第五章 预应力混凝土构件基本知识

1、 第五章第五章 预应力混凝土构建基本知识预应力混凝土构建基本知识 第一节第一节 预应力混凝土的基本概念预应力混凝土的基本概念 一、预应力混凝土的概念 1.普通混凝土构件存在问题 普通混凝土抗裂性很差普通混凝土抗裂性很差 混凝土的极限拉应变很低，只有0.00010.0015， 这时钢筋应力仅2030N/mm2,另外提高混凝土 的强度也不明显。即普通钢筋混凝土受弯构件的 受拉区极易出现开裂现象，使构件处于带裂缝工 作阶段。 高强材料得不到充分应用高强材料得不到充分应用 裂缝宽度一般应限制在0.20.3mm以内，受拉 钢筋应力最高也只能达到150250N/mm2，目前 高强度钢筋的强度设计值已超过1

2、000，所以在普通 钢筋混凝土结构中，采用高强度钢筋无法发挥其应 有的作用，即普通钢筋混凝土结构限制了高强度钢 材的应用。 结构自重大使用性能不好 普通混凝土结构不能适应现代化建设大跨度和大 空间的需要，因为无法采用高强度的材料，势必导 致截面尺寸过大和自重过大。 为充分发挥钢筋的作用，避免混凝土过早开裂，可 在混凝土受拉区预先施加一压应力，当构件承受拉 应力时，必须先抵消预压应力才能开始受拉，然后 才出现裂缝，这样就可延缓裂缝的出现或减少裂缝 宽度。这种在构件受力前预先施加压应力的构件称 之为预应力混凝土构件。 预加应力的概念和方法在日常生活中的应用是常见的 2、使用预应力混凝土结构的原因

3、理论上讲，提高材料强度可以提高构件的承载力，从而达 到节省材料和减轻构件自重的目的。但在普通钢筋混凝土构件 中，提高钢筋强度却难以收到预期的效果。这是因为，对配置 高强度钢筋的钢筋混凝土构件而言，承载力可能已不是控制条 件，起控制作用的因素可能是裂缝宽度或构件的挠度。当钢筋 应力达到5001000N/mm2时，裂缝宽度将很大，无法满足使 用要求。 混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低。其抗拉强度只有 抗压强度的1/101/18，极限拉应变仅为0.00010.00015， 即每米只能拉长0.10.15mm，超过后就会出现裂缝。而钢筋 达到屈服强度时的应变却要大得多，约为0.00050.0015，如

4、 HPB235级钢筋就达110-3。对使用上不允许开裂的构件，受 拉钢筋的应力只能用到2030N/mm2，不能充分利用其强度。 对于允许开裂的构件，当受拉钢筋应力达到250N/mm2时，裂 缝宽度已达0.20.3mm。 3、混凝土预应力的添加 4、预应力混凝土不能提高承载力 注意： 也就是说，当截面和材料相同时，预应力混凝土与 普通钢筋混凝土受弯构件的承载能力相同，与受拉 区钢筋是否施加预应力无关。 二、预应力混凝土结构的特点 l能够充分利用高强钢材、混凝土，减少钢筋用量； 构件截面小，减轻结构自重。 l预应力能使构件受拉区推迟或避免开裂，提高构 件的抗裂性能。 l由于预应力混凝土构件在使用阶

5、段不带裂隙工作 或裂隙很小，所以构件的截面钢度较大。 l由于预应力提高了构件的抗裂性能和刚度，减少 了构件的截面尺寸和自重，使之适用于较大荷载 和较大跨度。 1、优点： 2、缺点： l设计和施工复杂，对材料质量故要求严格； l工艺复杂。施工中要使用专门的机具，并要求有 一定的施工经验； l质量要求高,造价高。 l大跨度结构。如大跨度桥梁、体育馆、大跨度建筑 的屋盖、高层建筑的转换层等。 桥梁中建造了预应力箱形截面简支梁跨度达240m， 斜拉预应力混凝土桥跨度可达400m。 l对抗裂度有特殊要求的结构。如压力容器、压力管 道、水工或海洋建筑、冶金及化工厂的车间等。 l高耸建筑结构。如水塔、烟囱、

