而不能采用高强度钢筋！而采用高强度混凝土也是没有意义的——因为高强度混凝土对提高抗裂度、刚度和减小裂缝宽度的作用很小。钢筋混凝土构件过早开裂的问题不解决——就不能有效的利用高强材料！结果——阻碍了钢筋混凝土结构自身的发展。8.1预应力混凝土的基本原理钢筋混凝土结构的应用，也受到过早开裂导致的刚度降低、裂缝开展的制约：如用于大跨结构时，为满足挠度控制的要求，需要加大截面尺寸来增大刚度，以致使构件的承载力中有较大一部分用于负担结构的自重。跨度越大，自重在承载力中所占比例就越大，很不经济、不合理、甚至是不可能的——因此，限制了应用范围。8.1预应力混凝土的基本原理那么，如何解决这个矛盾呢？

是否可以借助于混凝土的抗压强度来补偿其抗拉强度的不足，以推迟受拉区混凝土的开裂？即：在构件受外荷以前，使它先存在着一种应力状态（预加应力），用以减小或抵消外荷作用时产生的拉应力？8.1预应力混凝土的基本原理18

实际上,预加应力的概念在日常生活和生产实践中早有所应用。如：8.1预应力混凝土的基本原理19208.1预应力混凝土的基本原理21施加预应力的概念虽然早已存在，但预应力混凝土结构的推广和应用，还只是近50年来有了高强钢筋才变为现实！为什么？因为——有预应力损失！8.1预应力混凝土的基本原理22施加预应力后，应用范围扩大：非预应力吊车梁跨度为6m，预应力吊车梁跨度可达12m；非预应力屋架18~21m，预应力屋架30~36m或更大！8.1预应力混凝土的基本原理23目前预应力混凝土应用

世界上最大的预应力砼贮罐直径达82m，高达36m；预应力轻骨料砼建造的飞机库屋盖结构跨度达90m；预应力箱形截面桥梁跨度达240m以上；预应力电视塔高达549m;

我国设计制造的大跨度预应力砼屋架跨度达60m。8.1预应力混凝土的基本原理24预应力混凝土与普通砼两者相比，预应力混凝土有如下特点：1．提高构件的抗裂能力——只有当混凝土的预压应力全部抵消转而受拉且受拉应变超过混凝土的极限拉应变时，构件才会开裂。2．增大了构件的刚度——使混凝土转变成弹性材料预应力混凝土构件正常使用时，可能不开裂或只有很小的裂缝，混凝土基本上处于弹性阶段工作。8.1预应力混凝土的基本原理253．充分利用高强度材料前已分析4．扩大了构件的应用范围因改善了抗裂性能，可用于防水、抗渗性及抗腐蚀要求的环境。采用高强度材料，结构轻巧，刚度大、变形小，可用于大跨度、重荷载及承受反复荷载的结构。8.1预应力混凝土的基本原理26预应力混凝土结构的缺点施工麻烦，工艺复杂，需要锚具，精度要求较高，施工周期较长，造价高，且不能提高构件的承载力。8.1预应力混凝土的基本原理272.施加预应力的方法——先张法与后张法先张法：先张拉钢筋后浇筑混凝土；后张法：先浇筑混凝土后张拉钢筋。8.1预应力混凝土的基本原理28先张法——29在先张法中，预应力是靠钢筋与砼之间的粘结力来传递的。施加预应力是靠张拉钢筋来实现的——即张拉高强度的钢筋，并将其锚固在砼构件内，由于钢筋弹性回缩，就使砼受压。8.1预应力混凝土的基本原理30后张法——31后张法是靠锚具来保持预应力的，锚具将永远附在构件上。8.1预应力混凝土的基本原理3233锚具：34上述后张法的缺点是：工序多，预留孔道占截面面积大，施工复杂。8.1预应力混凝土的基本原理35夹具与锚具是预应力混凝土构件的重要工具——夹具——构件制作完毕能取下来重复使用的称为夹具；锚具——留在构件上不能再取下的称为锚具。统称为锚具——有时，为简便起见。8.1预应力混凝土的基本原理OVM型锚具GZ型钢质锥形锚具DM型墩头锚VLM型扁型固定端H型锚具43另一种后张法——后张无粘结预应力施工技术。特点：不需要预留孔道，无粘结预应力筋可与非预应力筋同时铺设，并可采用曲线配筋，布置灵活。有粘结预应力：沿预应力筋全长其周围均与混凝土粘结握裹在一起；无粘结预应力：预应力筋伸缩、滑动自由，不与周围混凝土粘结。8.1预应力混凝土的基本原理44其主要工序为：1．制作无粘结预应力筋（加涂层、套管）2．绑扎钢筋（图a)3．浇筑混凝土(图b）4．张拉预应力筋45先张法和后张法的比较：先张法：工艺简单，靠粘结力锚固预应力筋不需要永久性的工作锚具，但需要台座或钢模等设施。适于：在预制厂制造标准预应力构件，如楼板或过梁等。后张法：通过锚具传递预压应力工艺较复杂，慢，需要在构件上安装永久性的工作锚具，成本高。适于：现场浇筑、就地张拉、吊装的大型建筑中的特大构件。8.1预应力混凝土的基本原理463.预应力砼的材料预应力钢筋（一）对钢筋性能要求：⑴.强度高——使混凝土获得较高的预压应力；⑵.良好的塑性——以保证在较高应力下不会发生拉断破坏；⑶.良好的可焊性——以保证必要的加工；⑷.与砼有较好的粘接强度原因：预应力钢筋——高应力状态8.1预应力混凝土的基本原理47（二）预应力钢筋分类国内常用的预应力钢筋有钢筋、钢丝、钢绞线；分为两大类：1．无物理屈服点钢筋（丝）（1）钢铰线

