建筑结构-项目4-4.5 预应力混凝土构件

高职高专建筑工程技术专业建筑结构BuildingStructure——项目化教学配套课件——混凝土结构·砌体结构·钢结构建筑结构教材编写组

项目4设计钢筋混凝土基本受力构件

4.5预应力混凝土构件模块二钢筋混凝土结构

目录CONTENTS

4.5.1预应力混凝土的基本概念普通钢筋混凝土的缺点·预应力基本原理·简支梁应力叠加分析·预应力的优点与工程应用

4.5.2施加预应力的方法及锚具先张法施工工艺·后张法施工工艺·无黏结预应力后张法·三种方法对比·锚具和夹具类型

4.5.3张拉控制应力与预应力损失张拉控制应力限值（表4-19）·六项预应力损失（σl1~σl6）·各项损失的减少措施

4.5.4材料及主要构造要求预应力钢筋种类·混凝土强度等级要求·截面形式与尺寸·先张法/后张法构造措施·锚具防腐防火建筑结构·4.5预应力混凝土构件学习目标知识目标•理解预应力混凝土的基本概念与原理•掌握先张法与后张法的工艺区别•理解张拉控制应力与预应力损失能力目标•能区分先张法与后张法的适用场景•能查阅规范确定张拉控制应力限值•能识读预应力构件配筋构造图素养目标•树立工匠精神，把控张拉质量•认识预应力技术的战略意义•增强规范意识，按标准工艺施工本节概述预应力混凝土是解决普通钢筋混凝土过早开裂、无法充分利用高强度材料这一核心矛盾的关键技术。本节从基本概念入手，通过简支梁应力叠加模型阐明预应力原理，系统讲解先张法、后张法、无黏结后张法三种施工工艺及锚具体系，深入分析张拉控制应力限值与六项预应力损失，最后落实到材料选用和构造要求。通过本节学习，为后续预应力构件设计计算和工程实践奠定坚实基础。1建筑结构·4.5预应力混凝土构件工程导入：为什么需要预应力混凝土？大跨度预应力混凝土连续梁桥工程痛点普通钢筋混凝土受拉区混凝土极限拉应变仅约1.0×10⁻⁴~1.5×10⁻⁴，荷载作用下通常带裂缝工作。不允许开裂的构件，受拉钢筋最大应力仅20~30N/mm²；允许开裂的构件，钢筋应力也仅达150~250N/mm²，高强度钢筋无法发挥作用。解决方案：预先施加压应力在构件受外荷载之前，预先对混凝土受拉区施加压应力，用以抵消或减小外荷载产生的拉应力。这样可延缓裂缝出现、提高构件刚度和抗裂度，充分利用高强度材料，实现大跨度、轻量化的工程目标。2建筑结构·4.5预应力混凝土构件4.5.1预应力混凝土的基本概念预应力混凝土结构的定义在结构构件受外荷载作用之前，通过一定方法预先对由外荷载引起的混凝土受拉区施加压力，用由此产生的预压应力来减小或抵消将来外荷载所引起的混凝土拉应力。这种构件受外荷载以前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构就称为预应力混凝土结构。普通钢筋混凝土的两大缺点缺点一：高强度材料无法发挥受"裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值"约束，高强度钢筋及高强度等级混凝土无法发挥作用。不裂构件钢筋应力仅20~30N/mm²；带裂缝工作也仅150~250N/mm²。缺点二：刚度降低、自重增大过早开裂导致构件刚度降低，为满足变形控制要求需加大截面尺寸。既不经济又增加自重，跨度越大自重占比越高，应用范围受限。