模块二项目五任务4课程教案

湖南交通工程学院课程授课教案授课内容模块二钢筋混凝土结构项目五钢筋混凝土结构的基本构件任务4预应力混凝土构件基础知识教学目的与要求理解预应力混凝土构件的基本概念、工作原理掌握预应力混凝土的施工方法及相关的构造要求重点难点预应力混凝土构件的基本概念、工作原理参考资料《建筑结构》金舜卿宋乔主编西北工业大学出版社教学方法讲授教学手段板书教学过程教学手段方法设计预应力混凝土结构的基本概念钢筋混凝土构件由于混凝土的抗拉强度低，而采用钢筋来代替混凝土承受拉力。但是，混凝土的极限拉应变也很小，每米仅能伸长（0.10~0.15）mm，若混凝土伸长值超过该极限值就要出现裂缝。如果要求构件在使用时混凝土不开裂，则钢筋的拉应力只能达到（20~30）MPa；即使允许开裂，为了保证构件的耐久性，常需将裂缝宽度限制在（0.2~0.25）mm以内，此时钢筋拉应力也只能达到（150~250）MPa，可见高强度钢筋是无法在钢筋混凝土结构中充分发挥其抗拉强度的。

由上可知，钢筋混凝土结构在使用中存在如下两个问题：一是需要带裂缝工作，由于裂缝的存在，不仅使构件刚度下降，而且使得钢筋混凝土构件不能应用于不允许开裂的场合；二是无法充分利用高强材料。当荷载增加时，靠增加钢筋混凝土构件的截面尺寸或增加钢筋用量的方法来控制构件的裂缝和变形是不经济的，因为这必然使构件自重（恒载）增加，特别是对于桥梁结构，随着跨度的增大，自重作用所占的比例也增大。这使得钢筋混凝土结构在桥梁工程中的使用范围受到很大限制。要使钢筋混凝土结构得到进一步的发展，就必须克服混凝土抗拉强度低这一缺点，于是人们在长期的工程实践及研究中，创造出了预应力混凝土结构。

预应力混凝土结构的优缺点

预应力混凝土结构具有下列主要优点：

（1）提高了构件的抗裂度和刚度。对构件施加预应力后，使构件在使用荷载作用下可不出现裂缝，或可使裂缝大大推迟出现，有效地改善了构件的使用性能，提高了构件的刚度，增加了结构的耐久性。

（2）可以节省材料，减少自重。预应力混凝土由于采用高强材料，因而可减少构件截面尺寸，节省钢材与混凝土用量，降低结构物的自重。这对自重比例很大的大跨径桥梁来说，更有着显著的优越性。大跨度和重荷载结构，采用预应力混凝土结构一般是经济合理的。

（3）可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。预应力混凝土梁的曲线钢筋（束），可使梁中支座附近的竖向剪力减小；又由于混凝土截面上预压应力的存在，使荷载作用下的主拉应力也相应减小。这有利于减小梁的腹板厚度，使预应力混凝土梁的自重可以进一步减小。

（4）结构质量安全可靠。施加预应力时，钢筋（束）与混凝土都同时经受了一次强度检验。如果在张拉钢筋时构件质量表现良好，那么，在使用时也可以认为是安全可靠的。因此有人称预应力混凝土结构是经过预先检验的结构。

（5）预应力可做为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。

此外，预应力还可以提高结构的耐疲劳性能。因为具有强大预应力的钢筋，在使用阶段由加荷或卸荷所引起的应力变化幅度相对较小，所以引起疲劳破坏的可能性也小。这对承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。

预应力混凝土结构也存在着一些缺点：

（1）工艺较复杂，对施工质量要求甚高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。

（2）需要有专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。先张法需要有张拉台座；后张法还要耗用数量较多、质量可靠的锚具等。

（3）预应力反拱度不易控制。它随混凝土徐变的增加而加大，如存梁时间过久再进行安装，就可能使反拱度很大，造成桥面不平顺。

（4）预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高。

但是，以上缺点是可以设法克服的。例如应用于跨径较大的结构，或跨径虽不大，但构件数量很多时，采用预应力混凝土结构就比较经济了。总之，只要从实际出发，因地制宜地进行合理设计和妥善安排，预应力混凝土结构就能充分发挥其优越性。所以它在近数十年来得到了迅猛的发展，尤其对桥梁新体系的发展起了重要的推动作用。这是一种极有发展前途的工程结构。预加应力的主要方法

1）先张法

先张法，即先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法，如图12-2所示。先在张拉台座上，按设计规定的拉力张拉预应力钢筋，并进行临时锚固，再浇筑构件混凝土，待混凝土达到要求强度（一般不低于强度设计值的75%）后，放张（即将临时锚固松开，缓慢放松张拉力），让预应力钢筋的回缩，通过预应力钢筋与混凝土间的粘结作用，传递给混凝土，使混凝土获得预压应力。这种在台座上张拉预应力筋后浇筑混凝土并通过粘结力传递而建立预加应力的混凝土构件就是先张法预应力混凝土构件。

先张法所用的预应力钢筋，一般可用高强钢丝、钢绞线等。不专设永久锚具，借助与混凝土的粘结力，以获得较好的自锚性能。先张法施工工序简单，预应力钢筋靠粘结力自锚，临时固定所用的锚具(一般称为工具式锚具或夹具)可以重复使用，因此大批量生产先张法构件比较经济，质量也比较稳定。目前，先张法在我国一般仅用于生产直线配筋的中小型构件。大型构件因需配合弯矩与剪力沿梁长度的分布而采用曲线配筋，这将使施工设备和工艺复杂化，且需配备庞大的张拉台座，因而很少采用先张法。2）后张法

后张法是先浇筑构件混凝土，待混凝土结硬后，再张拉预应力钢筋并锚固的方法，如图12-3所示。先浇筑构件混凝土，并在其中预留孔道（或设套管），待混凝土达到要求强度后，将预应力钢筋穿入预留的孔道内，将千斤顶支承于混凝土构件端部，张拉预应力钢筋，使构件也同时受到反力压缩。待张拉到控制拉力后，即用特制的锚具将预应力钢筋锚固于混凝土构件上，使混凝土获得并保持其预压应力。最后，在预留孔道内压注水泥浆，以保护预应力钢筋不致锈蚀，并使预应力钢筋与混凝土粘结成为整体。这种在混凝土硬结后通过张拉预应力筋并锚固而建立预加应力的构件称为后张法预应力混凝土构件。

由上可知，施工工艺不同，建立预应力的方法也不同。