——由多股（3或7股）高强钢丝铰合而成，再经低温回火制成。特点：钢铰线比单根钢丝直径大，但具有一定的柔性，施工方便且不降低强度。8.1预应力混凝土的基本原理48

（2）消除应力钢丝——经过低温回火处理的钢丝称为~。解释：高碳钢经过多次冷拔，存在较大的内应力，需采用低温回火来消除内应力。在外形上分为：光面、刻痕及螺旋肋三种，用φp、φI、φH表示。8.1预应力混凝土的基本原理49（3）热处理钢筋——用热轧中碳钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋。特点：具有强度高、松弛小等特点，以圆盘形式供应，省掉对焊和整直等工序，施工方便。8.1预应力混凝土的基本原理508.1预应力混凝土的基本原理51二．混凝土

预应力砼结构对砼性能的要求是：（1）高强度——必须！砼强度等级愈高，承受的预压应力愈大，能显著提高构件的抗裂度；（2）收缩、徐变小：以减少构件的预应力损失。（3）快硬、早强：可缩短生产周期，提高了张拉工具的周转率。8.1预应力混凝土的基本原理52《规范》规定：预应力砼结构的砼强度等级不宜低于C30

；当采用高强钢丝或热处理钢筋时，砼强度等级不宜低于C40

。8.1预应力混凝土的基本原理531.张拉控制应力σcon在制作预应力混凝土构件时，张拉设备所控制的总张拉力除以预应力筋截面积得到的应力。8.2预应力混凝土构件的一般规定54σcon取值越高，混凝土的预压应力越高，可以节约钢筋；但张拉控制应力应有所控制！原因：首先：钢筋的强度是一定的，不能无限制的张拉；其次：如果张拉力过大，会使钢筋应力进入屈服阶段产生塑性变形而达不到预期的预应力效果，甚至还会在加荷时出现脆性断裂而突然破坏。8.2预应力混凝土构件的一般规定55因此：在充分利用钢筋强度的前提下，对钢筋的张拉应力必须有所控制！《结构设计规范》规定：预应力钢筋的张拉控制应力σcon不应超过表8-1。一根钢筋究竟要拉多大的力才达到要求呢？——就是以钢筋张拉控制应力σcon乘以一根钢筋的截面面积来决定的。8.2预应力混凝土构件的一般规定56在预应力砼构件计算时需解决两个问题：钢筋要张拉多大的力？预应力损失值有多少？砼预压应力的大小，取决于钢筋弹性回缩的程度；钢筋要有足够回弹力——

