项目3.4 预应力混凝土构件基本知识

建筑结构基础与识图项目3钢筋混凝土结构基本构件:本章主要内容：3.1钢筋混凝土受弯构件3.2钢筋混凝土受压构件3.3钢筋混凝土受扭构件3.4预应力混凝土构件基本知识3.5钢筋混凝土结构施工图预应力混凝土构件基本知识4建筑结构基础与识图本节主要内容本节主要内容：3.4.1预应力混凝土概述；3.4.2预应力的分类和施加预应力的方法；3.4.3张拉控制力和预应力损失；3.4.4预应力混凝土构件的一般构造要求。建筑结构基础与识图3.4.1预应力混凝土概述本节主要内容：1、预应力混凝土的定义；2、预应力混凝土的特点；3、预应力混凝土构件对材料的要求。建筑结构基础与识图0、钢筋混凝土的欠缺跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm2，作用均布活荷载标准值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。建筑结构基础与识图建筑结构基础与识图★

产生上述问题原因主要是因为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低。★

钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。★

如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成浪费。建筑结构基础与识图★

采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足。★

裂缝宽度与钢筋应力基本成正比，一般Ms=(0.6~0.8)My，如配筋按正截面承载力计算，Ms下sss=(0.5~0.7)fy。对于Ⅱ级钢筋，fy=300MPa，sss=150~210MPa，裂缝宽度已达(0.15~0.25)mm。如采用Ⅵ级高强钢筋，fy=580MPa，则sss=290~406MPa，裂缝宽度已远远超过容许限值。建筑结构基础与识图1普通混凝土抗裂性很差

混凝土的极限拉应变很低，只有0.0001～0.0015，这时钢筋应力仅20～30N/mm2,另外提高混凝土的强度也不明显

2高强材料得不到充分应用

裂缝宽度一般应限制在0.2～0.3mm以内，受拉钢筋应力最高也只能达到150～250N/mm23

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。普通混凝土构件存在问题归纳：建筑结构基础与识图1、预应力混凝土的定义构件在承受外荷载之前，人为地预先通过张拉钢筋对结构使用阶段将产生拉应力的混凝土区域施加压力，构件承受外荷载后，此项预压应力将抵消一部分或全部由外荷载所引起的拉应力，从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展，这种构件就称为“预应力混凝土构件”。建筑结构基础与识图基本原理1）C20普通钢筋混凝土简支梁，在荷载作用下，在梁跨中下边缘产生10N/mm2的拉应力，混凝土梁早已开裂，且裂缝已有相当的开展。建筑结构基础与识图2)在预压力作用下，截面下边缘(预压区）跨中产生压应力σ1=10N/mm2，形成反拱f1

σ1σ1预压区预加应力单独作用下受力预拉区f1建筑结构基础与识图σ23)在外荷载作用下，截面下边缘产生拉应力σ2=9N/mm2，其挠度为f

2

f2荷载单独作用下受力受压区－砼受拉区－钢筋建筑结构基础与识图4)在预压力及外荷载作用，截面下边缘产生应力б2-σ1=1N/mm2,其挠度为f2–f1=f

使用阶段的荷载逐渐逐渐增加预应力单独作用截面应力使用荷载单独作用截面应力拉区砼未开裂拉区砼已开裂б2б1б2-б1f2-f1建筑结构基础与识图施加预应力前施加预应力施加预应力后施加预应力的原理建筑结构基础与识图2、预应力混凝土的特点（1）优点：1）裂缝宽度小、刚度大、挠度小、结构的耐久性好。2）充分利用高强材料，节约了钢材、减轻了自重，特别在大跨度的结构中更为经济。3）提高构件的抗剪性能。试验表明，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。4）提高构件的抗疲劳性能。在预应力结构中，由于钢筋事先张拉，在往复移动荷载的作用下，钢筋应力变化幅度不大10%以下，不会引起钢筋疲劳。5）提高受压构件的稳定承载力。对于长细比较大的受压构件，由于预应力钢筋张拉的很紧，不但预应力钢筋本身不会压弯，而且可帮助周围混凝土提高抗弯的能力。建筑结构基础与识图（2）缺点：1）设计、计算比普通钢筋混凝土构件要复杂。2）

