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西安建筑科技大学 土木工程学院 杨 勇 2009-12-15,第10章 预应力混凝土构件性能与设计,10.1 预应力混凝土的基本知识;（掌握） 10.2 预应力混凝土构件设计一般规定；（熟悉） 10.3 预应力混凝土轴心受拉构件应力分析；（熟悉） 10.4 预应力混凝土轴心受拉构件计算验算；（掌握） 10.5 预应力混凝土受弯构件的设计计算；（自学） 10.6 预应力混凝土构件的构造要求；（了解） 10.7 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,10.1.1 预应力混凝土的一般概念,10.1 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bh，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Es2105MPa，刚度不提高； 钢筋强度提高，钢筋应力sk提高，裂缝与变形加大。,10.1 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。,10.1 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，Prestressed Concrete，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。,10.1 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）,q,q,10.1 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）,q,q,f,ACI（American Concrete Institute）“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。,10.1.2 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）。,10.1 预应力混凝土的基本知识,10,10.1 预应力混凝土的基本知识,10.1.3 预应力混凝土的分类,1. 按制作、施工工艺划分先张法、后张法 先张法概念在混凝土浇筑前对钢筋施加预应力。 将预应力筋用锚具临时固定在台座或钢模上，待混凝土达到一定强度（一般不低于75%设计强度），放松预应力筋，使混凝土在预应力作用下，构件受拉区混凝土承受预压应力。 先张法施工工序：张拉固定钢筋浇混凝土养护混凝土(至75%设计强度)放张钢筋 运输安装。 先张法特点： 临时锚具，通过粘结作用保持预应力； 需要台座，一般多采用预制构件； 预制构件整体性差（抗震性能差）。 先张法适用范围：构件厂生产中、小型构件（楼板、屋面板、吊车梁、桥面板等）大型构件运输难；,后张法概念在混凝土浇筑后对钢筋施加预应力。 先制作混凝土构件，并在预应力筋的位置预留出相应孔道（波纹管），待混凝土强度达到设计规定的数值后，穿入预应力筋进行张拉，并利用锚具把预应力筋锚固，最后进行孔道灌浆。 后张法施工工序：浇筑混凝土结构或构件(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、吊装。 后张法特点： 不需台座，可现场预制大型构件； 工序多、工艺复杂，锚具不能重复利用； 灌浆是关键问题穿筋困难；灌浆不密实、钢筋锈蚀； 总体而言，后张法比先张法用的更多。 适用范围：大构件及结构的现场施工。,10.1 预应力混凝土的基本知识,2. 按预应力程度划分全部预应力、部分预应力 全部预应力在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力，为全截面受压； 部分预应力在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出现拉应力或开裂，只有部分截面受压。 