预应力混凝土案例

1、L 0 一一. .普通钢筋混凝土受弯构件的工作情况普通钢筋混凝土受弯构件的工作情况 qk 9.1 概述概述 普通钢筋混凝土普通钢筋混凝土的缺点：的缺点： 普通钢筋混凝土结构或构件普通钢筋混凝土结构或构件通常带裂缝工作通常带裂缝工作 对于不允许开裂的构件，受拉钢筋不能充分利用对于不允许开裂的构件，受拉钢筋不能充分利用 强度强度 对于允许开裂的构件，一般裂缝宽度较大，影响对于允许开裂的构件，一般裂缝宽度较大，影响 耐久性耐久性 由于对混凝土构件变形和裂缝宽度限制由于对混凝土构件变形和裂缝宽度限制, ,钢筋混钢筋混 凝土不能用于大跨和重载结构，也不能充分利用高凝土不能用于大跨和重载结构，也不能充分利

2、用高 强材料。强材料。 产生问题的主要原因产生问题的主要原因：混凝土的抗拉强度太低，：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导致受拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降 低。低。 当混凝土受拉刚开裂时，钢筋拉应力约多大？当混凝土受拉刚开裂时，钢筋拉应力约多大？ 混凝土的极限抗拉应变值大约为混凝土的极限抗拉应变值大约为0.000150.00015，则在，则在 开裂时钢筋应力值约为开裂时钢筋应力值约为: : s s= =Es s s s= =Es s ct ctu u=2 =210105 50.00015=30N/mm0.00015=30N/mm2 2 如果裂缝宽度为

3、如果裂缝宽度为0.2mm，钢筋拉应力约多大？，钢筋拉应力约多大？ 钢筋混凝土构件的一大缺点是不能采用高强度钢钢筋混凝土构件的一大缺点是不能采用高强度钢 筋。与筋。与wmax对应的对应的 s = 200MPa，而高强钢丝强度可，而高强钢丝强度可 达达1600MPa以上以上 一般来说，普通钢筋混凝土梁的经济适用跨度一般来说，普通钢筋混凝土梁的经济适用跨度 为为48m，钢筋宜采用，钢筋宜采用HRB400、HRB500和和 HRB335级钢筋。级钢筋。 预应力混凝土定义预应力混凝土定义 预应力混凝土预应力混凝土指在混凝土构件承受外荷载指在混凝土构件承受外荷载 之前，对其受拉区预先施加压应力之前，对其受

4、拉区预先施加压应力 最早由法国工程师在最早由法国工程师在2020世纪世纪3030年代提出。思年代提出。思 想起源于生活想起源于生活 9.1.1 9.1.1 预应力混凝土的概念预应力混凝土的概念 所谓预应力混凝土所谓预应力混凝土就是在混凝土构件承受使就是在混凝土构件承受使 用荷载前的制作阶段，预先对用荷载前的制作阶段，预先对使用阶段的受拉使用阶段的受拉 区区施加压应力，造成一种人为的应力状态。施加压应力，造成一种人为的应力状态。 当构件承受使用荷载而产生拉应力时，首先当构件承受使用荷载而产生拉应力时，首先 要抵消混凝土的预压应力，然后随着荷载的增要抵消混凝土的预压应力，然后随着荷载的增 加，受拉

5、区混凝土产生拉应力。因此，可推迟加，受拉区混凝土产生拉应力。因此，可推迟 混凝土裂缝的出现和开展，以满足使用要求。混凝土裂缝的出现和开展，以满足使用要求。 这种在结构构件承受荷载以前预先对受拉区混这种在结构构件承受荷载以前预先对受拉区混 凝土施加压应力的结构构件，就称为凝土施加压应力的结构构件，就称为预应力混预应力混 凝土构件。凝土构件。 Npc 预应力混凝土的工作原理预应力混凝土的工作原理 ep p 可能的应力分布？可能的应力分布？ 全截面全截面 受压受压 全截面全截面 受压受压 部分截面受部分截面受 压，下边缘压，下边缘 拉应力小拉应力小 部分截面受部分截面受 压，下边缘压，下边缘 拉应力

