混凝土结构及砌体结构(上册)第九章 预应力混凝土构件

出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)1预应力混凝土的基本概念预应力混凝土的基本原理一、钢筋混凝土的缺点由于混凝土有着抗压强度高，抗拉强度低(混凝土抗拉强度约为抗压强度的1/10)，极限压应变大，而极限拉应变小(极限拉应变约为极限压应变的1/10)的材料力学性能，导致普通钢筋混凝土构件存在着一些自身难以克服的缺欠：第九章

预应力混凝土构件出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)2一方面，钢筋混凝土受弯构件、大偏心受压构件、受拉构件在使用荷载作用下，受拉区混凝土开裂较作。对使用上不允许开裂的构件，可以推算出，相应于混凝土出现裂缝极限状态的受拉钢筋应力σs仅为20～30N/mm2。这个数值远低于钢筋的屈服强度，此时的荷载也很小。对允许开裂的构件，当钢筋应力σs达到250N/mm2时，裂缝的宽度已达到0.2～0.3mm，构件刚

度显著降低，并且构件不宜在高湿度或侵蚀性环境中使用。而另懈一方面，为了满足变形和裂缝控制的要求，则需增加构件的截面尺寸和钢筋用量，这将导致截面尺寸和自重过大，使普通钢筋混凝土结构用于大跨度或承出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)3受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。如果采用高强度钢筋，在使用荷载作用下，其应力可达500～

1000N/mm2(现在冶炼技术已可生产强度高达1600

N/mm2以上的钢筋)，裂缝的开展宽度和变形早已超过允许限值，不能满足正常使用要求。因而，在普通钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋不能充分发挥作用。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用不大。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-1 预应力混凝土构件受力分析4出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)5二、预应力混凝土的基本原理钢筋混凝土构件开裂过早，不能有效利用高强度材料，这就限制了钢筋混凝土结构的应用范围，也阻碍了其自身的发展。上述缺点源于混凝土抗拉强度太低，借助混凝土较高的抗压强度，可以弥补其抗拉能力的不足。方法是在混凝土结构构件承受外荷载作用之前，预先对构件的混凝土受拉区施加压力，以此产生的预压应力减小或抵消使用阶段外荷载所引起的混凝土拉应力，使结构构件的拉应力不大，甚至处于受压状态，从而推迟裂缝的出现，减小裂缝宽度，甚至可以使构件不出现裂缝。这种在构件受荷载之前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为“预应力混凝土结构”。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)6三、预应力混凝土的优缺点与钢筋混凝土构件相此，预应力混凝土构件具有如下优点：1.抗裂性能好预应力混凝土构件对使用阶段可能开裂的拉区部位施加了预压应力，而且预应力的大小可根据需要人为地控制，因而可避免普通钢筋混凝土构件在正常使用情况下出现裂缝或裂缝过宽的现象。对抗裂要求较高的结构和构件如贮液罐、压力容器等，预应力更为必要。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)72.刚度大、变形小钢筋混凝土构件开裂后，刚度迅速降低，变形显著增大。预应力混凝土构件由于在使用阶段可避免裂缝，因而刚度不发生突变，变形增大也不明显。特别是受弯构件，预加的偏心力将使构件产生反拱，从而极大地减小了使用荷载下梁的挠度，并且随预应力的增加挠度还会显著减小。3.耐久性好由于预应力可以使构件在使用荷载作用下不出现裂缝，避免了外界有害因素对钢筋的侵蚀，从而大大提高了这类构件的耐久性。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)84.可利用高强材料，减轻结构自重由于预应力控制了裂缝，保证了构件的正常使用，使构件中钢筋强度的发挥不再受混凝土抗拉极限应变的限制，因而高强钢筋得以利用，同时，为了提高预应力的效果，预应力混凝土构件要求采用强度等级较高的钢筋和混凝土。这样构件截面减小，结构自重一般可减轻20%～30%，工程造价相应也将降低。5.提高构件的抗剪能力纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展，因而可提高构件的抗剪能力，曲线预应力钢筋的预应力竖向分力将部分抵消剪力，也对构件抗剪能力的提高产生积极作用。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)96.提高受压构件的稳定性受压构件的长细比较大时，在受到一定的压力后容易产生纵向弯曲，以致丧失稳定而破坏。对钢筋混凝土柱施加预应力，纵向受力钢筋被张紧，预应力钢筋便不容易压弯，而且还可以帮助周围的混凝土提高抵抗压弯的能力，从而提高了构件的稳定性。7.提高构件的抗疲劳性能预应力钢筋从张拉就绪直到使用阶段的整个过程中，由于受力钢筋事先已被张拉，在重复荷载作用下，其应力值的变化幅度小(一般在10%左右)，不会引起钢筋疲劳，因而提高了构件的抗疲劳性能。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)109-1-2全预应力混凝土和部分预应力混凝土预应力的大小在一定程度上控制着裂缝的发展。根据预应力对构件截面裂缝的控制程度的不同可将预应力混凝土分为全预应力混凝土和部分预应力混凝土。在混凝土中建立的预应力，如果能使截面在全部使用荷载作用下不出现拉应力(即全截面受压)，以保证构件达到严格要求不出现裂缝的一级(裂缝控制等级)构件，称为全预应力混凝土。在混凝土中建立预应力后，在使用荷载作用下，允许混凝土受拉区产生宽度不大的裂缝，即构件达到允许出现裂缝但最大裂缝宽度不超过允许值的三级构件，称为部分预应力混凝土。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)11这类预应力混凝土构件，允许开裂，但必须验算裂缝宽度并对此有一定的限制，混凝土中建立的预应力，在使用荷载作用下，截面受拉边缘混凝土允许产生拉应力，但拉应力不超过一定限值，能不同程度地保证混凝土不开裂，即能使构件达到一般要求不出现裂缝的二级构件，称为有限预应力混凝土。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)129-1-3有粘结预应力和无粘结预应力对后张法施工(见第9-2-1节)的预应力混凝土构件，通常的做法是在构件中预留孔道，待预应力钢筋张拉后要在孔道内灌浆将孔隙填实，以使预应力钢筋与混凝土产生粘结力。这种预应力钢筋与混凝土接触面之间沿钢筋全长均存在粘结作用，称为有粘结预应力钢筋。这种有粘结预应力构件，在超荷载阶段，其受力性能较好，裂缝宽度较小，分布也较均匀。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)139-2

