第十章预应力混凝土构件 Prestressed Concrete Structure 学习目的和要求 1.学习目的 预应力混凝土构件是指结构构件在使用前，通过人为的预加外力，使构件混凝土在使用 前就预先受到压应力，这样可抵消或减小外荷载产生的拉应力，从而使受拉区混凝士不开裂， 推迟裂缝的出现或减小裂缝的宽度，提高了构件的刚度。预应力混凝士构件与钢筋混凝士构 件相比，具有结构使用性能好、自重减轻、节约材料等综合经济指标，己成为士木工程中广 泛应用的主要承重结构构件。因而读者必须掌握预应力构件的受力特征、材料性能、施工工 艺、配筋计算、构造要求等方面的基本概念及轴心受拉构件的计算方法。以达到能正确应用 原理并提高解决工程实际问题的能力。 2.学习要求 (1)掌握预应力混凝土的概念、设计原理及对材料性能的要求。了解预应力混凝土施加 预应力的方法。 (②)掌握张拉控制应力的定义和取值。 (3)）熟悉预应力损失的内容、物理意义，掌握预应力损失值的计算方法和预拉力损失值 的组合。 (④)掌握先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段和使用阶段的应力变 化和分析。 (⑤)掌握先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段的验算方法和使用阶 段的计算方法。 (⑥)理解后张法预应力混凝土受弯构件在施工阶段的验算方法和使用阶段的计算方法 ()了解预应力混凝土构件的构造要求。 (⑧)了解部分预应力混凝土与无粘结预应力泥凝土的基本概念 主要学习内容： §10.1概述（原理、材料、锚具、应力损失) S10.2预应力混凝土轴心受拉构件的计算 10.3预应力混凝土受弯构件的计算 §10.4预应力混凝土构件的构造要求 §10.5部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土 §10.1概述 10.1.1预应力混凝土的概念 一、 钢筋混凝土的不足之处 gk=10kN/m IIIIIIWIWIIIIIIWIIIT Lo
第十章 预应力混凝土构件 Prestressed Concrete Structure 学习目的和要求 l.学习目的 预应力混凝土构件是指结构构件在使用前，通过人为的预加外力，使构件混凝土在使用 前就预先受到压应力，这样可抵消或减小外荷载产生的拉应力，从而使受拉区混凝土不开裂， 推迟裂缝的出现或减小裂缝的宽度，提高了构件的刚度。预应力混凝土构件与钢筋混凝土构 件相比，具有结构使用性能好、自重减轻、节约材料等综合经济指标，已成为土木工程中广 泛应用的主要承重结构构件。因而读者必须掌握预应力构件的受力特征、材料性能、施工工 艺、配筋计算、构造要求等方面的基本概念及轴心受拉构件的计算方法。以达到能正确应用 原理并提高解决工程实际问题的能力。 2.学习要求 (1) 掌握预应力混凝土的概念、设计原理及对材料性能的要求。了解预应力混凝土施加 预应力的方法。 (2) 掌握张拉控制应力的定义和取值。 (3) 熟悉预应力损失的内容、物理意义，掌握预应力损失值的计算方法和预拉力损失值 的组合。 (4) 掌握先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段和使用阶段的应力变 化和分析。 (5) 掌握先张法与后张法预应力混凝土轴心受拉构件在施工阶段的验算方法和使用阶 段的计算方法。 (6) 理解后张法预应力混凝土受弯构件在施工阶段的验算方法和使用阶段的计算方法 (7) 了解预应力混凝土构件的构造要求。 (8) 了解部分预应力混凝土与无粘结预应力泥凝土的基本概念 主要学习内容： §10.1 概述（原理、材料、锚具、应力损失） §10.2 预应力混凝土轴心受拉构件的计算 §10.3 预应力混凝土受弯构件的计算 §10.4 预应力混凝土构件的构造要求 §10.5 部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土 §10.1 概 述 10.1.1 预应力混凝土的概念 一、 钢筋混凝土的不足之处 qk =10kN/m L0
例：跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm2,作用均布活荷我标准值4=10kNm, 均布恒荷载=5水NW/m。 跨度增加一倍跨度增加两倍采用高强钢筋 Lo 5.2m 10.4m 20.8m 5.2m bxh 200×450 400×900 800×1900 200×450 自重g 5kN 20KN 80kN 5kN M 67.6kN.m 513.96kN.m 5948.8kN.m 67.6kN.m 1级310 Ⅱ级310 Ⅱ级310 冷拉V级580 As 603mm2 2106mm2 12650mm 308mm2 M 50.7kN.m 405.6kN.m 4867.2kN.m 50.7kN.m 1-300 16+品 38127另 32.21615 232MPa 453MPa [wmax]-0.3 0.25 0.75 ★混凝士的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低，钢筋混凝士 梁不适用于大跨度结构。 ★如加大截面尺寸来提高刚度，会导致自重，形成恶性循环 ★如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费 ★如采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，藏截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低， 故挠度变形控制难以满足。 ★裂缝宽度与钢筋应力基木成正比，一般M-0.6~0.8)M,如配筋按正截面承载力计算，M下 -0.5-0.7K 对于Ⅱ级钢筋，=300MPa,=150~210MPa,裂缝宽度已达(0.15~025)mm。 如采用高强钢筋，如=580MPa,则o4=290~406MPa,裂缝宽度已远远超过容许 限值。 二、预应力的基本概念 Np LMMMMMMMMMn 。=4h 2 MMMMMIMMIMMMIMMNO