6、较大拉应力较大 全预应力混凝土全预应力混凝土 部分预应力混凝土部分预应力混凝土 限值预应力混凝土限值预应力混凝土 预应力混凝土结构的优缺点预应力混凝土结构的优缺点 （1）提高构件的抗裂能力，增加了结构的耐久性）提高构件的抗裂能力，增加了结构的耐久性 （2）增大了构件的刚度增大了构件的刚度，减小挠度，减小挠度， （3）充分利用高强度材料的性能充分利用高强度材料的性能 （4）扩大了构件的使用范围：扩大了构件的使用范围：防水、抗渗结构、防水、抗渗结构、 减轻自重，大跨度减轻自重，大跨度结构结构，提高适用能力，提高适用能力 优优 点点 （1）工艺复杂，对施工技术要求高）工艺复杂，对施工技术要求高 （2

7、）需要有专门设备）需要有专门设备 （3）预应力上拱度不易控制）预应力上拱度不易控制 （4）开工费用大）开工费用大 （5）延性稍差延性稍差 缺缺 点点 优先采用预应力混凝土的结构优先采用预应力混凝土的结构 裂缝控制等级较高的结构裂缝控制等级较高的结构 大跨度或受力很大的结构大跨度或受力很大的结构 对刚度和变形要求较高的结构对刚度和变形要求较高的结构 9.1.29.1.2预应力混凝土的分类预应力混凝土的分类 根据预加应力值对构件截面裂缝控制程度的不同：根据预加应力值对构件截面裂缝控制程度的不同： t 全预应力混凝土：截面上混凝土不允许出现全预应力混凝土：截面上混凝土不允许出现 拉应力（裂缝控制等级

8、一级）拉应力（裂缝控制等级一级） t 部分预应力混凝土：允许出现裂缝，裂缝宽度部分预应力混凝土：允许出现裂缝，裂缝宽度 不超过允许值（裂缝控制等级三级）不超过允许值（裂缝控制等级三级） t 限值预应力混凝土：混凝土一般不开裂（裂缝限值预应力混凝土：混凝土一般不开裂（裂缝 控制等级二级）控制等级二级） 9.1.3 张拉预应力的方法张拉预应力的方法 1、先张法、先张法 pretensioning method 张拉预应力的方法张拉预应力的方法 主要工序主要工序：张拉钢筋至控制应力张拉钢筋至控制应力 支模、浇混凝土并支模、浇混凝土并 养护到设计强度的养护到设计强度的75%以上以上 剪断预应力筋剪断预

9、应力筋(放张放张) 构件上拱构件上拱 长线台座长线台座 张拉完锚固的钢铰线张拉完锚固的钢铰线 先张法先张法： 先张法构件是先张法构件是通过预应力钢筋与混凝土通过预应力钢筋与混凝土 之间的粘结力传递预应力之间的粘结力传递预应力的，适用于大批的，适用于大批 制作制作中小型构件中小型构件，如预应力混凝土楼板、，如预应力混凝土楼板、 屋面板、梁等屋面板、梁等 后张法的后张法的主要工序：主要工序：埋管制孔埋管制孔浇混凝土浇混凝土抽管抽管 养护至设计养护至设计强度的强度的75%以上以上穿预应力筋并张拉穿预应力筋并张拉 至控制应力至控制应力锚固锚固 孔道灌浆孔道灌浆封锚。封锚。 2 2、后张法、后张法 Po

10、st-tensioning method 钢筋骨架制作与预埋管道钢筋骨架制作与预埋管道 浇注混凝土浇注混凝土 预应力钢筋穿索预应力钢筋穿索 预应力钢筋张拉预应力钢筋张拉 封端存梁封端存梁 后张法：后张法： 后张法是后张法是依靠依靠锚具锚具锚住预应力筋并传递预锚住预应力筋并传递预 应力应力。适用于在施工现场制作大型构件，如预。适用于在施工现场制作大型构件，如预 应力屋架、吊车梁、大跨度桥梁等。应力屋架、吊车梁、大跨度桥梁等。 * *夹具：夹具：构件中，为保持预应构件中，为保持预应 力筋的拉力并将其固定在生产力筋的拉力并将其固定在生产 台座上（夹持预应力筋）的临台座上（夹持预应力筋）的临 时性锚固

