第五章.預應力混凝土基本知識

普通混凝土抗裂性很差

混凝土的極限拉應變很低，只有0.0001～0.0015，這時鋼筋應力僅20～30N/mm2,另外提高混凝土的強度也不明顯

高強材料得不到充分應用

裂縫寬度一般應限制在0.2～0.3mm以內(nèi)，受拉鋼筋應力最高也只能達到150～250N/mm2

結構自重大使用性能不好

普通混凝土結構不能適應現(xiàn)代化建設大跨度和大空間的需要，因為無法采用高強度的材料，勢必導致截面尺寸過大和自重過大。問題引出1.普通混凝土構件存在問題第五章.預應力混凝土構件基本知識

2.預應力混凝土的產(chǎn)生

最早給混凝土施加預應力的概念是1888年德國工程師道倫（W.Doehring）提出的，由于當時鋼材的強度不高，故未能獲得實際結果。1928年法國工程師費列西奧（E.Freyssinet）利用高強度的鋼絲和高強度等級的混凝土并施加高的預應力（大于400N/MM2）來制造預應力混凝土構件才獲得實際意義的成功。我國是1954年開始研究預應力混凝土結構，并與1956年推廣，以后獲得了較大的發(fā)展。預應力的產(chǎn)生1預應力混凝土構件的基本概念㈠基本原理1、C20普通鋼筋混凝土簡支梁，在荷載作用下，在梁跨中下邊緣產(chǎn)生10N/mm2的拉應力，混凝土梁早已開裂，且裂縫已有相當?shù)拈_展。一、預應力基本原理及特點分析預應力混凝土的基本概念2、在預壓力作用下，截面下邊緣(預壓區(qū)）跨中產(chǎn)生壓應力σ1=10N/mm2，形成反拱f1

σ1σ1預壓區(qū)預加應力單獨作用下受力預拉區(qū)f1預應力混凝土的基本概念σ23、在外荷載作用下，截面下邊緣產(chǎn)生拉應力σ2=9N/mm2，其撓度為f

2

f2荷載單獨作用下受力受壓區(qū)－砼受拉區(qū)－鋼筋預應力混凝土的基本概念4、在預壓力及外荷載作用，截面下邊緣產(chǎn)生應力б2-σ1=1N/mm2,其撓度為f2–f1=f

使用階段的荷載逐漸逐漸增加預應力單獨作用截面應力使用荷載單獨作用截面應力拉區(qū)砼未開裂拉區(qū)砼已開裂б2б1б2-б1f2-f1預應力混凝土的基本概念

所謂預應力砼構件就是在構件受荷之前（制作階段），人為給拉區(qū)砼施加預壓應力，受荷之后（使用階段）首先要抵消拉區(qū)砼的預壓應力，若再加荷拉區(qū)砼開裂，直至破壞為止。常見預應力鋼筋砼構件有：預應力鋼筋砼軸拉構件、預應力鋼筋砼受彎構件、預應力混凝土大偏心受壓構件、偏心受拉構件，預應力混凝土預制樁等得到廣泛的應用。預應力混凝土的基本概念預應力混凝土與鋼筋混凝土的比較1、預應力混凝土結構中，混凝土的強度等級要高，鋼筋的強度也要高。2、預應力程度較高預應力混凝土結構，性能如同均質彈性材料。而普通鋼筋混凝土在使用荷載作用下的性能是非線性的。3、預應力混凝土結構剛度大，撓度小，裂縫寬度小。4、一旦預應力被克服后，預應力混凝土和普通混凝土結構就沒有本質上的不同，因而正截面承載力是一樣的；5、預應力混凝土梁的斜截面抗剪強度高于普通混凝土，因而預應力混凝土梁的腹板可做得較薄，大大減輕了自重。預應力混凝土的基本概念預應力混凝土的特點優(yōu)點：1.裂縫寬度小、剛度大、撓度小、結構的耐久性好。2.抗裂性高，可建造水工建筑、儲水結構、抗?jié)B結構。3.充分利用高強材料，節(jié)約了鋼材、減輕了自重，特別在大跨度的結構中更為經(jīng)濟。4.提高構件的抗剪性能。試驗表明，縱向預應力鋼筋起著錨栓的作用，阻礙著構件斜裂縫的出現(xiàn)與開展.5.提高構件的抗疲勞性能。在預應力結構中，由于鋼筋事先張拉，在往復移動荷載的作用下，鋼筋應力變化幅度不大10%以下，不會引起鋼筋疲勞。預應力混凝土的基本概念