预应力混凝土梁配筋构造3建筑结构·4.5预应力混凝土构件预应力基本原理：简支梁应力叠加分析图4-75预应力混凝土简支梁的受力分析(a)预加压力作用在梁受拉区施加偏心预压力N，下边缘混凝土产生预压应力σc，梁产生反拱。(b)使用荷载作用使用荷载（含自重）作用下，梁下边缘产生拉应力σt，梁向下挠曲。(c)共同作用（叠加）截面下边缘最终应力=σt−σc。控制预压力N大小，可使截面不出现拉应力（一级抗裂），或延缓开裂、减小裂缝宽度。4建筑结构·4.5预应力混凝土构件预应力混凝土的优点与工程应用①提高抗裂性能使构件不出现裂缝或减小裂缝宽度，扩大了钢筋混凝土构件的应用范围，可用于不允许开裂的结构。②增强构件刚度减少构件变形，预压应力产生的反拱可抵消部分荷载挠度，可建造大跨度结构。③提高耐久性不裂或裂缝小，减少外界环境对钢筋的侵蚀，满足构件设计使用年限要求。④充分利用高强材料减少钢筋用量、减小截面尺寸，减轻构件自重，节约材料，降低造价。工程应用领域房屋建筑：屋架、起重机梁、空心板、檩条等预制构件；大跨度、高层房屋现浇结构交通工程：公路/铁路桥梁、立交桥、飞机跑道特种结构：蓄液池、压力管道、预应力混凝土船体、原子能反应堆容器、海洋工程结构注意：单从承载力角度，预应力不能提高构件承载能力——截面尺寸和材料强度相同时，预应力与普通RC受弯构件承载力相同。5建筑结构·4.5预应力混凝土构件4.5.2施加预应力的三种方法构件中预应力的建立，都依靠张拉钢筋来实现。根据张拉钢筋与浇筑混凝土的先后次序，分为以下三种方法：先张法工艺流程：台座张拉钢筋→临时锚固→浇筑混凝土→达强度后放松切断钢筋传力方式：靠钢筋与混凝土之间的黏结力传递预应力适用：工厂化生产中小型构件（楼板、屋面板）后张法工艺流程：浇筑混凝土（预留孔道）→穿筋→以构件为台座张拉→锚具锚固→孔道灌浆传力方式：靠构件两端的锚具保持预应力适用：现场施工大型构件（不便运输）无黏结后张法工艺流程：钢筋涂油脂包塑料套管→如普通钢筋铺设→浇筑混凝土→达强度后张拉锚固传力方式：靠两端锚具，钢筋可纵向滑动特点：免去留孔、穿筋、灌浆，可弯成曲线6建筑结构·4.5预应力混凝土构件先张法施工工艺图4-76先张法主要工序核心定义先张拉钢筋，后浇混凝土施工工序（四步）①张拉钢筋：在台座或钢模上张拉预应力钢筋，临时锚固②浇筑混凝土：支模并浇捣混凝土③养护达强：混凝土达到规定强度（一般≥75%设计强度）④放松切断：放松并切断预应力钢筋，钢筋回缩挤压混凝土传力方式：先张法构件的预应力是靠预应力钢筋与混凝土之间的黏结力来传递的。特点：工序少、工艺简单、质量有保证，适于工厂化生产中小型构件（楼板、屋面板等），台座越长一次生产构件越多。7建筑结构·4.5预应力混凝土构件后张法施工工艺图4-77后张法主要工序核心定义先浇混凝土留孔道，后穿筋张拉施工工序（五步）①浇筑混凝土：浇筑构件，预留孔道②穿预应力筋：混凝土达规定强度后，孔道中穿筋③张拉钢筋：以构件本身为加力台座张拉，同时挤压混凝土④锚具锚固：张拉端用锚具锚固预应力钢筋⑤孔道灌浆：孔道内压力灌浆，使钢筋与构件形成整体传力方式：后张法是靠构件两端的锚具来保持预应力的。特点：施工程序及工艺较复杂，需专用张拉设备和大量特制锚具，用钢量较大；但不需固定台座，可现场施工，应用灵活，适于不便运输的大型构件。