A类：在使用荷载作用下，构件截面拉应力不超过容许值； B类：在使用荷载作用下，构件截面裂缝宽度不超过容许值。,=,预应 力大,预应 力中,预应 力小,（b）正常使用状态下PC受弯构件应力,+,不开裂,晚开裂,q,全预应力,部分预应力,10.1 预应力混凝土的基本知识,3. 按预应力筋与混凝土粘结程度划分 有粘结预应力沿预应力筋全长与混凝土粘结，先张法预应力筋、后张法中孔道灌浆预应力混凝土； 特点：后张法孔道灌浆不易密实、预应力钢筋锈蚀、构件断裂 无粘结预应力沿预应力筋全长与混凝土不粘结，预应力筋伸缩、滑动自由。 特点：无粘结预应力筋表面防锈、外套塑料管、与砼无粘结； 优点：施工方便（后张法使用不留孔道）、曲线更有优势； 缺点：与有粘结相比裂缝少而宽、强度稍低、脆性破坏； 措施：部分粘结预应力（有粘结和无粘结搭配）。 缓粘结预应力表面有缓凝胶，后张法施工张拉时不胶不硬化（无粘结），张拉完后再硬化（有粘结）。 特点：综合有粘结和无粘结优点、施工方便、受力合理。 关键：缓粘结剂的缓粘结时间张拉时不硬化、张拉后硬化,10.1 预应力混凝土的基本知识,15,无粘结预应力混凝土筋,4. 按预应力筋线型划分 线预加应力预应力筋是直线、折线或曲线； 环预加应力将预应力用于环形结构：圆形池罐等。,球形水池,10.1 预应力混凝土的基本知识,5. 按预应力筋位置划分 体内预应力预应力筋在构件内部； 体外预应力预应力筋（索）在构件外部，新建和加固工程,6. 按预应力张拉方法划分 机械张拉穿心千斤顶。 电热张拉通电加热张拉。 预起拱方法浇注砼前用千斤顶预起拱，浇筑后释放。,体外预应力桥梁,预应力现场张拉,穿心千斤顶,10.1 预应力混凝土的基本知识,7. 按制作场所划分 现浇预应力混凝土大型和重型构件； 预制预应力混凝土工厂或工地预制，运输吊装； 整体性差、抗震性能差汶川地震。 组合式预应力混凝土预制和现浇结合。 装配整体式预制板作模板，再现浇混凝土； 叠合板可用于新建或加固工程。,叠合板,SP空心板,10.1 预应力混凝土的基本知识,10.1.4 预应力混凝土的材料,钢筋预应力筋和非预应力筋。 非预应力筋选用原则与普通混凝土中钢筋相同：HRB335、HRB400和RRB400； 预应力筋施加预应力的钢筋、高强高耐久性。 必须具有很高强度：提供高预应力、还要有应力富余以承受外加荷载；由于早期预应力筋未用高强钢筋，结果失败； 具有一定塑性、良好可焊性； 先张法和孔道灌浆后张法中要求有足够粘结力。 一般常用：钢绞线、消除应力钢丝、热处理钢筋。 混凝土宜采用高强混凝土。 高强度足够承受预压力； 高弹模弹性变形和徐变变形小、减小预应力损失； 高粘结力有利先张法； 高强混凝土、高强钢筋匹配使用截面尺寸小、经济性好。 砼规范C30，采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋C40。 FRP高强、轻质、耐久性好、疲劳性能好。,10.1 预应力混凝土的基本知识,10.1.5 预应力混凝土的锚具,10.1 预应力混凝土的基本知识,20,锚具锚固预应力筋的装置，是构件中建立有效预应力关键元件。 先张法：锚具可以重复使用，亦称夹具或工作锚具； 后张法：预应力筋的预应力由锚具保持，锚具是构件组成部分，不能重复使用； 根据锚具构造形式和锚固原理，分为三种基本类型： 锚块锚塞型由锚块和锚塞组成，可用于固定端和张拉端 螺杆螺帽型采用螺杆和螺帽固定预应力筋。常用于后张法构件张拉端，也可用于固定端； 墩头型预应力筋端部墩粗，用锚板固定，用于张拉端和固定端 锚具要求安全可靠、使用有效、制作简单、操作方便,本节小结,预应力混凝土产生原因裂缝与变形 预应力混凝土作用原理预应力产生等效荷载抵抗外加荷载 预应力混凝土特点混凝土结构的一场新革命！ 预应力混凝土分类 按制作施工方法先张法、后张法 按预应力程度全部预应力、部分预应力 按预应力筋与混凝土粘结有粘结、无粘结、部分粘结、缓粘结 按预加应力筋线型线型、环形 按预应力筋位置体内预应力、体外预应力 按预应力张拉方法机械张拉、电热张拉、起拱、砼浇筑顺序 按构件制作场所现浇、预制、组合式 预应力混凝土材料高强材料：预应力筋、混凝土。 预应力混凝土锚具锚块锚塞型、螺杆螺丝型、墩头型。 作业思考题10.110.4。