6.提高受壓構件的穩(wěn)定承載力。對于長細比較大的受壓構件，由于預應力鋼筋張拉的很緊，不但預應力鋼筋本身不會壓彎，而且可幫助周圍混凝土提高抗彎的能力。缺點：7.工藝較復雜，對質量要求高，因而需要配備一支技術較熟練的專業(yè)隊伍。8.需要有一定的專門設備，如張拉機具、灌漿設備等。9.預應力混凝土結構的開工費用較大，對構件數(shù)量少的工程成本較高。預應力混凝土的基本概念應用范圍:1.在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊車梁，建造薄壁空間結構，多層框架和單層大跨度建筑，也可建造墻板、柱子等。2.橋梁中建造了預應力箱形截面簡支梁跨度達240m，斜拉預應力混凝土橋跨度可達400m。3.特種結構方面可建造預應力混凝土電視塔，石油開采平臺、預應力混凝土囤船、預應力壓力容器等。預應力混凝土的基本概念預應力混凝土預制樁預應力空心板打完預制樁后，預應力管樁施工現(xiàn)場預應力混凝土的基本概念預應力混凝土連續(xù)箱梁在未完成受力體系轉換時的支架系統(tǒng)至關重要預應力混凝土的基本概念1、預應力混凝土的分類按照粘結方式，預應力混凝土還可分為有粘結預應力混凝土和無粘結預應力混凝土。無粘結預應力混凝土，是指配置無粘結預應力鋼筋的后張法預應力混凝土。無粘結預應力鋼筋是將預應力鋼筋的外表面涂以瀝清、油脂或其他潤滑防銹材料，以減小摩擦力并防銹蝕，并用塑料套管或以紙帶、塑料帶包裹，以防止施工中碰壞涂層，并使之與周圍混凝土隔離，而在張拉時可沿縱向發(fā)生相對滑移的后張預應力鋼筋。從90年代開始，無粘結束技術已在我國的某些橋梁工程中得到應用，目前最大跨度可達到20m。根據(jù)預加應力值大小對構件截面裂縫控制程度的不同分類（1）全預應力混凝土在使用荷載作用下，不允許截面上混凝土出現(xiàn)拉應力的構件。屬嚴格要求不出現(xiàn)裂縫的構件。（2）有限預應力混凝土在使用荷載作用下，允許截面上混凝土出現(xiàn)拉應力的構件。但拉應力不能超過混凝土的抗拉強度標準值。（3）部份預應力混凝土允許出現(xiàn)裂縫，但最大裂縫寬度不超過允許值的構件。屬允許出現(xiàn)裂縫的構件。

3、施加預應力的方法（1）、先張法先張拉預應力鋼筋，然后澆筑混凝土的施工方法，稱為先張法。主要工藝過程：穿鋼筋→張拉鋼筋→澆筑混凝土并養(yǎng)護→切斷鋼筋（2）、后張法

先澆筑混凝土，待混凝土硬化后，在構件上直接張拉預應力鋼筋，這種施工方法稱為后張法。主要工藝過程：澆筑混凝土構件（在構件中預留孔道）并進行養(yǎng)護→穿預應力鋼筋→張拉鋼筋并用錨具錨固→往孔道內(nèi)壓力灌漿。先張法與后張法的比較（１）、張拉順序先張法——先張拉鋼筋，后澆注混凝土后張法——先澆注混凝土，后張拉鋼筋（２）、工藝過程先張法——穿鋼筋→拉鋼筋→澆混凝土→養(yǎng)護至75％→斷鋼筋后張法——留孔道→澆混凝土→養(yǎng)護至75％→穿鋼筋→拉鋼筋→錨鋼筋→壓力灌漿。（３）、預壓應力的傳遞先張法——傳遞主要靠鋼筋和混凝土間的粘結力，因此，必須待混凝土達到設計強度75％以上，方可切斷鋼筋；后張法——主要通過工作錨具傳遞，因此，張拉鋼筋時，混凝土強度必須達到設計強度75％以上。（５）、缺點先張法——需要臺座，不適合現(xiàn)場施工；后張法——生產(chǎn)周期較長，需工作錨具，鋼材消耗多，成本較高；

