《建 筑 结 构（第2版）》-7

第一节预应力混凝土概述一、预应力混凝土的概念预应力混凝土结构是指在结构构件受外荷载作用前，通过张拉钢筋，利用钢筋的回弹，人为地对受拉区的混凝土施加压力，由此产生的预压应力用以减少或抵消由外荷载作用下所产生的混凝土拉应力，使结构构件所承受的拉应力减小，甚至处于受压状态，从而延缓混凝土开裂或使构件不开裂。二、预应力混凝土的种类（１）按制作方法划分，预应力混凝土可分为先张法和后张法。先张法为制作预应力混凝土构件时先张拉预应力钢筋后浇筑混凝土。后张法为先浇筑混凝土，待混凝土达到规定强度后再张拉预应力钢筋下一页返回第一节预应力混凝土概述（２）按构件中预加应力的大小程度，预应力混凝土可分为全预应力法和部分预应力法。全预应力法为在预应力及使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力，即为全截面受压。部分预应力法为构件截面混凝土允许出现拉应力或开裂，即只有部分截面受压。可分为Ａ类和Ｂ类。Ａ类为在使用荷载作用下，构件预压区混凝土正截面的拉应力不超过规定的允许值。Ｂ类为在使用荷载作用下，构件预压区混凝土正截面的拉应力允许超过规定的限值，但当裂缝出现时，其宽度不超过容许值。（３）按施工方式的不同，预应力混凝土可分为有粘结预应力和无粘结预应力。有粘结预应力混凝土为沿预应力筋全长其周围均与混凝土粘结、握裹在一起的预应力混凝土结构。先张预应力结构及预留孔道穿筋压浆的后张预应力结构均属有粘结预应力构造。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述无粘结预应力混凝土为预应力筋伸缩、滑动自由，不与周围混凝土粘结的预应力混凝土结构。无粘结预应力结构的预应力筋表面涂有防锈材料，外套防老化的塑料管，防止与混凝土粘结。无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合。三、预应力混凝土的原理及特点１．预应力混凝土的原理（１）预应力混凝土结构构件一般是通过张拉预应力筋的回弹挤压，使混凝土截面受到某种量值与分布的内压力，以便局部或全部抵消使用荷载应力。在被张拉的预应力筋中存在预拉应力。因此，预应力可以改善结构构件的裂缝和变形性能。在使用前预先施加的永久性内应力，以及钢材中的拉应力与混凝土中的压应力组成一个自平衡系统。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述（２）推动采用预应力混凝土的主要原因是节约材料。一般来说，预应力钢材的抗拉强度约为普通钢筋的４倍，但价格则不到普通钢筋的４倍。（３）预应力不能提高混凝土构件的强度。预应力构件常使用高强混凝土，这些构件承载力的提高得益于高强混凝土，而不是预加应力。（４）通过消除使用荷载下形成的多数裂缝，预加应力能大大改善混凝土构件的耐久性。（５）预应力在控制混凝土构件的挠度方面是很有用的。因为它产生与荷载挠度反向的挠度。与同样尺寸的非预应力构件相比，预应力使总挠度显著减小。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述２．超静定预应力混凝土结构的特点（１）优点。①超静定结构的跨中和支座处的弯矩分布相对较均匀，结构中最大弯矩较小，因而可减小构件截面尺寸，减轻结构自重；②超静定结构会产生内力重分布，因而能承担更大的荷载；③超静定结构的挠度较小；④预应力混凝土框架节点采用刚接，将增加结构的刚性和稳定性；⑤预应力钢筋在后张预应力混凝土连续梁或框架梁中可连续布置，同一束预应力钢筋既能抵抗跨中弯矩，又能抵抗支座弯矩，进一步节约了钢材，并可减少锚具用量。（２）缺点。①在多跨连续结构中，通常预应力钢筋随弯矩图连续多波布置，将导致较大的预应力摩擦损失；②由于温度、徐变及地基不均匀沉降等因素的影响，超静定结构中将产生一定的、有时是相当大的超静定内力；③超静定预应力混凝土结构计算较为麻烦，除了需计算由外荷载所产生的内力之外，还需计算由预应力产生的附加内力；④施工难度大。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述３．部分预应力混凝土结构的特点（１）相同配筋率、不同预应力度有粘结适筋梁的弯矩挠度曲线如图７-１所示。在荷载的短期组合作用下，受弯构件最大弯矩截面底纤维混凝土拉应力等于零时属于全预应力梁，其弯矩-挠度曲线为图中曲线１；钢筋混凝土梁的曲线为图中曲线３；在荷载的短期组合作用下，最大弯矩截面底纤维混凝土拉应力正好等于γfｔｋ时限值预应力梁的曲线为图中曲线２。介于全预应力混凝土与钢筋混凝土两个极端之间的部分即为广义的部分预应力混凝土，包括限值预应力与部分预应力两个部分。在实际设计中，荷载挠度曲线一般都落在曲线１和曲线２之间，或略低于曲线２的范围内。