8建筑结构·4.5预应力混凝土构件无黏结后张法与三种方法对比无黏结预应力后张法在预应力钢筋表面涂抹防腐蚀油脂并包以塑料套管后，如同普通钢筋先铺设在模板内浇筑混凝土。待混凝土达设计强度后，利用钢筋可纵向滑动的特性进行张拉、锚固，通过两端锚具使结构产生预应力。优点：免去预留孔洞、穿筋、灌浆等繁杂工序，施工简单，钢筋易弯成多跨曲线形状。图4-78无黏结后张法工序无黏结预应力筋（油脂+塑料套管）三种施加预应力方法对比对比项先张法后张法无黏结后张法张拉与浇筑顺序先张拉钢筋，后浇混凝土先浇混凝土留孔道，后穿筋张拉先浇混凝土，后张拉（无孔道）传力方式钢筋与混凝土的黏结力构件两端锚具两端锚具（钢筋可滑动）适用范围工厂化生产中小型构件现场施工大型构件现浇楼板、曲线配筋结构锚具需求临时夹具（可重复使用）永久锚具（留在构件上）永久锚具+防腐油脂套管9建筑结构·4.5预应力混凝土构件锚具和夹具为阻止被张拉的钢筋发生回缩，必须将钢筋端部进行锚固。锚固预应力钢筋的工具分为锚具和夹具两种类型。夹具（先张法）构件制成后能够取下重复使用的称为夹具，用于先张法构件。锚具（后张法）留在构件上不再取下的称为锚具，用于后张法构件。锚具和夹具按受力原理分类①依靠摩擦力锚固锥形锚具、波形夹具、JM12型、XM型、QM型锚具等②依靠承压锚固镦头锚具及夹具、钢筋螺纹锚具等③依靠黏结力锚固依靠钢筋与混凝土之间的黏结力进行锚固（先张法）10建筑结构·4.5预应力混凝土构件4.5.3张拉控制应力张拉控制应力的定义张拉控制应力是指张拉预应力时，预应力钢筋所达到的规定的应力数值，以σcon表示。σcon应定得高一些，以使混凝土获得较高预压应力，提高抗裂度、减小挠度。但过高会使构件开裂弯矩和极限弯矩接近，破坏时变形小、延性差，无明显预兆。表4-19张拉控制应力限值表4-19张拉控制应力限值要点解读消除应力钢丝、钢绞线最大限值：σcon≤0.75fptk最小限值：σcon不应小于0.4fptkfptk为预应力钢筋极限强度标准值中强度预应力钢丝最大限值：σcon≤0.70fptk最小限值：σcon不应小于0.4fptk限值略低于消除应力钢丝预应力螺纹钢筋最大限值：σcon≤0.85fpyk最小限值：σcon不宜小于0.5fpykfpyk为预应力螺纹钢筋屈服强度标准值11建筑结构·4.5预应力混凝土构件预应力损失（σl1~σl6）由于施工工艺和材料性能等原因，预应力钢筋中的初始预应力在制作、运输及使用过程中不断降低，称为预应力损失。按引起因素分为以下六种：σl1锚具变形和钢筋内缩原因：锚具、垫板缝隙被压紧或钢筋在锚具中滑动内缩。减损措施：①选变形小的锚具，少用垫板②先张法选较长台座σl2孔道壁摩擦原因：后张法张拉时钢筋与孔道壁接触产生摩擦阻力（后张法特有）。减损措施：①用润滑剂减小摩擦系数②较长构件两端张拉③采用超张拉工艺σl3温差损失（先张法）原因：蒸汽养护时台座温度低，钢筋受热膨胀导致张拉应力降低（先张法特有）。减损措施：①两次升温养护（先常温后升温）②在钢模上张拉，同步升温σl4钢筋应力松弛原因：钢筋在高应力长期作用下，长度不变时应力随时间增长而逐渐降低的现象。减损措施：进行超张拉。超张拉可使应力松弛损失显著降低。σl5混凝土收缩和徐变原因：混凝土硬化时体积收缩，预应力作用下沿压力方向徐变，均使构件缩短、钢筋内缩。