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第九章 预应力混凝土构件 一、基本概念 在构件受荷载以前预先对混凝土受拉区施加 压应力的结构称之为“预应力混凝土结构”。 一、基本概念 1. 预应力混凝土的特点 *提高刚度、抗裂度 减小变形及裂缝宽 度 *充分利用高强度材料 *减轻结构自重 *提高梁的抗扭和抗剪承载力， 但不提高抗弯承载力 *提高梁的抗疲劳承载力 一、基本概念 2. 先张法和后张法 张拉钢筋并在 台座上固定 浇混凝土构件，并 在构件中预留孔道 浇注混凝土构件 在构件中预留孔道 中穿钢筋并张拉 混凝土强度达设计 强度的70%以上时 剪断钢筋 锚固灌浆 一、基本概念 3. 有粘结和无粘结预应力混凝土 有粘结预应力混凝土 先张法生产的预应力混凝土构件以及后 张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的 预应力混凝土构件 特点 受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小 一、基本概念 3. 有粘结和无粘结预应力混凝土 无粘结预应力混凝土 后张法张拉钢筋后不在孔道中灌浆所生 产的预应力混凝土构件 特点 造价低，便于以后再次张拉或更换预应力钢 筋 一、基本概念 4. 全预应力和部分预应力 使用荷载下不出现 拉应力或裂缝 全预应力混凝土构件 使用荷载下允许混凝土 受拉区产生宽度不大的裂缝 部分预应力混凝土构件 二、施加预应力的方法 1. 张拉预应力筋的方法 *直接张拉法：用千斤顶等机械工具 直接张拉预应力钢筋 *电热法：低电压强电流通过钢筋使 其发热伸长，达设计要求时断电 *自张法：用自应力水泥制成混凝土，结硬时混凝土膨胀带动混凝土 中的钢筋一起伸长，在混凝土中产生压力 二、施加预应力的方法 2. 锚具和夹具 *锚具：永久地留在构件上。对无粘 *夹具：主要依靠摩擦力来夹住钢筋， 结预应力混凝土如锚具失效构件中 它不留在构件上，剪断预应力筋后 夹具的作用即消失 的预应力将全部消失。 二、施加预应力的方法 2. 锚具和夹具 摩擦型锚具(锥塞式) 摩擦型锚具(夹片式) JM—12锚具 这种锚具由锚环和夹片组成，夹具的块数与预应力钢筋或钢 绞线的根数相同。夹片呈楔形 ，其截面为扇形。每一块夹片有 二个圆弧形槽，上有齿纹，用以锚住预应力钢筋。 预应力钢筋依靠摩擦力将预应力传给夹片。夹片依靠其斜面 上的承压力将预应力传给锚环，后者再通过承压力将预应力传给 混凝土构件。 QM锚具 可锚固钢绞线或钢丝束。锚具由锚板和夹片组成，其特点是每 根钢绞均分开锚固，由一组按10均分的开缝楔形夹片（3片）夹紧， 各自独立地放置在锚板的一个锥形孔内，任何一组夹具滑移、破裂 或钢绞线拉断，都不会影响同束中其它钢绞线的锚固，故其锚固可 靠，互换性好，自锚性能强。 二、施加预应力的方法 承压型锚具1： 墩头锚具 二、施加预应力的方法 承压型锚具2：利用螺帽、垫板等的承压作用将预应力 钢筋锚固在端部 螺母 预应力筋 垫板 螺丝杆端 对焊接头 三、预应力混凝土所用的材料 1. 钢筋 要求 强度高；与混凝土间有足够的粘结力；良好的加 工性能和一定的塑性 种类 冷拉钢筋、热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕钢丝、 钢绞线、冷拔低碳钢丝 2. 混凝土 一般预应力混凝土构件 C30 采用热处理钢筋、碳素钢丝、刻痕 钢丝、钢绞线的预应力混凝土构件 C40 四、张拉控制应力con的确定 1. con对结构的影响 张拉控制应力 con 是指张拉预应力筋时的总张 拉力除以预应力筋的截面面积所 得的应力值。它是预应力钢筋在 进行张拉时所控制达到的最大应 力值。 con越大，混凝土 中的预压应力越 大，但过大会产 生如下问题 Apcon Apcon Apcon Apcon 使构件出现脆性破坏 预应力筋过早进入流幅，降 低其塑性 增加钢筋的松弛损失 四、张拉控制应力con的确定 2. con的取值(表9-1） Apcon Apcon Apcon 钢筋种类 Apcon 张拉方法 先张法 消除应力钢丝、钢绞线 热处理钢筋 0.75 0.70 f ptk f ptk 后张法 0.75 0.65 f ptk 为预应力钢筋强度标准值 f ptk f ptk 五、预应力损失值 预应力损失的种类 Apcon Apcon Apcon 前期损失或第 一批损失 后期损失或第 二批损失 发生在预应力传 到混凝土之前 发生在预应力传 到混凝土之后 Apcon 如锚具变形、管道摩擦、台 座与钢筋的温差、钢筋松弛 损失等 如混凝土收缩徐变、局部挤 压损失等 五、预应力损失值 1. 锚具变形和钢筋回缩损失l1 由于锚具、垫块本身的变 形，其间裂缝的压紧及钢筋 在锚具中的滑移引起的损失 张拉端锚具的变形 和钢筋的内缩值， 见教材表 a l1 E s l 预应力钢筋的弹 性模量 张拉端至锚固端 之间的距离 锚具变形和钢筋内缩值 锚具类别 α（mm） 支承式锚具（钢 螺帽缝隙 丝束镦头锚具等） 每块后加垫板的缝隙 1 锥塞式锚具（钢丝束的钢质锥形锚具 等） 夹片式锚具 有顶压时 5 无顶压时 1 5 6～8 五、预应力损失值 1.