11、装置。时性锚固装置。 夹具可重复使用夹具可重复使用 * *锚具：锚具：后张法构件中，为保后张法构件中，为保 持预应力筋的拉力并将其传递持预应力筋的拉力并将其传递 到混凝土内部的永久性锚固装到混凝土内部的永久性锚固装 置。置。 锚具不能重复使用锚具不能重复使用 9.1.4 9.1.4 夹具、锚夹具、锚 具具 锚具、夹具：用于固定预应力筋的装置。锚具、夹具：用于固定预应力筋的装置。 对锚具的要求：对锚具的要求： 锚具的种类锚具的种类： （张拉端）（张拉端） 强度高、硬度高，工作安全可靠；强度高、硬度高，工作安全可靠； 能有效锚固预应力筋；能有效锚固预应力筋； 预应力损失要小；预应力损失要小； 构造

12、简单，制作方便，用钢量少；构造简单，制作方便，用钢量少； 张拉锚固方便迅速，设备简单张拉锚固方便迅速，设备简单 夹片式锚具夹片式锚具 支承式锚具：支承式锚具： 如墩头锚、螺母锚等如墩头锚、螺母锚等 锥塞式锚具锥塞式锚具 张拉端张拉端 固定端固定端 握裹式锚具握裹式锚具 固定端锚具固定端锚具 张拉端锚具张拉端锚具-夹片式锚具夹片式锚具 锚块内的孔洞以及锚塞做成楔形或锥形，锚块内的孔洞以及锚塞做成楔形或锥形， 预应力钢筋回缩时受到挤压而被锚住。预应力钢筋回缩时受到挤压而被锚住。 支承式锚具支承式锚具-墩头锚具墩头锚具 支承式锚具支承式锚具-螺母锚具螺母锚具 利用螺帽、垫板等的承利用螺帽、垫板等的承

13、 压作用将预应力钢筋锚压作用将预应力钢筋锚 固在端部固在端部 预应力预应力筋筋 垫板垫板 螺丝杆端螺丝杆端 螺帽螺帽 对焊接头对焊接头 锥塞式锚具锥塞式锚具 JM12锚具锚具 混凝土：混凝土： 强度高强度高 收缩、徐变小收缩、徐变小 快硬、早强快硬、早强 9.1.5 预应力混凝土的材料预应力混凝土的材料 混凝土：混凝土：混凝土强度等级不宜低于混凝土强度等级不宜低于C40C40，且不应且不应 低于低于C30C30 钢筋：钢筋：预应力钢筋宜采用预应力预应力钢筋宜采用预应力钢丝、钢丝、钢铰线、钢铰线、 预应力螺纹钢筋；预应力螺纹钢筋； 普通钢筋宜采用普通钢筋宜采用HRB400级和级和HRB335级钢

14、筋，级钢筋， 也可采用也可采用HPB300级钢筋。级钢筋。 9.1.5 预应力混凝土的材料预应力混凝土的材料 螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 螺纹钢筋螺纹钢筋 钢铰线钢铰线 张拉控制应力张拉控制应力 con ：预应力筋在进行张拉时所控制预应力筋在进行张拉时所控制 达到的最大应力值达到的最大应力值 .p con con p N A v con：张拉：张拉预应力预应力钢筋时，张拉设备上的测力钢筋时，张拉设备上的测力仪表仪表所所 指示的总张拉力除以预应力筋指示的总张拉力除以预应力筋截面截面面积面积。 9.1.6 张拉控制应力张拉控制应力 确定确定 con时考虑的因素时考虑的因素 v con 不能过低。不能过低

