《预应力混凝土》

第一章绪论唐兴荣工学博士、教授苏州科技学院土木工程学院二O一二年一月1精选课件一、预应力混凝土结构发展

1866年，美国工程师杰克逊（P.H.Jackson）首次提出预应力技术应用于混凝土结构（但由于低强预应力筋中的有效预应力损失几乎殆尽，使最初尝试不成功）

预应力混凝土的现代发展归功于法国工程师弗莱西奈特（E.Freyssinet），1928年E.Freyssinet提出：预应力混凝土必须采用高强度钢材和高强度混凝土。

1938年德国的霍友（E.Hoyer）研制成功依靠高强钢丝与混凝土间的粘结力传递预应力

先张法

1939年弗莱西奈特研制成功弗氏锥形锚具；1940年比利时的麦尼尔（G.Magnel）研制成功了麦式锲形锚具

后张法

第二次世界大战后，预应力结构在世界范围内得到蓬勃发展和广泛应用。1950年8月成立了国际预应力协会（中国土木工程学会于1980年参加国际预应力协会，成为会员组织

）（FédérationInternationaledelaPrécontrainte，FIP

）。

我国预应力结构是在20世纪50年代，1954年铁道部科学研究院首次进行了预应力混凝土的试制。

主要应用:工业建筑、桥梁和轨枕、电杆、水池等结构、构件

现代预应力结构采用高效预应力混凝土（高强钢材和高强度混凝土）（近二三十年）已渗透到土木工程的各个领域

逐步扩大到居住建筑、大跨度和大空间公共建筑、高层建筑、高耸结构、地下结构、海洋结构、压力容器、大吨位囤船结构及跑道路面结构等领域

2精选课件二、预应力混凝土结构的特点（与非预应力混凝土结构相比）

改善使用阶段的性能（图）（延缓受拉和受弯构件中出现裂缝并降低裂缝宽度；降低甚至消除使用荷载下的挠度）

提高受剪承载力（纵向预应力可延缓混凝土构件中斜裂缝的形成，提高其受剪承载力；曲线预应力筋承受剪力）

改善卸载后的恢复能力（卸载后，预应力会使裂缝闭合，提高其弹性恢复力）

提高耐疲劳强度（预应力作用降低钢筋中应力循环幅度）

充分利用高强度钢材，减轻结构自重

可调整结构的内力（利用预应力筋对混凝土结构的作用平衡全部或部分外荷载）

具有良好的经济性（比普通混凝土结构节约混凝土20%～30%、钢材30%～60%；比钢结构节省一半以上的造价）

预应力结构所用材料单价较高，相应设计、施工等比较复杂，且预应力结构的研究工作也有待进一步深入研究3精选课件（a）预压力作用下

；（b）外荷载作用下；（c）预压力与外荷载共同作用下

4精选课件三、预应力结构基本形式1、房屋建筑

预应力混凝土框架结构

我国最早现浇预应力混凝土框架结构：上海色织四厂六层双跨框架结构（跨度20m，梁高1.64m）

珠海拱北海关大楼：双向预应力混凝土框架结构（纵、横向均为18m，纵向7跨，横向5跨）

深圳车港工程为我国柱网尺寸最大的预应力框架结构，标准柱网16m

25m，标准层平面尺寸159m

103.5m，横向框架梁截面1200mm

1200mm，纵向框架梁及次梁截面1000mm

1000mm）

预应力混凝土平板结构（无粘结预应力筋）

广州国际大厦主楼（筒中筒结构，63层，从7层～63层均为无粘结预应力混凝土平板结构，板厚200mm，内、外筒间跨度7.0m～9.4m）

上海福源商厦（7层，剪力墙-平板结构，所有楼层采用无粘结预应力混凝土平板，横向跨度10.0m+9.32m+6.78m+5.9m+7.2m，纵向跨度11

8m，板厚230mm）5精选课件

预应力混凝土门架结构（梁柱合一）（P2、图1-1）

珠海玻纤厂主厂房（连续四跨预应力门架，跨度31.5m+33m+31.5m+14m）上海闵行影剧院工程PC交叉梁板结构6精选课件

预应力转换层结构（TransferStoryStructure）《高层建筑转换层结构设计与施工》（唐兴荣编著）中第十四章《特殊与复杂高层建筑结构设计》（唐兴荣编著）中第十九章预应力混凝土梁式转换层（预应力混凝土转换梁、预应力钢骨混凝土转换梁、预应力混凝土曲线转换梁）7精选课件