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述（２）为实现部分预应力有多种方法，在采用钢绞线或碳素钢丝的构件中，采用高强度预应力筋与非预应力普通钢筋（ＨＲＢ３３５级、ＨＲＢ４００级钢筋）混合配筋，是当前实现部分预应力的普遍方法。由于非预应力筋有利于控制裂缝和挠度的发展，故结构延性好。部分预应力结构的优点主要有：①全预应力设计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。部分预应力有利于节约预应力筋。②全预应力结构，特别是在恒荷载小、活荷载大的条件下会发生长期反拱的问题。这是由于预压区混凝土长期处于高压应力状态引起的徐变，使反拱不断增长的缘故。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述部分预应力结构由于预加力较小，可避免过大的长期反拱问题。③与钢筋混凝土结构相比，部分预应力混凝土具有适量的预应力，在正常使用状态下，其裂缝经常是闭合的。即使当全部活荷载偶然出现时，构件将出现裂缝，但这些裂缝将随活荷载的移去而闭合或仅有微裂缝。可见裂缝对部分预应力结构的危害性并不像对钢筋混凝土结构那样严重，因为后者的裂缝始终存在且不闭合。④部分预应力结构由于配置有普通钢筋，在破坏时呈现的延性和能量吸收能力，较全预应力好，对结构抗震有利。⑤当构件支座不能自由滑动时，全预应力构件的纵向缩短（收缩与徐变），由于受相邻构件的约束而引起的拉应力能造成严重的裂缝。此外，当预压应力过大时会发生沿预应力筋方向的水平裂缝。解决的有效方法是改用部分预应力以降低预压应力。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述由此可见，全预应力混凝土结构在加筋混凝土中并不一定是最佳方案，它存在的一些缺点，主要是由于预应力高强钢材的性能和预加力过大所引起的。采用混合配筋以降低预应力并用普通钢筋来控制开裂后结构的裂缝与挠度是克服全预应力缺点的有效方法。因此，部分预应力混凝土既具有全预应力混凝土与钢筋混凝土二者的一些共同优点，又基本上排除了两者的主要缺点，现已成为加筋混凝土系列中的主要发展趋势。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述四、预应力混凝土构件对材料的要求预应力混凝土构件对材料的要求如下：（１）预应力混凝土结构中的钢筋包括预应力钢筋和非预应力钢筋。非预应力钢筋宜采用ＨＲＢ４００级和ＨＲＢ３３５级钢筋，也可采用ＨＰＢ３００级和ＲＲＢ４００级钢筋。预应力钢筋必须具有很高的强度，《设计规范》规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝及热处理钢筋。此外，预应力钢筋还应具有一定的塑性、良好的可焊性以及用于先张法构件时与混凝土有足够的粘结力。上一页下一页返回第一节预应力混凝土概述（２）预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于Ｃ３０；当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于Ｃ４０。当采用山砂混凝土及高炉矿渣混凝土时，尚应符合专门标准的规定。（３）无粘结预应力筋的规格及性能见表７-１。上一页返回第二节施加预应力的方法、锚具和夹具一、施加预应力的方法混凝土的预应力是通过张拉构件内钢筋实现的。根据钢筋张拉与混凝土浇筑的先后次序不同，预应力筋施加预应力的方法可分为先张法和后张法。１．先张法第一步：在台座（或钢模）上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，并用夹具临时固定，示意图如图７-２所示。第二步：支模并浇筑混凝土，养护（一般为蒸汽养护）至其强度不低于设计值的７５％时，切断预应力钢筋，示意图如图７-３所示。下一页返回第二节施加预应力的方法、锚具和夹具２．后张法第一步：浇筑混凝土制作构件，并预留孔道，如图７-４所示。第二步：在孔道中穿筋，并在构件上用张拉机具张拉预应力钢筋至控制应力，在张拉端用锚具锚住预应力钢筋，并在孔道内压力灌浆，如图７-５所示。二、锚具和夹具为了阻止被张拉的钢筋发生回缩，必须将钢筋端部进行锚固。锚固预应力钢筋和钢丝的工具有锚具和夹具两种类型。永久锚固在构件端部，与构件一起承受荷载，不能重复使用的，称为锚具；在构件制作完成后能重复使用的，称为夹具。上一页下一页返回第二节施加预应力的方法、锚具和夹具锚、夹具的种类很多，图７-６所示为几种常用的锚、夹具。其中，图７-６（ａ）为锚固钢丝用的套筒式夹具，图７-６（ｂ）为锚固粗钢筋用的螺栓端杆锚具，图７-６（ｃ）为锚固直径１２ｍｍ的钢筋或钢绞线束的ＪＭ１２夹片式锚具。