减损措施：①高强度等级水泥，减小水灰比②级配好的骨料，加强振捣③加强养护，减少收缩σl6螺旋筋挤压混凝土原因：螺旋式预应力钢筋配筋的环形构件（直径d≤3m），预应力钢筋挤压混凝土使环形直径减小、钢筋缩短。减损措施：增大环形构件的直径。直径越大，局部挤压引起的损失越小。12建筑结构·4.5预应力混凝土构件有效预应力与回缩损失计算有效预应力σpe的概念由于预应力施工工艺和材料性能等原因，预应力钢筋中的初始预应力在制作、运输及使用过程中不断降低。预应力钢筋在完成全部预应力损失后实际保持的拉应力，称为有效预应力。计算公式：σpe=σcon−σl，其中σl=σl1+σl2+σl3+σl4+σl5+σl6（全部六项损失之和）σl1先张法：锚具变形和钢筋内缩计算公式：σl1=a×Es/la：锚具变形和钢筋内缩值（mm）Es：预应力钢筋弹性模量（N/mm²）l：张拉端至锚固端的距离（mm）特点：台座越长，相对变形越小，损失越小。σl1后张法：考虑孔道反摩擦影响后张法钢筋内缩时，因孔道摩擦的反作用，内缩值沿长度递减。计算公式：σl1(x)=2σcon·lf·(μ/rc+κ)·(1−x/lf)lf：反摩擦影响长度；x：计算截面至张拉端距离特点：损失沿构件长度变化，张拉端最大，lf处为零。预应力损失的分批组合（第一批+第二批=全部损失σl）先张法：第一批（混凝土预压前）：σl1+σl2+σl3+0.5σl4第二批（混凝土预压后）：0.5σl4+σl5全部损失：σl=σl1+σl2+σl3+σl4+σl5（σl6仅环形构件，先张法一般不考虑）后张法：第一批（混凝土预压前）：σl1+σl2第二批（混凝土预压后）：σl4+σl5+σl6全部损失：σl=σl1+σl2+σl4+σl5+σl6（σl3温差损失为先张法特有，后张法不考虑）13建筑结构·4.5预应力混凝土构件4.5.4预应力混凝土的材料及构造要求预应力钢筋张拉时受很高拉应力，使用荷载下还会继续提升，必须采用高强度钢筋。一般采用：•钢绞线•中强度预应力钢丝•消除应力钢丝•预应力螺纹钢筋混凝土强度等级压应力越高预应力效果越好，应采用高强度等级混凝土。《混凝土结构通用规范》GB55008—2021规定：•预应力混凝土楼板≥C30•其他预应力构件≥C40预应力混凝土梁配筋构造（T形/工字形截面）截面形式与尺寸轴心受拉构件：正方形或矩形截面受弯构件：T形、工字形及箱形截面预应力构件抗裂度和刚度较大，截面高度可比普通RC构件小：•梁高h=(1/20~1/14)l，最小可为1/35l•大致可取普通RC梁高的70%•翼缘宽(1/3~1/2)h，腹板宽尽可能薄关键构造措施先张法：钢筋净间距≥公称直径2.5倍和粗骨料1.25倍；端部设螺旋筋或钢筋网片后张法：预留孔道水平净距≥50mm，至边缘≥30mm；孔道内径比预应力束外径大6~15mm无黏结筋：板中单根间距≤板厚6倍且≤1m；带状束≤5根外露锚具：必须采取可靠防腐及防火措施，混凝土封闭≥C3014建筑结构·4.5预应力混凝土构件全预应力、部分预应力与预应力度全预应力混凝土定义：在使用荷载作用下，受拉区混凝土不出现拉应力，严格要求构件不开裂。优点：①抗裂性能好，构件不出现裂缝②刚度大，变形小③耐久性好，钢筋不易锈蚀缺点：①预应力筋用量大，造价高②反拱较大，影响使用③延性较差，破坏预兆不明显适用：抗裂要求高的结构，如水池、压力容器、吊车梁等。