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第6章 预应力混凝土构件基本知识 1 1、普通混凝土抗裂性很差普通混凝土抗裂性很差 混凝土的极限拉应变很低，只有混凝土的极限拉应变很低，只有0.00010.00010.00150.0015，这时钢筋，这时钢筋应力仅应力仅202030N/mm30N/mm2 2,另外提高混凝土的强度也不明显另外提高混凝土的强度也不明显2 2、高强材料得不到充分应用高强材料得不到充分应用 裂缝宽度一般应限制在裂缝宽度一般应限制在0.20.20.3mm0.3mm以内，受拉钢筋应力最以内，受拉钢筋应力最高也只能达到高也只能达到150150250N/mm250N/mm2 23 3、结构自重大使用性能不好结构自重大使用性能不好 普通混凝土结构不能适应现代化建设大跨度和大空间的需普通混凝土结构不能适应现代化建设大跨度和大空间的需要，因为无法采用高强度的材料，势必导致要，因为无法采用高强度的材料，势必导致截面尺寸过大和截面尺寸过大和自重过大。自重过大。一、普通混凝土构件存在问题一、普通混凝土构件存在问题2二、预应力混凝土的产生二、预应力混凝土的产生基本原理基本原理1 1、C20C20普通钢筋混凝土简支梁，在荷载作用下，在梁跨中下边普通钢筋混凝土简支梁，在荷载作用下，在梁跨中下边缘产生缘产生10N/mm10N/mm2 2的拉应力，混凝土梁早已开裂，且裂缝已有的拉应力，混凝土梁早已开裂，且裂缝已有相当的开展。相当的开展。三、预应力基本原理及特点分析三、预应力基本原理及特点分析42 2、在预压力作用下，截面下边缘、在预压力作用下，截面下边缘(预压区）跨中产生压应力预压区）跨中产生压应力1 1=10N/mm210N/mm2，形成反拱，形成反拱f f 1 1 11预压区预加应力单独作用下受力预加应力单独作用下受力预拉区f123 3、在外荷载作用下，截面下边缘产生拉应、在外荷载作用下，截面下边缘产生拉应力力2 2=9N/mm29N/mm2，其挠度为，其挠度为f f 2 2 f2荷载单独作用下受力荷载单独作用下受力受压区砼受拉区钢筋 1 1、定义、定义：所谓预应力砼构件就是在构件受荷之前所谓预应力砼构件就是在构件受荷之前（制作阶段制作阶段），人为给拉区砼施加），人为给拉区砼施加预压应力预压应力，受荷之后（，受荷之后（使使用阶段用阶段）首先要抵消拉区砼的）首先要抵消拉区砼的预压应力预压应力，若再加荷拉区砼开，若再加荷拉区砼开裂，直至破坏为止。裂，直至破坏为止。2 2、常见预应力钢筋砼构件有：、常见预应力钢筋砼构件有：预应力钢筋砼预应力钢筋砼轴拉构件轴拉构件、预应力钢筋砼预应力钢筋砼受弯构件受弯构件、预应力混凝土大、预应力混凝土大偏心受压构件、偏偏心受压构件、偏心受拉构心受拉构件，预应力混凝土件，预应力混凝土预制桩等预制桩等得到广泛的应用。得到广泛的应用。预应力的基本概念预应力的基本概念3 3、预应力混凝土与钢筋混凝土的比较：、预应力混凝土与钢筋混凝土的比较：预应力混凝土结构中，预应力混凝土结构中，混凝土的强度等级要高，钢筋的强混凝土的强度等级要高，钢筋的强 度也要高。度也要高。预应力程度较高预应力混凝土结构，预应力程度较高预应力混凝土结构，性能如同均质弹性材料。性能如同均质弹性材料。而普通钢筋混凝土在使用荷载作用下的性能是非线性的。而普通钢筋混凝土在使用荷载作用下的性能是非线性的。预应力混凝土结构预应力混凝土结构刚度大，挠度小，裂缝宽度小刚度大，挠度小，裂缝宽度小。一旦预应力被克服后，预应力混凝土和普通混凝土结构就没有本一旦预应力被克服后，预应力混凝土和普通混凝土结构就没有本质上的不同，因而质上的不同，因而正截面承载力是一样正截面承载力是一样的；的；预应力混凝土梁的斜截面抗剪强度高预应力混凝土梁的斜截面抗剪强度高于普通混凝土，因而预应力于普通混凝土，因而预应力混凝土梁的腹板可做得较薄，大大减轻了自重。混凝土梁的腹板可做得较薄，大大减轻了自重。84 4、预应力混凝土的特点、预应力混凝土的特点 优点：优点：裂缝宽度小、刚度大、挠度小、结构的耐久性好。