6、电视塔等。 l大量制造的预制构件。如预应力空心楼板、预应力 预制桩等。 三、预应力混凝土的主要用途 第二节 施加预应力的方法 1、先张法 主要张拉程序：先在台座上按规定设计要 求 将钢筋张拉到控制应力并用锚具临 时固定浇注 砼待砼达到设计强度75%以 上切断放松钢筋。 传力途径 特点 、施工工艺过程 主要工艺过程是：穿钢筋张拉钢筋浇筑混 凝土并进行养护切断钢筋。 张拉钢筋张拉钢筋浇筑混凝土浇筑混凝土切断钢筋，混凝土预压切断钢筋，混凝土预压 预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递 、锚固方式 2、后张法 、 其主要张拉程序：为埋管制孔浇砼抽管养 护穿筋张拉锚固灌

7、浆（防止钢筋生锈）。 传力途径： 特点：这种方法设备简单，不需要张拉台座，生 产灵活，但需要可靠的锚具及千斤顶，锚具用钢量大， 适用大型构件的现场施工。 这种做法钢筋与砼结为整体称为有粘结力预应力砼这种做法钢筋与砼结为整体称为有粘结力预应力砼。 有粘结力预应力砼由于粘结力（阻力）的作用使得 预应力钢筋拉应力降低，导致砼得到压应力降低， 所以应设法减少这种粘结力。 、后张法无粘结预应力混凝土 张拉程序：预应力钢筋沿全长外表涂刷沥青油毡 等润滑防腐材料包上塑料护套或套管（预应力 钢筋与砼不建立粘结力）浇砼养护张拉钢筋 锚固 无粘结预应力束 无粘结的钢绞线是用防腐油脂涂在钢绞线表面， 并用外塑料护套

8、而成 特点：施工时跟普通砼一样，将钢筋放入设计位置 可以直接浇砼，不必要预留孔洞、穿筋、灌浆，简 化施工程序，由于无粘结力预应力砼得到有效预压 应力增大，降低造价，适用于跨度大（6m)的曲线配 筋的梁体 、后张法施工工艺过程 浇筑混凝土构件浇筑混凝土构件穿预应力钢筋穿预应力钢筋锚固钢筋，孔道灌浆锚固钢筋，孔道灌浆 预应力由构件两端锚具实现预应力由构件两端锚具实现 、张拉工具 第三节第三节 预应力混凝土结构的材料预应力混凝土结构的材料 1 1、混凝土、混凝土 要求采用高强混凝土； 可以施加较大的预压应力，提高预应力效率； 有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求； 具有较高的弹性模量，有利于提

9、高截面抗弯刚度，减少预压 时的弹性回缩； 徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失； 与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长 度； 有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具 垫板的尺寸； 强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提 高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用 一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用 高强钢丝（钢绞线、钢丝、热处理钢筋）时不低于C40。 2、钢筋 、钢筋的性能 高强度。混凝土预压应力的大小，取决于预应力钢筋张拉应力 的大小。 具有一定的塑性。为了避免预应力混凝土构件发生脆性破坏， 要求预应力钢筋在张拉时具有一定的

10、伸长率。当构件处于低温或 受到冲击荷载作用时，更应注意塑性和抗冲击韧性的要求。 具有良好的加工性能。以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。 与混凝土之间具有良好的粘结强度（先张法）。当采用光面高 强度钢丝时，表面应经“刻痕”或“压波”等措施处理后方可使 用。 、预应力钢筋的种类 消除应力钢丝。包括光面 （P）、螺旋肋（H）、 三面刻痕（I） 消除应力钢丝见预应力砼用钢丝GB/T5223， 是用高碳镇静钢轧制成的盘园，经过加温、淬火（铅 浴）、酸洗、冷拔、回火矫直等处理工序来消除应力 而成的碳素钢丝，可提高抗拉强度（光面钢丝fpy =1250N/mm2，其余fpy1110 N/mm2），这样钢丝直