部分预应力混凝土定义：在使用荷载作用下，受拉区混凝土允许出现拉应力甚至有限裂缝，预应力筋配筋较少。优点：①节省预应力筋，降低造价②反拱小，使用性能好③延性好，破坏有明显预兆④施工方便，经济性好缺点：①抗裂性较低，可能出现裂缝②需控制裂缝宽度在限值内适用：一般建筑结构，如楼板、框架梁等，经济性好。预应力度λ——衡量预应力大小的指标定义：预应力度λ=M0/M，其中M0为消压弯矩（使受拉区混凝土预压应力抵消为零的弯矩），M为使用荷载弯矩。按预应力度分类：①全预应力（λ≥1）：使用荷载下受拉区混凝土不出现拉应力，严格抗裂。②部分预应力（0<λ<1）：允许受拉区出现拉应力或有限裂缝，经济性好。③钢筋混凝土（λ=0）：无预应力，即普通钢筋混凝土构件。工程意义：选择预应力度是预应力混凝土设计的重要决策，需综合抗裂要求、经济性、延性和使用功能等因素确定。15建筑结构·4.5预应力混凝土构件本节小结与学习要求知识要点回顾1.基本概念：预先对混凝土受拉区施加压应力，抵消外荷载拉应力，延缓开裂、提高刚度。2.应力叠加：截面下边缘最终应力=σt−σc，控制预压力N可实现不同抗裂等级。3.三种方法：先张法（黏结力传力，工厂生产）、后张法（锚具传力，现场施工）、无黏结后张法（免孔道灌浆，可曲线配筋）。4.锚具夹具：夹具可重复使用（先张法），锚具永久留在构件上（后张法）；按摩擦、承压、黏结三类受力原理。5.张拉控制应力：σcon按钢筋类型取0.70~0.85倍强度标准值，过高延性差、过低效果差。6.六项损失：σl1锚具变形、σl2摩擦、σl3温差、σl4松弛、σl5收缩徐变、σl6挤压；有效预应力σpe=σcon−σl。7.材料构造：高强钢筋+≥C30/C40混凝土；T形/工字形截面；先张法端部构造、后张法孔道布置、锚具防腐防火。学习要求掌握：①预应力混凝土的基本概念和受力原理②先张法、后张法、无黏结后张法的工艺区别和传力方式③张拉控制应力σcon的取值原则④六项预应力损失的产生原因和减少措施⑤有效预应力σpe的计算和损失分批组合理解：①全预应力与部分预应力的区别及预应力度λ②预应力不能提高正截面承载力的原因③锚具和夹具的分类及受力原理了解：①预应力混凝土对材料的要求②先张法和后张法的构造要求16建筑结构·4.5预应力混凝土构件思考与练习（一）4-1混凝土保护层的作用是什么？梁、板的保护层厚度按规定应如何取值？4-2板内有哪些钢筋？各起什么作用？如何设置？4-3梁内有哪些钢筋？各起什么作用？如何设置？4-4适筋梁从开始加载到正截面承载力破坏经历哪几个阶段？每个阶段是哪种极限状态设计的基础？4-5受弯构件正截面的破坏形态有哪些？哪一种是在设计中允许的？4-6单筋矩形截面承载力计算公式是如何建立的？为什么要规定其适用条件？4-7T形截面翼缘计算宽度为什么是有限的？其取值与什么有关？4-8梁斜截面受剪破坏的主要形态有哪几种？它们分别在什么情况下发生？如何防止各种破坏形态的发生？4-9轴心受压构件中纵筋、箍筋的作用是什么？受压构件箍筋的构造要求是什么？17建筑结构·4.5预应力混凝土构件思考与练习（二）4-10轴心受压短柱与长柱的破坏特征有何不同？影响稳定系数φ的主要因素有哪些？