预应力砼的概念及其材料

1、预预 应应 力力 混混 凝凝 土土 结结 构构Prestressed Concrete Structure预应力混凝土结构概念及其材料预应力混凝土结构概念及其材料学习目标学习目标熟悉预应力混凝土的基本知识、分类方法；熟悉预应力混凝土的基本知识、分类方法；了解施工工艺及特点；了解施工工艺及特点；熟悉预应力材料的基本性能，掌握材料的选用方法；熟悉预应力材料的基本性能，掌握材料的选用方法；掌握消压弯矩概念。掌握消压弯矩概念。一一、普通、普通钢筋混凝土的缺点钢筋混凝土的缺点1、混凝土的抗拉强度和极限拉应变很小：、混凝土的抗拉强度和极限拉应变很小： 混凝土临近拉裂时，受拉钢筋应力混凝土临近拉裂时，受拉钢

2、筋应力s20 30Mpa 为了利用钢筋的强度，正常工作时就得允许开裂。为了利用钢筋的强度，正常工作时就得允许开裂。开裂引起构件刚度显著下降，使变形（挠度）过大。当开裂引起构件刚度显著下降，使变形（挠度）过大。当钢筋的拉拉力钢筋的拉拉力s=200Mpa时，裂缝宽度有较大的开展，时，裂缝宽度有较大的开展，已不满足裂缝宽度要求。对某些不允许开裂的结构如水已不满足裂缝宽度要求。对某些不允许开裂的结构如水池、油罐、恶劣环境下的结构是不适应的。池、油罐、恶劣环境下的结构是不适应的。1 概概 述述tkcktucu(1/81/20(1/201/30ff ）2、大跨度结构采用普通钢筋混凝土梁时，为满足构、大跨度

3、结构采用普通钢筋混凝土梁时，为满足构件强度、变形、裂缝控制的要求，需加大截面尺寸，件强度、变形、裂缝控制的要求，需加大截面尺寸，但又使构件自重进一步增大，造成安装困难，材料浪但又使构件自重进一步增大，造成安装困难，材料浪费，或造型不协调。费，或造型不协调。3、当采用高强钢筋、高强混凝土时，由于裂缝宽度、当采用高强钢筋、高强混凝土时，由于裂缝宽度控制在控制在0.2mm，而高强钢筋的弹性模量与普通钢筋相，而高强钢筋的弹性模量与普通钢筋相当，此时钢筋、混凝土的工作应力与普通钢筋、普通当，此时钢筋、混凝土的工作应力与普通钢筋、普通混凝土差别不大，高强材料的优势无法体现。混凝土差别不大，高强材料的优势无

4、法体现。 由于普通钢筋混凝土结构无法改善构件使用性能，也由于普通钢筋混凝土结构无法改善构件使用性能，也无法有效利用高强材料，有必要发展一种新的工艺方无法有效利用高强材料，有必要发展一种新的工艺方法法预应力混凝土结构。预应力混凝土结构。1、生活中有关预应力的例子、生活中有关预应力的例子二、预应力的基本概念二、预应力的基本概念2、预应力的工作原理、预应力的工作原理 在混凝土结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下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预压应力，以改善结构使用性能，这种结构形式的受拉区施加预压应力，以改善结构使用性能，这种结构形式称为称为预应力混凝土结构预应

5、力混凝土结构。NpNpPPNpNpPP拉拉压压压压压压拉拉- -压压+拉拉- -压压+ 下面以简下面以简支梁为例，支梁为例，说明预应力说明预应力混凝土结构混凝土结构的基本原理：的基本原理：或或预应力的作用可部分或预应力的作用可部分或全部抵消外荷载产生的全部抵消外荷载产生的拉力，从而提高构件的拉力，从而提高构件的抗裂性。抗裂性。（分解）应力叠加：（分解）应力叠加：NpNpPPNpNpPP拉拉消压消压压压kcktkc+pt+-ptpca)kt+pc0+ +c)c)b)b)a a）+ + + +-b)kt+pc=0c)kt+pc0下缘：下缘：教材例题说明：教材例题说明：28qLM 跨跨中中最最大大弯

