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1、第十章 预应力混凝土构件本章要求1、预应力混凝土的基本概念，了解预应力混凝土构件工作的原理。2、了解预应力的施加方法和对钢材及混凝土材料的要求。3、掌握各项预应力损失产生的原因及各项损失减小的措施和各项损失的不同组合。4、熟练掌握预应力混凝土轴心受拉构件的设计计算方法。5、掌握预应力混凝土受弯构件在受力后的强度、刚度。裂缝及设计计算方面的联系和区别。6、掌握部分预应力混凝土与无粘结预应力混凝土的基本概念。7、熟悉预应力混凝土构件的构造要求。第一节 预应力混凝土结构原理及计算规定一、预应力混凝土的概念 普通钢筋混凝土构件，在各种荷载作用下，一般都存在混凝土的受拉区。而混凝土本身的抗拉强度及极限拉
2、应变却很小（混凝土抗拉强度约为抗压强度1/10，抗拉极限应变约为极限压应变的1/12）。其极限拉应变约为（0.10.15）10-3，因此，对使用上不允许出现裂缝的构件，受拉钢筋的应力仅为2030N/mm2（），对于允许开裂的构件，当裂缝宽度限制在0.20.3时，受拉钢筋的应力也只能在左右。所以，如果采用高强度的钢筋，在使用阶段钢筋达到屈服时其拉应变很大，约在210-3以上，与混凝土极限拉应变相差悬殊，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。因而在普通钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥作用的。同样，在普通钢筋混凝土构件中，采用高强度的混凝土，由于其抗拉强度提高的很小，对提高构件的抗裂性和刚度
3、效果也不明显。由于无法充分利用高强度钢材和高强度等级混凝土，使普通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。另外，对于处于高湿度或侵蚀性环境中的构件，为了满足变形和裂缝控制的要求，则须增加构件的截面尺寸和用钢量，将导致自重过大，也不很经济，甚至无法建造。由此可见，在普通钢筋混凝土构件中，高强混凝土和高强钢筋是不能充分发挥作用的。为了充分利用高强混凝土及钢筋，可以在混凝土构件的受拉区预先施加压应力，造成人为的应力状态。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消混凝土的预压应力，然后随着荷载的增加，混凝土才受拉并随着荷载继续增加而出现裂缝，因而可推迟裂缝的出现，减小裂缝的宽
4、度，满足使用要求。这种在构件受荷前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为“预应力混凝土结构”。随着混凝土强度等级的不断提高，高强钢筋的进一步使用，预应力混凝土目前已广泛应用于大跨度建筑高层建筑、桥梁、铁路、海洋、水利、机场、核电站等工程中。例如，黄河公路大桥、十一届亚运会体育场馆、大亚湾核电站的反应堆保护壳、高412.5米的天津广播电视塔、广州63层的国贸大厦以及量大面广的多孔桥、吊车梁、屋面梁等都采用了预应力混凝土技术。现以预应力混凝土简支梁受力为例，说明预应力混凝土的基本原理。如101所示。在荷载作用之前，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，使得梁截面下边边缘混凝土产生
5、预压应力（图101a）。当外荷载q作用时，截面下边缘产生拉应力（图101b）。最后梁截面的应力分布为上述两种情况下的应力叠加，梁截面下边缘的应力可能是数值较小的拉应力，也可能是压应力（图101c），也就是讲，由于预压应力的存在，可部分抵消或全部抵消外荷载q所引起梁截面的拉应力，因而延缓了混凝土构件的开裂或不开裂。图101(a)预应力作用下；(b)外荷载作用下； (c)二者共同作用下图102所示为三根简支梁的荷载跨中挠度试验曲线。这三根梁的混凝土强度等级一样，钢筋品种和数量一样，梁截面尺寸也完全相同，只是预应力大小不一样。其中一根为普通钢筋混凝土梁，另两根为预应力混凝土梁，只是所施加的预应力值大