上一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失一、张拉控制应力张拉钢筋时，张拉设备（如千斤顶）上的测力计所指示的总拉力除以预应力钢筋面积所得的应力值称为张拉控制应力，用σｃｏｎ表示。张拉控制应力的大小与预应力钢筋的强度标准值fｐｙｋ（软钢）或fｐｔｋ（硬钢）有关。张拉控制应力的确定应遵循以下原则：（１）张拉控制应力应尽量定得高一些。σｃｏｎ定得越高，在预应力混凝土构件配筋相同的情况下产生的预应力就越大，构件的抗裂性就越好。（２）张拉控制应力又不能定得过高。σｃｏｎ过高时，张拉过程中可能发生将钢筋拉断的现象；同时，构件抗裂能力过高时，开裂荷载将接近破坏荷载，使构件破坏前缺乏预兆。下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失（３）根据钢筋种类及张拉方法确定适当的张拉控制应力。软钢可定得高一些，硬钢可定得低一些；先张法构件的张拉控制应力可定得高一些，后张法构件可定得低一些。张拉控制应力允许值见表７-２。二、预应力损失按照某一控制应力值张拉的预应力钢筋，其初始的张拉应力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，用σl表示。预应力损失值包括以下几种：（１）σl１。锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失。主要由张拉端锚具变形和预应力筋内缩引起。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失１）先张法构件。直线预应力筋由锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失σl１应按下式计算：式中a———张拉端锚具变形和预应力筋内缩值（ｍｍ），可按表７-３采用；l———张拉端至锚固端之间的距离（ｍｍ）；Eｓ———预应力钢筋的弹性模量。块体拼成的结构，其预应力损失尚应考虑块体间填缝的预压变形。当采用混凝土或砂浆为填缝材料时，每条填缝的预压变形值可取为１ｍｍ。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失２）后张法构件。后张法构件预应力筋或折线形预应力筋由于锚具变形和预应力筋内缩引起的预应力损失值σl１，应根据曲线预应力筋或折线预应力筋与孔道之间反向摩擦影响长度lｆ范围内的预应力筋变形值等于锚具变形和预应力筋内缩值的条件确定，反向摩擦系数可按表７-４采用。减少该项损失的措施：由于犪越小或犾越大则σl１越小，所以尽量少用垫板。先张法采用长线台座张拉时σl１较小；而后张法中构件长度越大则σl１越小。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失（２）σl２。它由预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起。后张法构件预应力筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失值σl２，宜按下式计算式中l———从张拉端至计算截面的孔道长度，可近似取该段孔道在纵轴上的投影长度（ｍ）；θ———从张拉端至计算截面曲线孔道各部分切线的夹角之和（ｒａｄ）；k———考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数，按表７-４采用；μ———预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数，按表７-４采用。当kx＋μθ≤０．３时，σl２≈（kx＋μθ）σｃｏｎ。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失在式（７-２）中，对按抛物线、圆弧曲线变化的空间曲线及可分段后叠加的广义空间曲线，夹角之和θ可按下列近似公式计算：抛物线、圆弧曲线广义空间曲线式中αｖ、αｈ———按抛物线、圆弧曲线变化的空间曲线预应力筋在竖直向、水平向投影所形成抛物线、圆弧曲线的弯转角；Δαｖ、Δαｈ———广义空间曲线预应力筋在竖直向、水平向投影所形成分段曲线的弯转角增量。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失对于先张法和后张法构件在张拉端锚口摩擦及在转向装置处的摩擦引起的预应力损失值σl2，均按实测值或厂家提供的数据确定。对于较长的构件可采用一端张拉另一端补拉，或两端同时张拉，也可采用超张拉。超张拉程序为（３）σl３。混凝土加热养护时，由受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起，主要在先张法中，σl３＝２Δt［Δt为混凝土加热养护时，受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之间的温差（℃）］。