项目混凝土结构的适用性和耐久性

1、项目四 混凝土结构的适用性和耐久性任务1：挠度和裂缝宽度验算结构或构件件应满足足两种极极限状态态要求，一一是承载载能力极极限状态态，一是是正常使使用极限限状态。这这是因为为构件过过大的挠挠度和裂裂缝会影影响结构构的正常常使用。例例如，楼楼盖构件件挠度过过大，将将造成楼楼层地面面不平，或或使用中中发生有有感觉的的震颤；屋面构构件挠度度过大会会妨碍屋屋面排水水；吊车车梁挠度度过大会会影响吊吊车的正正常运行行，等等等。而构构件裂缝缝过大时时，会使使钢筋锈锈蚀，从从而降低低结构的的耐久性性，并且且裂缝的的出现和和扩展还还会降低低构件的的刚度，从从而使变变形增大大，甚至至影响正正常使用用。因此此，受弯弯

2、构件除除应满足足承载力力要求外外，必要要时还需需进行变变形和裂裂逢宽度度验算，以以保证其其不超过过正常使使用极限限状态，确确保结构构构件的的耐久性性能及正正常使用用。【知识链接接】1.1 概概述1、混凝土土结构构构件应根根据其使使用功能能及外观观要求，按按下列规规定进行行正常使使用极限限状态验验算：1）对需要要控制变变形的构构件，应应进行变变形验算算；2）对不允允许出现现裂缝的的构件，应应进行混混凝土拉拉应力验验算；3）对允许许出现裂裂缝的构构件，应应进行受受力裂缝缝宽度验验算；4）对舒适适度有要要求的楼楼盖结构构，应进进行竖向向自振频频率验算算。2、对于正正常使用用极限状状态，钢钢筋混凝凝土

3、构件件、预应应力混凝凝土构件件应分别别按荷载载的准永永久组合合并考虑虑长期作作用的影影响或标标准组合合并考虑虑长期作作用的影影响，采采用下列列极限状状态设计计表达式式进行验验算：SCS正常常使用极极限状态态荷载组组合的效效应设计计值；C结构构构件达达到正常常使用要要求所规规定的变变形、应应力、裂裂缝宽度度和自振振频率等等的限值值。在本任务中中，我们们主要来来学习裂裂缝宽度度和变形形的验算算。3、变形验验算对于钢筋混混凝土受受弯构件件，按荷荷载的准准永久组组合，并并考虑长长期作用用的影响响计算。计计算出的的最大挠挠度f不应超超过规定定的挠度度限值，即即混凝土结结构设计计规范规规定的最最大受弯弯构

4、件挠挠度限值值按表11.4.1确定定。表1.4.1受弯弯构件的的挠度限限值构件类型 挠度限值 吊车梁 手动吊车 l0/5000电动吊车 l0/6000屋盖、楼盖盖及楼梯梯构件 l07mml0/2000（ll0/2550） 7ml009ml0/2550（ll0/3000） l09mml0/3000（ll0/4000） 注：表中中l0为构件件的计算算跨度。计计算悬臂臂构件时时，l0按实际际悬臂长长度的22倍取用用；表中括号号内的数数值适用用于使用用对挠度度有较高高要求的的构件；如果构件件制作时时预先起起拱，且且使用上上也允许许，则在在验算挠挠度时，可可将计算算所得的的挠度值值减去起起拱值；构件制作

5、作时的起起拱值不不宜超过过构件在在相应的的荷载组组合作用用下的计计算挠度度值。4、裂缝控控制结构构件正正截面的的受力裂裂缝控制制等级分分为三级级，等级级划分及及要求应应符合下下列规定定：一级严严格要求求不出现现裂缝的的构件，按按荷载标标准组合合计算时时，构件件受拉边边缘混凝凝土不应应产生拉拉应力。即即其中，荷载标标准组合合下抗裂裂验算边边缘的混混凝土拉拉应力；抗裂验验算边缘缘混凝土土的有效效预压应应力。二级一一般要求求不出现现裂缝的的构件，按按荷载标标准组合合计算时时，构件件受拉边边缘混凝凝土拉应应力不应应大于混混凝土抗抗拉强度度的标准准值。即即三级允允许出现现裂缝的的构件，按按荷载的的准永久

6、久组合，并并考虑长长期作用用影响的的计算。计计算出的的最大裂裂缝宽度度Wmaax不应应超过规规定的裂裂缝宽度度限值WWlimm，即混凝土结结构设计计规范规规定的最最大裂缝缝宽度值值按表11.4.2确定定。表11.4.2 钢钢筋混凝凝土结构构构件的的裂缝控控制等级级及最大大裂缝宽宽度限值值wlimm环境类别 一 二a二b三a、三bb裂缝控制等等级 三级 三级 三级 三级最大裂缝宽宽度限值值wlimm（mmm） 0.3（00.4） 注：对处处于年平平均相对对湿度小小于600%地区区的一类类环境下下的受弯弯构件，其其最大裂裂缝宽度度限值可可采用括括号内的的数值；在一类环环境下，对对钢筋混混凝土屋屋架

7、、托托架及需需作疲劳劳验算的的吊车梁梁，其最最大裂缝缝宽度限限值应取取为0.2mmm；对钢钢筋混凝凝土屋面面梁和托托架，其其最大裂裂缝宽度度限值应应取为00.300mm；对于烟囱囱、筒仓仓和处于于液体压压力下的的结构构构件，其其裂缝控控制要求求应符合合专门标标准的有有关规定定；对处于四四、五类类环境下下的结构构构件，其其裂缝控控制要求求应符合合专门标标准的有有关规定定；表中的最最大裂缝缝宽度限限值用于于验算荷荷载作用用引起的的最大裂裂缝宽度度。1.2钢筋筋混凝土土受弯构构件变形形验算一、钢筋混混凝土受受弯构件件的截面面刚度1、钢筋混混凝土受受弯构件件截面刚刚度的特特点钢筋混凝土土受弯构构件变形