6、小不同（为控制应力）。由图可见，预应力钢筋混凝土梁的开裂荷载大于钢筋混凝土梁的开裂荷载，且预应力值越大，开裂荷载值提高，挠度减小，但三根试件中的破坏荷载却基本相同。因此，预应力的存在对构件的承载力并无明显影响。 图102 梁的荷载挠度试验曲线对比预应力混凝土结构的优点：(1)推迟裂缝出现，抗裂性高。(2)可合理利用高强钢材和混凝土。与钢筋混凝土相比，可节约钢材30%50%，减轻结构自重达30%左右，且跨度越大越经济。(3)由于抗裂性能好，提高了结构的刚度和耐久性，加之反拱作用，减少了结构的挠度。(4)扩大了混凝土结构的应用范围。预应力混凝土结构的缺点是计算繁杂，施工技术要求高，需要张拉设备和锚
7、具等。因而宜对下列结构优先采用预应力结构。(1)要求裂缝控制等级较高的结构。如水池、油罐、原子能反应堆，受到侵蚀性介质作用的工业厂房、水利、海洋、港口工程结构物等。(2)对构件的刚度和变形控制要求较高的结构构件。如工业厂房中的吊车梁、码头和桥梁中的大跨度梁式构件等。(3)对构件的截面尺寸受到限制，跨度大，荷载大结构。二、全预应力混凝土和部分预应力混凝土预应力混凝土结构构件根据预应力大小对构件截面裂缝控制程度不同可设计成全预应力或部分预应力，见表101。弯距（）挠度（）曲线见图103。 预应力混凝土构件分类 表101分类裂缝控制等级构件受拉边缘混凝土应力全预应力混凝土构件一级：严格要求不出现裂缝
8、的构件按荷载效应的标准组合计算时，不出现拉应力，即部分预应力混凝土构件A类：有限预应力混凝土构件二级：一般要求不出现裂缝的构件按荷载效应的准永久组合时，不出现拉应力，即，按荷载效应的标准组合计算时，控制拉应力在一定范围内，即B类：部分预应力混凝土构件（狭义）三级：允许出现裂缝的构件最大裂缝宽度按荷载效应标准组合并考虑长期作用的影响进行计算，并不大于允许值，即表中：、荷载效应的标准组合，准永久组合下抗裂验算边缘的混凝土法向应力；扣除全部预应力损失后在抗裂验算边缘混凝土的预压应力； 混凝土的轴心抗拉强度标准值；按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响计算的最大裂缝宽度；最大裂缝宽度限值。全预应力混凝
9、土的特点是：(1)抗裂性能好。由于全预应力混凝土结构所施加的预应力大，混凝土不开裂，因而其抗裂性能好，构件刚度大，常用于对抗裂或抗腐蚀性能要求较高的结构，如贮液罐、核电站安全壳等。(2)抗疲劳性能好。预应力钢筋从张拉完毕直至使用阶段整个过程中，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，如吊车梁等。(3)反拱值一般过大。由于预加应力较高，而恒载小，活荷载较大的结构中经常发生影响正常使用。(4)延性较差。由于全预应力混凝土结构构件的开裂荷载与极限荷载较为接近，导致延性较差，对抗震不利。部分预应力混凝土的特点是：(1)可合理控制裂缝节约钢材。由于可根据结构构件的不同使用要求，可变荷载作
10、用情况及环境条件等对裂缝进行控制，降低了预加应力值，从而节约钢材。(2)控制反拱值不致过大。由于预加应力值相对较小，构件初始反拱值较小，徐变小。(3)延性较好。部分预应力混凝土构件由于配置了非预应力钢筋，可提高构件延性，有利于结构抗震，改善裂缝分布，减小裂缝宽度。(4)与全预应力混凝土相比，其综合经济效果好。对于抗裂要求不高的结构构件，部分预应力混凝土是一种有应用前途的结构构件。图103 预应力混凝土构件曲线三、无粘结预应力混凝土的概念与特点： 无粘结预应力混凝土指的是采用无粘结预应力筋（经涂抹防锈油脂，以减小摩擦力防止锈蚀，用聚乙烯材料包裹制成的专用预应力筋）的预应力混凝土。施工时，无粘结预