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失通常采用两阶段升温养护来减小温差损失：先升温２０℃～２５℃，待混凝土强度达到７．５～１０Ｎ／ｍｍ２后，混凝土与预应力钢筋之间已具有足够的粘结力而结成整体；当再次升温时，二者可共同变形，不再引起预应力损失。因此，计算时取Δt＝２０℃～２５℃。当在钢模上生产预应力构件时，钢模和预应力钢筋同时被加热，无温差，则该项损失为零。（４）σl４。它由预应力钢筋的应力松弛引起，计算公式如下：１）消除应力钢丝、钢绞线。普通松弛：上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失低松弛：当σｃｏｎ≤０．７fｐｔｋ时当０．７fｐｔｋ＜σｃｏｎ≤０．８fｐｔｋ时当

时，预应力筋的应力松弛损失值σl４可取为零。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失采用超张拉的方法减小松弛损失。超张拉时可采取以下两种张拉程序：第一种为０→１．０３σｃｏｎ；第二种为（５）σl５。它由混凝土的收缩和徐变引起，混凝土的收缩、徐变引起受拉区和受压区纵向预应力筋的预应力损失值σl５、σl５，可按下列方法计算：先张法构件后张法构件上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失式中σｐｃ、σ′ｐｃ———受拉区、受压区预应力筋合力点处的混凝土法向压应力；f′ｃｕ———施加预应力时的混凝土立方体抗压强度；ρ、ρ′———受拉区、受压区预应力筋和普通钢筋的配筋率，对于先张法构件，

ρ＝

对后张法构件为构件的换算截面面积，Aｎ为构件的净截面面积）；对于对称配置预应力筋和普通钢筋的构件，配筋率ρ、ρ′应按钢筋总截面面积的一半进行计算。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失计算受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处的混凝土法向预应力σｐｃ、σ′ｐｃ时，预应力损失值仅考虑混凝土预压前（第一批）的损失（即这里取σｐｃ＝σｐｃ，Ⅰ，σ′ｐｃ＝σ′ｐｃ，Ⅰ），其普通钢筋中的应力σ犾５、σ′l５值应取为零；σｐｃ、σ′ｐｃ值不得大于０．５f′ｃｕ；当σ′ｐｃ为拉应力时，则式（７-９）、式（７１１）中的σ′ｐｃ应取为零。计算混凝土法向应力σｐｃ、σ′ｐｃ时，可根据构件制作情况考虑自重的影响。当结构处于年平均相对湿度低于４０％的环境下，σl５及σ′l５值应增加３０％。当采用泵送混凝土时，宜根据实际情况考虑混凝土收缩、徐变引起预应力损失值增大的影响。所有能减少混凝土收缩、徐变的措施，相应地都将减少σl５。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失（６）σl６。用螺旋式预应力钢丝（或钢筋）作配筋的环形结构构件，由于螺旋式预应力钢丝（或钢筋）挤压混凝土引起的预应力损失。σ犾６的大小与构件直径有关，构件直径越小，预应力损失越大。当结构直径大于３ｍ时，σl６可不计；当结构直径小于或等于３ｍ时，σl６可取为３０Ｎ／ｍｍ２。后张法构件的预应力筋采用分批张拉时，应考虑后批张拉预应力筋所产生的混凝土弹性压缩或伸长对于先批张拉预应力筋的影响，可将先批张拉预应力筋的张拉控制应力值σｃｏｎ增加或减小αＥσｐｃi（σｐｃi为后批张拉预应力筋在先批张拉预应力筋重心处产生的混凝土法向应力）。上一页下一页返回第三节张拉控制应力和预应力损失预应力混凝土构件在各阶段的预应力损失值宜按表７-５的规定进行组合。当计算求得的预应力总损失值小于下列数值时，应按下列数值取用：（１）先张法构件，１００Ｎ／ｍｍ２；（２）后张法构件，８０Ｎ／ｍｍ２。上一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求一、先张法预应力混凝土构件的构造要求１．先张法预应力钢筋尺寸及预留孔道尺寸（１）先张法预应力钢筋最小净间距见表７-６。（２）预留孔道的内径应比预应力钢丝束或钢绞线束外径及需穿过孔道的连接器外径大１０～１５ｍｍ。这是施工时穿筋布置预应力钢丝束或钢绞线束及锚具的起码条件。（３）端面孔道的相对位置应综合考虑锚夹具的尺寸、张拉设备压头的尺寸、端面混凝土的局部承压能力等因素而妥善布置，必要时应适当加大端面尺寸，以避免施工误差等意外因素造成张拉施工的困难。下一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求（４）对预制构件，孔道之间的水平净间距不宜小于５０ｍｍ；孔道至构件边缘的净间距不宜小于３０ｍｍ，且不宜小于孔道直径的一半（５）框架梁在支座处承受负弯矩而在跨中承受正弯矩，因此预应力钢筋往往做曲线配置。