8、形计算的的实质是是刚度验验算。在材料力学学中，我我们学习习了受弯弯构件挠挠度（变变形）计计算的方方法。例例如：简支梁受均均布荷载载作用下下梁的跨跨中最大大挠度为为：；简支梁跨中中一个集集中荷载载下的跨跨中最大大挠度为为：；悬臂梁受均均布荷载载作用下下的自由由端最大大挠度为为：；悬臂梁自由由端受集集中荷载载作用下下的自由由端最大大挠度为为：。其中EI为为截面弯弯曲刚度度，它是是一常量量。材料料力学公公式不能能直接用用来计算算钢筋混混凝土受受弯构件件的挠度度。原因因是，材材料力学学公式是是在假想梁梁为理想想的匀质质弹性体体的基础础上建立立起来的的，而钢钢筋混凝凝土既非非匀质材材料，又又非弹性性材料

9、（仅仅在混凝凝土开裂裂前呈弹弹性性质质），并并且由于于钢筋混混凝土受受弯构件件在使用用阶段一一般已开开裂，这这些裂缝缝把构件件的受拉拉区混凝凝土沿梁梁纵轴线线分成许许多短段段，使受受拉区混混凝土成成为非连连续体。可可见，钢钢筋混凝凝土受弯弯构件不不符合材材料力学学的假定定，因此此挠度计计算公式式不能直直接应用用。研究表表明，钢钢筋混凝凝土构件件的截面面刚度为为一变量量，其特特点可归归纳为：随弯矩的的增大而而减小。这这意味着着，某一一根梁的的某一截截面，当当荷载变变化而导导致弯矩矩不同时时，其弯弯曲刚度度会随之之变化。并且，即即使在同同一荷载载作用下下的等截截面梁中中，由于于各个截截面的弯弯矩不

10、同同，其弯弯曲刚度度也会不不同；随纵向受受拉钢筋筋配筋率率的减小小而减小小；荷载长期期作用下下，由于于混凝土土徐变的的影响，梁梁的某个个截面的的刚度将将随时间间增长而而降低。影响受弯构构件刚度度的因素素有弯矩矩、纵筋筋配筋率率与弹性性模量、截截面形状状和尺寸寸、混凝凝土强度度等级等等，在长长期荷载载作用下下刚度还还随时间间而降低低。在上述因素素中，梁梁的截面面高度hh影响最最大。 2、刚度计计算公式式刚度分为短短期刚度度和长期期刚度，计计算挠度度所用的的刚度为为长期刚刚度，长长期刚度度是以短短期刚度度为基础础计算而而来的。1）短期刚刚度Bs钢筋混凝土土受弯构构件出现现裂缝后后，在荷荷载效应应的

11、准永永久组合合作用下下的截面面弯曲刚刚度称为为短期刚刚度，用用Bs表示。根根据理论论分析和和试验研研究的结结果，一一般钢筋筋混凝土土受弯构构件的短短期刚度度表达式式为：（1.4.1）式中Es纵向向受拉钢筋的弹弹性模量量；按表表1.1.2采用；As纵向向受拉钢筋的截截面面积积；h0受弯弯构件截截面有效效高度； 裂缝间间纵向受受拉钢筋筋应变不不均匀系系数，（1.4.2）当计算算出的0.2时，取取00.2；当1.0时，取取=1.0；混凝土土轴心抗抗拉强度度标准值值； 按截面面的“有有效受拉拉混凝土土截面面面积” Atee计算的的纵向受受拉钢筋筋配筋率率：As/AAte（1.4.3）对于受弯构构件，A

12、Ate按下下式计算算（图11.4.1）：（1.4.4）当计算算出的0.001时，取取=0.01。按荷载载准永久久组合计计算的钢钢筋混凝凝土构件件纵向受受拉钢筋筋的应力力：（1.4.5）Mq按荷载载准永久久组合计计算的弯弯矩值； 钢筋弹弹性模量量Es与混凝凝土弹性性模量EEc的比值值，即E=Es/Ec；纵向向受拉钢钢筋配筋筋率； 受压压翼缘截截面面积积与腹板板有效截截面面积积的比值值： （1.4.6） 当hff00.2hh0时，取取hf=00.2hh0 。当当截面受受压区为为矩形时时，f=00。图1.4.1 有有效受拉拉混凝土土面积AAte 计计算图2）长期刚刚度B前面已述及及，在荷荷载长期期作

13、用下下，构件件截面弯弯曲刚度度将随时时间增长长而降低低。而实实际工程程中，总总是有部部份荷载载长期作作用在构构件上，因因此，计算挠挠度时必必须采用用考虑荷荷载效应应的长期期作用影影响的刚刚度，即即长期刚刚度，以以B表示。 a）采用荷荷载标准准组合时时（1.44.7-1）b）采用荷荷载准永永久组合合时（1.44.7-2）式中 Mqq 按荷载载的准永久久组合计计算的弯弯矩，取取计算区区段内的的最大弯弯矩值；Mk 按荷载载的标准准组合计计算的弯弯矩，取取计算区区段内的的最大弯弯矩值； 考考虑荷载载长期作作用对挠挠度增大大的影响响系数，对对钢筋混混凝土受受弯构件件：当=00时，取取2.0；当=时，取取

14、1.6；为中间间数值时时，按线线性内插插法取用用。此处为纵向向受拉钢钢筋的配配筋率，；为纵纵向受压压钢筋的的配筋率率，。对于翼缘位位于受拉拉区的倒倒T形截截面，值应增增大200%。长期刚度实实质上是是考虑荷荷载长期期作用部部份使刚刚度降低低的因素素后，对对短期刚刚度Bs进行行的修正正。二、钢筋混混凝土受受弯构件件的挠度度计算 1、最小刚刚度原则则如前所述，钢钢筋混凝凝土受弯弯构件开开裂后，其其截面弯弯曲刚度度是随弯弯矩增大大而降低低的，因因此，较较准确的的计算方方法似乎乎应该将将构件按按弯曲刚刚度大小小分段计计算挠度度，但这样样计算无无疑会显显得十分分繁琐。为简化计算算，可取取同号弯弯矩区段段

15、内弯矩矩最大截截面的弯弯曲刚度度作为该该区段的的弯曲刚刚度，即即：在简支梁中中取最大大正弯矩矩截面的的刚度为为全梁的的弯曲刚刚度，见见图1.4.22；在外伸梁、连连续梁或或框架梁梁中，则则分别取取最大正正弯矩截截面和最最大负弯弯矩截面面的刚度度作为相相应正、负负弯矩区区段的弯弯曲刚度度；当计算跨度度内的支支座截面面刚度不不大于跨跨中截面面刚度的的2倍或或不小于于跨中截截面刚度度的1/2时，该该跨也可可按等刚刚度构件件进行计计算，其其构件刚刚度可取取跨中最最大弯矩矩截面的的刚度。很明显，按按这种处处理方法法所算出出的弯曲曲刚度值值最小，所所以我们们称这种种处理原原则为“最最小刚度度原则”。图1.