锚具变形和钢筋回缩损失l1 应注意的几个问题 a l1 E s l *先张法构件，当台座长度超过100m时，可忽略l1 *后张法构件，l1只考虑张拉端，因锚固端锚具在张拉过程 中已被压紧 五、预应力损失值 1.锚具变形和钢筋回缩损失l1 减小此项预应力损失的措施有： ①选择锚具变形小或使预应力筋内 a 缩小的锚具、夹具，尽量少用垫板， 因为每增加一块垫板， a值就增加1mm。 a l1 E s l ②增加垫层厚度。在锚具、钢材等相同时，构件 厚度（或台座）愈长，则预应力损失 l1 愈小，两者之间成反比。对于先张法应尽量采用 长线台座生产预应力构件 五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2 后张法中，张拉钢筋时， P 钢筋在孔道中滑动，就 张拉端 会产生摩擦力 d 预应力筋轴线 Px 锚固端 Px-dPx x 主要由两部分组成 *孔道偏 差等因素 引起的 *曲线型 孔道而引 起的 r Px dx d r P‘ dP1 Px-dP1 dx d Px dP2 Px-dP2 dx 五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2 d 预应力筋轴线 P 张拉端 Px 锚固端 Px-dPx dP1 kPx rd kPx dx x dx 负号表示dP1和Px 方向相反 r Px d dP1 Px-dP1 dx 五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2 d 预应力筋轴线 P 张拉端 Px 锚固端 Px-dPx x P Px d ' dx r dP2 P Px d ' d P’ Px dP2 d r Px-dP2 Px dx dP1 Px-dP1 dx dP2+dP1 Px-dPx d Px Pxd 五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2 d 预应力筋轴线 P 张拉端 Px dPx dP1 dP2 kPx dx Px d 锚固端 Px-dPx x Px P x dPx kdx d 0 0 Px r Px ln kx P Px P e ( kx ) dx d d r P‘ Px dP2 dP1 Px-dP2 Px dx Px-dP1 dx dP2+dP1 Px-dPx d Px Pxd 五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2 d 预应力筋轴线 P Px P 张拉端 Px 锚固端 e ( kx ) Px-dPx x P Px P (1 l 2 con (1 考虑孔道每米长度 局部偏差的摩擦系 数，教材表9-3 1 e ( kx ) r 1 e ) ) ( kx ) dx d d r P’ Px dP2 预应力钢筋与孔 道壁间的摩擦系 数，教材表9-3 dP1 Px-dP2 Px dx Px-dP1 dx dP2+dP1 Px-dPx d Px Pxd 五、预应力损失值 2. 管道摩擦损失l2 采用超张拉可以减 少l2 d 预应力筋轴线 P 张拉端 Px 锚固端 Px-dPx 建议的张拉程序为 0 1.1con停2分钟 x dx 0.85con停2分钟 con 五、预应力损失值 3. 温差应力损失l3 混凝土蒸汽养护时,预应力 钢筋与台座之间温差引起 的损失 温度为t0时的应力为con 温度升到t1时由于混凝土 未结硬此处的应力为con’ 钢筋的线膨胀系数 l 3 0.00001tEs 0.00001 t 2 105 2t ( N / m m2 ) *采用二次升温法可减少l3:先在常温下养护,当混 凝土的强度达到7.5~10N/mm2时再逐渐升温 温度回落到t0时由于混凝土 已结硬和钢筋同时回缩， 此处的应力为con’’< con 五、预应力损失值 4. 应力松弛损失l4 钢筋在高应力作用下，长度不变而应力随时间逐渐降低的现象称为 应力松弛。 钢筋张拉后1小时内约完成总松弛的50%， 24小时内完成总松弛的80%，以后逐渐收敛 1）预应力钢丝、钢绞线 l 4 a ( 采用超张拉时为0.9，不采用时为1.0 con f ptk b) con 常数参见规范的相关内容 2）对于冷拉钢筋、热处理钢筋： 一次张拉 l 4 0.05 con 超张拉 l 4 0.035 con 五、预应力损失值 4. 应力松弛损失l4 采用超张拉可以减少l4 建议的张拉程序为 0 (1.05~1.16)con 停2~5分钟 0 在高应力下，本需1小时才能完成的 损失，在2~5分钟内就完成了大部分 con 五、预应力损失值 5. 混凝土收缩徐变损失l5 收缩和徐变两者相互有关，很难精确计算，为了简化两项 损失可合并考虑 受拉区或受压区预应力钢筋在各自合 力作用点处混凝土的法向压应力 A B pc f cu l5 C D 高湿环境中可降低50% 干燥环境中应增加20~30% 受拉区或受压区各自预应力钢筋和非 预应力钢筋的配筋率 系数A、B、C、D参见教材中的相关规定 五、预应力损失值 6. 钢筋挤压混凝土损失l6 采用螺旋式预应力筋作为配筋的环形构件，由于预应力筋 对混凝土的局部挤压使构件直径减小所引起的损失 当d3m时 l 6 30Mpa 五、预应力损失值 7. 预应力损失的组合 预应力损失的组 合 先张法构件 后张法构件 第一批损失lI l1+l2+l3+l4 l1+l2 第二批损失lII l5 l4+l5+l6 预应力总损失 的下限值 先张法构件： l100N/mm2 后张法构件： l80N/mm2 六、轴心受拉构件的分析 1. 