工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。3）

需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。4）

预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。

建筑结构基础与识图(3)应用范围:1)在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可建造墙板、柱子等。建筑结构基础与识图(3)应用范围:1)在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可建造墙板、柱子等。2)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。建筑结构基础与识图(3)应用范围:1)在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可建造墙板、柱子等。2)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。3)特种结构方面可建造预应力混凝土电视塔，石油开采平台、预应力混凝土囤船、预应力压力容器等。中央广播电视塔，北京，405m建筑结构基础与识图预应力混凝土预制桩预应力空心管打完预制桩后，预应力管桩施工现场建筑结构基础与识图3、材料要求材料包括：1、混凝土；2、钢筋。建筑结构基础与识图钢筋的性能强度高较好的塑性、可焊性。

良好的粘结性。低松弛。

预应力钢筋一直处于高强受拉应力超载情况下发生脆性破断，同时还要求具有良好的加工性能，提高与混凝土粘结强度减少预应力损失（1）钢筋：（1）普通钢筋：一般采用HRB335和HRB400。（2）预应力钢筋：建筑结构基础与识图预应力钢筋包括：预应力钢绞线、钢丝及热处理钢筋：①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。一般分为2、3、7、19丝钢绞线。其中7根钢丝如15-7Φ5，表示“一束由直径15mm的7丝（每根总直径约15.24mm，尺寸偏差+0.40-0.20；每丝直径约为5.0mm）钢绞线组成的钢筋。钢绞线强度标准值1570~1860N/mm2建筑结构基础与识图②钢丝钢丝是将含碳量为0.5~0.9%的优质高碳钢轧制成盘条、经回火、酸洗等处理后多次冷拔而成。按表面形态分为：光圆预应力钢丝、螺旋肋(预应力钢丝（左旋或右旋）、压波预应力钢丝或刻痕预应力钢丝等预应力钢丝为直径一般在4-12毫米范围，目前中国常用5毫米和7毫米规格。极限抗拉强度标准值：中强度一般为800~1270N/mm2；消除应力钢丝为1570~1860N/mm2建筑结构基础与识图③预应力螺纹钢筋用热轧、轧后余热处理或热处理等工艺制成的中高强度钢筋。直径一般为18~50mm极限抗拉强度标准值为980~1230N/mm2。建筑结构基础与识图（2）混凝土：混凝土性能高强度

收缩小、徐变小快硬、早强

承受高压应力，此外还有粘结力、端部承压承载力减小预应力损失加快施工进度，降低间接费用建筑结构基础与识图3.4.2预应力分类及施加方法本节主要内容：1、预应力分类；2、预应力施加的方法。建筑结构基础与识图1、预应力的分类根据使用荷载下对截面张拉应力控制的不同分为：（1）全预应力混凝土构件各种荷载组合下构件截面均不允许出现拉应力，相当于裂缝控控制一级。（2）有限预应力混凝土构件在短期荷载作用下，容许承受规定的拉应力值，但长期荷载作用下，不得受拉，相当于裂缝控控制二级。（3）部分预应力混凝土构件在荷载作用下容许出现裂缝，但不超过容许的设计要求相当于裂缝控控制三级。建筑结构基础与识图2、施加预应力的方法按照张拉钢筋与浇筑混凝土的前后关系，分为：先张法和后张法。（1）先张法先张拉预应力钢筋后浇筑混凝土的施工方法，称为先张法

。主要工艺过程：1）钢筋就位2）张拉钢筋3）支模、浇筑混凝土并养护4）切断钢筋建筑结构基础与识图建筑结构基础与识图建筑结构基础与识图（2）后张法先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋，这种施工方法称为后张法

。主要工艺过程：1）浇筑混凝土构件，并在构件中预留孔道2）穿预应力钢筋并张拉钢筋3）锚固预应力钢筋并往孔道内压力灌浆。建筑结构基础与识图建筑结构基础与识图建筑结构基础与识图建筑结构基础与识图建筑结构基础与识图（3）张拉方法比较1）张拉顺序先张法：先张拉钢筋，后浇筑混凝土；后张法：先浇筑混凝土，后张拉钢筋。2）工艺过程先张法：穿钢筋---拉钢筋—浇混凝土—养护至75%---断钢筋；后张法：留孔道---浇混凝土---养护至75%---穿钢筋---拉钢筋---锚钢筋---压力灌浆。3）预压力的传递先张法：靠钢筋与砼之间的粘结力，因此需先达到75%强度切断；后张法：主要通过锚具传递，张拉时也需要达到75%的强度。建筑结构基础与识图4）优点先张法：工艺简单，工序少，效率高，质量易保证