16、4.2梁梁刚度分分布图2、挠度计计算梁的弯曲刚刚度确定定后，就就可以根根据材料料力学公公式计算算其挠度度。但需需注意，公公式中的的弯曲刚刚度EII应以长长期刚度度B代替，公公式中的的荷载应应按荷载载效应标标准组合合取值，即即（1.4.8）式中f按“最最小刚度度原则”并并采用长长期刚度度计算的的挠度；与荷载载形式和和支承条条件有关关的系数数。例如如：简支梁承受受均布荷荷载作用用时=55/488；简支梁承受受跨中集集中荷载载作用时时=1/12；悬臂梁承受受均布荷荷截作用用时=11/4；悬臂梁受杆杆端集中中荷截作作用时=1/33。挠度验算是是在承载载力计算算完成后后进行的的。此时时，构件件的截面面尺

17、寸、跨跨度、荷荷载、材材料强度度以及钢钢筋配置置情况都都是已知知的，计算出的的最大挠挠度f，应满足足： fff （1.4.9） 式中f 钢钢筋混凝凝土受弯弯构件的的挠度限限值，按按表1.4.1采用。当不能满足足式（11.4.9）时，说说明受弯弯构件的的弯曲刚刚度不足足，应采采取措施施后重新新验算。理理论上讲讲，提高高混凝土土强度等等级，增增加纵向向钢筋的的数量，选选用合理理的截面面形状（如如形、形等）都都能提高高梁的弯弯曲刚度度，但其其效果并并不明显显，最有有效的措措施是增增加梁的的截面高高度。所以，我们们优先采采用增加加梁截面面高度的的办法来来提高梁梁的弯曲曲刚度，当设计上构件截面尺寸不能加

18、大时，才考虑增加纵向受拉钢筋截面面积或提高混凝土强度等级；对某些构件还可以充分利用纵向受压钢筋对长期刚度的有利影响，在构件受压区配置一定数量的受压钢筋。此外，采用用预应力力混凝土土构件也也是提高高受弯构构件刚度度的有效效措施。1.3裂裂缝宽度度验算一、裂缝的的产生和和开展1、裂缝产产生的原原因钢筋混凝土土结构裂裂缝根据据其产生生的原因因不同可可分为荷荷载裂缝缝、温度度裂缝、干干缩裂缝缝、腐蚀蚀裂缝、沉沉降裂缝缝等。荷载裂缝结构在荷载载作用下下变形过过大而产产生的裂裂缝。一一般多出出现在构构件的受受拉区域域、受剪剪区域或或振动严严重等部部位。产产生的主主要原因因是结构构设计、施施工错误误、承载载

19、能力不不足、地地基不均均匀沉降降等等。钢筋混凝土土结构是是由混凝凝土和钢钢筋共同同承担极极限状态态的承载载力，结构设设计师需需根据地地基情况况，静、动动荷载，环境因因素、结结构耐久久性等控控制荷载载裂缝。2）温度裂裂缝由大气温度度变化、周周围环境境高温的的影响和和大体积积混凝土土施工时时产生的的水化热热等因素素造成，当当冷缩值值大于混混凝土极极限拉伸伸值时混混凝土就就开裂。3）干缩裂裂缝这类裂缝一一是由于于材料缺缺陷引起起的，研究表表明，水泥加加水后变变成水泥泥硬化体体，其绝对对体积减减小，毛细孔孔缝中水水逸出产产生毛细细压力，使混凝凝土产生生毛细收收缩，由此引引起混凝凝土干缩缩，其值大大于混

20、凝凝土极限限拉伸值值时引起起干缩裂裂缝。4）沉降裂裂缝现浇构件因因地基或或砌体过过大不均均匀沉降降，模板刚刚度不足足、支撑撑间距大大、支撑撑松动、过过早拆模模等，均可导导致产生生沉降裂裂缝。5）腐蚀裂裂缝由于有害离离子Cll- ,SSO42- ,Mg22+ 等等侵入混混凝土内内部，导致钢钢筋锈蚀蚀而使混混凝土产产生的后后期膨胀胀裂缝。后四种裂缝缝，主要要是采取取相关构构造措施施来解决，不不需进行行裂缝宽宽度计算算。以下下所指的的裂缝均均指由荷荷载引起起的裂缝缝。2、荷载裂裂缝的开开展我们知道，混混凝土的的抗拉强强度很低低。当构构件受拉拉区外边边缘混凝凝土的拉拉应力达达到其抗抗拉强度度时，由由于

21、混凝凝土的塑塑性变形形，尚不不会马上上开裂，但但当受拉拉区外边边缘混凝凝土在构构件抗弯弯最薄弱弱的截面面达到其其极限拉拉应变时时，就会会在垂直直于拉应应力方向向形成第第一批（一一条或若若干条）裂裂缝。由由于混凝凝土具有有离散性性，因而而裂缝发发生的部部位是随随机的。在裂缝出现现瞬间，裂裂缝截面面处混凝凝土退出出工作，应应力降低低为零，原原来的拉拉应力全全部由钢钢筋承担担，使钢钢筋应力力突然增增大。裂裂缝出现现后，原原来处于于拉伸状状态的混混凝土便便向裂缝缝两侧回回缩，混混凝土与与受拉纵纵向钢筋筋之间产产生相对对滑移而而使裂缝缝不断开开展。见见图1.4.33图1.4.3裂裂缝的开开展沿裂缝深度度

22、，裂缝缝的宽度度是不相相同的。钢钢筋表面面处的裂裂缝宽度度大约只只有构件件混凝土土表面裂裂缝宽度度的1/511/3。我我们所要要验算的的裂缝宽宽度是指指受拉钢钢筋重心心水平处处构件侧侧表面上上混凝土土的裂缝缝宽度。二、裂缝宽宽度计算算的方法法我们先来分分析一下下主要有有哪些因因素影响响裂缝宽宽度，然然后根据据主要影影响因素素导出裂裂缝宽度度的计算算公式。1、影响裂裂缝宽度度的主要要因素纵向钢筋筋的应力力。裂缝缝宽度与与钢筋应应力近似似成线性性关系；纵筋的直直径。当当构件内内受拉纵纵筋截面面相同时时，采用用细而密密的钢筋筋，则会会增大钢钢筋表面面积，因因而使粘粘结力增增大，裂裂缝宽度度变小；纵筋