15、。 对混凝土施加的预压应力过小，不对混凝土施加的预压应力过小，不 能有效提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度能有效提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度 v但是，若但是，若 con过高，则会产生一些问题：过高，则会产生一些问题： 施工阶段可能引起构件某些部分受拉开裂或局施工阶段可能引起构件某些部分受拉开裂或局 部受压破坏部受压破坏。 开裂荷载和破坏荷载接近，一旦裂缝，构件很快破坏，开裂荷载和破坏荷载接近，一旦裂缝，构件很快破坏， 可能产生无预兆的脆性破坏，延性较差可能产生无预兆的脆性破坏，延性较差 超张拉过程中使个别预应力筋被拉断超张拉过程中使个别预应力筋被拉断 部分抵消由于应力松驰、摩擦、钢筋分批

16、张部分抵消由于应力松驰、摩擦、钢筋分批张 拉及预应力筋台座之间的温差等因素产生的预应拉及预应力筋台座之间的温差等因素产生的预应 力损失时，可以提高力损失时，可以提高0.05fptk或或0.05fpyk。 提高构件在施工阶段的抗裂性而在使用阶段提高构件在施工阶段的抗裂性而在使用阶段 受压区设置的预应力钢筋受压区设置的预应力钢筋 预应力螺纹钢筋预应力螺纹钢筋 中强度预应力钢丝中强度预应力钢丝 消除应力钢丝、钢绞线消除应力钢丝、钢绞线 钢筋种类钢筋种类 张拉控制应力限值张拉控制应力限值 0.75 fptk 0.70 fptk 0.85 fpyk 消除应力钢丝、钢绞线、中强度预应力钢丝的消除应力钢丝、

17、钢绞线、中强度预应力钢丝的 con不应不应 小于小于0.4fptk，预应力螺纹钢筋的，预应力螺纹钢筋的 con不宜小于不宜小于0.5fpyk。 9.1.7 预应力损失预应力损失 在预应力混凝土构件施工及使用过程中，由于在预应力混凝土构件施工及使用过程中，由于 混凝土和钢材的性质以及制作方法上的原因，预应混凝土和钢材的性质以及制作方法上的原因，预应 力筋的张拉力值是在不断降低的力筋的张拉力值是在不断降低的称为称为预应力损失预应力损失。 引起预应力损失的原因有引起预应力损失的原因有六大类六大类。 pe = con l 钢筋钢筋最终有效预应力最终有效预应力： 引起预应力损失的原因：引起预应力损失的原

18、因： 1 1、锚具变形、钢筋内缩引起的预应力损失；锚具变形、钢筋内缩引起的预应力损失； 2 2、预应力筋与管道壁间摩擦引起的预应力损失预应力筋与管道壁间摩擦引起的预应力损失; 3 3、混凝土加热养护时，钢筋和台座温差引起的损失；、混凝土加热养护时，钢筋和台座温差引起的损失； 4 4、预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失；、预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失； 5 5、混凝土收缩徐变引起的预应力损失。、混凝土收缩徐变引起的预应力损失。 6 6、环形构件，混凝土的局部挤压引起的预应力损失、环形构件，混凝土的局部挤压引起的预应力损失 1. 锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失值锚具变形和预应力筋内缩

19、引起的预应力损失值 l1 直线直线： 1sl E l v选择锚具变形小或使预应力筋内缩小的锚具、夹选择锚具变形小或使预应力筋内缩小的锚具、夹 具，并尽量少用垫板（每增加一块垫块，具，并尽量少用垫板（每增加一块垫块，a a值就增值就增 加加1mm1mm） v增加台座长度。（当台座长度超过增加台座长度。（当台座长度超过100m100m时，可忽时，可忽 略略 l1） 减少减少 l1措施措施 ： 1sl E l 后张法构件中由于锚具变形和预应力筋内后张法构件中由于锚具变形和预应力筋内 缩引起的预应力损失值按缩引起的预应力损失值按混凝土结构设计混凝土结构设计 规范规范附录附录J计算计算 管道摩阻引起的钢

20、筋预应力损失计算简图管道摩阻引起的钢筋预应力损失计算简图 2. 预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失 l2 2. 预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的损失预应力钢筋与孔道壁之间摩擦引起的损失 l2 x 从张拉端至计算截面的孔道长度从张拉端至计算截面的孔道长度（m ），）， 可用投影长度可用投影长度； 从张拉端至计算截面曲线孔道从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线部分切线 的夹角的夹角之和，之和，rad。 当（当（ + kx ） 0.3时，时， l2 = con(kx + ) kx l e 1 1 con2 减少摩擦损失减少摩擦损失 l2的措施：的措施：

