预应力混凝土构件.docx

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1、第9章 预应力混凝土构件预应力混凝土结构Prestressed Concrete Structure预应力混凝土的原理及计算规定预应力混凝土的概念施加预应力的方法预应力混凝土材料预应力钢筋锚具张拉控制应力和预应力损失预应力混凝土轴心受拉构件的应力分析混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，或者裂缝宽度过宽，不满足适用性和耐久性的要求。混凝土的极限拉应变 约为00.15X10-3,钢筋弹性模量为2Xl()5N/mm2,则受拉钢筋 的应力只能到2030N/mm2,不能充分利用其强度；对允许开裂 的构件，当受拉钢筋的应力达至U250N/mm2,裂缝宽度已达0.20.3mm。提高混凝土强度等级

2、对构件抗裂性所起的作用也是极其有限的,因为各等级混凝土的极限抗拉应变相差不大;钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大,形成恶性循环。高强钢筋的使用，应力达5001000N/mm2,裂缝宽度将很大，无 法满足使用要求。预应力混凝土构件：由于配置受力的预应力筋，通过张拉或其他 方法建立预加应力的混凝土构件。由于预加应力Ojjc较大，受拉边 缘仍处于受压状态，不会出现开 裂；W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；fc f tk9.1概述截面控制裂缝的程度不同全预应力混凝土一当使用荷载作用时，不允许出 现拉应力的构件，相当于

3、规范中裂缝控制等级为一级，即严格要求不出现裂缝的构件。部分预应力混凝土一当使用荷载作用时，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件,相当于规范中裂缝控制等级为三级，即允许 出现裂缝的构件。限值预应力混凝土一当使用荷载作用下根据荷载效应组合情况，不同程度地保证混凝土不开裂的（构件，相当于规范中裂缝控制等级为二级， 即一般要求不出现裂缝的构件。亦属于部分预应力混凝土。预应力混凝土结构的优缺点:优点：提高构件的抗裂度及构件的刚度；充分发挥高强度钢筋和高强度混凝土的作用;改善了混凝土结构的受力性能，减轻自重。缺点：施工工序多，技术要求高；需要专门的锚具和张拉设备，以及预应力钢筋，费用高;开裂荷载

4、与破坏荷载过于接近,破坏前的延性差。优先采用预应力混凝土的结构：要求裂缝控制等级较高的构件;大跨度或受力很大的构件;对构件刚度和变形控制要求较高的结构构件。尸I图9.1简支梁荷载挠度曲线日上艮;预应力混凝土预制桩MlhHV 5工4名/ Q 2LB muiitiHO uiiittHiuinmid打完预制桩后，预应力管桩施工现场9.2 预加应力的方法先张法一在浇灌混凝土之前张拉钢筋的方法，称为先张法。首先在台座上或钢模内张拉钢筋，并作临时锚固，然后浇筑混 凝土。待混凝土达到一定强度后剪断或放松钢筋。钢筋剪断后 将产生弹性回缩，但钢筋与混凝土之间存在着粘结力，混凝土 就会阻止钢筋回缩而混凝土本身受到

5、预压应力。(a) 构件(b)图9.2先张法主要工序示意图(a)张拉钢筋；(b)支模并浇捣混凝土；(c)放松并截断预应力钢筋预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。优点：用长线台座，批量生产，效率高；施工简单。缺点：需要专门台座，基建投资较大；施加的预应力较小，用 于中小构件。在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法。先浇筑混凝土构件并预留好孔道，待混凝土达到一定的强 度后在孔道内穿入钢筋，然后直接在构件上张拉钢筋，最 后用锚具在构件两端将钢筋锚固，阻止钢筋回缩，从而对 构件施加预应力。钢筋张拉完毕并将张拉端锚固后，预留 孔道内应按要求灌浆。后张法灌浆孔预留孔道 出气孔二图9.3后张法

6、主要工序示意图（a）制作混凝土构件；（b）张拉钢筋；（c）张拉端锚固并对孔道灌浆J返回预应力是靠钢筋端部的锚具来传递的。优点：不需要专门台座，可现场制作，用于大型构件;缺点:量大。需要留孔，灌浆，施工复杂；锚具要附在构件内，耗钢预应力张拉操作经典过程限位才诞为2工作锚(1)安装工作锚后的限位板(3)安装工具锚夹片并击紧千斤顶进油，油缸伸出少许，勺千斤顶油缸,准备张拉。千斤顶号分级张拉比例分级张拉油压表控制读数明示张拉程序、配套的千斤顶号与油压表号、对应分级 张拉的油压控制读数值。用配套校验的油压表控制张拉力。张拉油压表对连续梁桥的箱梁底板预应力钢绞线束用两台千斤顶对称同步张拉。对箱梁腹板预应力