6、弯距距zMyMIW，截截面面应应力力 或或 ，截面上、下缘应力为：截面上、下缘应力为：32kcz26()126MbhbhIWbh 上上缘缘：压压应应力力）（，26ktMbh 下下缘缘：（拉拉应应力力）ppp3,hMNe =N6h 假假设设从从中中性性轴轴下下方方施施加加预预加加力力，偏偏心心距距，在在Np单独作用下，截面上、下缘产生的应力为：单独作用下，截面上、下缘产生的应力为：ppppt22z3316 ()/60NNeMMhAWbhhbh 上上缘缘ppppc22z33316 ()/66NNeMM hAWbhhbhMbh 下下缘缘（压压）+：26Mbh上上缘缘：（压压）0下下缘缘： （抵抵消消

7、了了称称为为“消消压压”） 此时截面下缘没有拉应力，截面不会开裂，梁能以全截面参加此时截面下缘没有拉应力，截面不会开裂，梁能以全截面参加工作。若工作。若Np作用点下移，工作阶段还有剩余压应力。作用点下移，工作阶段还有剩余压应力。注意点：注意点： 控制控制 Np大小；大小； 控制控制ep大小；大小； 曲线布筋更合理。曲线布筋更合理。三、三、 预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比,其主其主要优点是：要优点是： 提高构件的抗裂度和提高构件的抗裂度和刚度，减少构件的变形，构件具有良好刚度，减少构件的变形，构件具有良好的裂缝闭合能力，增加了结构的耐久性，提高了抗疲劳能

8、力，的裂缝闭合能力，增加了结构的耐久性，提高了抗疲劳能力，改善了构件的受力性能；改善了构件的受力性能； 使用高强混凝土和高强钢筋，节省材料并减小构件尺寸，减使用高强混凝土和高强钢筋，节省材料并减小构件尺寸，减轻自重，有利于建造大跨度桥梁轻自重，有利于建造大跨度桥梁或重荷载结构；或重荷载结构； 减小梁的竖向剪力和主拉应力，提高了抗剪能力；减小梁的竖向剪力和主拉应力，提高了抗剪能力；施加预应力过程是对结构作了一次检验，有利于保证质量；施加预应力过程是对结构作了一次检验，有利于保证质量；促进桥梁体系的发展，施工手段的创新。促进桥梁体系的发展，施工手段的创新。缺点：缺点：生产工艺较复杂，对施工质量要求

9、高；生产工艺较复杂，对施工质量要求高；需要一定的专业设备；需要一定的专业设备；预应力混凝土结构的开工费用较大，施工周期长。预应力混凝土结构的开工费用较大，施工周期长。 除在桥梁工程采用外，路基边坡治理、库岸斜坡治理中也广除在桥梁工程采用外，路基边坡治理、库岸斜坡治理中也广泛应用（如预应力锚杆、预应力锚索）泛应用（如预应力锚杆、预应力锚索）http:/info.metla.fi/iufro95abs/d1pap97.htm国道318线二郎山隧道出口-2004/3/20预应力连续刚构桥预应力连续刚构桥预预应应力力连连续续刚刚构构桥桥施施工工预应力连续刚构桥施工（挂篮节段浇筑施工）预应力连续刚构桥施

10、工（挂篮节段浇筑施工）四、加筋混凝土结构的分类四、加筋混凝土结构的分类定义：加筋混凝土结构定义：加筋混凝土结构混凝土内配了纵筋的结构混凝土内配了纵筋的结构桥规桥规的分类的分类根据预应力度根据预应力度划分划分pcst pc扣除全部应力损失后，预加力在构件抗裂边缘产生的扣除全部应力损失后，预加力在构件抗裂边缘产生的 预压应力；预压应力；st由作用（或荷载）短期效应组合产生的在构件抗裂边由作用（或荷载）短期效应组合产生的在构件抗裂边缘的法向拉应力。缘的法向拉应力。对受弯构件，预应力度定义如下：对受弯构件，预应力度定义如下：0s0pc0MMMW M0消压弯距，使构件截面受拉区边缘预压应力恰好抵消消压弯