裂缝宽度小、刚度大、挠度小、结构的耐久性好。抗裂性高，可建造水工建筑、储水结构、抗渗结构。抗裂性高，可建造水工建筑、储水结构、抗渗结构。充分利用高强材料，节约了钢材、减轻了自重，特别在大跨度的结构中充分利用高强材料，节约了钢材、减轻了自重，特别在大跨度的结构中更为经济。更为经济。提高构件的抗剪性能。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻提高构件的抗剪性能。试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展碍着构件斜裂缝的出现与开展.提高构件的抗疲劳性能。在预应力结构中，由于钢筋事先张拉，在往复提高构件的抗疲劳性能。在预应力结构中，由于钢筋事先张拉，在往复移动荷载的作用下，钢筋应力变化幅度不大移动荷载的作用下，钢筋应力变化幅度不大10%10%以下，不会引起钢筋疲劳。以下，不会引起钢筋疲劳。提高受压构件的稳定承载力。提高受压构件的稳定承载力。对于长细比较大的受压构件，对于长细比较大的受压构件，由于预应力钢筋张拉的很紧，不但预应力钢筋本身不会压弯，由于预应力钢筋张拉的很紧，不但预应力钢筋本身不会压弯，而且可帮助周围混凝土提高抗弯的能力。而且可帮助周围混凝土提高抗弯的能力。缺点：缺点：工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备 一支技术较熟一支技术较熟练的专业队伍。练的专业队伍。需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。成本较高。5 5、应用范围应用范围:在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊在建筑中可用于建造大型屋面板、屋面梁、承重桁架、吊车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可车梁，建造薄壁空间结构，多层框架和单层大跨度建筑，也可建造墙板、柱子等。建造墙板、柱子等。桥梁中建造了预应力桥梁中建造了预应力箱形截面简支梁跨度箱形截面简支梁跨度达达240m240m，斜拉预，斜拉预应力混凝土桥跨度可达应力混凝土桥跨度可达400m400m。特种结构方面特种结构方面可建造预应力混凝土电视塔，石油开采平台、可建造预应力混凝土电视塔，石油开采平台、预应力混凝土囤船、预应力压力容器等。预应力混凝土囤船、预应力压力容器等。预加应力的方法预加应力的方法 1 1、根据预应力筋张拉时间的先后，习惯上把预加应力方法根据预应力筋张拉时间的先后，习惯上把预加应力方法分为分为先张法、后张法和同张法先张法、后张法和同张法。2 2、先、后张法比较：、先、后张法比较：5/6/2024先张法先张法1.施工工序：施工工序：a.固定支座，固定支座，放预应力钢筋放预应力钢筋 b.用千斤顶拉用千斤顶拉钢筋，用夹具钢筋，用夹具讲预应力筋固讲预应力筋固定。定。c.浇筑混凝土，浇筑混凝土，养护，缩短施养护，缩短施工工期工工期 d.混凝土打到混凝土打到一定强度，切一定强度，切断钢筋或放松断钢筋或放松钢筋，通过钢钢筋，通过钢筋与混凝土间筋与混凝土间的粘结力的粘结力5/6/2024 优点：优点：张拉工序简单张拉工序简单 不需要放置永久锚具不需要放置永久锚具 批量生产批量生产 缺点：缺点：需成批钢模养护池，一次性投资大需成批钢模养护池，一次性投资大 适用于直线型布筋，对于曲线布置较困难适用于直线型布筋，对于曲线布置较困难 传力途径：传力途径：是是依靠钢筋与砼的粘结力依靠钢筋与砼的粘结力阻止钢筋的弹性回弹，阻止钢筋的弹性回弹，使截面砼获得预压应力。使截面砼获得预压应力。后张法后张法:在构件浇筑成型，且混凝土强度达到在构件浇筑成型，且混凝土强度达到75%75%以上时，以上时，再张拉钢筋的方法。预应力主要通过钢筋端部的锚具来传再张拉钢筋的方法。预应力主要通过钢筋端部的锚具来传递。递。其主要张拉程序其主要张拉程序：为埋管制孔为埋管制孔浇砼浇砼抽管抽管养护穿筋张养护穿筋张拉拉锚固锚固灌浆灌浆（防止钢筋生锈）（防止钢筋生锈）。