7、钢绞线束用两台千斤顶同步对称张拉。预制预应力箱梁经典施工过程在预制场地的混凝土台座上绑扎箱梁钢筋、安装镀锌波纹管。安装箱梁预应力筋端部，铸铁承压板固定于端部钢模板上，螺旋筋紧贴铸铁承压板，形成良好的局部承压钢筋加密区。预制箱梁采用定型钢模板，芯模设计成可拆卸，外模可挂附壁式振捣器加强振捣。箱梁的预应力筋张拉仍遵守对称张拉原则。当一端张拉时, 张拉端可交错设置在箱梁构件两端。灌浆泵搅浆机预应力孔道正式灌浆前，必须切除锚具外侧多余的4；封锚搅浆机灌浆用的搅浆机应选用高速搅浆机，选用高性能的孔道灌浆 专用外加剂，并做配合比试验确认。单向阀门灌浆泵进 浆管灌浆时，需要在铸铁承压板的灌浆孔上安装单向控制

8、阀门。当另一端喷浆后，可先关闭另一端的阀门，同时继续灌浆加大压 力至0.6MPa左右关闭本端阀门保压。9.3 预应力混凝土材料混凝土1）强度高。预应力混凝土要求采用高强混凝土，可以施加较大的预压应力，有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求;2）收缩、徐变小，有利于减少收缩、徐变引起的预应力损失;3）快硬、早强。可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、 模具、夹具的周转率一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不宜低于C40,且不应 低于C30.钢材1）强度高；预应力钢筋具有较高的抗拉强度。2）具有一定的塑性；为避免在构件发生脆性破坏，预应力筋在拉断前具有一定的伸长率。3）良好的加工性能；以满

9、足对钢筋焊接、傲粗的加工要求。4）与混凝土之间有良好的粘结；通常采用，刻痕，或，压波，方法 来提高与混凝土粘结强度。我国目前常用的预应力钢材主要有:钢绞线钢丝预应力螺纹钢筋1、钢绞线钢绞线是用直径56mm的高强钢丝捻制而成的一种高强预应 力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为 9.5-15.2 mm,强度可高达1860MPa。钢绞线优点是施工方便，多用于后张法的大型构件中。无粘结预应力束2、钢丝分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两种。外形分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝三种。极限抗拉强度标准值可达1770N/mm2 0钢丝公称直径为39mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用，刻

10、痕，或，压波，也可制成螺旋肋。螺旋肋钢丝3、预应力螺纹钢筋用热轧螺纹钢筋经过淬火和回火的调质热处理后制成的高强度 钢筋，按其螺纹外形分为有纵肋和无纵肋两种。直径为18mm, 25mm, 32mm, 40mm, 50mm.屈服强度为785 N/mnP1080 N/mm2 o9.4 预应力钢筋夹具和锚具夹具（先张法）：当预应力构件制成后能够取下重复使用的称为夹具;锚具（后张法）：留在构件上不再取下的称锚具。二者均是依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或锚住钢筋。对锚具的要求:（1）安全可靠，具有足够的强度和刚度;（2）应使预应力钢筋在锚具内尽可能的不产生滑 移；(3)构造简单，便于机械加工制作;（4）使

11、用方便，省材料，价格低。夹片式锚具夹片预应力靠摩擦力将预拉力传给 夹片，夹片依靠其斜面上的承 压力传锚环，再由锚环依靠承 压力传给构件。常用锚具类型:徽头锚具一张拉端锚具;对开垫板一支承板(a)淀端锚具（a）张拉端（b）分散式固定端（c）集中式固定端预应力靠锁头的承压力传到锚环，在依靠罗纹上的承压力传 到螺帽，再经过垫板传到混凝土构件上。优点：锚固性能可靠，锚固力大，张拉操作方便；缺点：对 钢筋钢丝束的长度精度要求高。螺丝杆锚具优点：操作简单,预应力钢筋基本不 发生滑动；缺点：对预应力钢 筋长度的精度要求 高，不能太长或太 短。螺丝端杆锚具9.5 张拉控制应力气呢预应力钢筋在进行张拉时，所控制