23、表面面形状。带带肋钢筋筋的粘结结强度较较光面钢钢筋大得得多，可可减小裂裂度宽度度；纵筋配筋筋率。构构件受拉拉区混凝凝土截面面的纵筋筋配筋率率越大，裂裂缝宽度度越小；保护层厚厚度。保保护层越越厚，裂裂缝宽度度越大。 2、裂缝宽宽度计算算公式钢筋混凝土土受弯构构件按荷荷载标准准组合或或准永久久组合并并考虑长长期作用用影响的最最大裂缝缝宽度计计算公式式为：（1.4.10）（1.4.11）式中Cs最外外层纵向向受拉钢钢筋外边边缘至受受拉区底底边的距距离，当当Cs20mmm时，取取Cs=20mmm；当当Cs65mmm时，取取Cs=65mmm； 受拉拉区纵向向钢筋的的等效直直径，当当受拉区区纵向钢钢筋为一

24、一种直径径时，；受拉区区第i种纵向钢筋筋的相对对粘结特特性系数数带肋钢筋，取取=1.0；光光面钢筋筋，取 =0.7；受拉区区第i种纵向钢筋筋的根数数；受拉区区第i种纵向钢筋筋的公称称直径。对于直接承承受吊车车荷载但但不需做做疲劳验验算的吊吊车梁，因因吊车满满载的可可能性很很小，计计算出的的最大裂裂缝宽度度可乘以以系数00.855。裂缝宽度验验算是在在承载力力计算完完成后进进行的。此此时，构构件的截截面尺寸寸、跨度度、荷载载、材料料强度以以及钢筋筋配置情情况都是是已知的的，计算出的的最大裂缝缝宽度，应满足足： （1.4.12）式中钢筋筋混凝土土受弯构构件的最最大裂缝缝宽度限限值，按按表1.4.2

25、采用。如果裂缝宽宽度不满满足规范范要求，那那么我们们需要采采取减小小裂缝宽宽度的措措施。3、减小裂裂缝宽度度的措施施增大钢筋筋截面积积；在钢筋截截面面积积不变的的情况下下，采用用较小直直径的钢钢筋；采用变形形钢筋；提高混凝凝土强度度等级；增大构件件截面尺尺寸；减小混凝凝土保护护层厚度度。其中，采用用较小直直径的变变形钢筋筋是减小小裂缝宽宽度最有有效的措措施。需要注意的的是，混混凝土保保护层厚厚度应同同时考虑虑耐久性性和减小小裂缝宽宽度的要要求。除除结构对对耐久性性没有要要求，而而对表面面裂缝造造成的观观瞻有严严格要求求外，不不得为满满足裂缝缝控制要要求而减减小混凝凝土保护护层厚度度。采取了相应

26、应措施后后再重新新验算最最大裂缝缝宽度，直直到满足足规范要要求。【任务实施施】工作任务11：简支支矩形截截面梁的的截面尺尺寸bh2500mmXX6000mm，混混凝土强强度等级级为C330，配配置418纵向向钢筋（HHRB4400），8200的箍筋（HPB300），混凝土保护层c25mm，承受均布荷载，按荷载的标准组合计算的跨中弯矩值Mk120kNm，按荷载的准永久组合计算的跨中弯矩值Mq80kNm，梁的计算跨度l06.5m，挠度限值为l0/250。试验算挠度是否符合要求。解： fttk2.01NNmm2，Es2.0X1105Nmm2，Ec3.0X1104Nmm2，EsEEc2.0X11053

27、.0X11046.67，h06000(255十18/288)二558mmmAs10017mmm2 As/bhh010117/2250 X555800.00072990.01336（因因为截面面为矩形形）5.899 X110133Nmm2采用荷载标标准组合合时：（=00时，2.0）3.5334X110133Nmm2采用荷载准准永久组组合时：X10133Nmm2取小值，所所以，梁的挠度度值满足足规范要要求。工作任务22：某办公楼楼矩形截截面简支支楼面梁梁，计算算跨度ll0=6.00m，截截面尺寸寸bh=20004500mm，承承受恒载载标准值值gk=166.555kN/m（含含自重），活活荷载标标

28、准值qqk=2.7kNN/m，纵纵向受拉拉钢筋为为3255（HRRB4000），82000的箍箍筋（HHPB3300），混凝土强度等级为C25，c=20mm。已知：=0.033，=162.9N/mm2，=0.885，裂缝宽度限值为0.3mm，试验算裂缝宽度。解：Es=21105N/mmm2，=1.0（1）计算算受力钢筋为为变形钢钢筋，且且为同一一种直径径，故=25/1.00=25mmm（2）计算算Cs、Cs200828mmm任务中已给给出：=0.0033，=162.9N/mm2，=0.885（3）计算算，并判判断裂缝缝是否符符合要求求=0.166mm=0.33mm所以，裂缝缝宽度满满足要求求。

29、工作任务33：某教教学楼简简支矩形形截面梁梁的截面面尺寸bbh2500mmXX500mmm，混混凝土强强度等级级为C335，配配置420纵纵向钢筋筋（HRRB4000），10200的箍筋（HPB300），混凝土保护层c20mm，承受跨中集中荷载，按荷载的标准组合计算的跨中弯矩值Mk150kNm，按荷载的准永久组合计算的跨中弯矩值Mq110kNm，梁的计算跨度l06.0m，挠度限值为l0/250。试验算挠度是否符合要求。工作任务44：已知知条件同同工作任任务3。裂缝宽宽度限值值为0.3mmm，试验验算裂缝缝宽度是是否满足足要求。任务2：预预应力混混凝土一、钢筋混混凝土存存在的问问题钢筋混凝土土是

30、由混混凝土和和钢筋两两种物理理力学性性能不同同的材料料所组成成的弹塑塑性材料料。混凝土抗拉拉强度及及极限拉拉应变值值都很低低，其抗抗拉强度度只有抗抗压强度度的1/91/16。混凝土的极极限拉应应变仅为为0.11100-300.155100-3，即即每米只只能拉长长0.110.115mmm，超过过后就会会出现裂裂缝。而而钢筋的的极限拉拉应变却却要大得得多，约约为0.01，即即每米能能拉长110mm，是是混凝土土的近1100倍倍。由于混凝土土的抗拉拉性能很很差，使使钢筋混混凝土存存在两个个无法解解决的问问题：一是裂缝使使构件刚刚度降低低。但在使使用荷载载作用下下，钢筋筋混凝土土的受拉、受受弯等构构

