结构设计原理课件 单元九 预应力混凝土结构的基本概念及材料

单元九

预应力混凝土结构的基本概念及材料结构设计原理凝土成钢——我国在预应力混凝土领域发展的卓越成就

我国在预应力混凝土领域形成了从理论创新到工程应用的全产业链优势：在理论层面建立了国际领先的设计标准体系；在重大工程中实现世界级突破，如苏通大桥、港珠澳大桥的超大跨度预应力技术、上海中心大厦的核心筒抗震体系。港珠澳大桥

在材料与工艺突破方面引领行业变革，研发高强材料（C80混凝土、1860MPa钢绞线）、智能张拉系统和装配式工艺；同时深度融合绿色化与数字化，通过BIM协同设计和再生材料应用，树立可持续发展典范。这些创新成果不仅赋能国内超级工程建设，更通过"一带一路"走向世界，展现了我国在该领域的技术主导权和国际影响力。凝土成钢——我国在预应力混凝土领域发展的卓越成就01§9-1概述02§9-2部分预应力混凝土03§9-3预加应力的方法与设备目录单元九预应力混凝土结构的基本概念及材料01§9-4预应力混凝土结构的材料§9-1

概述单元九预应力混凝土结构的基本概念及材料§9-1概述①能叙述出预应力混凝土结构的优点；②能简述混凝土预加应力的原理；③能说出预应力混凝土的分类及标准。学习目标：✱✱说明：是重点；既是重点，也是难点。✱✱✱✱✱✱§9-1概述一、钢筋砼结构的缺点

①需要带裂缝工作(使构件刚度下降，不能应用于不允许开裂的结构中)；

②无法充分发挥高强度钢筋及高等级混凝土的作用；

③自重大，构件跨径受到限制。

1、预应力混凝土的定义：预应力混凝土结构，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的内力抵销到一个合适程度的混凝土。这种预先给混凝土引入内部应力的结构，就称为预应力混凝土结构。二、预应力混凝土结构的基本原理§9-1概述二、预应力混凝土结构的基本原理2、混凝土预加应力的原理:以简支梁为例，说明混凝土预加应力的原理。§9-1概述§9-1概述二、预应力混凝土结构的基本原理上图所示为一根由C25混凝土制作的素混凝土梁，跨径L=4m，截面尺寸为200mm×300mm，截面模量W=200×3002/6=3×106mm3，在q=15KN/m的均布荷载作用下的跨中弯矩为：。跨中截面上产生的最大应力：

C25混凝土，抗压强度设计值，而抗拉强度设计值，所以C25混凝土可以承受10MPa的压应力，但承担不了10MPa的拉应力。实际上，这根素混凝土梁在q=15KN/m的均布荷载作用下早已断裂。§9-1概述二、预应力混凝土结构的基本原理在梁端加一对偏心距e0=50mm，纵向力N=300kN的预加力，在此预加力作用下，梁跨中截面上下边缘混凝土所受到的预应力为：这样就在梁的下端预先储备了10MPa

的压应力，用以抵抗外荷载作用的拉应力。在外加作用和预加纵向力的共同作用下，截面上下边缘的应力为：

这样的梁承受q=15kN/m

的均布荷载是没有问题的，而且整个截面始终处于受压工作状态。§9-1概述三、预应力混凝土结构的特点1、提高构件的抗裂度和刚度，避免混凝土出现裂缝或减少裂缝出现；2、增加了结构的耐久性；3、节省材料，减轻自重；4、可用于建造大跨度承重结构。5、增加结构的耐疲劳性能；6、需专业队伍、特殊设备、费用高。§9-1概述四、预应力混凝土的分类加筋混凝土结构——混凝土结构内配有纵筋的结构。加筋混凝土结构的分类：

