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1、第八章 预应力混凝土构件,本章主要介绍预应力混凝土的基本概念、预应力混凝土的材料、预应力施加方法、预应力损失、预应力混凝土的构造要求、预应力混凝土轴心受拉构件的承载力计算及施工验算。学习时应重点掌握和理解预应力混凝土的概念、预应力施加方法、预应力损失及预应力混凝土的构造要求。,8.1 基 本 概 念,8.1.1 预应力混凝土的基本概念,在普通钢筋混凝土结构或构件中，由于混凝土的抗拉强度远小于混凝土的抗压强度，所以构件在使用阶段大多是带缝工作的。虽然在一般情况下，只要裂缝宽度不超过0.20.3mm，并不影响结构的使用和耐久性。,但是，对于在使用上需要严格限制裂缝宽度或不允许出现裂缝的构件，普通钢
2、筋混凝土就无法满足要求。为了满足变形和裂缝控制的要求，则需增加构件的截面尺寸和用钢量，这将导致构件的截面尺寸和自重过大，使普通钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载成为不可能或很不经济。,为了避免普通钢筋混凝土结构裂缝的过早出现，并充分利用高强度材料，在结构构件受外荷载作用之前，预先对由外荷载引起的混凝土受拉区施以压力，用产生的预压应力来减小或抵消外荷载所引起的混凝土拉应力。这样在外荷载施加之后，裂缝就可延缓或不发生，即使发生了，裂缝也不会开展过宽，可满足使用要求。这种在构件受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”。,下面就以简支梁(受弯构件)为例(图8.1)来说
3、明预应力混凝土的基本概念。 在外荷载作用之前，预先在梁的受拉区施加一对大小相等、方向相反的偏心预压力N，使梁截面下边缘混凝土产生预压应力c，上边缘产生预拉应力ct，使梁产生反拱，如图8.1(a)所示；在使用荷载gq (包括梁自重)作用下，梁截面的下边缘将产生拉应力ct，上边缘将产生压应力c，如图8.1(b)所示；,这样梁截面上的最后应力应是上述两种情况下截面应力的叠加，其截面下边缘的应力为ctc，上边缘应力一般为压应力，也可能出现拉应力，如图8.1(c)所示。由于预加压力N的大小可控制，这样就可通过对预加压力N的控制来达到抗裂控制等级的要求，对抗裂控制等级为一级的构件，如在预加压力N作用下截面
4、下边缘(使用荷载作用下的受拉侧)的压应力c足以抵消使用荷载产生的拉应力ct，截面上就不会出现拉应力；,对于允许出现裂缝的构件，同样可以通过施加预应力来延缓混凝土的开裂，提高构件的抗裂度和刚度，节约材料、减轻结构自重，并可充分利用高强混凝土和高强钢筋，解决了普通混凝土的缺点。所以自从预应力混凝土出现以来就得到了广泛的应用。,图8.1 预应力混凝土简支梁的受力分析 (a)预加压力作用；(b)使用荷载作用；(c)预加压力和使用荷载共同作用,8.1.2 预应力混凝土结构分类,对于预应力混凝土结构，根据施加预应力的效果可分为全预应力和部分预应力混凝土结构。,全预应力混凝土结构在正常使用条件下截面内不出现
5、拉应力，对抗裂控制较严的结构或构件采用；对一般构件，如一般的工业与民用建筑构件，在正常使用情况下，允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不能超过规范规定的限值，这类预应力混凝土构件称为部分预应力混凝土构件。,全预应力混凝土构件与部分预应力混凝土构件相比：抗裂性能好。由于全预应力混凝土构件混凝土不开裂，因而其抗裂性能好，构件的刚度大，常用于对抗裂或抗腐蚀性能要求较高的结构，如吊车梁、核电站安全壳及储液罐等。抗疲劳性能好。预应力筋从张拉就绪至使用阶段的整个过程中，其应力值的变化幅度小，因而在重复荷载作用下抗疲劳性能好。,反拱值常常很大。由于预应力过高，引起结构的反拱过大，会使混凝土在垂直于张拉方向产生裂缝，