例：跨度为 5.2m 的简支梁，截面尺寸为 200×450mm2，作用均布活荷载标准值 qk=10kN/m， 均布恒荷载 gk=5kN/m。 ★ 混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低，钢筋混凝土 梁不适用于大跨度结构。 ★如加大截面尺寸来提高刚度，会导致自重，形成恶性循环。 ★如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。 ★如采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低， 故挠度变形控制难以满足。 ★ 裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，一般 Mk=(0.6~0.8)My，如配筋按正截面承载力计算，Mk 下 sk=(0.5~0.7)fy。 对于Ⅱ级钢筋，fy =300MPa，sk=150~210MPa，裂缝宽度已达(0.15~ 0.25) mm。 如采用高强钢筋，如 fy=580MPa，则sk= 290 ~406 MPa，裂缝宽度已远远超过容许 限值。 二、预应力的基本概念 2 h I N e A Np p p pc = + 2 h I M c = 跨度增加一倍 跨度增加两倍 采用高强钢筋 L0 5.2m 10.4m 20.8m 5.2m b×h 200×450 400×900 800×1900 200×450 自重 gk 5kN 20kN 80kN 5kN M 67.6kN.m 513.96kN.m 5948.8kN.m 67.6kN.m fy Ⅱ级 310 Ⅱ级 310 Ⅱ级 310 冷拉Ⅳ级 580 As 603mm2 2106mm2 12650mm2 308mm2 Ms 50.7kN.m 405.6kN.m 4867.2kN.m 50.7kN.m [f]=300 L0 16.4=317 L0 38.1=273 L0 88.8=234 L0 32.2=161.5 L0 ss 232MPa 453MPa [wmax]=0.3 0.25 0.75
学 由于预加应力较大，曼拉边缘仍处于受 压状态，不会出现开裂： 06=0.-0 -0fa 三、预应力混凝土的基本原理 预应力混凝土结构 在混凝土结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结 构使用性能的结构形式。 预应力混凝土的原理 预应力的作用可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力，从而提高结构的抗裂性：对于在 使用荷载下出现裂缝的构件，可以减小裂缝宽度。 四、预应力混凝土的基本受力分析1、截面应力计算
) 2 ( 2 h I N e A h N I M p p p b c pc = − + = − 由于预加应力pc较大，受拉边缘仍处于受 压状态，不会出现开裂； 受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂； 受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（ pc =0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。 三、预应力混凝土的基本原理 预应力混凝土结构 在混凝土结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结 构使用性能的结构形式。 预应力混凝土的原理 预应力的作用可以部分或全部抵消外荷载产生的拉应力，从而提高结构的抗裂性；对于在 使用荷载下出现裂缝的构件，可以减小裂缝宽度。 四、 预应力混凝土的基本受力分析 1、截面应力计算 c − pc 0 c pc tk 0 − f c pc tk − f ) 2 ( 2 h I N e A h N I M p p p b c pc = − + = −
a. 2、截面受力特点 受荷以前 受荷以后 开裂以后 ★受弯构件在受力过程中预应力筋一直承受较大的拉力N。,而裁面混凝土则一直主要承受压力 C。 ★钢前混凝土受弯构件开裂后，而钢筋拉力T和压区混凝土的压力C随弯矩增大而不断增大。 隆能应力混士充分利用了贸高的抗拉强度和混藏士的抗压强度，可以使高强度材料得以发罪 预应力混凝土结构的特点： ★可以充分利用高强度材料★提高构件的抗裂度和刚度 ★减小构件截面高度、减轻自重 ★具有良好的裂缝闭合性能 ★提高抗剪承载力 ★提高抗疲劳强度 ★具有良好的综合效益 ★材料单价高，设计、施工较复杂
2、截面受力特点 受荷以前 受荷以后 开裂以后 ★受弯构件在受力过程中预应力筋一直承受较大的拉力 Np，而截面混凝土则一直主要承受压力 C。 ★钢筋混凝土受弯构件开裂后，而钢筋拉力 T 和压区混凝土的压力 C 随弯矩增大而不断增大。 ★预应力混凝土充分利用了钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度，可以使高强度材料得以发挥其 性能。 ◼预应力混凝土结构的特点: ★可以充分利用高强度材料★提高构件的抗裂度和刚度 ★减小构件截面高度、减轻自重 ★具有良好的裂缝闭合性能 ★提高抗剪承载力 ★提高抗疲劳强度 ★具有良好的综合效益 ★材料单价高，设计、施工较复杂 y I N e A Np p p pc = + = c − pc y I M = ( y) I N e A Np p p − + y I M c =