工序多，操作復雜，造價高于先張法。（６）、適用的構件先張法——適于工廠化生產(chǎn)，適宜長線法生產(chǎn)中、小型構件；后張法——大型預應力混凝土構件。（４）、優(yōu)點先張法——工藝簡單，工序少，效率高，質量易保證，由于省去了錨具和預埋件，成本較低；后張法——預應力鋼筋直接在構件上張拉，無需臺座，可在預制廠生產(chǎn)，也可在施工現(xiàn)場生產(chǎn)。先張法與后張法的比較4、錨具與夾具①、錨固鋼絲的套筒式夾具

②、錨固粗鋼筋用的螺絲端桿錨具（如下圖）

③、錨固直徑12mm或鋼絞線的夾片式錨具（如右圖）螺絲端桿錨具鋼絞線夾片式錨具

夾片式錨具5、機具設備1、張拉設備（如千斤頂）

2、制孔器材

（如抽拔橡膠管、螺旋金屬波紋管）

3、灌孔水泥漿和壓漿機↑用鍍鋅或不鍍鋅低碳鋼帶螺旋折疊咬口制成的金屬管，用于后張法預應力砼結構或構件的成孔。↓夾片錨張拉千斤頂預應力混凝土構件的一般規(guī)定1.預應力混凝土材料性能要求1.1鋼筋的性能鋼筋的性能強度高較好的塑性、可焊性。

良好的粘結性。低松弛。

預應力鋼筋一直處于高強受拉應力超載情況下發(fā)生脆性破斷，同時還要求具有良好的加工性能，提高與混凝土粘結強度減少預應力損失預應力混凝土構件一般規(guī)定1.2預應力鋼筋的種類1.2.1消除應力鋼絲包括光面（ΦP）、螺旋肋（ΦH）、三面刻痕（ΦI）刻痕鋼絲螺旋肋鋼絲消除應力鋼絲見《預應力砼用鋼絲》GB/T5223，是用高碳鎮(zhèn)靜鋼軋制成的盤園，經(jīng)過加溫、淬火（鉛?。?、酸洗、冷拔、回火矯直等處理工序來消除應力，而成的碳素鋼絲可提高抗拉強度（光面鋼絲fpy

=1250N/mm2，其余fpy≥1110N/mm2），這樣鋼直徑4~9mm，強度高低、低松弛。預應力混凝土構件一般規(guī)定1.2.2鋼絞線由多根冷拉鋼絲在絞線機上咬合并經(jīng)消除應力回火而成的總稱。有1×3捻用于先張法。1×7捻是外層鋼絲圍繞一根直徑大20%的中心鋼絲絞成后張法中應用廣泛。直徑用ΦS表示，外徑8.6~15.2mm，fpy=1110~1320N/mm2，強度高、低松弛、伸直性好，比較柔軟，盤彎方便，粘結性好。預應力混凝土構件一般規(guī)定鋼絲繩與鋼絞線的區(qū)別：在制作工藝上，鋼絲繩是由鋼絲絞成股，再由股捻成繩，有中間夾麻芯或鋼芯和不加芯的鋼絲繩；鋼絞線是由鋼絲只經(jīng)過一次扭絞。在性能上，鋼絲繩的彈性模量小與鋼絞線。預應力混凝土構件一般規(guī)定1.2.4冷拉低合金鋼和冷拔低碳鋼絲由于強度低，不再列入鋼筋砼規(guī)范?！兑?guī)范》規(guī)定，預應力鋼筋宜采用預應力鋼絞線、消除應力鋼絲、也可采用熱處理鋼筋。無粘結預應力鋼筋則采用高強鋼絲和鋼絞線。預應力鋼筋的發(fā)展趨勢是高強度、低松弛、粗直徑、耐腐蝕。1.2.3熱處理鋼筋將合金鋼（40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr）經(jīng)過調(diào)質熱處理而成，達到提高抗拉強度（fPy

=1040N/mm2），改善塑性性能。ΦHT表示。這種筋具有強度高（節(jié)省鋼材）低松弛的特點，其Φ=6~10mm以盤園形式供給省去焊接，有利施工。預應力混凝土構件一般規(guī)定1.3.混凝土混凝土性能高強度