预应力混凝土转换桁架设计

8精选课件跨度24.6m、高度7.8m——国内跨度最大的转换桁架承受集中荷载1700多吨——承受荷载巨大裕年国际商务大厦预应力混凝土巨型转换桁架

9精选课件1：8静力试验模型加载装置图

加载示意图10精选课件上海裕年国际商务大厦1：25振动台试验模型上海裕年国际商务大厦效果图11精选课件预应力混凝土厚板转换层12精选课件

预应力钢桁架结构

北京西客站主站房（图）跨度45m，承载5000t的钢桁架采用预应力技术，在该桁架上设计配置了三种预应力筋（1-下弦直线预应力筋、2-折线预应力筋和3-上弦端部预应力筋）13精选课件北京西客站外景北京西客站主站房是“国门”的象征，在其正中设有一大“门洞”，“洞”高52.3m，跨度45m，进深28.8m。连体结构由4榀高8m的预应力钢桁架和30榀高8m的次桁架组成。整个钢结构重达50000kN以上，为巨型的大跨度钢结构工程。14精选课件

预应力空间钢结构双曲悬索结构、传统空间结构（网架、网壳等）、吊挂式空间结构、整体张拉式结构

预应力钢-混凝土组合结构对钢骨混凝土转换梁施加预应力具有下列优点：

避免非结构裂缝的出现

增加长期使用的耐久性

改善转换梁的受力性能

钢骨混凝土梁有利于结构抗震15精选课件

预应力砌体结构提高砌体结构的抗弯和抗剪承载力，提高砌体结构的变形能力与延性，改善砌体结构的抗震性能。16精选课件2、桥梁工程

预应力在桥梁结构中的应用较在建筑结构中的应用更为普及与深入

预应力在梁桥、拱桥、斜拉桥和悬索桥等各类桥中均有广泛应用

纤维增强塑料（Fiber-Reinforced-Polymers，简写FRP）的应用纤维增强塑料（FRP）包括：碳纤维增强塑料（Carbin-Fiber-Reinforced-Polymers,简写CFRP）

玻璃纤维增强塑料（Glass-Fiber-Reinforced-Polymers,简写GFRP）

纺纶纤维增强塑料（A-Fiber-Reinforced-Polymers,简写AFRP）

与普通钢筋和高强钢丝相比，FRP筋的主要特点：

纵向抗拉强度高（与高强钢丝相当，且在到达FRP筋抗拉强度前，几乎没有塑性变形）

质量密度小（约为钢材密度的1/5

1/4）

耐腐蚀性能良好

在桥梁及其他侵蚀性环境中用FRP筋替代钢筋，也是FRP筋最突出的优点

疲劳强度高于钢材；

弹性模量低；

热膨胀系数与混凝土接近；17精选课件

非磁性

有很大的可设计性

抗剪与抗横向应力的强度低（通常不超过其抗拉强度的10%）

成本较高，生产制作工艺复杂单位重量FRP筋的价格约为普通钢筋的（8-12）倍，但FRP筋的质量密度大致是普通钢筋的25%，这样，同面积FRP筋的价格约为普通钢筋的（2-3）倍，约为高强钢丝的（1-1.5）倍。

FRP材料在桥梁结构工程的应用正越来越受到人们的关注。用FRP材料替代传统的体外预应力筋来改进体外预应力体系，目前正成为国内外学者研究的热点。18精选课件3、特种结构

预应力混凝土储液池、筒仓预应力筒仓19精选课件

预应力混凝土核安全壳核安全壳尺寸内径35m-50m，高40m-50m，壁厚达1m，底板厚2.7m，并要求严格不裂。

核安全壳的球形顶盖、圆筒形筒壁和圆形底板均施加预应力，且预应力筋有径向、环向以及曲线形等多种形式预应力核安全壳20精选课件

预应力混凝土看台21精选课件

预应力混凝土高耸结构高耸结构施加竖向预应力和环向预应力可有效地控制结构开裂，增强结构的整体性和抗侧稳定性，从而保证高耸结构具有良好的使用性能与耐久性。

我国首座预应力混凝土高耸结构：中央电视台电视塔天津电视塔、南京电视塔中也采用预应力混凝土技术22精选课件南京电视塔（塔高318.5m

）23精选课件南京世纪塔斜塔与地面成75度，高74m；拱为抛物线，与地面成15度，拱长67m，宽58m。斜塔与拱由24对斜拉索保持结构平衡（图8）

拉索长30

90m，索体芯部由19根的镀锌钢丝（低松弛高强钢丝，强度等级1670Mpa）平行扭绞而成，钢丝束外加绕包带，经绕包后的钢丝束外挤包黑色PE+灰白色PE套管，制成后索体外径75mm。24精选课件