传力途径：传力途径：依靠锚具阻止依靠锚具阻止钢筋的弹性回弹钢筋的弹性回弹，使截面砼获，使截面砼获得预压应力。得预压应力。特点：特点：这种方法设备简单，不需要张拉台座，生产灵活，这种方法设备简单，不需要张拉台座，生产灵活，但需要可靠的锚具及千斤顶，锚具用钢量大，但需要可靠的锚具及千斤顶，锚具用钢量大，适用大型构件适用大型构件的现场施工。的现场施工。这种做法钢筋与砼结为整体称为有粘结力预应力砼。这种做法钢筋与砼结为整体称为有粘结力预应力砼。有粘结有粘结力预应力砼由于粘结力（阻力）的作用使得预应力钢筋拉应力预应力砼由于粘结力（阻力）的作用使得预应力钢筋拉应力降低，导致砼得到压应力降低，力降低，导致砼得到压应力降低，所以应设法减少这种粘结所以应设法减少这种粘结力。力。先张法先张法张拉钢筋张拉钢筋浇筑混凝土浇筑混凝土切断钢筋，混凝土预压切断钢筋，混凝土预压预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递预应力由混凝土与钢筋间的粘结力来传递后张法后张法预应力由构件两端锚具实现预应力由构件两端锚具实现浇筑混凝土构件浇筑混凝土构件穿预应力钢筋穿预应力钢筋锚固钢筋，孔道灌浆锚固钢筋，孔道灌浆3 3、比较先、后张法、比较先、后张法5/6/2024四、预应力混凝土构件的一般规定四、预应力混凝土构件的一般规定1 1、预应力混凝土材料性能要求、预应力混凝土材料性能要求 钢筋的性能钢筋的性能钢筋的性能钢筋的性能强度高强度高较好的塑性、较好的塑性、可焊性。可焊性。良好的粘结性。良好的粘结性。低松弛。低松弛。预应力钢筋一直预应力钢筋一直处于高强受拉应力处于高强受拉应力超载情况下超载情况下发生脆性破断，发生脆性破断，同时还要求具有良好同时还要求具有良好的加工性能，的加工性能，提高与混凝土提高与混凝土粘结强度粘结强度减少预应力减少预应力损失损失21预应力钢筋的种类预应力钢筋的种类、消除应力钢丝包括光面（、消除应力钢丝包括光面（P P）、螺）、螺旋肋（旋肋（H H）、三面刻痕（）、三面刻痕（I I）刻痕钢丝刻痕钢丝螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝 消除应力钢丝见消除应力钢丝见预应力砼用钢丝预应力砼用钢丝GB/T5223GB/T5223，是用高碳，是用高碳镇静钢轧制成的盘园，经过加温、淬火（铅浴）、酸洗、冷拔、镇静钢轧制成的盘园，经过加温、淬火（铅浴）、酸洗、冷拔、回火矫直等处理工序来消除应力，而成的碳素钢丝可提高抗拉回火矫直等处理工序来消除应力，而成的碳素钢丝可提高抗拉强度（强度（光面钢丝光面钢丝f fp py y=1250N/mm=1250N/mm2 2，其余，其余f fp py y1110 N/mm1110 N/mm2 2），这，这样钢直径样钢直径4 499mmmm，强度高、低松弛。，强度高、低松弛。22、钢绞线、钢绞线由多根冷拉钢丝在绞线机上咬合并由多根冷拉钢丝在绞线机上咬合并经消除应力回火而成的总称。经消除应力回火而成的总称。有有1 13 3捻用于先张法。捻用于先张法。1 17 7捻是外捻是外层钢丝围绕一根直径大层钢丝围绕一根直径大20%20%的中心钢的中心钢丝绞成后张法中应用广泛。丝绞成后张法中应用广泛。直径用直径用S S表示表示，外径，外径8.68.6 15.2mm15.2mm，f fpy=1110 py=1110 1320 1320 N/mmN/mm2 2 ，强度高、低松弛、伸直强度高、低松弛、伸直性好，比较柔软性好，比较柔软 ，盘弯方便，盘弯方便，粘结性好。粘结性好。钢丝绳与钢绞线的区别：钢丝绳与钢绞线的区别：在制作工艺上，钢丝绳是由钢丝绞成股，在制作工艺上，钢丝绳是由钢丝绞成股，再由股捻成绳，有中间夹麻芯或钢芯和再由股捻成绳，有中间夹麻芯或钢芯和加芯的钢丝绳；钢绞线是由钢丝只经过加芯的钢丝绳；钢绞线是由钢丝只经过一次扭绞。一次扭绞。在性能上，钢丝绳的弹性模在性能上，钢丝绳的弹性模量小与钢绞线。量小与钢绞线。