6、并且由于混凝土的徐变会使反拱值随时间的增长而发展，影响上部结构构件的正常使用。延性较差。由于全预应力混凝土构件的开裂荷载与极限荷载较为接近，致使构件延性较差，对结构抗震不利。,施加预应力一般采用对钢筋的预张拉，利用钢筋的弹性回缩对构件施以压力，这种钢筋称为预应力钢筋，根据预应力钢筋和混凝土之间有无黏结作用，又可分为有黏结预应力混凝土构件和无黏结预应力混凝土构件。,大多数预应力混凝土构件中，预应力钢筋和混凝土都牢固地黏结在一起；但有时为了减少施工工艺，也可把预应力钢筋和混凝土分开，将预应力钢筋外表面涂以沥青、油脂或其他润滑防锈材料，用塑料管或其他方法与混凝土分隔开(采用后张法施工)，作成无黏结预
7、应力混凝土构件。,无黏结预应力混凝土的特点：无黏结预应力混凝土施工时，采用的无黏结预应力筋不需留孔、穿筋和灌浆，只要将它如同普通钢筋一样放入模板内即可浇筑混凝土，可大大地简化施工工艺。无黏结预应力筋可在工厂制作，可大大地减少现场施工工序，且张拉时，张拉工序简单，施工非常方便，从而使后张法预应力混凝土易于推广应用；,无黏结预应力混凝土构件的开裂荷载相对较低，裂缝疏而宽，挠度较大，需设置一定数量的非预应力筋以改善构件的受力性能；无黏结预应力筋对锚具的质量及防腐蚀要求较高，在工程中主要用于预应力筋分散配置、锚具区易于封口处理(用混凝土或环氧树脂水泥浆封口，防止潮气入侵)的结构构件。,8.1.3 预应
8、力混凝土结构的优缺点,与普通钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构具有以下优点：,(1)抗裂性好，刚度大 由于对构件施加预应力，延缓了裂缝的出现，提高了构件的刚度，增加了结构的耐久性，扩大了构件的使用范围，并提高了构件抵抗不良环境的能力。,(2)节约材料，减轻自重 预应力混凝土结构充分利用高强钢筋和高强混凝土，减少了钢筋用量和构件截面尺寸，减轻结构的自重，对大跨度结构具有明显的优越性。,(3)提高构件的抗剪能力和受压构件的稳定性 预应力钢筋的锚栓作用可阻碍构件斜裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗剪能力；对于长细比较大的受压构件，在压力作用下容易压弯，以至丧失稳定而破坏，如施以预应力，可限制受压构
9、件的侧向变形，提高抗压弯能力和构件的稳定性。,(4)提高构件的耐疲劳性能 预应力钢筋在使用阶段因加载或卸载所引起的应力变化幅度相对较小，因而可提高抗疲劳强度。 (5)提高装配式结构的整体性 预应力技术的应用，为装配式结构提供了良好的装配、拼装手段，预应力钢筋在纵、横方向施加预应力可使装配式构件成为理想的整体。,图8.2 先张法工序示意图 (a)钢筋就位；(b)钢筋张拉；(c)钢筋临时固定，浇注混凝土并养护； (d)放松钢筋，钢筋回缩，对混凝土施加预压力,预应力混凝土结构也存在一定的缺点： 1)施工工艺较复杂，对质量要求高，需技术熟练的专业队伍。 2)需要专门的设备，且对设备的精度要求高。 3)
10、成本相对较高，尤其对构件需用数量少时。,8.1.4 预应力混凝土结构的应用,预应力混凝土结构自出现后得到了广泛的应用，但预应力混凝土结构的构造、施工和设计计算较复杂，给其应用带来一定的限制。下列结构宜优先采用：,1)要求抗裂控制等级较高的结构。 某些特殊结构物(如水池、储液池、核反应堆)、受到侵蚀性介质作用的工业厂房，以及水利、海港工程结构，要求有较高的密闭性和耐久性，在裂缝控制上要求较高，应使用预应力混凝土来达到这种要求。 2)大跨度或承受动力荷载的结构。 3)对刚度和变形控制要求较高的结构构件。,8.2 施加预应力的方法,8.2.1 预应力的施加方法,对混凝土施加预应力一般通过对钢筋张拉，
11、利用钢筋拉伸后的回弹力挤压混凝土来实现。根据张拉钢筋和浇注混凝土的先后顺序，可把施加预应力的方法分为先张法和后张法两类。,1.先张法 在混凝土浇注之前对钢筋进行张拉的方法即是先张法。先张法的施工工序为： 1)在固定台座(或钢模)上，将钢筋就位，如图8.2(a)所示。 2)用千斤顶对预应力钢筋进行张拉，并用夹具将钢筋在台座上临时固定，如图8.2(b)所示。,3)绑筋(构件中配置的非预应力钢筋)、支模、浇混凝土并对混凝土进行养护，如图8.2(c)所示。 4)混凝土达到一定强度后(需经计算确定，但一般不低于混凝土设计强度的75%)，切断并放松钢筋，预应力钢筋在回缩时对混凝土施加预压应力，如图8.2(