11、应力筋可如同非预应力筋一样，按设置要求铺放在模板内，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计要求强度后，再张拉锚固。此时，无粘结预应力筋与混凝土不直接接触，而成无粘结状态。在外荷载作用下，结构中预应筋束与混凝土横向、竖向存在线变形协调关系，但在纵向可以相对周围混凝土发生纵向滑移。无粘结预应力混凝土的设计理论与有粘结预应力相似，一般须增设普通受力筋以改善结构的性能，避免构件在极限状态下发生集中裂缝。无粘结预应力混凝土是继有粘结预应力混凝土和部分预应力混凝土之后又一种新的预应力形式。大量实践与研究表明，无粘结预应力混凝土及其结构有如下特点；(1)结构自重轻。由于不需预留孔道，可减少构件截面尺寸，减轻自重。
12、(2)施工简便，速度快。它无需预留孔道、穿筋、灌浆等复杂工序，简化了施工工艺，加快了施工进度。特别适合用于构造复杂的曲线布筋构件或结构。(3)抗腐蚀能力强。涂有防腐油脂外包塑料套管的无粘结预应力筋束，具有双重防腐能力，可以避免预留孔道穿筋的构件因压浆不密实而发生预应力筋锈蚀以至断丝的危险。(4)使用性能良好。(5)防火性能满足要求。(6)抗震性能好。实验和实践表明，在地震荷载作用下，无粘结预应力混凝土结构，当承受大幅度位移时，无粘结预应力筋一般始终处于受拉状态，不像有粘结预应力筋可能由受拉转为受压。无粘结预应力筋承受的应力变化幅度较小，可将局部变形均匀地分布到钢筋全长上，使无粘结筋的应力保持在
13、弹性阶段，并且部分预应力构件中配置的非预应力普通钢筋，使结构的能量消耗能力得到保证，并仍保持良好的挠度恢复性能。(7)应用广泛。无粘结预应力混凝土用于多层和高层建筑中的单向板、以及井字梁、悬臂梁、框架梁、扁梁等。无粘结预应力混凝土也适用于桥梁结构中的简支板（梁）、连续梁、预应力拱桥、桥梁下部结构、灌注桩的桥墩等，也可以应用于旧桥加固工程中。四、施加预应力的方法 根据张拉预应力筋与浇筑混凝土的先后次序不同，可分为先张法和后张法两种。1、先张法指采用永久或临时台座在构件混凝土浇筑之前张拉预应力筋的方法。张拉的预应筋由夹具固定在台座上（此时预应筋的反力由台座承受），然后浇筑混凝土；待混凝土达到设计强
14、度和龄期（约为设计强度75%以上，且混凝土龄期不小于7d，以保证具有足够的粘结力和避免徐变值过大，简称混凝土强度和龄期双控制）后，放松预应力钢筋，在预应筋回缩的过程中利用其与混凝土之间的粘结力，对混凝土施加预压应力，见图104。因此，先张法预应力混凝土构件中，预应力是靠钢筋与混凝土间的粘结力来传递的。2、后张法 指在混凝土结硬后在构件上张拉钢筋的方法，见图105，在构件混凝土浇筑之前按预应力筋的设置位置预留孔道；待混凝土达到设计强度后，再将预应力筋穿入孔道；然后利用构件本身作为加力台座，张拉预应力筋使混凝土构件受压；当张拉预应力钢筋的应力达到设计规定值后，在张拉端用锚具锚住钢筋，使混凝土获得预
15、压应力；最后在孔道内灌浆，使预应力钢筋与构件混凝土形成整体。也可不灌浆，完全通过锚具施加预压力，形成无粘结的预应力结构。由此可见，后张法是靠锚具保持和传递预加应力的。图104先张法预应力工艺流程（a）预应力钢筋就位、张拉、锚固；(b)混凝土施工； (c)预应力钢筋放松图105 后张法预应力工艺流程（a） 预留孔道混凝土施工；(b)穿筋、张拉、锚固；(c)孔道压浆（或不压浆）、封锚五、预应力混凝土构件的夹具和锚具锚固预应力钢筋和钢丝的工具通常分为夹具和锚具两种类型。在构件制作完毕后，能够取下重复使用的，称为夹具（先张法用）；永远锚固在构件端部，与构件联成一体共同受力，不能取下重复使用，称为锚具（后张法用）。有时为了方便其见，将锚具和夹具统称为锚具。锚、夹具的种类很多，图106所示为几种常用锚、夹具示意图。其中，图106a为锚固钢丝用的套筒式夹具，图106b为锚固粗钢筋用的螺丝端杆锚具，图106c为锚固光面钢筋束用的JM12夹片式锚具。对锚具设计，制作，选择和使用时，应尽可能满足下列各项要求：(1)安全可靠，其本身有足够的强度和刚度；(2)应使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，便于机械加工制作；(4)使用方便，省材料，价格低。