施加预应力的方法及锚、夹具预应力的建立方法构件中预应力的建立，都是依靠张拉钢筋来实现的。张拉预应力钢筋的方法主要有两种：一、先张法在浇灌混凝土之前张拉钢筋的方法称为先张法，其工序如下：在台座(或钢模)上张拉钢筋，并将钢筋临时锚固在台座(或钢模)上(如图9-2(a))；出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)142.支模、绑扎非预应力筋、并浇灌混凝土(图9-2(b))；3.待混凝土达到一定强度(设计强度的75%以上)后，切断或放松预应力钢筋(图9-2(c))。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-2 先张法的主要工序示意图15出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)16二、后张法在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法。其工序如下：先浇灌混凝土构件，并在构件中预留孔道(图9-3(a))；待混凝土达到规定的强度后，将预应力钢筋穿入孔道，利用构件本身作为加力台座，直接在构件上张拉钢筋。在张拉预应力钢筋的同时，使混凝受到预压(图

9-3(b))；出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)173.当预应力钢筋的张拉应力达到设计规定值后，在张拉端锚具将钢筋锚住，使构件保持预压状态(图9-3(c))；4.最后在孔道灌浆，使预应力钢筋与混凝土形成整体(图9-3(c))。也可不灌浆，完全通过锚具施加预压力，形成无粘结预应力结构。锚固在构件端部的锚具，阻止了钢筋的回缩，从而对构件施加预压力。所以后张法预应力混凝土构件是依靠锚具在构件中建立预应力的。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-3 后张法的主要工序示意图18出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)199-2-2预应力混凝土构件的锚、夹具锚具和夹具是在制作预应力混凝土构件时锚固预应力钢筋的工具，是制造预应力混凝土构件必不可少的条件。一般认为，构件制作完毕后能够取下重复使用的称为夹具，如先张法中的夹具，而留在构件上不再取下的称为锚具，如后张法中的锚具。为了简便起见，有时将锚具和夹具统称为锚具。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)201.安全可靠，具有足够的强度和刚度；预应力钢筋在锚具内的滑移小，以减少预应力损失；构造简单，便于机械加工制作；使用方便，易保证构件制作质量；节约钢材，造价低廉。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-4 螺丝端杆锚具21出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-5(a)锥形夹具；(b)楔形夹具22出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-6 钢制锥形锚具23出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-7 镦头锚具24出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-8 JM12锚具25出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-9 QM15—6型锚具26出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)279-3