11、径49mm，强度高低、低松弛。 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝 钢绞线 由多根冷拉钢丝在绞线机上咬合并经消除应力回 火而成的总称。 有13捻用于先张法。17捻是外层钢丝围绕一 根直径大20%的中心钢丝绞成后张法中应用广泛。 直径用S表示，外径 8.615.2mm，fpy=1110 1320 N/mm2 ，强度高、 低松弛、伸直性好，比较柔 软 ，盘弯方便，粘结性好。 钢绞线钢绞线 钢丝绳与钢绞线的区别： 在制作工艺上，钢丝绳是由钢丝绞成股， 再由股捻成绳，有中间夹麻芯或钢芯和不加芯 的钢丝绳；钢绞线是由钢丝只经过一次扭绞。 在性能上，钢丝绳的弹性模量小于钢绞线。 热处理钢筋 将合金钢（40Si2Mn、4

12、8Si2Mn、45Si2Cr）经过调质 热处理而成，达到提高抗拉强度（fPy =1040N/mm2）， 改善塑性性能。HT表示。 这种筋具有强度高（节省钢材）低松弛的特点，其 =610mm以盘园形式供给省去焊接，有利施工。 规范规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、消 除应力钢丝、也可采用热处理钢筋。无粘结预应力钢 筋则采用高强钢丝和钢绞线。预应力钢筋的发展趋势 是高强度、低松弛、粗直径、耐腐蚀。 3、锚具 l具有足够的强度和刚度； l预应力损失小； l构造简单，便于制作和加工； l节省材料，降低成本 预应力混凝土构件对锚具的要求是： 第四节第四节 预应力的损失和张拉控制应力的概念预应力的损失和

13、张拉控制应力的概念 1 1、预应力损失、预应力损失 由于张拉工艺和材料特性的原因，从构件的制作、运 输、安装、使用等各个过程中，使预应力钢筋的应力 不断降低，这降低的部分就叫预应力损失。 、定义: 锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1 、引起预应力损失的原因及的措施 由于经过张拉的预应力钢筋被锚固在台座或构件 上以后，锚具、垫板与构件之间的缝隙被压紧，以及 预应力钢筋在锚具中的滑动，造成预应力钢筋回缩而 产生的预应力损失。 产生范围：先张法构件、后张法构件。 减少此项损失的措施有： 选择变形小或预应力钢筋内缩小的锚具，尽 量减少垫板数； 对先张法构件，选择长台座。台座长度超过 100m时，可

14、忽略不计。 预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的预应力损失 l2 后张法构件在预留孔道中张拉钢筋时，因钢筋与孔 道壁之间的接触引起摩擦阻力而产生的预应力损失。 产生范围：后张法构件。 减少该项损失，可采取以下措施： 对较长的构件可在两端进行张拉； 采用超张拉，张拉程序可采用： conconcon sss min2 min 2 85. 01 . 10 荷载荷载 混凝土加热养护时，受张拉的钢筋与承受拉力的设 备之间温差 , 引起的损失 l3 为了缩短先张法构件的生产周期，混凝土常采用蒸 汽养护办法。升温时，新浇的混凝土尚未结硬，预应 力筋与台座之间的温差t使钢筋受热自由伸长，但两 端的台座是固定不动的

15、，即距离保持不变，于是钢筋 就松了，钢筋的应力降低；降温时，预应力钢筋与混 凝土已黏结成整体，加上两者的温度线膨胀系数相近， 二者能够同步回缩，放松钢筋时因温度上升钢筋伸长 的部分已不能回缩，因而产生了温差损失。仅先张法 构件有该项损失。 减少此项损失的措施有： 采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土 强度达到710N/mm2 时，再逐渐升温至规定的养 护温度，这时可认为钢筋与混凝土已结成整体，能 够一起胀缩而不引起预应力损失; 在钢模上张拉预应力钢筋。由于钢模和构件一 起加热养护，升温时两者温度相同，可不考虑此项 损失。 钢筋应力松弛引起的预应力损失l4 钢筋的应力松弛是指钢筋在高应力作用

16、下及钢筋长 度不变条件下，其应力随时间增长而降低的现象。 钢筋应力松弛有以下特点： 应力松弛与时间有关，开始快，以后慢； 应力松弛与钢材品种有关。冷拉钢筋、热处理钢 筋的应力松弛损失比碳素钢丝、冷拔低碳钢丝、钢 绞线要小； 张拉控制应力con高，应力松弛大。 采用超张拉可使应力松弛损失有所降低。超张拉程序 为: concon ss0) 1 . 105. 1 (0 min2持荷 因为在较高应力下持荷两分钟所产生的松弛损失 与在较低应力下经过较长时间才能完成的松弛损失 大体相当，所以经过超张拉后再张拉至con时，一 部分松弛损失已完成。 混凝土的收缩徐变引起的预应力损失l5 混凝土结硬时产生体积收