10.1.2预应力混凝土的分类 全预应力混凝士 一在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力。（一级抗裂） ■1限值预应力混凝士 一在使用荷载作用下，混凝土允许出现低于抗拉强度的拉应力，可不同程度保证混 凝土不开裂。（二级抗裂） 山部分预应力混凝土 —在使用荷载作用下，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值。（三级抗裂) ■V普通钢筋混凝士 10.1.3施加预应力的方法 先张法：在浇注混凝土之前张拉预应力钢筋的方法。 施工工序： 预应力钢筋就位—张拉钢筋—锚固钢筋 浇注混凝土、养护—放松钢筋—混凝土受预压。 预压应力靠预应力钢筋与混凝土之间的粘结力来传递。 锚具 锚具 直线形预应力筋 折点 (a) 墩了
10.1.2 预应力混凝土的分类 ◼I 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。（一级抗裂） ◼II 限值预应力混凝土 ——在使用荷载作用下，混凝土允许出现低于抗拉强度的拉应力，可不同程度保证混 凝土不开裂。（二级抗裂） ◼III 部分预应力混凝土 ——在使用荷载作用下，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值。（三级抗裂） ◼IV 普通钢筋混凝土 10.1.3 施加预应力的方法 先张法：在浇注混凝土之前张拉预应力钢筋的方法。 施工工序： 预应力钢筋就位——张拉钢筋——锚固钢筋, 浇注混凝土、养护——放松钢筋——混凝土受预压。 预压应力靠预应力钢筋与混凝土之间的粘结力来传递
IEIEIEE mI皿Oc 入 传递长度l. 后张法：在结硬后的混凝土构件中张拉预应力钢筋的方法
后张法：在结硬后的混凝土构件中张拉预应力钢筋的方法
后张法：在 施工工序： 浇注混凝土、预留孔道，养护一穿入、张拉预应力钢筋，混凝土受预压—描固预应力钢 筋—孔道灌浆。 预压应力靠构件端部的锚具来传递。 锚具下混凝土局部承压问题 无粘结预应力混凝土 ★一定要有非预应力筋
后张法：在结硬后的混凝土构件中张拉预应力钢筋的方法。 施工工序： 浇注混凝土、预留孔道，养护——穿入、张拉预应力钢筋，混凝土受预压——锚固预应力钢 筋——孔道灌浆。 预压应力靠构件端部的锚具来传递。 无粘结预应力混凝土 ★一定要有非预应力筋 pc p 锚具下混凝土局部承压问题
★锚具的可靠性 ★高强钢丝的可靠度 10.1.4锚具和夹具 螺丝端杆·钢筋 对埠接买露 错环 锥形塞 钢垫板 螺帽 螺丝瑞什 内y 混凝土挤压 张拉端锚具 对开垫板 (6) 支承板 固定端锚具 (a) (c)
★锚具的可靠性 ★高强钢丝的可靠度 10.1.4 锚具和夹具 螺丝端杆锚具 锥形锚具
(a)张拉端 (b)分散式固定端 (C)集中式固定端 镦头锚具 夹具式锚具 10.1.5预应力混凝土的材料 一、预应力钢筋 ★强度高：可提供较大的张拉力。并使得扣除预应力损失后预应力筋仍具有较高的张拉应力 ★具有一定的塑性：可避免在偶然超载的情况下预应力筋发生脆性断裂。 ★具有良好的加工性能：以满足对预应力筋钢筋焊接、墩粗的加工要求
(a) 张拉端 (b) 分散式固定端 (c) 集中式固定端 镦头锚具 夹具式锚具 10.1.5 预应力混凝土的材料 一、预应力钢筋 ★强度高：可提供较大的张拉力。并使得扣除预应力损失后预应力筋仍具有较高的张拉应力。 ★具有一定的塑性：可避免在偶然超载的情况下预应力筋发生脆性断裂。 ★具有良好的加工性能：以满足对预应力筋钢筋焊接、镦粗的加工要求
★与混凝土良好的粘结性能：通常采用刻痕或压波"方法来提高预应力筋与混凝土粘结强度。 1、冷拉低合金钢筋 ·通常将IV级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达58OMPa, ·为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。 ·但近年来随着高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。 架 2、中高强钢丝 ,中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。 ,中强钢丝的为800-1200MPa ,高强钢丝的强度为1470-1860MPa,钢丝直径为3-9mm. ,为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或压波，也可制成螺旋肋。 88 刻痕钢丝 图 螺旋肋钢丝
★与混凝土良好的粘结性能：通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高预应力筋与混凝土粘结强度。 1、冷拉低合金钢筋 ◆ 通常将Ⅳ级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达 580MPa。 ◆ 为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。 ◆ 但近年来随着高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。 2、中高强钢丝 •中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。 •中强钢丝的为 800-1200MPa， •高强钢丝的强度为 1470-1860MPa。钢丝直径为 3-9mm。 •为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用‘刻痕’或‘压波’，也可制成螺旋肋。 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