预应力混凝土的一般知识

1、第十章 预应力混凝土的一般知识,10.1 预应力混凝土的概念 一、钢筋混凝土的缺点 （抗裂性能差和难以采用高强钢筋）,10.1 预应力混凝土的概念,第十章 预应力混凝土构件,钢筋混凝土受拉与受弯等构件，由于混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低，所以在使用荷载作用下，通常是带裂缝工作的。因而对使用上不允许开裂的构件，不能充分利用受拉钢筋的强度。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。,钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能发挥其作用的 。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度

2、的作用也不大。,10.1 预应力混凝土的概念,第十章 预应力混凝土构件,预应力混凝土结构就是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。,预应力的基本概念,10.1 预应力混凝土的概念,第十章 预应力混凝土构件,由于预加应力spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；称全预应力砼。,受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；称有限预应力砼。,受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件

3、（Np =0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。称部分预应力砼。,10.1 预应力混凝土的概念,第十章 预应力混凝土构件,10.1 预应力混凝土的概念,第十章 预应力混凝土构件,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（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

4、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,10.1 预应力混凝土的概念,第十章 预应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,先张法,10.2 施加预应力的方法,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,后张法,第十章 预应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,后张法,第十章 预应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,第十章 预

5、应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,无粘结预应力混凝土,锚具的可靠性 高强钢丝的可靠度,第十章 预应力混凝土构件,10.2 施加预应力的方法,10.2 施加预应力的方法,10.2 施加预应力的方法,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,（1）强度高：第一只有强度高，才能在钢筋中建立起高应力，从而发挥预应力构件的优势。第二预应力混凝土在制作和使用过程中，会产生各种预应力损失。因此必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋。 （2）具有一定的塑性：避免在超载、低温、冲击及地震时发生脆性破断。 （3）具有良好的加工性能：以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。 （4）具有低松弛性：以减小由于钢筋松弛而产生的

6、预应力损失。 （5）与混凝土良好的粘结性能：通常采用刻痕或压波等方法来提高与混凝土粘结强度。,一、预应力钢筋,1、对预应力钢筋的性能要求,第十章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,2、预应力钢筋的种类,钢绞线是用3或7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多，通常用于无粘结预应力筋。3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。,无粘结预应力束,（1）钢绞线,第十章 预应力混凝土构件,中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。 中强钢丝的强度为8001200MPa， 高强钢丝的强度为15701770MPa。 为增加与混

7、凝土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕或压波，也可制成螺旋肋。,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,刻痕钢丝,螺旋肋钢丝,（2）中高强钢丝,第十章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。,第十章 预应力混凝土构件,用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋，直径为610mm，抗拉强度为1470MPa。,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力-应变曲线均无明显屈服点

8、，采用残余应变为0.2%的条件屈服点作为抗拉强度设计指标。,（3）热处理钢筋,第十章 预应力混凝土构件, 通常将级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。 为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。 但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,（4）冷拉低合金钢筋,第十章 预应力混凝土构件,预应力钢筋强度标准值（N/mm2）,第十章 预应力混凝土构件,（1）高强度：一是可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；二是有利于减小构件截面尺寸，减轻自重，以适用大跨度的要求。 （2）具有

9、较高的弹性模量：有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩，减少预应力损失。 （3）收缩、徐变小：有利于减少预应力损失。 （4）与钢筋有较大粘结强度：有利于减少先张法预应力筋的应力传递长度。 （5）快硬、早强：有利于较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用。 2、混凝土的强度等级要求（用于预应力结构的混凝土）预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，当采用高强钢绞线、钢丝和热处理钢筋时不宜低于C40。,二、混凝土,1、对混凝土的性能要求（用于预应力结构的混凝土）,第十章 预应力混凝土构件,三、锚具和夹具,有锥形锚、镦头锚、螺纹锚和夹片锚等。,1、锥形锚具

10、,第十章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,三、锚具和夹具,有锥形锚、镦头锚、螺纹锚和夹片锚等。,2、镦头锚具,第十章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,三、锚具和夹具,有锥形锚、镦头锚、螺纹锚和夹片锚等。,3、螺纹锚具,第十章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,三、锚具和夹具,有锥形锚、镦头锚、螺纹锚和夹片锚等。,4、夹片式锚具,（JM12型）,第十章 预应力混凝土构件,10.3 预应力混凝土的材料及锚夹具,第十章 预应力混凝土构件,第十章 预应力混凝土构件,10.4 张拉控制应力和预应力损失,10.4 张拉控制应力和预应力损

11、失,1、 scon的定义：张拉预应力钢筋时，张拉设备（千斤顶或油泵）上的压力表所控制的总张拉力Np,con除以预应力钢筋面积Ap得到的应力称为张拉控制应力scon。,2、 scon的取值 （1）取值的一般概念：张拉控制应力scon取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，可以使预应力筋充分发挥作用。 （2） scon的上限值 scon取值过高，第一可能发生预应力钢筋拉断事故；第二会产生过大的应力松弛。因此，规范规定了张拉控制scon的上限值。,一、张拉控制应力scon, 它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。,10.4 张拉控制应力和预应力损失,第十章 预应力混凝土构件,当符合下列情况