17、缩，在预压力作用作用下，混 凝土会发生徐变，这都会使构件缩短，构件中的预应力 钢筋跟着回缩，造成预应力损失。此项预应力损失是各 项损失中最大的一项，在直线预应力配筋构件中约占总 损失的50，在曲线预应力配筋构件中约占30左右。 后张法构件收缩徐变损失比先张法构件小，原因是后张 法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已完成一部分。 减少此项损失的措施有： 采用高标号水泥，减少水泥用量，同时严格控制水 灰比； 采用级配良好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密 实性； 加强养护，使水泥水化作用充分，减少混凝土的收 缩。有条件时宜采用蒸汽养护。 控制混凝土应力pc，要求 以防止发 生非线性徐变。 cupc f

18、 5 . 0s 用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件由于混凝 土的局部挤压引起的预应力损失l6 后张法中，当D3m，l6=30MPa，当D3m，不 考虑该项损失。此处D为环形构件的直径。 2 2、预应力损失值的组合、预应力损失值的组合 上述各项预应力损失不是每一种构件都同时具有， 有的只发生在先张法构件中，有的只发生在后张法构 件中，有的则在两种构件中都存在，而且是分批产生 的。为了分析和计算方便，规范把预应力损失分 为两批，混凝土受预压前产生的损失为第一批损失 l，而混凝土受预压后产生的预应力损失为第二批 预应力损失l 。 各阶段预应力损失值的组合各阶段预应力损失值的组合 预应力损失值的组合

19、先张法构件 后张法构件 混凝土预压前（第一批）的损失l l1+l2+l3+l4 l1 +l2 混凝土预压后（第二批）的损失 l l5 l4+l5+l6 规范规定，当计算求得的预应力总损失值小于下列 数值时，应按下列数值取用： 先张法构件 100N/mm2 后张法构件 80N/mm2 3 3、张拉控制应力张拉控制应力concon 定义：张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时，所 控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤 顶上的油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋 截面面积而得出的应力值，以con表示。 张拉控制应力con对预应力混凝土构件预压效果的 影响分析： 如果con取值过低，则预应力钢筋

20、经过各种损失后， 对混凝土产生的预压应力过小，预应力混凝土的效 果不明显，因此规范规定con不应小于0.4f ptk 。 如果con取得太高，可能出现下列问题： 预应力钢筋已超过实际屈服强度而失去回缩能力， 或已发生脆断现象。 构件的开裂荷载与破坏荷载接近，使构件在破坏前 无明显预兆，构件的延性较差。 构件的反拱过大，或者预拉区产生裂缝影响正常使 用。规范规定，在一般情况下，张拉控制应力 con值不宜超过下表的限值。 张拉控制应力限值允许值张拉控制应力限值允许值 钢筋的种类张拉方法 先张法后张法 预应力消除钢丝、 钢绞线 0.75 f ptk 0.75 f ptk 热处理钢筋 0.70 f p

21、tk 0.65 f ptk 规范指出，为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性 而在受压区设置的预应力钢筋，其允许控制应力提高5%。 小结：小结： 1、 预应力混凝土结构是在结构构件受外荷载作用前， 先人为地对它施加压力，由此产生的预压应力状态 用于减小或抵消外荷载所产生的拉应力，达到推迟 受拉区混凝土开裂的目的。 2、 预加应力的方法常见的有先张法和后张法。 3、 先张法是通过钢筋与混凝土的粘结力来传递预压 应力的，而且要有一定的传递长度，为了使拉区混 凝土尽快得到有效预压应力，减少钢筋的回弹，要 对端部混凝土采取加强措施，以减小传递长度。 4、 对于后张法是依靠锚具传递预压应力，为了提高