11、距，使构件截面受拉区边缘预压应力恰好抵消为为0的弯矩值；的弯矩值；M s按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值；按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值；W0构件换算截面对抗裂边缘（或受拉边缘）的弹性抵抗构件换算截面对抗裂边缘（或受拉边缘）的弹性抵抗矩。矩。加筋结构根据加筋结构根据可分为三种：可分为三种： 1，全预应力混凝土构件，全预应力混凝土构件 指在荷载短期效应组合下，构件截面的受拉边缘不允许出现指在荷载短期效应组合下，构件截面的受拉边缘不允许出现拉应力（即不得消压）拉应力（即不得消压） 01，部分预应力混凝土构件，部分预应力混凝土构件 指在荷载短期效应组合下，构件截面的受拉边缘允许出现

12、拉应指在荷载短期效应组合下，构件截面的受拉边缘允许出现拉应力。力。 对拉应力加以限制时对拉应力加以限制时部分预应力混凝土部分预应力混凝土A类构件类构件（拉而不（拉而不裂）；裂）； 拉应力超过限值或出现不超过限定的裂缝宽度时拉应力超过限值或出现不超过限定的裂缝宽度时部分预应部分预应力混凝土力混凝土B类构件类构件（裂而有限）（裂而有限）0，普通钢筋混凝土构件，普通钢筋混凝土构件无预加力无预加力 全预应力混凝土构件全预应力混凝土构件具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大等具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大等优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配筋量优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配筋

13、量大，施加预应力工艺复杂、费用高等缺点。大，施加预应力工艺复杂、费用高等缺点。 适当降低预应力，做成部分预应力混凝土构件，既克服了适当降低预应力，做成部分预应力混凝土构件，既克服了全预应力全预应力上述上述的缺点，同时又可以用预应力改善钢筋混凝土构的缺点，同时又可以用预应力改善钢筋混凝土构件的受力性能。件的受力性能。 部分预应力混凝土部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间，介于全预应力混凝土和钢筋混凝土之间，有很大的选择范围，设计者可根据结构的功能要求和环境条件，有很大的选择范围，设计者可根据结构的功能要求和环境条件，选用不同的预应力值以控制构件在使用条件下的变形和裂缝，选用不同的预

14、应力值以控制构件在使用条件下的变形和裂缝，并在破坏前具有必要的延性，因而并在破坏前具有必要的延性，因而是当前预应力混凝土结构的是当前预应力混凝土结构的一个主要发展趋势一个主要发展趋势。 部分预应力混凝土尤其是部分预应力混凝土尤其是B类构件，应有选择地使用类构件，应有选择地使用，跨径，跨径大于大于100m的桥梁的主要受力构件以及侵蚀物质严重影响的环境，的桥梁的主要受力构件以及侵蚀物质严重影响的环境，不宜采用。不宜采用。（摘自（摘自桥规桥规第第6.1.2条条文说明）条条文说明）2 预加应力的方法与设备预加应力的方法与设备一、预加应力的主要方法一、预加应力的主要方法 先张法：先张拉钢筋，后浇筑构件混