4-11举例说明工程中哪些构件属于轴心受拉构件。4-12如何区分大、小偏心受拉构件？大偏心受拉构件承载力计算公式的适用条件是什么？4-13工程中哪些构件属于受扭构件？素混凝土纯扭构件的破坏特征是什么？4-14什么是预应力混凝土结构？为什么对构件要施加预应力？4-15为什么在普通钢筋混凝土结构中不能有效地利用高强度钢筋和高强度等级混凝土？而在预应力混凝土结构中却必须采用高强度钢筋和高强度等级混凝土？4-16与普通钢筋混凝土构件相比，预应力混凝土构件有何优点？4-17预应力施加方法有几种？它们的主要区别是什么？各自的特点和适用范围如何？4-18预应力混凝土结构对材料有哪些要求？18建筑结构·4.5预应力混凝土构件参考答案（一）4-1~4-94-1混凝土保护层作用及梁板取值作用：保护钢筋不锈蚀；保证钢筋与混凝土黏结；火灾时延缓钢筋升温。取值：按环境类别和构件类型确定。一类环境梁≥20mm，板≥15mm。4-2板内钢筋种类、作用及设置①受力钢筋：承受弯矩拉力，沿受力方向配置在受拉区；②分布钢筋：垂直于受力筋，固定位置、承受收缩温度应力、传布荷载。4-3梁内钢筋种类、作用及设置①纵向受力筋：承受弯矩拉/压力，配置在受拉/受压区；②箍筋：承受剪力、固定纵筋，封闭式；③架立筋：固定箍筋形成骨架，在上部；④腰筋（纵向构造筋）：梁高较大时配在两侧，防收缩裂缝。4-4适筋梁三阶段及设计基础Ⅰ阶段（弹性）：混凝土未开裂，应力线性分布→抗裂验算基础（正常使用）；Ⅱ阶段（带裂缝）：受拉区开裂，拉力由钢筋承担→裂缝宽度和变形验算基础；Ⅲ阶段（破坏）：钢筋屈服，混凝土压碎→承载力计算基础（承载能力）。4-5正截面破坏形态及允许类型①适筋破坏：钢筋先屈服，混凝土后压碎，塑性破坏有预兆；②超筋破坏：混凝土先压碎，钢筋未屈服，脆性；③少筋破坏：一裂即断，脆性。设计只允许适筋破坏。4-6单筋矩形公式建立及适用条件建立：基于Ⅲ阶段应力图，等效矩形化，由∑X=0和∑M=0得：α1fcbx=fyAs，M≤α1fcbx(h0-x/2)。适用条件：x≤ξbh0（防超筋）；ρ≥ρmin（防少筋）。4-7T形翼缘计算宽度有限的原因原因：翼缘压应力不均匀，离梁肋越远越小，远离肋处不能有效参与受压，故限制在一定宽度内。取值有关：计算跨度l0、梁净距sn、翼缘高度比h'f/h0，取三者最小值。4-8斜截面受剪破坏形态及防止①斜压破坏：λ<1或配箍过多，短柱压碎→限制截面最小尺寸；②斜拉破坏：λ>3或配箍过少，一裂即坏→控制最小配箍率和最大间距；③剪压破坏：λ=1~3配箍适当→通过计算配置箍筋防止。4-9轴心受压构件纵筋、箍筋作用及箍筋构造要求纵筋作用：协助混凝土承压减小截面；承受偶然偏心拉力；防止突然脆性破坏。箍筋作用：防止纵筋压屈；与纵筋形成骨架；承受剪力。构造要求：封闭式；直径≥d/4（d为纵筋最大直径）且≥6mm；间距≤400mm、≤短边尺寸、≤15d。19建筑结构·4.5预应力混凝土构件参考答案（二）4-10~4-184-10短柱与长柱破坏特征及φ影响因素短柱（l0/b≤8）：钢筋先屈服，混凝土达抗压强度破坏，纵向弯曲可忽略。长柱（l0/b>8）：初始偏心产生侧向挠曲和附加弯矩，在弯压共同作用下破坏，可能失稳，承载力低于短柱。影响φ的主要因素：长细比l0/b（或l0/d、l0/i），越大φ越小。4-