31、件通常常都是带裂裂缝工作作的。二是裂缝使使构件耐耐久性降降低。从保证证结构耐耐久性出出发，必必须限制制裂缝宽宽度，而而且有的的构件因因为环境境或使用用要求是是不允许许开裂的的。为了要满足足变形和和裂缝控控制的要要求，则则需增大大构件的的截面尺尺寸和用用钢量，这这将导致致自重过过大，使使钢筋混混凝土结结构用于于大跨度度或承受受动力荷荷载的结结构成为为不可能能或很不不经济。从理论上讲讲，提高高材料强强度可以以提高构构件的承承载力，从从而达到到节省材材料和减减轻构件件自重的的目的。但但在普通通钢筋混混凝土构构件中，提提高钢筋筋强度却却难以收收到预期期的效果果。这是是因为，对对配置高高强度钢钢筋的钢钢

32、筋混凝凝土构件件而言，承承载力可可能已不不是控制制条件，起起控制作作用的因因素可能能是裂缝缝宽度或或构件的的挠度。对使用上不不允许开开裂的构构件，受受拉钢筋筋的应力力只能用用到20030N/mmm2，不能能充分利利用其强强度。对使用上允允许开裂裂的构件件，当受受拉钢筋筋应力达达到2550N/mm22时，裂裂缝宽度度已达00.20.33mm，而目前前纵向钢钢筋普遍遍使用的的是HRRB4000和HHRB5500级级钢筋，即即屈服强强度标准准值达4400 N/mmm2和5000 NN/mmm2。因此，要么么裂缝过过宽，要要么钢筋筋不能充充分利用用。而提高混凝凝土强度度等级对对提高构构件的抗抗裂性能能

33、和控制制裂缝宽宽度的作作用是非非常有限限的。二、预应力力混凝土土的发展展早在19世世纪800年代，西西欧和北北美的学学者就开开始预应应力混凝凝土的实实验活动动，并取取得了一一定成果果。预应应力混凝凝土进入入实用阶阶段应归归功于法法国著名名工程师师艾弗弗瑞斯尼尼特。从从50年年代起，美美国、加加拿大、日日本、澳澳大利亚亚等国也也都引进进西欧技技术，开开始推广广预应力力结构。我国预应力力混凝土土是随着着第一个个五年计计划的开开展,于于50年年代中期期开始起起步的。从从80年年代起，随随着高强强钢丝和和高强钢钢绞线生生产的好好转，我我国开始始发展采采用高强强钢材的的预应力力混凝土土，在工工艺上采采用

34、有粘粘结、无无粘结。在房屋建筑筑中，目目前我国国层数最最多的预预应力工工程是广广东国际际大厦主主楼，总总计633层，采采用无粘粘结预应应力平板板结构体体系。面积最最大的单单体工程程是首都都国际机机场新航航站楼，每每层面积积8.88万平方方米。除了大跨度度建筑结结构，现现代预应应力混凝凝土技术术还广泛泛应用于于公路路路面及桥桥梁、铁铁路、海海洋、水水利、机机场、核核电站等等工程之之中。【知识链接接】2.1预预应力混混凝土的的基本原原理1、预应力力混凝土土的基本本原理为了避免钢钢筋混凝凝土结构构的裂缝缝过早出出现，充充分利用用高强度度钢筋及及高强度度混凝土土，可以以设法在在结构构构件承受受使用荷荷

35、载前，预预先对受受拉区的的混凝土土施加压压力，使使它产生生预压应应力来减减小或抵抵消荷载载所引起起的混凝凝土拉应应力，从从而将结结构构件件的拉应应力控制制在较小小范围，甚甚至处于于受压状状态。也也就是借借助混凝凝土较高高的抗压压能力来来弥补其其抗拉能能力的不不足，以以推迟混混凝土裂裂缝的出出现和开开展，从从而提高高构件的的抗裂性性能和刚刚度。预应力的概概念在生生产和生生活中应应用颇广广。盛水水的木桶桶在使用用前要用用铁箍把把木板箍箍紧，就就是为了了使木块块受到环环向预压压力，装装水后，只只要由水水产生的的环向拉拉力不超超过预压压力，就就不会漏漏水。2、预应力力混凝土土构件的的受力过过程分析析现

36、以预应力力混凝土土简支梁梁的受力力情况为为例来分分析，如如图1.4.44所示。1)在荷载载作用之之前，预预先在梁梁的受拉拉区施加加一对大大小相等等，方向向相反的的偏心预预压力FF，使梁梁截面下下边缘混混凝土产产生预压压应力 (图11.4.4（aa ）)；2)当外荷荷载作用用时，截截面下边边缘将产产生拉应应力 (图1.4.44（b）)；3)最后的的应力分分布为上上述两种种情况的的叠加，梁梁的下边边缘应力力可能是是数值很很小的拉拉应力（图图1.44.4（cc）)，也也可能是是压应力力。也就是说，由由于预压压应力的的作用，可可部分抵抵消或全全部抵消消外荷载载所引起起的拉应应力，因因而延缓缓了混凝凝土

37、构件件的开裂裂或者构构件不开开裂。图1.4.4预应力力梁的受受力情况况(a)压力力作用下下；（bb)荷载载作用下下；(cc)预压压力与荷荷载共同同作用下下图1.4.5 梁梁的荷载载-挠度度曲线对对比图图1.4.5为两两根具有有相同材材料强度度、跨度度、截面面尺寸和和配筋量量的梁的的(荷载载挠度) 曲线线对比图图。其中中一根为为普通钢钢筋混凝凝土梁，另另一根为为预应力力混凝土土梁。可可以看出出，预应应力梁的的开裂荷荷载地FFpcrr，大于于钢筋混混凝土梁梁的开裂裂荷载FFcr；同同时在相相同的使使用荷载载作用下下，前者者并未开开裂而后后者已开开裂，且且前者的的挠度小小于后者者的挠度度；但两两者最