12、d)所示。,先张法预应力混凝土构件，在端部一定长度内通过钢筋和混凝土之间的黏结作用将钢筋的回弹力传递给混凝土，对混凝土施加预压力，这种方式称为自锚，通过自锚而不需再用其他锚固措施。,2.后张法 后张法是先浇注混凝土，等养护结硬后，再对预应力钢筋进行张拉的方法。其施工工序为： 1)先浇注混凝土，并在构件中预留穿筋孔道和灌浆孔，如图8.3(a)所示。 2)待混凝土达到规定的强度后，将预应力钢筋穿入孔道，直接在构件上对预应力钢筋进行张拉，张拉同时使混凝土受到预压，如图8.3(b)所示。,3)对预应力钢筋张拉到设计规定的应力后，在张拉端用锚具将钢筋锚固，使构件保持预压状态，如图8.3(c)所示。 4)
13、最后在预留孔道内压力灌注水泥浆，使预应力钢筋和混凝土形成整体，成为有黏结的预应力构件，如图8.3(d)所示。也可不灌浆，形成无黏结的预应力混凝土构件。,图8.3 后张法工序示意图 (a)浇注构件，预留孔道，穿入预应力钢筋；(b)安装张拉设备； (c)张拉钢筋；(d)锚固钢筋，孔道压力灌浆,3.先张法与后张法比较 (1)先张法的优缺点 主要优点：张拉工序简单；不需永久性锚具，用钢量少；可成批生产，特别是需用量较大的中小型构件，如楼板等。 主要缺点：需较大的台座(或钢模)、养护池等固定设备；一次性投资较大；预应力钢筋多为直线布置，折线或曲线布筋较困难。,(2)后张法的优缺点 主要优点：张拉预应力筋
14、可以直接在构件上或整个结构上进行，因而可根据不同荷载性质合理布置各种形状的预应力筋；适宜于运输不便，只能在现场施工的大型构件、特殊结构或可由块体拼接而成的特大构件。 主要缺点是：用于永久性的锚具耗钢量很大，而且要求的加工精度较高；张拉工序比先张法要复杂，施工周期长。,8.2.2 夹具和锚具,夹具和锚具是在制作预应力混凝土构件时锚固预应力钢筋必不可少的工具，一般认为，构件制作后能够取下重复使用的称为夹具；留在构件上不再取下而作为构件一部分的称为锚具。夹具和锚具之所以能夹住或锚住钢筋，主要是依靠摩阻、握裹和承压锚固。,对夹具和锚具的要求及特点有所了解。 1.对锚具的要求 1)性能可靠安全。要求锚具
15、本身具有足够的强度和刚度，且工作时又不能损伤钢筋。 2)滑移、变形小。要求预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力损失。 3)构造简单，易加工制作，施工方便。 4)节约钢材，造价低。,2.常用的锚具 根据锚固原理的不同，锚具分为支承式、锥塞式和夹片式三类。 (1)JM-12锚具(夹片式) JM-12锚具(如图8.4所示)是一种锚固36根直径d12mm的光面钢筋组成相互平行放置的钢筋束或锚固56根钢绞线组成互相平行的钢绞线束的锚具。这种锚具由锚环和夹片组成，夹片的数目与钢绞线或预应力钢筋的根数相同。,夹片呈楔形，其截面为扇形，每一块夹片有两个圆弧形槽，上有齿纹，用以锚固预应力钢筋；锚环可
16、嵌入构件中，也可凸出构件外。 预应力钢筋将预应力传给夹片，夹片传给锚环，最后通过锚环传给混凝土构件。,图8.4 JM-12锚具,(2)螺丝端杆锚具(支承式) 拉力由钢筋端部的螺纹传给锚头(螺母)并挤压垫板和混凝土，对构件施加预应力，如图(8.5)所示。,图8.5 螺丝端杆锚具 1.垫板；2.对焊接头；3.预应力筋,此外，还有钢丝束的镦头锚具、钢质锥形锚具、单根冷拔低碳钢丝的锥型锚夹具，QM、XM、OVM等夹片式群锚锚具。,8.3 预应力混凝土材料8.3.1 混凝土,预应力混凝土构件通过预应力钢筋的张拉对混凝土预压，以提高构件的抗裂能力，因此构件对混凝土要求较高，具体有： 1)具有较高的强度。采用高强混凝土可增大黏结强度(先张法)和端部混凝土的承压能力(后张法)，同时与高强钢筋配合使用可减小构件的截面尺寸、减轻自重。,2)收缩、徐变小。可减小因混凝土收缩、徐变引起的预应力损失。 3)快硬、早强。可尽早施加预应力，加快台座、夹具等设备的周转率，提高生产率。 4)弹性模量高。使构件刚度大、变形小，并可减小因变形引起的预应力损失。 规范规定，预应