苏州工业园区独墅湖高教区主入口雕塑该结构由大椭圆拱、索、小椭圆拱组合成一个整体，共同承受自重、地震、风及温度的作用。其中，大椭圆拱与地面成73度，拱高46.713m，拱宽48.35m；小椭圆拱与地面成48度，拱高23.252m，拱宽28.85m。大、小椭圆拱由25对斜拉索保持结构平衡（图）。大、小椭圆拱采用空间管桁架，相惯节点。25精选课件

苏州工业园区独墅湖高教区主入口雕塑工程拉索为特殊索，长度22.853m

48.171m，索力36.93kN

50.85kN，且不在同一平面内。索体芯部由19根的镀锌钢丝（低松弛高强钢丝，强度等级1670Mpa）平行扭绞而成，钢丝束外加绕包带，经绕包后的钢丝束外挤包黑色PE+灰白色PE套管，制成后索体外径70mm。拉索系由中间索体和两端热铸锚具组成。拉索的上索头固定于大椭圆拱上的预埋拉板上，下索头穿入预埋于小椭圆拱中的钢套管，并作为张拉端。苏州工业园区独墅湖高教区主入口雕塑26精选课件4、路面结构

优点：预应力混凝土路面具有面板薄、接缝数量少、行车平稳、整体性好、使用性能优良、维修费用少、耐久性高等缺点：施工复杂、工期较长、初期投资较大等

世界上第一条预应力混凝土路面：法国Luzancy的一座桥梁的引桥路面

我国在1997年和1998年分别在南京和徐州建成了两条预应力混凝土路面实验段（采用无粘结预应力连续配筋）27精选课件京沪高铁轨道箱形梁：长×宽×高：32.6m（24.6m）×12m×3.0m28精选课件5、加固工程

预应力加固改造结构的作用

恢复或提高结构的承载力和刚度

托梁抽柱

加层改造等29精选课件四、现代预应力混凝土结构最新发展现代预应力混凝土结构已渗透到土木工程的各个领域，是建造高（高层建筑、高耸结构）、大（大跨度、大空间结构）、重（重载结构）、特（特种结构及特殊结构）工程不可缺少的、最为重要的工程结构型式之一，我国“国民经济及社会发展十年规划“以及”八五计划、“九五计划”中都把发展和推广高效预应力结构作为建筑业的基本国策之一1、预应力结构型式有粘结预应力混凝土结构（预应力混凝土结构中占主导地位）无粘结预应力混凝土结构（平板结构、框架结构、路面结构等）

体外预应力混凝土结构(

新型防腐填充物、环氧涂层预应力筋、纤维塑料预应力筋等防腐材料的出现及实用化生产

体外预应力结构的换索及检测方便、布置灵魂、施工快捷、施工质量易保证等优点（在结构加固和改造中广泛应用）

节段施工法的应用、斜拉桥和悬索桥发展也促进了体外预应力技术的发展)30精选课件2、预应力结构体系

预应力混凝土框架结构、门架结构、预应力混凝土平板结构都朝更大跨度、更大柱网及标准化方向发展

多功能单层建筑的柱网尺寸扩大到18m

18m

30m

30m，多层建筑主要采用9m

11m

18m

24m。

7m以上不同跨度的预应力混凝土平板结构、扁梁结构和密肋楼板结构及轻型挂墙板将在各种高层建筑结构体系中应用

各种预应力混凝土转换层结构将在高层建筑中应用，提供大空间、大出入口

现代预应力技术拓展到钢结构（预应力钢桁架结构、预应力空间钢结构、预应力钢—混凝土组合结构等）

预应力砌体结构（小高层建筑、大跨度储液池和筒仓等）31精选课件

3、各型预应力混凝土桥梁将在长江、黄河等大江大河上大桥中得到进一步发展和应用，跨度超过400m和600m的斜拉桥和跨度超过千米的特大悬索桥将建成4、特种结构工程中将越来越多地采用预应力混凝土结构。在今后二三十年内，300m以上的预应力混凝土电视塔、直径为50m

80m的料库和贮罐、直径为20m

40m的压力容器和安全壳等结构工程将建成并投产5、预应力结构新材料混凝土

高强：C50

C100级高强混凝土不再成为设计施工的警戒区

轻质：高强度/自重比为混凝土材料发展的目标。轻骨料混凝土在工程结构中的应用的关键是如何配置出轻质、高强、弹性模量大，各种力学性能基本接近于普通混凝土的轻骨料混凝土，并能够商品化，以利用施工。

高性能：高性能混凝土（新拌混凝土的高强度，硬化后混凝土的强度和耐久性等性能优异）将会得到广泛应用32精选课件

预应力筋（高强度且有一定塑性性能