收縮小、徐變小快硬、早強

《規(guī)范》規(guī)定：預應力砼結構強度等級不宜低于C30，當采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋時預應力砼結構強度等級不宜低于C40。預應力混凝土構件一般規(guī)定2.張拉控制應力σcon2.1定義：張拉控制應力是指預應力鋼筋在張拉時，所控制達到的最大應力值。其值為張拉設備（如千斤頂上的油壓表）所指示的總張拉力除以預應力鋼筋截面面積而得出的應力值，以σcon表示。2.2張拉控制應力σcon對預應力混凝土構件預壓效果的影響分析：2.2.1如果σcon取值過低，則預應力鋼筋經(jīng)過各種損失后，對混凝土產(chǎn)生的預壓應力過小，預應力混凝土的效果不明顯，因此《規(guī)范》規(guī)定σcon不應小于0.4fptk。預應力混凝土構件一般規(guī)定2.2如果σcon取得太高，可能出現(xiàn)下列問題：2.2.2預應力鋼筋已超過實際屈服強度而失去回縮能力，或已發(fā)生脆斷現(xiàn)象。

2.2.3構件的開裂荷載與破壞荷載接近，使構件在破壞前無明顯預兆，構件的延性較差。2.2.4

構件的反拱過大，或者預拉區(qū)產(chǎn)生裂縫影響正常使用?！兑?guī)范》規(guī)定，在一般情況下，張拉控制應力σcon值不宜超過下表的限值。預應力混凝土構件一般規(guī)定鋼筋的種類張拉方法先張法后張法預應力消除鋼絲、鋼絞線0.75

f

ptk

0.75

fptk熱處理鋼筋0.70

fptk0.65fptk

規(guī)范指出，為了提高構件制作、運輸及吊裝階段的抗裂性而在受壓區(qū)設置的預應力鋼筋，其允許控制應力提高5%。張拉控制應力限值預應力混凝土構件一般規(guī)定預應力損失

定義:由于張拉工藝和材料特性的原因，從構件的制作、運輸、安裝、使用等各個過程中，使預應力鋼筋的應力不斷降低，這降低的部分就叫預應力損失。引起預應力損失的原因及的措施

1.錨具變形和鋼筋內(nèi)縮引起的預應力損失σl1

當為直線型預應力鋼筋時式中a——張拉端錨具變形和鋼筋回縮值；

l——張拉端至錨固端之間的距離。

減少此項損失的措施有：①選擇變形小或預應力鋼筋內(nèi)縮小的錨具，盡量減少墊板數(shù)；②對先張法構件，選擇長臺座。預應力損失2.預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預應力損失σl2式中k——考慮孔道局部偏差對摩擦影響的系數(shù)：

x——張拉端至計算截面的孔道長度，可近似取該孔道在縱軸上的投影長度，

μ——預應力鋼筋與孔道壁的摩擦系數(shù)，θ——從張拉端至計算截面曲線型孔道部分切線的夾角當預應力損失減少該項損失，可采取以下措施：

①對較長的構件可在兩端進行張拉；②采用超張拉，張拉程序可采用：當?shù)谝淮螐埨?.1σcon時，預應力鋼筋應力沿EHD分布，當張拉應力降至0.85σcon，由于鋼筋回縮受到孔道反向摩擦力的影響，預應力沿FGHD分布，當再張拉至σcon時，鋼筋應力沿CFGHD分布，可見，超張拉鋼筋中的應力比一次張拉至σcon的應力分布均勻，預應力損失要小一些。

預應力損失3.混凝土加熱養(yǎng)護時，受張拉的鋼筋與承受拉力的設備之間溫差引起的損失σl3

為了縮短先張法構件的生產(chǎn)周期，混凝土常采用蒸汽養(yǎng)護辦法。升溫時，新澆的混凝土尚未結硬，預應力筋與臺座之間的溫差△t使鋼筋受熱自由伸長，但兩端的臺座是固定不動的，即距離保持不變，于是鋼筋就松了，鋼筋的應力降低；降溫時，預應力鋼筋與混凝土已黏結成整體，加上兩者的溫度線膨脹系數(shù)相近，二者能夠同步回縮，放松鋼筋時因溫度上升鋼筋伸長的部分已不能回縮，因而產(chǎn)生了溫差損失。僅先張法構件有該項損失。

σl3=2△t（N/mm2）預應力損失減少此項損失的措施有：

①采用二次升溫養(yǎng)護。先在常溫下養(yǎng)護至混凝土強度等級達到C7.5～C10，再逐漸升溫至規(guī)定的養(yǎng)護溫度，這時可認為鋼筋與混凝土已結成整體，能夠一起脹縮而不引起預應力損失;