预应力混凝土材料预应力钢筋在张拉时就受到很高的拉应力，在使用荷载下，钢筋的拉应力会继续提高；而混凝土在施工阶段也将受到高压应力作用。为了提高预应力的效果，预应力混凝土构件要求采用强度等级较高的混凝土和钢筋。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)289-3-1混凝土强度高。预应力混凝土需要采用较高强度的混凝土，才能建立起较高的预压应力，同时高强度混凝土配合采用高强度钢筋，可以减小构件的截面尺寸，减轻结构自重。对于先张法构件采用较高强度的混凝土，可以提高粘结强度。对后张法构件，采用高强度混凝土，可承受构件端部强大的预应力。收缩、徐变小。可以减少收缩、徐变引起的预应力损失。快硬、早强。可以尽早施加预应力，加快台座、锚具、夹具的周转率，加快施工进度。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)299-3-2预应力钢筋预应力结构构件所用的钢筋，需满足以下要求：1.强度高。混凝土预压应力的建立是通过张拉钢筋来实现的。考虑到构件在制作和使用过程中，由于种种原因使预应力钢筋的张拉应力产生应力损失，因此需要采用较高的张拉应力。这就要求预应力钢筋具有较高的抗拉强度。2.具有一定的塑性。为了避免预应力构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋在拉断前具有一定的延伸率。特别是对处于低温环境和受冲击荷载作用的构件，更应注意对钢筋塑性和抗冲击韧性的要求。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)30具有良好的加工性能。要求钢筋有良好的可焊性，同时要求钢筋经“镦粗”后不影响其原有的物理力学性能。与混凝土之间有较好的粘结强度。先张法构件的预应力主要是依靠钢筋和混凝土之间粘结强度来传递的，当采用光面钢丝时，为了增加粘结力，可在其表面“刻痕”。目前国内常用的预应力钢筋有：冷拉低合金钢(Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级)、热处理钢筋、冷拔低碳钢丝、碳素钢丝刻痕钢丝、钢铰线、冷轧带肋钢筋等。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)31张拉控制应力和预应力损失张拉控制应力张拉控制应力是指预应力钢筋在进行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)上的测力计所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得到的应力值，以σcon表示。张拉控制应力的取值大小，直接影响着预应力混凝土构件的优越性。如果控制应力取值过低，则在经历了各种损失之后，预应力钢筋对混凝土产生的预压应力过小，不能有效地提高预应力混凝土构件的抗裂度和刚度。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)32控制应力σcon取值越高，混凝土的预压应力也越高，构件的抗裂性能越好。但张拉控制应力σcon过高，构件出现裂缝时的荷载与极限荷载接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件延性较差。另外σcon过高，张拉过程中可能发生钢筋的应力超过屈服强度，产生塑性变形甚至脆断的现象。同时过高的σcon，使构件在施工阶段某些部分将受到预拉力甚至开裂，后张法构件则可能造成端部混凝土局部受压破坏。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)33出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)349-4-2预应力损失按照某一控制应力值张拉好的预应力钢筋的初始张拉应力，在预应力混凝土构件施工及使用过程中，会由于各种原因而降低。这种预应力降低的现象，称为预应力损失。引起预应力损失的因素很多，要精确计算及确定预应力损失值是十分复杂的。为了使设计简化，规范》采用分项计算各项应力损失，然后叠加的方法来求得预应力混凝土构件的总预应力损失。下面分别讨论各种因素引起的预应力损失的计算。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)1.由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失σl1。预应力钢筋当张拉至σcon后，将它锚固在台座或构件上时，由于锚具受力后变形，锚具、垫板与构件之间的缝隙被挤紧，或由于钢筋在锚具内的内缩滑移，使得被张紧的钢筋松动回缩，张拉程度降低，从而引起预应力损失σl1。35出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)36出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)37出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-10 圆弧形曲线预应力钢筋因锚具变形和钢筋内缩引起的损失值38出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)39出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-11 摩擦引起预应力损失40出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)41出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)42出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)43出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)6.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σl6。44出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)459-4-3预应力损失值的组合及减少预应力损失的措施一、各阶段预应力损失值的组合上节所述六项预应力损失值，有的只发生在先张法构件中，有的只发生在后张法构件中，有的二者均有，而且各损失出现的先后也有差别。为了便于分析和计算，《规范》指出，预应力构件在各阶段的预应力损失值宜按表9-4的规定进行组合。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)46出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)479-5