1、全预应力混凝土

2、部分预应力混凝土

3、普通钢筋混凝土（非预应力混凝土)四、预应力混凝土的分类1、预应力度：由预加应力大小确定的消压弯矩M0与外荷载产生的弯矩Ms

的比值：

M0

：消压弯矩，也就是构件抗裂边缘预压应力抵消到0时的弯矩；Ms

：按频遇组合计算的弯矩。2、加筋混凝土结构的分类标准：全预应力砼构件：λ≥1部分预应力砼构件：1＞λ＞0（分为A类和B类）

钢筋砼构件：不施加预应力的砼构件，即λ＝0A类：拉而有限B类：裂而有限§9-1概述§9-2部分预应力混凝土单元九预应力混凝土结构的基本概念及材料§9-2部分预应力混凝土1、能说出部分预应力混凝土的定义；2、能说出部分预应力混凝土结构的优缺点。学习目标：✷说明：是重点；既是重点，也是难点。✱✱✱✷§9-2部分预应力混凝土一、部分预应力混凝土结构的基本概念1、全预应力混凝土结构的不足：若按全预应力设计，“零应力”或“无拉应力”是全预应力混凝土设计的准则。它虽具有刚度大、抗疲劳、防渗漏等优点，但也存在很多不足，如：其截面配筋常由使用荷载下不出现拉应力的条件控制，其受弯承载力安全系数往往偏大，浪费钢材；结构构件的反拱过大，影响行车顺适；当预加力过大时，锚下混凝土横向拉应变超出极限拉应变，易出现沿预应力钢筋纵向不能恢复的水平裂缝等。§9-2部分预应力混凝土一、部分预应力混凝土结构的基本概念2、部分预应力混凝土的概念：部分预应力混凝土结构是针对全预应力混凝土在理论和实践中存在的问题而发展起来的。它介于全预应力混凝土和普通混凝土结构之间。即这种构件按正常使用极限状态设计时，按作用频遇组合，容许其截面受拉边缘出现拉应力或出现裂缝。如我国杭州湾大桥的非通航孔桥就采用部分预应力混凝土箱梁，通过"预应力+普通钢筋"协同受力，兼顾抗裂性与延性，从而适应海洋腐蚀环境。§9-2部分预应力混凝土二、部分预应力混凝土结构的受力特征1.部分预应力砼梁的受力特性介于全预应力和钢筋砼之间；2.荷载较小时，部分预应力砼梁与全预应力砼梁相似，但部分预应力砼梁的反拱度较小；3.在使用荷载下，部分预应力砼梁即是开裂，但裂缝宽度较钢筋砼梁为小，且闭合能力好；挠度介于全预应力梁与钢筋砼梁之间。三、部分预应力混凝土结构的优缺点§9-2部分预应力混凝土优点：1.节省锚具和力筋2.改善了结构性能

(1)由于预加力小，故反拱减小，锚下砼局部应力降低。

(2)裂缝闭合能力强，综合使用性质优于钢筋砼。

(3)由于配置了普通钢筋，提高了延性，有利于抗震。缺点：1、与全预应力混凝土相比：（1）抗裂性略低，（2）刚度较小，（3）设计计算略为复杂；2、与普通钢筋混凝土相比，施工工艺复杂。§9-2部分预应力混凝土四、非预应力钢筋的作用1、作用：（1）非预应力钢筋可以改善裂缝的分布，增加极限承载力；（2）提高结构破坏时的延性；（3）可以配置在结构中难以配置预应力筋的部分。a)改善裂缝分布及提高强度；b）连续梁的负弯矩区设置非预应力筋§9-2部分预应力混凝土四、非预应力钢筋的作用2、按非预应力钢筋在结构中功能的不同，可分为三种：（1）用非预应力钢筋来加强应力传递时梁的承载力。（2）用来承受临时作用（荷载）或者意外作用（荷载）。（3）改善梁的结构性能以及提高梁的承载能力。§9-3预加应力的方法与设备单元九预应力混凝土结构的基本概念及材料§9-3预加应力的方法与设备1、能叙述先张法和后张法的定义；2、能说出并认识部分锚具、千斤顶等设备。学习目标：✷✷说明：是重点；既是重点，也是难点。✱✱✱✷§9-3预加应力的方法与设备一、预加应力的主要方法1、先张法