这就牵涉到钢筋要张拉多大的力？因为通过张拉钢筋建立的预应力并不全部有效，实际有效的预应力受各种因素影响有所降低——

这就牵涉到预应力损失值有多少？8.2预应力混凝土构件的一般规定572.预应力损失从张拉开始到构件使用，由于张拉工艺和材料的特性等原因，钢筋的张拉控制应力将不断的降低，这部分降低值称为预应力损失。在设计时要正确计算预应力损失值；施工时要尽量减少预应力损失；——预应力结构的成败关键！8.2预应力混凝土构件的一般规定58造成预应力损失的原因主要有以下六种：⑴锚具变形和钢筋滑动引起的预应力损失（先、后）锚具变形越大，预应力损失亦越大，约占总损失的5~10%左右。计算模式：（对直线钢筋）：减少措施：减少垫片数量，增加台座的长度8.2预应力混凝土构件的一般规定59⑵预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失

（先、后）在后张法张拉钢筋时，由于钢筋与孔道壁之间的摩擦妨碍了钢筋伸长。约占总损失的5~15%左右。与位置有关，瞬时完成。计算模式

减少措施：两端张拉，超张拉超张拉程序：8.2预应力混凝土构件的一般规定60⑶混凝土加热养护时，预应力筋与台座之间温度差引起预应力损失

（先）约占20%左右。原因：T砼未成型,钢筋伸长(变松)，T共同变形特点：先张法有，与升温时砼结硬程度有关计算方法：减少措施：两次升温，在钢模上张拉（共同升温）8.2预应力混凝土构件的一般规定61⑷钢筋应力松弛引起的预应力损失（先、后）

占总损失的15%左右。

计算方法（与钢筋种类、强度和控制应力有关）：

措施：超张拉

8.2预应力混凝土构件的一般规定普通松弛钢丝、钢绞线-低松弛钢丝、钢绞线62⑸砼收缩、徐变引起的应力损失（先、后）计算方法：先张法

后张法修正：高湿度环境可降低；干燥环境应增加。措施：混凝土质量8.2预应力混凝土构件的一般规定63⑹环形配筋对砼局部挤压引起的预应力损失

（后）

直径不大于3m的圆筒形结构（如水管等）采用环形配筋时，因钢筋在圆筒上作螺旋式张拉时，砼受到局部挤压而产生压陷，引起预应力损失，约占总损失的15%左右。8.2预应力混凝土构件的一般规定64一般情况下，预应力损失总值大约可达200~250N/mm2

之多，故在设计及制作时要对此有足够的重视和估计。上述各种原因引起的应力损失，是分批出现的。最小限量：100（先张法）80（后张法）8.2预应力混凝土构件的一般规定65计算内容——除承载力计算外，一般还应包括：

裂缝和变形验算：承载力是任何构件都必须保证的，对预应力构件也不例外，所以承载力计算是预应力结构必不可少的计算内容；裂缝和变形验算是为了满足预应力结构的正常使用和耐久性要求。此外，还应进行施工阶段的应力校核。8.3预应力砼结构计算原理661．承载力计算计算时，截面承载力达到极限状态，以受弯构件来说，梁破坏时钢筋达到抗拉设计强度fy,砼达到抗压设计强度

fc,这与普通钢筋砼截面承载力极限的应力状态基本相同；那么：预应力梁与非预应力梁，如果两者的尺寸、形式、材料等均相同，则它们破坏时能承受的荷载情况如何呢？8.3预应力砼结构计算原理67施加预应力并不能提高构件的承载力！——两者的承载力计算基本相同。因为破坏时，两者的钢筋达到抗拉设计强度fy,砼达到抗压设计强度fc