12、之一时， scon的上限值可提高0.05 fptk： （a） 要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力钢筋； （b） 要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉和温差等因素产生的预应力损失。,10.4 张拉控制应力和预应力损失,（3） scon上限值的调整,（4） scon的下限值,为避免scon的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，规范规定scon不应小于0.4 fptk。,第十章 预应力混凝土构件,预应力钢筋张拉后，由于各种因素，预应力钢筋中应力会从scon逐步减少，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。,10.4 张拉控制应力和预应

13、力损失,二、预应力损失,1、预应力损失的概念,只有最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。,第十章 预应力混凝土构件,10.4 张拉控制应力和预应力损失,（1）锚固损失：锚具变形引起预应力钢筋的回缩、滑移。 （2）摩擦损失：在预应力钢筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦；先张法预应力钢筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。 （3）混凝土的收缩和徐变引起的损失。 （4）松弛损失：长度不变的预应力钢筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，会引起预应力损失。,（由于预应力是通过张拉预应力钢筋得到，因此凡是能

14、使预应力钢筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有）,2、引起预应力损失的因素,第十章 预应力混凝土构件,10.4 张拉控制应力和预应力损失,（6）混凝土的局部挤压损失：如直径3m的环形构件中的螺旋式预应力钢筋。 （7）弹性压缩损失：混凝土弹性压缩，后张法中后拉束对先张拉束造成的压缩变形而产生分批张拉损失等。,（5）温差损失：先张法中的热养护引起的预应力损失。,第十章 预应力混凝土构件,（a）sl1的概念：预应力钢筋张拉完毕锚固时，由于锚具的受力变形、垫板缝隙的挤紧以及钢筋在锚具中的内缩引起的预应力损失记为sl1。 （b）sl1的计算,（1）锚固损失sl1,3、预应力损失的种类,对直线预应

15、力钢筋的sl1,第十章 预应力混凝土构件,对后张法构件预应力曲线钢筋的sl1,预应力曲线钢筋的sl1是根据反向摩擦影响长度lf(m)范围内的预应力钢筋变形值等于锚具变形和钢筋内缩值a(mm)的条件确定。,第十章 预应力混凝土构件,（d）减小sl1的措施,一是选择变形小的锚夹具并尽量少用垫板,二是增加台座长度l,（c）、的取值,第十章 预应力混凝土构件,（a）sl2的概念：后张法张拉钢筋时，由于预应力钢筋与周围的混凝土或套管之间存在摩擦，引起预应力钢筋的应力随距张拉端距离的增加而逐渐减少，该减少值称为摩擦损失sl2 其次若有转向装置，则张拉钢筋时，先张法与后张法在转向装置处均存在摩擦损失sl2,

16、（2）摩擦损失sl2,若,（b）sl2的计算,第十章 预应力混凝土构件,（c）减少sl2的措施,两端张拉,超张拉,超张拉程序为：,第十章 预应力混凝土构件,（为缩短先张法构件的生产周期，常采用蒸汽养护加快混凝土的凝结硬化。） 升温时，新浇混凝土尚未结硬，钢筋受热膨胀，但张拉预应力筋的台座是固定不动的，亦即钢筋长度不变，因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低，产生预应力损失sl3。 降温时，混凝土达到了一定的强度，与预应力筋之间已具有粘结作用，两者共同回缩，已产生预应力损失sl3无法恢复。 设养护升温后，预应力筋与台座的温差为D t ，取钢筋的温度膨胀系数为110-5/，则有，,（3）热养护时，

17、温差引起的损失sl3,减少sl3的措施:,两阶段升温养护。,第十章 预应力混凝土构件,（a）sl4的概念：钢筋在高应力作用下，若长度保持不变，则应力值随时间增长而逐渐降低，该降低值称sl4 。 sl4的值与初始应力水平、作用时间长短和钢筋种类有关。 （b）sl4的计算 （根据应力松弛的长期试验结果，规范取）,对于普通松弛的预应力钢丝和钢绞线,-为超张拉系数： 一次张拉时，取=1；超张拉时，取=0.9。,10.4 张拉控制应力和预应力损失,（4）钢筋松弛损失sl4,第十章 预应力混凝土构件,当scon0.7fptk时，,当0.7fptk scon0.8fptk时，,10.4 张拉控制应力和预应力

18、损失,对于低松弛的预应力钢丝和钢绞线,对于热处理钢筋,一次张拉： sl4=0.05 scon ；超张拉时： sl4=0.035 scon,（c）减少sl4的措施:,超张拉,超张拉程序为：,第十章 预应力混凝土构件,（a）sl5的概念：混凝土的收缩和徐变，会引起预应力混凝土构件长度缩短，预应力筋随之回缩，从而导致预应力损失。 由于收缩、徐变是随时间产生的，且影响二者的因素相同、时随变化规律相似，故规范将二者合并考虑。 （b）sl5的计算-规范计算公式,先张法,后张法,10.4 张拉控制应力和预应力损失,（5）收缩徐变损失sl5,第十章 预应力混凝土构件,An=Ac +asAs,先张法,后张法,A0=Ac+apAp+asAs,其中：,第十章 预应力混凝土构件,用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件，当直径d3m时，由于混凝土的局部挤压引起的预应力损失。,10.4 张拉控制应力和预应力损失,（6）sl6,（c）减少sl5的措施:,与减小收缩、徐变的措施相同。 材料方面（如减小水泥用量，降低水灰比，采用级配好、弹性模量大的骨料）； 施工工艺方面（如振捣质量）； 养护条件方面（如温度、湿度） ； 受力方面（如加载大