省去了锚具和预埋件，成本低；后张法：在构件上张拉，无需台座，可在预制场生产，也可现场施工。5）缺点先张法：需要台座，不适合现场施工后张法：生产周期长，需要锚具，成本高，工序多，造价高。6）适用范围先张法：适合工厂化生产，长线法施工中、小型构件后张法：大型预应力混凝土构件，现场施工。建筑结构基础与识图3.4.3张拉控制应力和预应力损失本节主要内容：1、张拉控制应力；2、预应力损失计算。建筑结构基础与识图（1）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σcon表示。建筑结构基础与识图（2）影响1）如果σcon取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，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σcon不应小于0.4fptk（0.5fptk，螺纹钢筋）。

2）如果σcon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σcon值不宜超过下表的限值。建筑结构基础与识图类型消除应力钢丝，钢绞线中强度预应力钢丝预应力螺纹钢筋备注控制值0.75fptk0.70fptk0.85fpyk部分原因可提高0.05张拉控制应力表建筑结构基础与识图（1）定义：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。建筑结构基础与识图（2）原因：引起预应力损失的原因及的措施：

1）锚具变形和钢筋內缩引起的预应力损失σl1①直线预应力筋：

当为直线型预应力钢筋时式中a——张拉端锚具变形和钢筋回缩值；

l——张拉端至锚固端之间的距离。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。建筑结构基础与识图②后张法构件曲线预应力或折线预应力筋：

计算条件相对复杂，需考虑摩擦影响长度、反向摩擦系数等，《规范》附录J有相关的计算公式。2）预应力筋的摩擦引起的预应力损失σl2。当建筑结构基础与识图减少该项损失，可采取以下措施：

①对较长的构件可在两端进行张拉；②采用超张拉，张拉程序可采用：

当第一次张拉至1.1σcon时，预应力钢筋应力沿EHD分布，当张拉应力降至0.85σcon，由于钢筋回缩受到孔道反向摩擦力的影响，预应力沿FGHD分布，当再张拉至σcon时，钢筋应力沿CFGHD分布，可见，超张拉钢筋中的应力比一次张拉至σcon的应力分布均匀，预应力损失要小一些。

建筑结构基础与识图3）加热养护时，预应力钢筋与台座之间的温差引起预应力损失σl3。

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，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。

σl3=2△t（N/mm2）建筑结构基础与识图减少此项损失的措施有：

①采用二次升温养护。先在常温下养护至混凝土强度等级达到C7.5～C10，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;

②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。

建筑结构基础与识图4）钢筋应力松弛引起的预应力损失σl4。

钢筋的应力松弛是指钢筋在高应力作用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：

①应力松弛与时间有关，开始快，以后慢；②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；③张拉控制应力σcon高，应力松弛大。建筑结构基础与识图5）混凝土的收缩徐变引起的预应力损失σl5。

混凝土结硬时产生体积收缩，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。

先张法构件

后张法构件

建筑结构基础与识图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。后张法中，当D≤3m，σl6=30MPa，当D＞3m，不考虑该项损失。此处D为环形构件的直径。（3）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先张法构件后张法构件混凝土预压前（第一批）的损失σlⅠ

σl1+σl2+σl3+σl4

σl1+σl2

混凝土预压后（第二批）的损失

σlⅡ

σl5

σl4+σl5+σl6

《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σlⅠ，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σlⅡ

。建筑结构基础与识图（1）截面形式和尺寸：轴心受拉构件通常采用正方形或矩形，受弯构件可采用T形、I形及箱型等截面。（2）预应力筋的布置形式：直线布置和曲线、折线布置。直线布置：跨度及荷载较小时，施工简单，后张法、后张法均可采用。曲线布置：跨度及荷载较大时，一般采用后张法施工。折线布置：适用于有倾斜的受拉边的梁，一般采用先张法施工。建筑结构基础与识图3.4.4预应力混凝土构件的一般构造要求本节主要内容：1、一般要求；2、先张法构件；3、后张法构件。建筑结构基础与识图1）预应力钢筋的配筋方式并筋：预应力钢丝并筋不宜超过3根。当先张法预应力钢丝按单根方式配筋困难时，可采用相同直径钢丝并筋的配筋方式，并筋的等效直径，双并筋时应取为单筋直径的1.4倍，三并筋时应取为单筋直径的1.7倍。2）预应力钢筋的净间距不应小于其公称直