定义：先张法是先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。

特点：靠钢筋和混凝土之间的粘结力来传递和保持预应力。

优点：先张法生产工艺简单、工序少，效率高、质量容易保证，适宜工厂化大批量生产。

缺点：需要专门的张拉台座，基建投资较大。先张法一般宜于生产直线配筋的中小型构件。§9-3预加应力的方法与设备一、预加应力的主要方法2、后张法

定义：先浇筑混凝土后张拉钢筋的方法。张拉钢筋的同时，构件混凝土受到预压。

特点：后张法主要是靠锚具传递和保持预加应力的。

优点：后张法不用加力台座，张拉设备简单，便于现场施工，是生产大型预应力混凝土构件的主要方法。预应力钢筋可按照需要布置成合理的曲线形。§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具1、概念

夹具和锚具是在制作预应力混凝土构件时锚固预应力筋的工具。一般将构件制成后能够重复使用的称为夹具；永远锚在构件上，与构件联成一体共同受力，不再取下的称为锚具。通常将夹具和锚具统称为锚具。2、对锚具要求：

（１）锚具受力安全可靠；

（２）预应力损失小；

（３）构造简单，制作方便，用钢量少，价格便宜；

（４）施工设备简便，张拉锚固方便迅速。§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具3、锚具的分类（1）依靠摩阻力锚固的锚具；如锥形锚、夹片式群锚、JM锚（2）依靠承压锚固的锚具；如镦头锚、钢筋螺纹锚（3）依靠粘结力锚固的锚具；如先张法的筋束锚固、后张法固定端的钢绞线压花锚具§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具4、几种常用的锚具（1）锥形锚(又称弗氏锚):包括锚圈和锚塞(又称锥销)

。工作原理：通过张拉钢束时顶压锚塞，将预应力钢丝卡在锚圈与锚塞间，当张拉千斤顶放松预应力钢丝后，钢丝向梁内回缩时带动锚塞向锚圈内楔紧，这样预应力钢丝通过摩阻力将预应力传到锚圈，然后由锚圈承压，将预加力传到混凝土构件上。§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具4、几种常用的锚具（1）锥形锚优点：锚固方便，横截面积小，便于在梁体上分散布置。

缺点：锚固时钢筋回缩量大，预应力损失大，不能重复张拉或接长，使钢筋设计长度受到千斤顶行程的限制。但近年在这些方面已有较大改进。§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具4、几种常用的锚具（2）镦头锚(又称BBRV锚)§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具4、几种常用的锚具（3）螺纹锚§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具4、几种常用的锚具（3）螺纹锚

用于锚固高强粗钢筋，其构造很简单，即用一锚固螺帽直接拧紧在已张拉的高强粗钢筋上的螺纹上。这种锚具构件简单，施工方便，且较为可靠，预应力损失小。§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具4、几种常用的锚具（4）夹片锚§9-3预加应力的方法与设备二、夹具和锚具4、几种常用的锚具（4）夹片锚夹片锚。夹片锚具有各种不同的形式，但都是用来锚固钢绞线的。由于近年来在大跨度预应力混凝土结构中大都采用钢绞线，因此夹片锚具的使用随之增多。国内主要的夹片锚具为JM、XM、QM、YM及OVM系列锚具，可锚固由几根至几十根钢绞线组成的钢束。§9-3预加应力的方法与设备三、千斤顶千斤顶：能够顺利进行张拉、锚固，与锚具配套的张拉设备。千斤顶常与锚具配套研制。表9-1所列为国产锚具常用的千斤顶设备。右图为夹片式锚具配套的千斤顶。§9-4预应力混凝土结构的材料单元九预应力混凝土结构的基本概念及材料§9-4预应力混凝土结构的材料1、能叙述预应力混凝土结构对所用混凝土的要求；2、能叙述预应力混凝土对所用钢材的要求。学习目标：✷说明：是重点；既是重点，也是难点。✱✱✱✷一、对混凝土材料的要求１、强度高。预应力混凝土结构中常用混凝土强度等级，《桥规》规定：预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。2、收缩、徐变小。混凝土的收缩和徐变，使预应力混凝土构件缩短，因而引起预应力钢筋预应力下降，通常称此为预应力损失。3、快硬、早强。能尽快对构件施加预应力。§9-4预应力混凝土结构的材料二、对钢筋的要求§9-4预应力混凝土结构的材料

用于预应力混凝土结构中的钢材有钢筋、钢丝、钢绞线三大类。工程上对于预应力钢材有下列要求：①高强度②有较好的塑性和可焊性；