23、冷拉低合金钢和冷拔低碳钢丝、冷拉低合金钢和冷拔低碳钢丝、由于强度低，不再由于强度低，不再列入钢筋砼规范。列入钢筋砼规范。规范规范规定，预应力钢筋宜采用规定，预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、消除应力钢丝、预应力钢绞线、消除应力钢丝、也可采用热处理钢筋。也可采用热处理钢筋。无粘结预应力钢筋则采用无粘结预应力钢筋则采用高强钢丝和钢绞高强钢丝和钢绞线线。预应力钢筋的发展趋势是。预应力钢筋的发展趋势是高强度、低松弛、粗直径、耐腐蚀高强度、低松弛、粗直径、耐腐蚀。、热处理钢筋、热处理钢筋 将合金钢（将合金钢（40Si2Mn40Si2Mn、48Si2Mn48Si2Mn、45Si2Cr45Si2Cr）经过调质热处）经过调质热处理而成，达到提高抗拉强度（理而成，达到提高抗拉强度（fPfPy y =1040N/mm2=1040N/mm2），改善塑性性），改善塑性性能。能。HTHT表示。表示。这种筋具有强度高（节省钢材）低松弛的特点，其这种筋具有强度高（节省钢材）低松弛的特点，其=6=6 10mm10mm以盘园形式供给省去焊接，有利施工。以盘园形式供给省去焊接，有利施工。混凝土混凝土规范规范规定：预应力砼结构强度等级不宜低于规定：预应力砼结构强度等级不宜低于C30C30，当，当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时预应力砼结构强度等采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时预应力砼结构强度等级不宜低于级不宜低于C40C40。25、张拉控制应力、张拉控制应力concon1 1、定义：、定义：张拉控制应力张拉控制应力是指预应力钢筋在张拉时，所控制是指预应力钢筋在张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶上的油压表）达到的最大应力值。其值为张拉设备（如千斤顶上的油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得出的应力值，所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得出的应力值，以以concon表示。表示。2、张拉控制应力张拉控制应力concon对预应力混凝土构件预压效果的影响分对预应力混凝土构件预压效果的影响分析：析：如果如果concon取值过低取值过低，则预应力钢筋经过各种损失后，对，则预应力钢筋经过各种损失后，对混凝土产生的预压应力过小，预应力混凝土的效果不明显，因混凝土产生的预压应力过小，预应力混凝土的效果不明显，因此此规范规范规定规定concon不应小于不应小于0.40.4f ptk f ptk。如果如果concon取得太高取得太高，可能出现下列问题，可能出现下列问题：、预应力钢筋已超过实际屈服强度而失去回缩能力，或、预应力钢筋已超过实际屈服强度而失去回缩能力，或已发生脆断现象。已发生脆断现象。、构件的开裂荷载与破坏荷载接近，使构件在破坏前、构件的开裂荷载与破坏荷载接近，使构件在破坏前无明显预兆，构件的延性较差。无明显预兆，构件的延性较差。、构件的反拱过大，或者预拉区产生裂缝影响正常使构件的反拱过大，或者预拉区产生裂缝影响正常使用。用。规范规范规定，在一般情况下，张拉控制应力规定，在一般情况下，张拉控制应力concon值不宜超过下表的限值。值不宜超过下表的限值。第二节第二节 预应力损失计算预应力损失计算 钢筋的种类张拉方法先张法后张法 预应力消除钢丝、钢绞线 0.75 f ptk 0.75 f ptk 热处理钢筋 0.70 f ptk 0.65 f ptk 规范指出，为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性规范指出，为了提高构件制作、运输及吊装阶段的抗裂性而在受压区设置的预应力钢筋，其允许控制而在受压区设置的预应力钢筋，其允许控制应力提高应力提高5%5%。张拉控制应力限值张拉控制应力限值