21、 采用两端张拉，以减小管道长度及采用两端张拉，以减小管道长度及x x值；值； 采用超张拉。对于后张法预应力钢筋，其张拉工艺采用超张拉。对于后张法预应力钢筋，其张拉工艺 按下列要求进行：按下列要求进行： 01.12min0.852min conconcon (停)(停)（锚固） kx l e 1 1 con2 两端张拉两端张拉 一端张拉一端张拉 超张拉超张拉 3. 混凝土加热养护时，预应力筋与承受拉力的混凝土加热养护时，预应力筋与承受拉力的 设备之间温差引起的预应力损失设备之间温差引起的预应力损失 l3 加热养护：加热养护：先张法构件先张法构件在采用蒸汽或其他加热在采用蒸汽或其他加热 方法养护混

22、凝土时，新浇混凝土方法养护混凝土时，新浇混凝土 尚未结硬，钢筋受热膨胀，台座尚未结硬，钢筋受热膨胀，台座 固定不动，即钢筋长度保持不变，固定不动，即钢筋长度保持不变， 钢筋中的应力随温度的增高而降钢筋中的应力随温度的增高而降 低而产生的应力损失低而产生的应力损失。 减小温差损失减小温差损失，常采用，常采用二次升温二次升温的养护方法的养护方法 钢模生产构件，张拉台座与被养护构件是共同钢模生产构件，张拉台座与被养护构件是共同 受热、共同变形，不计入此项应力损失。受热、共同变形，不计入此项应力损失。 s 3 55 2.0 101.0 102 s l Et E tt 应力松弛损失的特点：应力松弛损失的

23、特点： v与时间有关，先快后慢。第与时间有关，先快后慢。第1 1小时完成小时完成50% 24小时完成小时完成80%。 v与预应力钢筋种类有关。预应力钢筋种类不与预应力钢筋种类有关。预应力钢筋种类不 同，则损失大小不同；同，则损失大小不同； v与张拉控制应力有关，张拉控制应力越大，与张拉控制应力有关，张拉控制应力越大， 应力松弛大，应力松弛大， l l4 4越大越大 4. 4. 预应力钢筋的应力松弛引起的损失预应力钢筋的应力松弛引起的损失 l l4 4 减小减小 l4措施：措施：超张拉超张拉 超张拉工序：超张拉工序： 第一种：第一种： 从从 01.03 con 第二种：第二种： 从从 01.05

24、 con(持荷持荷2min) con 原理：原理：超张拉的持荷超张拉的持荷2min，已将部分已将部分 松弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少松弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少 l4的目的的目的。 超张拉可使钢筋的应力松弛损失减少超张拉可使钢筋的应力松弛损失减少40%60%。 5. 混凝土收缩、徐变引起的预应力损失混凝土收缩、徐变引起的预应力损失 l5 收缩、徐变将引起构件缩短，收缩、徐变将引起构件缩短，所以钢筋回缩，引起所以钢筋回缩，引起 l5。 此时预应力损失值的大小，与此时预应力损失值的大小，与构件配筋率构件配筋率、混凝土预混凝土预 压应力的大小压应力的大小 pc、 、混凝土强度等级、受荷

25、龄期、构件 混凝土强度等级、受荷龄期、构件 尺寸及环境温湿度尺寸及环境温湿度有关。有关。 先张法：先张法： pc cu 5 60 340 1 15 l f pc cu 5 60 340 1 15 l f 、 受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋 的配筋率；的配筋率； pc、 pc 受拉区、受压区预应力钢筋在各自合受拉区、受压区预应力钢筋在各自合 力点处混凝土的法向压应力。力点处混凝土的法向压应力。 后张法：后张法： pc cu 5 55300 1 15 l f pc cu 5 55300 1 15 l f 减少减少l5的措施有：的措施有： 采用高强度等级水泥，减