15、凝土的施工方法。先张法：先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的施工方法。 先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的粘结力传先张法构件中，预应力是靠钢筋和混凝土之间的粘结力传递。但是这种力的传递过程，需要经过一段传递递。但是这种力的传递过程，需要经过一段传递长度长度 ltr才能才能完成。完成。 主要工序：主要工序： 建造张拉台座建造张拉台座 张拉钢筋并临时锚固张拉钢筋并临时锚固 浇筑混凝土制作构件浇筑混凝土制作构件 养生养生 放松钢筋放松钢筋 预应力传递：通过预应力筋与混凝土之间的粘结力预应力传递：通过预应力筋与混凝土之间的粘结力先张法先张法 后张法：先浇筑构件混凝土，后张拉钢筋的施工方法。后张法：先

16、浇筑构件混凝土，后张拉钢筋的施工方法。 后张法构件中，预应力后张法构件中，预应力主要靠钢筋端部的锚具来传递给主要靠钢筋端部的锚具来传递给粱体。粱体。 主要工序：主要工序： 制作构件并预留管道制作构件并预留管道 混凝土养生达到强度混凝土养生达到强度 张拉钢筋并张拉钢筋并 锚固锚固 管道注浆管道注浆 预应力传递：锚具等预应力传递：锚具等 思考：钢筋的预拉力怎么转换为粱体砼的预压应力？思考：钢筋的预拉力怎么转换为粱体砼的预压应力？后张法后张法pcp应解决锚具下混凝土局部承压问题应解决锚具下混凝土局部承压问题无粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土锚具的可靠性锚具的可靠性高强钢筋的可靠度高强钢筋的可靠度一

17、定要有非预应力筋一定要有非预应力筋后张法注意事项后张法注意事项 电热张拉法：利用热涨冷缩原理，对钢筋通电（低电压电热张拉法：利用热涨冷缩原理，对钢筋通电（低电压强电流）使其发热伸长，达到设计要求时断电，钢筋冷却强电流）使其发热伸长，达到设计要求时断电，钢筋冷却后张紧。后张紧。 适用于预应力钢筋为冷拉钢筋的一般构件。圆形水池、适用于预应力钢筋为冷拉钢筋的一般构件。圆形水池、油罐有应用。油罐有应用。 抗裂度较严的构件以及金属管道作预留孔道的构件，抗裂度较严的构件以及金属管道作预留孔道的构件，不应采用该法。不应采用该法。 电热张拉法电热张拉法较少使用。较少使用。先张法优点：先张法优点：工序少，工艺简

18、单，批量生产效率高，质量容易工序少，工艺简单，批量生产效率高，质量容易保证，少耗费昂贵锚具，张拉台和临时锚具可重复使用。保证，少耗费昂贵锚具，张拉台和临时锚具可重复使用。先张法缺点：先张法缺点：需建张拉台座，基建投资大，所以适宜大批量生需建张拉台座，基建投资大，所以适宜大批量生产；构件一般只能采用直线配筋，较适合制作中小构件。产；构件一般只能采用直线配筋，较适合制作中小构件。后张法优点：后张法优点：无需建专门的张拉台座，适宜于现场进行张拉或无需建专门的张拉台座，适宜于现场进行张拉或在桥位上就地张拉，预应力钢筋可以按预留孔道形状布置成曲在桥位上就地张拉，预应力钢筋可以按预留孔道形状布置成曲线形，

19、配合弯矩和剪力变化布置。施工安排较为灵活，适应桥线形，配合弯矩和剪力变化布置。施工安排较为灵活，适应桥梁新技术发展。多用于大跨度桥梁。梁新技术发展。多用于大跨度桥梁。后张法缺点：后张法缺点：施工工序多，增加了预留孔道、穿筋、灌浆、封施工工序多，增加了预留孔道、穿筋、灌浆、封锚等工序，操作麻烦，消耗锚具量大，成本较高。锚等工序，操作麻烦，消耗锚具量大，成本较高。二、预应力施工的主要设备与机具二、预应力施工的主要设备与机具台座（或地锚）、锚具、千斤顶、制孔器、压浆机台座（或地锚）、锚具、千斤顶、制孔器、压浆机1、锚具、锚具 夹具夹具先张法中构件制成后锚具可取下来重复使用，称先张法中构件制成后锚具可