38、终终的破坏坏荷载基基本相同同。2.2 预预应力的的分类1、根据预预加应力力值大小小对构件件截面裂裂缝控制制程度的的不同，预预应力混混凝土构构件分为为全预应应力混凝凝土和部部份预应应力混凝凝土两类类。1) 全预预应力混混凝土：在使用用荷载作作用下，不不允许截截面上混混凝土出出现拉应应力的构构件，属属严格要要求不出出现裂缝缝的构件件；2) 部分分预应力力混凝土土：允许出出现裂缝缝，但最最大裂缝缝宽度不不超过允允许值的的构件，属属允许出出现裂缝缝的构件件。此外，还有有一种所所谓限值值预应力力混凝土土或有限限预应力力混凝土土，一般般也认为为属于部部分预应应力混凝凝土，即即在使用用荷载作作用下，根根据荷

39、载载效应组组合情况况，不同同程度地地保证混混凝土构构件不开开裂的构构件，也也就是说说，按荷荷载长期期组合作作用时构构件受拉拉边缘不不允许出出现拉应应力，但但按荷载载短期组组合作用用时构件件受拉边边缘允许许出现不不超过规规定值的的拉应力力，这种种构件属属一般要要求不出出现裂缝缝的构件件。可见见，部分分预应力力混凝土土介于全全预应力力混凝土土和钢筋筋混凝土土两者之之间。2、按照粘粘结方式式，预应应力混凝凝土分为为有粘结结预应力力混凝土土和无粘粘结预应应力混凝凝土。1）有粘结结预应力力混凝土土：指全全部或部部分通过过钢筋与与混凝土土之间的的粘结力力将钢筋筋所受到到的拉力力转为混混凝土的的压力，达达到

40、施加加预加压压应力目目的的预预应力混混凝土，如如图1.4.66。施工工方法主主要有先先张法和和后张法法。2）无粘结结预应力力混凝土土：指配置置无粘结结预应力力钢筋的的后张法法预应力力混凝土土。无粘粘结预应应力钢筋筋是将预预应力钢钢筋的外外表面涂涂以沥清清、油脂脂或其他他润滑防防锈材料料，以减减小摩擦擦力并防防锈蚀，并并用塑料料套管或或以纸带带、塑料料带包裹裹，以防防止施工工中碰坏坏涂层，并并使之与与周围混混凝土隔隔离，而而在张拉拉时可沿沿纵向发发生相对对滑移的的后张预预应力钢钢筋。无无粘结预预应力钢钢筋在施施工时，像像普通钢钢筋一样样，可直直接按配配置的位位置放入入模板中中，并浇浇灌混凝凝土，

41、待待混凝土土达到规规定强度度后即可可进行张张拉，如如图1.4.77。无粘粘结预应应力混凝凝土不需需要预留留孔道，也也不必灌灌浆，因因此施工工简便、快快速，造造价较低低，易于于推广应应用。目目前已在在建筑工工程中广广泛应用用此项技技术。图1.4.6预应应力钢筋筋混凝土土梁钢筋筋骨架图1.4.7 无无粘结预预应力平平板铺筋筋2.3预应应力混凝凝土的特特点与钢筋混凝凝土相比比，预应应力混凝凝土具有有以下特特点：1、优点1）抗裂性性能较好好。由于于对构件件施加预预应力，大大大推迟迟了裂缝缝的出现现，在使使用荷载载作用下下，构件件可不出出现裂缝缝，或使使裂缝推推迟出现现。2）刚度较较大。由由于预应应力混

42、凝凝土能延延迟裂缝缝的出现现和开展展，并且且受弯构构件要产产生反拱拱，因而而可以减减小受弯弯构件在在荷载作作用下的的挠度。3）耐久性性较好。由由于预应应力混凝凝土能使使构件不不出现裂裂缝或减减小裂缝缝宽度，因因而可以以减少大大气或侵侵蚀性介介质对钢钢筋的侵侵蚀，从从而延长长构件的的使用期期限。4）节省材材料，减减小自重重。其结结构由于于必须采采用高强强度材料料，因此此可减少少钢筋用用量和构构件截面面尺寸，节节省钢材材和混凝凝土，降降低结构构自重。既既可以达达到经济济的目的的，又可可以扩大大钢筋混混凝土结结构的使使用范围围，例如如可以用用于大跨跨度结构构，代替替某些钢钢结构。5）提高受受压构件件

43、的稳定定性。当当受压构构件长细细比较大大时，在在受到一一定的压压力后便便容易被被压弯，以以致丧失失稳定而而破坏。如如果对 HYPERLINK /view/114561.htm 钢钢筋混凝凝土柱施施加预应应力，使使 HYPERLINK /view/2234188.htm 纵向受受力钢筋筋张拉得得很紧，不不但预应应力钢筋筋本身不不容易压压弯，而而且可以以帮助周周围的混混凝土提提高抵抗抗压弯的的能力。另外，还可可提高构构件的抗抗剪能力力。试验验表明，纵纵向 HYPERLINK /view/1424807.htm 预应应力钢筋筋起着锚锚栓的作作用，阻阻碍着构构件斜裂裂缝的出出现与开开展，又又由于预预应

44、力混混凝土梁梁的 HYPERLINK /view/400.htm 曲线线钢筋（束束）合力力的竖向向分力将将部分地地抵消剪剪力。亦可提高构构件的耐耐疲劳性性能。因因为具有有强大预预应力的的钢筋，在在使用阶阶段因加加荷或卸卸荷所引引起的应应力变化化幅度相相对较小小，故此此可提高高抗疲劳劳强度，这这对承受受动荷载载的 HYPERLINK /view/160039.htm 结构构来说是是很有利利的。由于预应力力混凝土土具有以以上优点，因因而在工工程结构构中得到到了广泛泛的应用用。在工工业与民民用建筑筑中，屋屋面板、楼楼板、檩檩条、吊吊车梁、柱柱、墙板板、基础础等构配配件，都都可采用用预应力力混凝土土。

45、2、缺点1）工艺较较复杂，对对质量要要求高，因因而需要要配备一一支技术术较熟练练的专业业队伍。 2）需要有有一定的的专门设设备，如如张拉机机具、 HYPERLINK /view/427949.htm 灌灌浆设备备等。 3） HYPERLINK /view/1059239.htm 预应力力混凝土土结构的的开工费费用较大大，对构构件数量量少的工工程成本本较高。需要指出，预预应力混混凝土不不能提高高构件的的极限承载载能力。也也就是说说，当截截面和材材料相同同时，预预应力混混凝土与与普通钢钢筋混凝凝土受弯弯构件的的承载能能力基本本相同，与与受拉区区是否施施加预应应力无关关。2.4施加加预应力力的方法法