26、少水泥用量，降低采用高强度等级水泥，减少水泥用量，降低 水灰比，采用干硬性混凝土；水灰比，采用干硬性混凝土； 采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝 土的密实性；土的密实性； 加强养护，以减少混凝土的收缩。加强养护，以减少混凝土的收缩。 6.混凝土的局部挤压引起的预应力损失混凝土的局部挤压引起的预应力损失 l6 后张法后张法中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构 件：电杆、水池、压力管道等，直接在混凝土上进行件：电杆、水池、压力管道等，直接在混凝土上进行 预应力钢筋的张拉。这时钢筋对构件的外壁产生径向预应力钢筋的张拉。这时

27、钢筋对构件的外壁产生径向 压力，使混凝土局部挤压，构件的直径局部减小，带压力，使混凝土局部挤压，构件的直径局部减小，带 来一圈内钢筋周长的减小，预拉应力下降，引起来一圈内钢筋周长的减小，预拉应力下降，引起 l6。 。 d 3m， l6 = 0 d 3m， 取取 l6 = 30N/mm2 l6的大小与环形构件的直径的大小与环形构件的直径d成反比，直径越小，成反比，直径越小， 损失越大损失越大 总损失：总损失： l = lI + lII 先张法：先张法： l 100N/mm2 后张法：后张法： l 80N/mm2 9.1.8 9.1.8 预应力损失值的组合预应力损失值的组合 I l 1234lll

28、l 12ll IIl 5l 456lll 预应力损失值的组合预应力损失值的组合 先张法构件先张法构件 后张法构件后张法构件 混凝土预压前的损失混凝土预压前的损失 （第一批）（第一批） 混凝土预压后的损失混凝土预压后的损失 （第二批）（第二批） l1：小变形夹具，减少垫板；增加台座长度小变形夹具，减少垫板；增加台座长度。 l2：减少摩擦，减少摩擦，两端张拉，两端张拉，超张拉超张拉。 l3：采用二次升温养护采用二次升温养护 l4：超张拉超张拉 l5：减小收缩徐变的一些措施减小收缩徐变的一些措施 减少预应力损失的措施减少预应力损失的措施 l6：增大构件直径增大构件直径 9.1.10 9.1.10 后

29、张法构件锚固端局部受压承载力计算后张法构件锚固端局部受压承载力计算 锚固区锚固区 提高局部受压提高局部受压 承载力：承载力：方格方格 网式或螺旋式网式或螺旋式 间接钢筋间接钢筋 规范规范规定：设计时既要保证在张拉预规定：设计时既要保证在张拉预 应力筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和应力筋时锚具下锚固区的混凝土不开裂和 不产生过大的变形，又要求计算配置在锚不产生过大的变形，又要求计算配置在锚 具区内所需的间接钢筋以满足局部受压承具区内所需的间接钢筋以满足局部受压承 载力的要求载力的要求 预应力混凝土轴心受拉构件 的设计计算 1. 1. 先张法轴心受拉构件先张法轴心受拉构件 (b)完成第一批损失完成

30、第一批损失 (c)完成第二批损失完成第二批损失 (a)(a)张拉预应力筋张拉预应力筋 1).1).施工阶段施工阶段 pcI pcII con con 2 2）使用阶段）使用阶段 受力过程的三个特征点：受力过程的三个特征点： N N0( c =0) Ncr( c =ftk) Nu( p = fpy) (a)施加轴力前 (b)消压状态 (c)开裂轴力 (d)极限轴力 Nu N0N0 Ncr Ncr Nu （+） （）（） pcII 消压轴力消压轴力 开裂轴力开裂轴力 极限轴力极限轴力 式中式中，Nu 极限承极限承载载力。力。 ( (预预应力的存在不能提高正截面承载力应力的存在不能提高正截面承载力) ) Nu=fpyAp + fyAs 2. 2. 后张法轴心受拉构件后张法轴心受拉构件 (b)完成第一批损失完成第一批损失 (c)完成第二批损失完成第二批损失 (a)(a)张拉预应力筋张拉预应力筋 1).1).施工阶段施工阶段 pcI pcII con con