20、取下来重复使用，称锚具锚具留在构件中不再取下的称锚具。留在构件中不再取下的称锚具。 锚具是保证预应力的关键装置。锚具种类很多，新的锚具还锚具是保证预应力的关键装置。锚具种类很多，新的锚具还不断出现。不断出现。（2）锚固的基本原理）锚固的基本原理靠锲作用产生的摩擦力夹紧。借助钢筋回缩带动锚锲（夹片）靠锲作用产生的摩擦力夹紧。借助钢筋回缩带动锚锲（夹片） 而将钢筋夹紧锚固；而将钢筋夹紧锚固；通过力筋端部加工出的镦头或螺帽直接承压，依靠承压锚固；通过力筋端部加工出的镦头或螺帽直接承压，依靠承压锚固；上述两种原理的结合；上述两种原理的结合；（1）利用力筋与混凝土之间的粘结力锚固，如先张法锚固、压花利用

21、力筋与混凝土之间的粘结力锚固，如先张法锚固、压花 锚具。锚具。（3）设计、制造和选择锚具时，应遵守以下要求：）设计、制造和选择锚具时，应遵守以下要求：安全可靠，有足够的强度、刚度；安全可靠，有足够的强度、刚度；预应力筋尽可能不产生滑移，传力可靠，引起的预应力损失预应力筋尽可能不产生滑移，传力可靠，引起的预应力损失 和锚具附近的局部压应力要小；和锚具附近的局部压应力要小；构造简单，制作方便，节约钢材；构造简单，制作方便，节约钢材；张拉操作方便、迅速，设备简单；张拉操作方便、迅速，设备简单；根据设计采用的预应力筋种类，预压力大小，及布束需要，根据设计采用的预应力筋种类，预压力大小，及布束需要， 选

22、择锚具体系。选择锚具体系。各种锚具有不同的使用范围各种锚具有不同的使用范围数量：固定单根、多根；数量：固定单根、多根；钢筋类型：固定钢丝、钢铰线、钢筋类型：固定钢丝、钢铰线、 粗钢筋等粗钢筋等（4）工程中常用锚具工程中常用锚具1）摩阻型锚固）摩阻型锚固夹片式锚具夹片式锚具JM12锚具锚具弗莱西奈锚具弗莱西奈锚具 VSL体系锚体系锚XM、QM锚具锚具张拉端锚具（带喇叭管）张拉端锚具（带喇叭管） 扁形夹片锚具扁形夹片锚具 （用于空心板梁）（用于空心板梁）2）承压型锚固承压型锚固(a)张拉端张拉端(b)分散式固定端分散式固定端(c)集中式固定端集中式固定端镦头锚镦头锚钢筋螺纹锚具钢筋螺纹锚具3）粘结

23、锚固）粘结锚固压花锚具（见图压花锚具（见图129）4）固定端锚具）固定端锚具挤压锚具（挤压锚具（P型），图型），图128压花锚具（压花锚具（H型），图型），图129下面的锚具也用于固定端：下面的锚具也用于固定端：5）连接器）连接器见图见图1210以上器材按国标以上器材按国标预应力筋用锚具、夹具和连接器预应力筋用锚具、夹具和连接器（GB/T 1437093）标准进行验收）标准进行验收2、千斤顶千斤顶3、制孔器、制孔器后张法的预留孔道是用制孔器做成的：后张法的预留孔道是用制孔器做成的： 橡胶抽拔管；橡胶抽拔管； 金属波纹管。金属波纹管。金属波纹管金属波纹管 根据需要配合使用穿索机根据需要配合使用穿