受力特征 开裂前，荷载-位移关系为线 性的，预应力钢筋的应力增 长较少 P 预应力混凝土构件 （使用荷载下不带裂缝） P 开裂后，预应力钢筋的应力 急增，进入非线性阶段 预应力钢筋 P 普通混凝土构件 （使用荷载下常带裂缝） 六、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的应力分析 施工阶段----张拉钢筋 钢筋应力： p con 混凝土应力： c 0 六、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的应力分析 施工阶段----完成第一批预应力损失 浇注混凝土但不受力 钢筋应力： p con lI 混凝土应力： c 0 六、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的应力分析 E Es E c 施工阶段----放松钢筋 钢筋应力： p con lI E pcI pcI Ac ( con lI E pcI ) Ap pcI 混凝土应力： pcI ( con lI ) Ap A0 Ac E Ap A0 六、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的应力分析 E Es E c 施工阶段----完成第二批损失 钢筋应力： p con lI lII E pcII pcII Ac ( con lI lII E pcII ) Ap pcII 混凝土应力： pc ( con lI lII ) Ap 混凝土中的有效预压应力 A0 Ac E Ap A0 六、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的应力分析 加载阶段----加载至混凝土中的应力为0 p con lI lII E pcII 钢筋应力： p con lI lII Np0 c=0 混凝土应力： c 0 N p0 ( con lI lII ) Ap 六、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的应力分析 加载阶段----加载至混凝土开裂 p con lI lII 钢筋应力： p con lI lII E ftk Ncr ft 混凝土应力： c ftk Ncr ( con lI lII E ftk ) Ap ftk Ac 六、轴心受拉构件的分析 1. 先张法构件各阶段的应力分析 加载阶段----加载到破坏 钢筋应力： p f py Nu 混凝土应力： c 0 Nu f py Ap 六、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的应力分析 施工阶段----穿钢筋 钢筋应力： p con 混凝土应力： c 0 钢筋应力： p 0 混凝土应力： c 0 六、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的应力分析 钢筋应力： p con lI E pcI 施工阶段----张拉钢筋完成第一批预 应力损失 混凝土应力： cpI ( con lI ) Ap A0 pcI 钢筋应力： p con lI pcI 混凝土应力： pcI ( con lI ) Ap 净面积：An Ac An 六、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的应力分析 钢筋应力： p con lI lII E pcII 施工阶段----完成第二批损失 混凝土应力： pcII ( con lI lII ) Ap A0 ( con l ) Ap A0 pcII 钢筋应力： p con lI lII pcII 混凝土应力： pcII ( con lI lII ) Ap An 混凝土中的有效预压应力 即： pcII ( con l ) Ap An 六、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的应力分析 加载阶段----加载至混凝土中的应力为0 N p0 ( con lI lII ) Ap 钢筋应力： p con lI lII 混凝土应力： c 0 Np0 c=0 钢筋应力： p con lI lII E pcII Np0 混凝土应力： c 0 N p0 ( con lI lII E pcII ) Ap 六、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的应力分析 Ncr ( con lI lII E ftk ) Ap ftk Ac 加载阶段----加载至混凝土开裂 混凝土应力： c ftk Ncr ftk 钢筋应力： p con lI lII E pcII E ftk Ncr ftk 混凝土应力： c ftk Ncr ( con lI lII E pcII E ftk ) Ap ftk An 六、轴心受拉构件的分析 2. 后张法构件各阶段的应力分析 加载阶段----加载到破坏 Nu Nu 钢筋应力： p f py 混凝土应力： c 0 钢筋应力： p f py 混凝土应力： c 0 Nu f py Ap