46、按照张拉钢钢筋与浇浇筑混凝凝土的先先后关系系，施加加预应力力的方法法可分为为先张法法和后张张法两类类。1.先张法法先张拉预应应力钢筋筋，然后后浇筑混混凝土的的施工方方法，称称为先张张法。先张法法的张拉拉台座设设备，如图1.4.88所示。 （a）设备备组成（b）实例例（c）图图解图1.4.8 先先张法先张法的主主要工艺艺过程是是：穿钢钢筋张张拉钢筋筋浇筑筑混凝土土并进行行养护切断钢钢筋。预应力钢筋筋回缩时时挤压缩缩凝土，从从而使构构件产生生预压应应力。由由于预应应力的传传递主要要靠钢筋筋和混凝凝土间的的粘结力力，因此此，必须须待混凝凝土强度度达到规规定值时时（达到到强度设设计值的的75以上），方

47、方可切断断预应力力钢筋。先张法的主主要优点点是：生产工工艺简单单，工序序少，效效率高，质质量易于于保证，同同时由于于省去了了锚具和和减少了了预埋件件，构件件成本较较低。先张法主要要适用于于工厂化化大量生生产，尤尤其适宜宜用于长长线法生生产中、小小型构件件。2.后张法法先浇筑混凝凝土，待待混凝土土硬化后后，在构构件上直直接张拉拉预应力力钢筋，这这种施工工方法称称为后张张法，如如图1.4.99。后张法的主主要工艺艺过程是是：浇筑筑混凝土土构件（在在构件中中预留孔孔道，如如图1.4.99（a）并并进行养养护穿穿预应力力钢筋张拉钢钢筋并用用锚具锚锚固往往孔道内内压力灌灌浆。钢筋的回弹弹力通过过锚具作作

48、用到构构件，从从而使混混凝土产产生预压压应力。后后张法的的预压应应力主要要通过工工作锚传传递。张张拉钢筋筋时，混混凝土的的强度必必须达到到设计值值的755以上上。（a）实例例（bb）金属属波纹管管（c）图解解图1.4.9 后后张法后张法的优优点是：预应力力钢筋直直接在构构件上张张拉，不不需要张张拉台座座，因此此后张法法构件既既可以在在预制厂厂生产，也也可在施施工现场场生产。大大型构件件在现场场生产可可以避免免长途搬搬运，故故我国大大型预应应力混凝凝土构件件主要采采用后张张法。后张法的主主要缺点点是：生产周周期较长长；需要利利用工作作锚锚固固钢筋，钢钢材消耗耗较多，成成本较高高；工序序多，操操作

49、较复复杂，造造价一般般高于先先张法。2.5张张拉控制制应力1、概念：张拉控控制应力力是指 HYPERLINK /view/1424807.htm 预预应力钢钢筋在进进行张拉拉时所控控制达到到的最大大应力值值。其值值为张拉拉设备（如如 HYPERLINK /view/131659.htm 千斤顶顶油压表表、系统统主机，见见图1.4.110）所所指示的的总张拉拉力除以以预应力力钢筋截截面面积积而得的的应力值值，用表示。（a）张拉拉应力控控制现场场（b）张拉拉应力控控制系统统图解图1.4.10张拉应应力控制制系统2、张拉控控制应力力的确定定由预应力混混凝土的的原理可可知，把把张拉控控制应力力取得高高

50、些，减减去预应应力钢筋筋的各种预应应力损失失后，还还会有较较好的预预压效果果。这不但但可以提提高构件件的抗裂裂性能和和减小挠挠度，而而且可以以节约钢钢材。因因此，值值适当取取高一些些是有利利的。但必须注意意，值并并不是取取得越高高越好。（1）在施施工阶段段会使构构件的某某些部位位受到拉拉力（称称为预拉拉力）甚甚至开裂裂，对后后张法构构件可能能造成端端部混凝凝土局压压破坏。 （2）构件件出现裂裂缝时的的荷载值值接近极极限承载载力，使使构件在在破坏前前无明显显的预兆兆，构件的的延性较较差。（3）为了了减少预预应力损损失，有有时需进进行超张张拉，有有可能在在超张拉拉过程中中使个别别钢筋的的应力超超过

51、它的的实际屈屈服强度度，使钢钢筋产生生较大塑塑性变形形或脆断断。由此可见，确确定适当当的值，对对预应力力混凝土土结构是是至关重重要的。规规范根据据多年来来国内外外设计与与施工经经验，规规定预应应力钢筋筋的张拉拉控制应应力取值值范围如如表1.44.3所所规定，其其中为预预应力钢钢筋极限限强度标标准值，预应力力螺纹钢钢筋屈服服强度标标准值。表1.4.3张拉拉控制应应力限值值钢筋种类 张拉控制应应力限值值消除应力钢钢丝、钢钢绞线0.4/0.775中强度预应应力钢丝丝0.4/0.770预应力螺纹纹钢筋 0.5/0.85注：下列列情况，表表中数值值可提高高0.005或00.055：要求提高高构件在在施工

52、阶阶段的抗抗裂性能能而在使使用阶段段受压区区内设置置的预应应力筋；要求部分分抵消由由于应力力松驰、摩摩擦、钢钢筋分批批张拉以以及预应应力钢筋筋与张拉拉台座之之间的温温差因素素产生的的预应力力损失。2.6预应应力损失失1、什么是是预应力力损失。由于张拉工工艺和材材料特性性等原因因，从张张拉钢筋筋开始直直到构件件使用的的整个过过程中，经经张拉所所建立起起来的钢钢筋预应应力因为为各种原原因导致致预应力力逐渐降降低，这这种现象象称为预预应力损损失。预应力损失失会影响响预应力力混凝土土结构构构件的预预压效果果，甚至至造成预预应力混混凝土结结构的失失效，因因此，不不仅设计计时应正正确计算算预应力力损失值值