②在鋼模上張拉預應力鋼筋。由于鋼模和構件一起加熱養(yǎng)護，升溫時兩者溫度相同，可不考慮此項損失。

預應力損失4.鋼筋應力松弛引起的預應力損失σl3鋼筋的應力松弛是指鋼筋在高應力作用下及鋼筋長度不變條件下，其應力隨時間增長而降低的現(xiàn)象。

鋼筋應力松弛有以下特點：

①應力松弛與時間有關，開始快，以后慢；

②應力松弛與鋼材品種有關。冷拉鋼筋、熱處理鋼筋的應力松弛損失比碳素鋼絲、冷拔低碳鋼絲、鋼絞線要?。虎蹚埨刂茟Ζ襝on高，應力松弛大。

預應力損失采用超張拉可使應力松弛損失有所降低。超張拉程序為:因為在較高應力下持荷兩分鐘所產(chǎn)生的松弛損失與在較低應力下經(jīng)過較長時間才能完成的松弛損失大體相當，所以經(jīng)過超張拉后再張拉至σcon時，一部分松弛損失已完成。5.混凝土的收縮徐變引起的預應力損失σl5

混凝土結硬時產(chǎn)生體積收縮，在預壓力作用作用下，混凝土會發(fā)生徐變，這都會使構件縮短，構件中的預應力鋼筋跟著回縮，造成預應力損失。

預應力損失先張法構件

后張法構件

式中

σpc,σpc′——分別為完成第一批預應力損失后受拉區(qū)、受壓區(qū)預應力鋼筋合力點處混凝土法向壓應力；fcu′——施加預應力時混凝土的實際立方體抗壓強度。一般fcu′不等于構件混凝土的立方體強度fcu，但要求fcu≥0.75fcu′；

預應力損失ρ，ρ′

——受拉區(qū)、受壓區(qū)預應力鋼筋和非預應力鋼筋的配筋率。

先張法構件

后張法構件

式中Ap,Ap′——分別為受拉區(qū)和受壓區(qū)預應力鋼筋截面面積，對稱配筋的構件，取ρ，ρ′，此時配筋率應按鋼筋截面面積的一半進行計算；A0,An′——分別為混凝土換算截面積、凈截面面積。

預應力損失

后張法構件收縮徐變損失比先張法構件小，原因是后張法構件在施加預應力時，混凝土的收縮已完成一部分。公式適用于一般相對濕度環(huán)境，高濕度環(huán)境下，σl5、σl5′應降低，反之則增加。

減少此項損失的措施有：

①采用高標號水泥，減少水泥用量，降低水灰比；②采用級配良好的骨料，加強振搗，提高混凝土的密實性；③加強養(yǎng)護，以減少混凝土的收縮，④控制混凝土應力σpc，要求

以防止發(fā)生非線性徐變。

預應力損失6.用螺旋式預應力鋼筋作配筋的環(huán)形構件由于混凝土的局部擠壓引起的預應力損失σl6后張法中，當D≤3m，σl6=30MPa，當D＞3m，不考慮該項損失。此處D為環(huán)形構件的直徑。

（2）預應力損失值的組合

各階段預應力損失值的組合預應力損失值的組合先張法構件后張法構件混凝土預壓前（第一批）的損失σlⅠ

σl1+σl2+σl3+σl4

σl1+σl2

混凝土預壓后（第二批）的損失

σlⅡ

σl5

σl4+σl5+σl6

《規(guī)范》把預應力損失分為兩批，混凝土受預壓前產(chǎn)生的損失為第一批損失σlⅠ，而混凝土受預壓后產(chǎn)生的預應力損失為第二批預應力損失σlⅡ。預應力損失預應力混凝土構件的一般構造要求1.鋼筋的凈距及保護層種類要求鋼絲及熱處理鋼筋鋼絞線1×31×7鋼筋凈距≥15mm≥15mm≥20mm≥25mm備注（1）鋼筋保護層厚度同普通梁。（2）除滿足上述凈距要求外，預應力鋼筋凈距不應小于其公稱直徑d或等效直徑deq的1.5倍，雙并deq=1.4d、三并deq=1.7d。預應力混凝土構件的一般構造要求2.后張法（有粘結力預應力砼）孔道及排氣孔要求孔道間水平凈距≥50mm孔道至構件邊凈距≥30mm且≥孔徑/2孔道內(nèi)徑—預應鋼筋束外徑 ≈（10～15）mm排氣孔距或灌漿孔≤12m預應力混凝土構件的一般構造要求

在框架梁中，預留孔道在豎直方向的凈距不應小于孔道外徑，水平方向的凈距不應小于1.5倍孔道外徑，從孔壁算起的混凝土保護層厚度，梁底不宜小于50mm，梁側不宜小于40mm。3.先張法端部