预应力混凝土轴心受拉构件9-5-1预应力混凝轴心受拉构件的应力分析预应力混凝土构件从张拉钢筋开始直到构件破坏，可分为两个阶段：施工阶段和使用阶段。施工阶段是指构件承受外荷载之前的受力阶段；使用阶段是指构件承受外荷载之后的受力阶段。每个阶段又包括若干个特征受力过程。因此了解预应力轴心受拉构件各个受力阶段中截面上混凝土和钢筋的应力状态，有助于理解各个特征受力过程的计算公式。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)48一、先张法构件1.施工阶段在台座上张拉预应力钢筋至预应力钢筋应力达到张拉控制应力σcon。此时，钢筋的总拉力为σconAp，构件中如果有非预应力钢筋As，在此阶段它不承受任何应力。放松预应力钢筋之前张拉完毕，将预应力钢筋锚固在台座上，浇混凝土，养护构件。由锚具变形和钢筋内缩、温差以及钢筋应力松弛而产生第一批预应力损失σlⅠ；在放松预应力钢筋之前，预应力钢筋中的力由台座承受，混凝土尚未受力。此时截面中混凝土、预应力钢筋、非预应力钢筋的应力分别为：出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)49出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-12 先张法构件放松预应力钢筋时的受力状态50出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-13 先张法构件完成第二批损失之后的受力状态51出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-14 先张法构件混凝土的应力为零时的受力状态52出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)53出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-15 先张法构件即将开裂时的受力状态54出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-16 先张法预应力构件破坏时的受力状态55出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)56出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)57二、后张法构件1.施工阶段(1)张拉预应力钢筋构件在浇灌混凝土、养护直至钢筋张拉前，可以认为截面中不产生任何应力。在张拉钢筋的同时，千斤顶的反作用力使混凝土及非预应力钢筋受压，并在张拉过程中产生摩擦损失σl2。故这时预应力钢筋中的拉应力为σp=σcon-σl2。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)58出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)59出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-17 后张法构件预应力钢筋锚固后受力状态60出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-18 后张法构件完成第二批损失后的受力状态61出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)62出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)63出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)9-5-2预应力混凝土轴心受拉构件的设计一、轴心受拉构件使用阶段的计算1.承载力计算根据构件各阶段的应力分析，构件破坏时荷载全部由预应力钢筋和非预应力钢筋承担，截面的计算图式如图9-19所示。轴心受拉构件正截面受拉承载力按下列公式计算：64出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-19 轴心受拉构件承载力计算简图65出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)66出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)67二、轴心受拉构件施工阶段的验算预应力混凝土轴心受拉构件，在放张预应力钢筋(先张法)或张拉预应力筋终止(后张法)时，截面混凝土受到最大的预压应力值，而这时混凝土的强度一般尚达不

到设计强度(通常为设计强度的75%)，构件强度是否足

够，应对其制作阶段的承载力进行验算。对于后张法预

应力混凝土轴心受拉构件，锚具垫板的面积很小，在构

件端部锚具下将出现很大的局部压应力，因此对后张法

预应力混凝土轴心受拉构件，除了应对张拉钢筋时构件

的承载力进行验算外，还要求对预应力钢筋端部锚固区

混凝土局部承压的承载力进行验算。出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)如果预应力混凝土轴心受拉构件在制作、运输和吊装过程中，由于自重等作用(必要时应考虑动力系数)可能在构件中产生较大的应力时，还需要对这种受力情况进行验算。1.张拉(或放张)预应力钢筋时，构件的承载力验算混凝土的预压应力应符合下列条件68出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)2.后张法构件端部锚固区的局部受压承载力验算69出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-20 构件端部锚固区的应力传递70出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-21 局部承压计算底面积Ab71出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)72出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)图9-22 局部受压配筋73出版社理工分社混凝土结构及砌体结构(上册)749-5-3预应力混凝土轴心受拉构件的构造要求构造是构件设计中一个重要组成部分，关系到设计意图能否实现的问题，必须认真加以处理。预应力混凝构件的构造要求与张拉工艺、锚固措施、预应力筋的种类等因素有关，其中张拉工艺起着主要作用。不同的张拉工艺，有不同的构造要求。出版