12、达到的最大应力值。其值为张拉设备（千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力 钢筋截面面积而得到的应力值，以表示。它是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。张拉控制应力4所取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越 大，抵消部分预应力损失，可以使预应力筋充分发挥作用。但4加取值过高，可能会在张拉时引起破断事故，产生过大应 力松弛。因此，规范规定了张拉控制应力限值张拉控制应力限值5。钢筋种类张拉方法先张法后张法预应力钢丝、钢绞线0.75/ptk0.75 加中强度预应力钢丝0.70力出0.70/ptk热处理钢筋0.85 Tpyk0.85 6yk因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的，同时张拉预 应

13、力筋也是对它进行的一次检验，所以表中是以预应力筋的 标准强度给出的，且q。J可不受抗拉强度设计值的限制。在下列情况下，可提高为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 置的预应力筋； 为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损失。消除应力钢丝、钢绞线、中强度预应力钢丝的张拉控制应力不应 小于04 港；预应力螺纹钢筋的张拉控制应力不宜低于0.5 fpyk O9.6预应力损失预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上 原因，预应力筋中应力会从逐步减少，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。由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力

14、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。过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不 利影响。口采取各种因素产生的预应力损失进行叠加的方法求得总预应力损失。6项预应力损失。由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋 产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有：锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，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。温差损失：先张法中的热养护引起的温差损失。松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会 产生松弛，会引起

15、预应力损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失。螺旋式预应力钢筋对混凝土的局部挤压损失。1、预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失(简称锚固损失)01预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形，锚具、垫板与 构件之间的缝隙被挤紧，以及钢筋在锚具中的滑移引起的预应力a 张拉端锚具变形和钢筋内缩值(mm)； /一张拉端与锚固端之间的距离(mm)； 七一预应力钢筋的弹性模量。锚具变形和钢筋内缩值 （mm）锚具类别a支承式锚具（钢丝束锁头锚具等）： 螺帽缝隙每块后加垫板的缝隙11锥塞式锚具（钢丝束的钢质锥形锚具等）5夹片式锚具有顶压时5无顶压时68减小on的措施：选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩

16、小的锚具、 夹具，并尽量少用垫板；增加台座长度。2、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失力摩擦损失是指在后张法张拉钢筋时，由于预应力筋与周围接 触的混凝土或套管之间存在摩擦，引起预应力筋应力随距张拉 端距离的增加而逐渐减少的现象。摩擦阻力由下述两个原因引起，分别计算，然后相加:1）张拉曲线预应力钢筋时，由预应力钢筋和孔道壁之间的法向正压力引起的摩擦阻力;2）预留孔道因施工中某些原因发生凹凸，偏离设计值，预应力钢筋和孔道壁之间将产生法向正压力而引起摩擦阻力。concon衣一考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数;X-从张拉端至计算截面的孔道长度；一预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数;好从张拉端

17、至计算截面曲线孔道部分切线的夹角。若（kx + 0.2钢丝束、钢绞线摩擦系数孔道成型方式K预埋金属波纹管0.00150.25预埋钢管0.00100.25抽芯成型0.00150.55无粘结预应力钢绞线0.00350.09注：1、当有可靠的试验数据资料时，表列系数值可根据实测数据确定；2、当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式锚具时，尚应考 虑锚杯口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定；减小02的措施:1、对较长的构件两端进行张拉，计算中孔道长度可按构件的一半长度计算，如下图(b)所示。2、采用超张拉(c)一端张拉两端张拉超张拉超张拉的程序为:Stepl:张拉端A超张拉10%,控制应力为LI4。

18、”，钢筋中的预应 力将沿分布；Step2：张拉端的张拉应力降低至0.85/0n,由于孔道与钢筋之间的反向摩擦，预应力沿FGHD分布;Step3：张拉端A再次张拉至4。口时，钢筋的预应力沿CGHD分 布，预应力分布均匀，预应力损失小。停 2min Llqon0.85 %停 2min4on3、热养护损失外混凝土加热养护时，受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之 间的温差引起的预应力损失。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 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。凝结硬化。升温时,新浇混凝土尚未结硬,钢筋受热膨胀，

19、但降温时，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，已产生预应力损失无法恢复。设养护升温后，预应力筋与台座的温差为/七,取钢筋的温 度膨胀系数为1X10-5/C,则有,= aEt = lx!O-5EAtssl alAtcrn = sE =E、=E/355 Is I= 1xW5x2x105xAZ = 2AZ (A/mm2)减少力的措施:L采用两次升温养护，先在常温下养护，待到混凝土强度达到一定强度等级，在逐渐升温至规定的养护温度;2、钢模上张拉预应力钢筋，将钢模与构件一同整体养护。4、预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失巧4钢筋在高应力长期作用下其塑性变形具有随时间而增