在框架梁中，曲线的预留孔道在竖直方向的净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不应小于１．５倍孔道外径；从孔壁算起的混凝土保护层厚度，在梁侧不宜小于４０ｍｍ而在梁底不宜小于５０ｍｍ。（６）大跨度受弯构件往往在制作时需要预先起拱，以抵消正常使用时产生的过大挠度，此时预留孔道宜随构件同时起拱，以免引起计算以外的次应力。上一页下一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求２．先张法预应力混凝土构件端部加固措施（１）对于单根预应力钢筋或钢筋束，可以在构件端部设置螺旋钢筋圈。其端部宜设置长度不小于１５０ｍｍ且不少于４圈的螺旋筋，如图７-７所示；当有可靠经验时，亦可利用支座垫板上的插筋代替螺旋筋，但插筋数量不应少于４根，其长度不宜小于１２０ｍｍ。（２）如果在支座处布置螺旋钢筋有困难，为满足预制构件与搁置支座连接的需要，有时在构件端部预埋支座垫板，并相应配有埋件的锚筋。可以利用支座垫板上的锚筋（插筋）代替螺旋筋约束预应力钢筋。预应力钢筋必须从两排插筋中穿过，并且插筋数量不少于４根，长度不少于１２０ｍｍ，如图７-８所示。在我国预制的屋面板端部多采用这种措施。上一页下一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求（３）对分散布置的多根预应力钢筋，每根钢筋都加螺旋钢筋圈有困难，则可以在构件端部１０d（d为预应力钢筋的公称直径）且不小于１００ｍｍ长度范围内设置３～５片与预应力钢筋垂直的钢筋网；钢筋网一般用细直径钢筋焊接或绑扎，如图７-９所示。（４）对采用预应力钢丝配筋的薄板，由于端面尺寸有限，前述局部加强配筋的措施均难以执行。可以在板端１００ｍｍ范围内适当加密横向钢筋，其数量不少于２根，如图７-１０所示。（５）槽形板类构件，应在构件端部１００ｍｍ长度范围内沿构件板面设置附加横向钢筋，其数量不应少于２根。上一页下一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求二、后张法预应力混凝土构件的构造要求（１）对预应力屋面梁、起重机梁等构件，宜将一部分预应力钢筋在靠近支座处弯起，弯起的预应力钢筋宜沿构件端部均匀布置，如图７-１１所示。（２）出于对构件安装的需要，预制构件端部预应力筋锚固处往往有局部凹进。此时应增设折线形的构造钢筋，连同支座垫板上的竖向构造钢筋（插筋或埋件的锚筋）共同构成对锚固区域的约束，如图７-１２所示。上一页下一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求（３）由于构件端部尺寸有限，集中的应力来不及扩散，端部局部承压区以外的孔道仍可能劈裂。因此，在局部受压间接钢筋配置区以外，在构件端部长度不小于３e（e为截面重心线上部或下部预应力钢筋的合力点至邻近边缘的距离）但不大于１．２h（h为构件端部截面高度）、高度为２犲的附加配筋区范围内，应均匀配置附加箍筋或网片，其体积配筋率ρｖ应不小于０．５％，如图７-１３所示。（４）如果构件端部预应力钢筋无法均匀布置而需集中布置在截面下部，或集中布置在上部和下部时，应在构件端部０．２h（h为构件端部截面高度）的范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋，如图７-１４所示。上一页下一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求（５）除满足图７-１５所示构造要求外，还应满足其体积配筋率ρｖ不小于０．５％。（６）预制构件安装就位后，往往以焊接形式与下部支撑结构相连。如构件长度较大，在构件端部应配置足够的非预应力纵向构造钢筋防裂。（７）后张法预应力构件在张拉锚固后应在孔道内灌浆以保护预应力钢筋免受锈蚀并具备一定的粘结锚固作用。为此在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气孔，其间距不宜大于１２ｍ。（８）在预应力钢筋的锚夹具下及张拉设备压头的支撑处，应有事先预放的钢垫板以避免巨大的预压应力直接作用在混凝土上。其尺寸由构造布置确定。上一页下一页返回第四节预应力混凝土构件的构造要求（９）后张法预应力钢筋的锚固应选用可靠的锚具，其形式和质量要求应符合现行标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（ＧＢ／Ｔ１４３７０—２００７）的规定。此外，对外露金属锚具，应采取可靠的防锈措施，或者浇筑混凝土加以封闭。（１０）后张法预应力筋及预留孔道布置应符合下列构造规定：１）预制构件中预留孔道之间的水平净间距不宜小于５０ｍｍ，且不宜小于粗集料粒径的１．２５倍；孔道至构件边缘的净间距不宜小于３０ｍｍ，且不宜小于