22、锚具下混凝土的局部抗压强度，防止锚具下混凝土 局部压坏，所以必须对锚具下混凝土进行有效计算 并采取加强措施。 5、由于预应力混凝土是通过张拉钢筋而使混凝土得 到较大的预应力，预应力钢筋要经受较大的拉力， 混凝土必须承受较大的压力，因而钢筋和混凝土应 当采用较高强度的材料。 6、张拉钢筋时所达到的应力不得超过规范规定的张 拉控制应力con其值应控制在规范规定的范围内， 不能过高，也不能过低。 7、预应力损失是指预应力混凝土构件在制作和使用 过程中，预应力钢筋的拉应力和混凝土压应力逐渐 降低的现象。预应力损失对构件的刚度、抗裂度均 产生不利影响，因此，应采取各种有效措施，以减 少各项预应力损失，使

23、之控制在一定范围内。 作业：作业： 1.什么叫预应力混凝土结构？为什么对构件要施加预应力？ 2.什么在普通钢筋混凝土中不能有效地利用高强钢材和高 强混凝土？而在预应力混凝土结构中必须采用高强钢材和高 强混凝土？ 3.比较普通钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构的区 别，它们各自有何优缺点？ 4.施加预应力的方法有哪几种？它们的主要区别是什么？ 5.预应力混凝土对材料有哪些要求？ 6.什么是张拉控制应力？为什么其取值不能过高或过低？ 与哪些因素有关？ 7.什么叫预应力损失？引起应力损失的因素及采取措施？ 第五节第五节 预应力混凝土构件的构造要求预应力混凝土构件的构造要求 1.钢筋的净距及保护层钢

24、筋的净距及保护层 种类种类 要求要求 钢丝及热处理钢筋钢丝及热处理钢筋钢绞线钢绞线 1 13 31 17 7 钢筋净距钢筋净距15mm15mm15mm15mm20mm20mm25mm25mm 备注备注（1 1）钢筋保护层厚度同普通梁。（）钢筋保护层厚度同普通梁。（2 2）除满足）除满足 上述净距要求外，预应力钢筋净距不应小于其公上述净距要求外，预应力钢筋净距不应小于其公 称直径称直径d d或等效直径或等效直径d de eq q的的1.51.5倍，双并倍，双并d de eq q=1.4=1.4d d、 三并三并d de eq q=1.7=1.7d d 。 2.2.后张法（有粘结力预应力砼）孔道及

25、排气孔要求后张法（有粘结力预应力砼）孔道及排气孔要求 孔道间水平净距孔道间水平净距 50mm 孔道至构件孔道至构件 边净距边净距 30mm 且且孔径孔径/2 孔道内径孔道内径 预应钢筋束外径预应钢筋束外径 （10 15）mm 排气孔距排气孔距 或灌浆孔或灌浆孔 12m 在框架梁中，预留孔 道在竖直方向的净距不 应小于孔道外径，水平 方向的净距不应小于1.5 倍孔道外径，从孔壁算 起的混凝土保护层厚度， 梁底不宜小于50 mm， 梁侧不宜小于40 mm。 3、 先张法端部加强措施由于先张法是在构件端部钢筋弹性 回弹与砼产生相对滑动趋势（产生相对滑动趋势的长度叫传递 长度），通过在端部粘结力的积累

26、阻止其回弹，为了尽快阻止 其回弹，其目的是减少传递长度所以端部要采取加强措施。 1） 对单根预应力钢筋，其端部宜设置长度150mm且不少 于4圈螺旋筋（图a）；当有可靠经验时，亦可利用支座垫板 上的插筋代替螺旋筋但不少于4根，长度120mm（图b）。2） 对多根预应力钢筋，其端部10d范围内，应设置35片与预应 力钢筋垂直的钢筋网（图c） 。3）对钢丝配筋的薄板，在端 部100mm范围内应适当加密横向钢筋（图d）。 3.3.后张法端部加强措施后张法端部加强措施 1 1）为了提高锚具下砼的局部砼的抗压强度，防止局部砼压碎，应在端）为了提高锚具下砼的局部砼的抗压强度，防止局部砼压碎，应在端 部予埋钢板（厚度部予埋钢板（厚度10mm10mm），并应在垫板下设置附加横向钢筋网片图（），并应在垫板下设置附加横向钢筋网片图（a a） 或螺旋式钢筋图（或螺旋式钢筋图（b b）等措施。具体要求见规范。）等措施。具体要求见规范。 2 2）在局部受压间接钢筋配置区以外，在构）在局部受压间接钢筋配置区以外，在构 件端部件端部 长度长度l l不小于不小于3 3e e（e e