20、长的性 质，在钢筋长度保持不变的条件下，钢筋应力值随时间增长而 逐渐降低，这种现象称为松弛。另一方面，在钢筋应力保持不 变的的条件下，应变随时间的增长而逐渐增大，这种现象称为 徐变。钢筋的松弛和徐变均将引起预应力钢筋中的应力的损失。应力松弛与初始应力水平和作用时间长短有关。根据应力松弛的长期试验结果，规范取1级松弛：巧4 = 0.4以-0.5)/。普通预应力钢丝和钢绞线人永/为超张拉系数一次张拉片1超张拉 片0.9II级松弛：低松弛预应力钢丝和钢绞线内4 = 0.125（片-0.5）a_当 心n07/ptk 时，当OgkV%nO%k时，0=02（飞-0.5）/。热处理钢筋一次张拉7）4=0.0

21、5 acon超张拉 0产00354。钢筋应力松弛的影响因素:1、应力松弛与时间有关，开始阶段发展较快，后期发展缓慢;2、应力松弛与钢材品种有关；3、张拉控制应力高，应力松弛大，反之，贝叼、。减少为的措施：进行超张拉，先控制张拉应力大L05%持荷25分钟,然后卸载再施加张拉应力至4。5、混凝土收缩、徐变引起的预应力损失飞混凝土的收缩和徐变，都会导致预应力混凝土构件长度的缩 短，预应力筋随之回缩，引起预应力损失。由于收缩和徐变是同时随时间产生的，且二者的影响因素、变 化规律较为相似，规范将二者合并考虑。规范对混凝土收缩和徐变引起的损失，按下列公式计算:5混凝土收缩、徐变引起受拉区预应力钢筋的预应力

22、损失外和受压区预应力钢筋的预应力损失b/5先张法45 + 220x f b/5 二-/51 + 15/745 + 220x 恐J C1 + 15后张法25 + 220x1 + 15/725 + 220x 恐 f J CU1 + 15%,和”一受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处混凝土 法向压应力。此时，预应力损失值仅考虑混凝土预压前（第一 批）的损失，且c和。pc不得大于OVc”减少外的措施:1、采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用干硬性混凝土;2、采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性;3、加强养护，以减少混凝土的收缩。6、螺旋式配筋的环形构件，混凝土的局部挤压引起的

23、预应力损失而962预应力损失值的组合预应力混凝土构件从预加应力开始即需要进行计算，而预应力 损失是分批发生的。因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所 产生的预应力损失。混凝土预压前完成的损失为 ；混凝土预压后完成的损失为1。根据上述预应力损失发生时间先后关系，具体组合见表。各阶段预应力损失的组合预应力损失值的组合先张法构件后张法构件混凝土预压前巧1 + 03+0401 +02（第 批）损失与混凝土预压后04+05+06（第二批）报失Sn3考虑到预应力损失计算的误差，在总损失计算值过小时，产 生不利影响，规范规定当总损失值巧=%+巧小于下列数 值时，按下列数值取用：先张法构件lOON/mnP后张法

24、构件80N/mm29. 7预应力混凝土轴心受拉构件的计算9.7.1轴心受拉构件各阶段的应力分析混凝土 和钢筋 应力的 变化C施工阶段I使用阶段|若干特征受力过程,A。，As,混凝土的应力,若干特征受力过程4,混凝土的应力P 3一、先张法构件Pre-tension1、施工阶段1）张拉预应力钢筋张拉9.8轴心受拉构件使用阶段的计算1、使用阶段承载力计算2、裂缝控制验算规范根据环境条件和使用要求，将预应力混凝土构件的抗 裂等级划分为三个裂缝控制等级：、一级一严格要求不出现裂缝的构件，按荷载效应的标准组 合计算时，构件受拉边缘不应产生拉应力。bpcii 4 0荷载效应标准组合下构件混凝土的法向应力NkA)bpcU一扣除全部预应力损失后混凝土的预压应力。b、二级一一般要求不出现裂缝的构件，按荷载效应的标准组合计算时，构件受拉边缘拉应力不应大于混凝土抗拉强度的标bpcIJ ftkC、三级一允许出现裂缝的构件，按荷载效应的标准组合并考虑荷载长期作用影响计算时，构件的最大裂缝宽度应满足规定的 限值。答 L9C + 0.0；ES Iad 一构件受力特征系数，a3