53、，施工工中也应应采取有有效措施施减少预预应力损损失值。有效预应力力等于张张拉控制制应力减减去预应应力总损损失值。预预应力总总损失值值按各种种损失分分别计算算并经叠叠加而得得，但不不得小于于：先张张法构件件为1000N/mm22，后张张法构件件为800N/mmm2。2、预应力力损失1）张拉端端锚具变变形和预预应力筋筋内缩引引起的预预应力损损失该项损失是是由于经经过张拉拉的预应应力钢筋筋被锚固固在台座座或构件件上以后后，锚具具、垫板板与构件件之间的的缝隙被被压紧，以以及预应应力钢筋筋在锚具具中的滑滑动，造造成预应应力钢筋筋回缩而而产生的的预应力力损失，用用表示。它既发生于于先张法法构件，也也发生于

54、于后张法法构件中中。减小该项损损失的措措施有：1）选择变变形小或或预应力力筋滑动动小的锚锚具、夹夹具，并并尽量减减少垫板板的数量量；2）对于先先张法张张拉工艺艺，选择择长的台台座。台台座长度度超过1100mm时，可忽忽略不计计。2）预应力力筋的摩摩擦引起起的预应应力损失失预应力筋的的摩擦包括括与孔道道的摩擦擦、与张张拉端的的摩擦、在在转向装装置处的的摩擦三三种。与与孔道的的摩擦引引起的摩摩擦损失失，使预应力力随距张张拉端的的距离的的增加而而减小，即即离张拉拉端越远远损失越越大。当当孔道为为曲线时时，摩擦擦损失会会更大。只发生在后后张法构构件中。减少摩擦损损失的措措施有：1）采用两两端张拉拉；2

55、）采用“超超张拉”工工艺。开开始张拉拉并使张张拉应力力达到11.055，并保保持约22分钟，然然后再将将张拉应应力减小小到。3）混凝土土加热养养护时，预预应力筋筋与承受受拉力的的设备之之间的温温差引起起的预应应力损失失当先张法构构件进行行蒸汽养养护时，随随着钢筋筋温度升升高，其其长度也也增加（由由于新浇浇混凝土土尚未结结硬，不不能约束束钢筋长长度的增增长），而而台座长长度固定定不变，因因此张拉拉后的钢钢筋变松松，预应应力钢筋筋的应力力降低。降降温时混混凝土和和钢筋已已粘结成成整体，二二者一起起回缩，钢钢筋的应应力不能能恢复到到原来的的张拉应应力值。这种预应力力损失只只发生在在采用蒸蒸汽养护护的

56、先张张法构件件中。减少温差损损失的措措施有：1)蒸汽养养护时采采用两次次升温养养护，即即第一次次升温至至20，恒温温养护至至混凝土土强度达达到710NN/mmm2 时，再再第二次次升温至至规定养养护温度度。2)在钢模模上张拉拉，将构构件和钢钢模一起起养护。此此时，由由于预应应力钢筋筋和台座座间不存存在温差差，故0。4）预应力力筋的应力松松驰引起起的预应应力损失失预应力钢筋筋应力松松驰引起起的预应应力损失失实际上上是钢筋筋的应力力松驰和和徐变引引起的预预应力损损失的统统称。所所谓应力力松弛，是是指钢筋筋在高应应力作用用下，当当长度保保持不变变时，应应力随时时间增长长而逐渐渐减小的的现象。而而徐变

57、则则是指钢钢筋在长长期不变变应力作作用下，应应变随时时间增长长而逐渐渐增大的的现象。一般说来，预预应力混混凝土构构件最初初几天松松驰是主主要的。在在最初的的小时时内大约约完成总总松驰值值的500，224小时时内可以以完成880，以以后逐渐渐减小。到到后一阶阶段，当当大部分分预应力力损失出出现后，则则以钢筋筋的徐变变为主。既发生在先先张法构构件中，也也发生在在后张法法构件中中。减少的措施施有：1)采用应应力松驰驰损失较较小的钢钢筋作预预应力钢钢筋；2)采用“超超张拉”工工艺。5）混凝土土收缩和和徐变引引起的预预应力损损失收缩徐变损损失是由由于混凝凝土的收收缩和徐徐变使构构件长度度缩短，被被张紧的

58、的钢筋将将会产生生回缩而而导致的预预应力损损失。此此项预应应力损失失是各项项损失中中最大的的一项，在在直线预预应力配配筋构件件中约占占总损失失的500，在在曲线预预应力配配筋构件件中约占占30左右。收缩徐变损损失既发发生在先先张法构构件中，也也发生在在后张法法构件中中。减少此项损损失的措措施有：1)设计时时尽量使使混凝土土压应力力不要过过高；2)采用高高强度等等级水泥泥，以减减少水泥泥用量，同同时严格格控制水水灰比；3)采用级级配良好好的骨料料，增加加骨料用用量，同同时加强强振捣，提提高混凝凝土密实实性；4)加强养养护，使使水泥水水化作用用充分，减减少混凝凝土的收收缩。有有条件时时宜采用用蒸汽

59、养养护。6）用螺旋旋式预应力力筋作配配筋的环环形构件件由于混混凝土的的局部挤挤压引起起的预应应力损失失该损失是由由于构件件环形配配筋时，预预应力钢钢筋将混混凝土局局部压陷陷，使构构件直径径减小而而产生的的预应力力损失。该该损失只只存在于于直径dd3m的构构件，dd3m时。只发生在后后张法构构件中。2.7预预应力混混凝土构构件的构构造措施施一、预应力力混凝土土构件中中钢筋的的布置1、预应力力钢筋1）布置形形式预应力力纵向钢钢筋的布布置形式式有两种种：直线线布置和和曲线布布置（图图1.44.6至至图1.4.99）。直直线布置置主要用用于跨度度和荷载载较小的的情况，如如预应力力混凝土土板就是是采用这

60、这种布置置形式。直直线布置置的主要要优点是是施工简简单，既既可用于于先张法法构件，又又可用于于后张法法构件。曲曲线布置置多用于于跨度和和荷载较较大的构构件，如如预应力力混凝土土梁就多多采用这这种布置置形式。曲曲线布置置一般用用于后张张法构件件。后张法预应应力混凝凝土构件件的预应应力纵向向钢筋采采用曲线线布置时时，其预预应力钢钢丝束、钢钢绞线束束的曲率率半径不不宜小于于4m；对对折线配配筋的构构件，在在预应力力钢筋弯弯折处的的曲率半半径可适适当减小小。2）间距及及孔道尺尺寸d为预应力力筋直径径d为孔孔道直径径图1.4.11先先张法预预应力筋筋间距要要求图1.4.112 后后张法孔道道间距要要求先