24、索机4、水泥浆及压浆机、水泥浆及压浆机见教材见教材p2233 预加应力的材料预加应力的材料一、混凝土要求一、混凝土要求1、强度高强度高。减小构件截面尺寸，充分发挥钢筋的抗拉强度；。减小构件截面尺寸，充分发挥钢筋的抗拉强度；2、收缩、徐变小收缩、徐变小。以减小因收缩、徐变引起的预应力损失；。以减小因收缩、徐变引起的预应力损失；3、快硬、早强快硬、早强。可尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具。可尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具 的周转率。的周转率。预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C40。二、钢筋要求二、钢筋要求1）强度高；）强度高；2）具有较好的塑性

25、和焊接性能；）具有较好的塑性和焊接性能；3）与混凝土之间能较好地粘结；）与混凝土之间能较好地粘结；4）应力松弛损失低。）应力松弛损失低。1、对预应力钢筋的要求、对预应力钢筋的要求2、常用预应力钢筋种类、常用预应力钢筋种类1）钢铰线：绞线机上以一根直径稍粗的钢丝为芯丝，其）钢铰线：绞线机上以一根直径稍粗的钢丝为芯丝，其余钢丝围绕其绞捻成束而成。使用非常广泛。常用余钢丝围绕其绞捻成束而成。使用非常广泛。常用74、75两种。两种。2）钢丝：光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝。）钢丝：光面钢丝、刻痕钢丝、螺旋肋钢丝。3）精轧螺纹钢筋：专用于中、小构件，或竖、横向预应）精轧螺纹钢筋：专用于中、小构件，或竖、

26、横向预应力钢筋。力钢筋。4）冷拉钢筋：基本不用已淘汰，冷拉）冷拉钢筋：基本不用已淘汰，冷拉级钢筋允许使用级钢筋允许使用库存货。库存货。 光面钢丝与混凝土粘结力较差，容易产生钢丝滑移，所以不光面钢丝与混凝土粘结力较差，容易产生钢丝滑移，所以不用于先张法构件。用于先张法构件。3、预应力混凝土构件中的普通钢筋、预应力混凝土构件中的普通钢筋 常用常用HRB335、HRB400级。级。三、混凝土的收缩、徐变系数三、混凝土的收缩、徐变系数收缩、徐变使预应力钢筋发生应力损失收缩、徐变使预应力钢筋发生应力损失1、徐变的计算、徐变的计算 在一般情况下，桥梁结构中混凝土的持续应力都小于在一般情况下，桥梁结构中混凝

27、土的持续应力都小于0.5fcd，这，这时，结构不会因徐变造成破坏，且可按线形关系来计算徐变变形：时，结构不会因徐变造成破坏，且可按线形关系来计算徐变变形：ce c要计算的徐变应变值要计算的徐变应变值e加载加载c时的瞬时弹性应变（急变）时的瞬时弹性应变（急变）徐变系数，又记为徐变系数，又记为 (t，t0) ，称为，称为“加载时砼龄期为加载时砼龄期为t0， 计算时刻龄期为计算时刻龄期为t的砼徐变系数的砼徐变系数” 由上式可知：只要知道由上式可知：只要知道 (t，t0) ，就可以计算，就可以计算c作用下的徐变作用下的徐变系数系数c。 (t，t0) 是随时间变化的参数，其数值按是随时间变化的参数，其数

28、值按桥规桥规附附录录F计算。计算。（121）00c00RHcm00RH1/30cm0.5cmcm000.2010.301c0H0118H00( ,)()()( )110.46()5.3()()1( )0.1()()()()150 11.22501500t tttftRH RHh hffftttttttttttRHhRHh 桥规桥规的计算方法源自的计算方法源自1990年年CEP-FIP模式规范模式规范。徐变系数基徐变系数基本公式：本公式：返回返回（122）（123）（124）（125）（126）（127）（128）表表121收缩应变公式相同。收缩应变公式相同。 （123）121 分阶段施工或结构体系转换过程中，分阶段施工或结构体系转换过程中，当需要计算阶段徐变系数当需要计算阶段徐变系数时时，按下列步骤进行：按下列步骤进行：1、由式（、由式（128）计算出）