第 10 章 预应力混凝土构件

1. 第10章 预应力混凝土构件 预 应 力 混 凝 土 结 构 Prestressed Concrete Structure

2. 10.1 预应力混凝土的基本概念与分类 10.1.1 预应力混凝土的概念 • 混凝土的抗拉强度太低，导致受拉区混凝土过早开裂，或者裂缝宽度过宽，不满足适用性和耐久性的要求。混凝土的极限拉应变约为0.1~0.15×10-3，钢筋弹性模量为2×105N/mm2，则受拉钢筋的应力只能到20~30N/mm2，不能充分利用其强度；对允许开裂的构件，当受拉钢筋的应力达到250N/mm2，裂缝宽度已达0.2~0.3mm。 • 钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。 • 高强钢筋的使用，应力达500~1000N/mm2，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。

3. 预应力混凝土结构：就是在外荷载作用之前，先对混凝土预加压力，造成人为的应力状态。它所产生的预压应力能部分或全部抵消外荷载所引起的拉应力。这样在外荷载作用下，裂缝就能延缓或不致发生，即使发生了，裂缝的宽度也不会开展过宽。预应力混凝土结构：就是在外荷载作用之前，先对混凝土预加压力，造成人为的应力状态。它所产生的预压应力能部分或全部抵消外荷载所引起的拉应力。这样在外荷载作用下，裂缝就能延缓或不致发生，即使发生了，裂缝的宽度也不会开展过宽。

4. e p s N pc q s ct N sct-spc

5. 由于预加应力spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂；由于预加应力spc较大，受拉边缘仍处于受压状态，不会出现开裂； 受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂； 受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np =0）的开裂明显推迟，裂缝宽度也显著减小。

6. 1928年法国杰出的土木工程师E.Freyssnet发明了预应力混凝土。1928年法国杰出的土木工程师E.Freyssnet发明了预应力混凝土。

8. 预应力坝

9. 预应力混凝土结构的优缺点： 优点：延缓构件开裂，减小裂缝宽度； 提高抗裂度和刚度； 节约钢筋，减轻自重，可建造大跨高层结构。 缺点：施工工序多，技术要求高； 需要专门的锚具和张拉设备，以及预应力钢筋，费用高； 开裂荷载与破坏荷载过于接近，破坏前的延性差。 优先采用预应力混凝土的结构： 要求裂缝控制等级较高的构件； 大跨度或受力很大的构件； 对构件刚度和变形控制要求较高的结构构件。

10. 10.1.2 预应力混凝土的分类 一级－严格要求不出现裂缝的构件，要求构件受拉边缘混凝土不产生拉应力 截面控制裂缝的程度不同 二级－一般要求不出现裂缝的构件，要求构件受拉边缘混凝土的拉应力不超过混凝土抗拉强度 三级－允许出现裂缝的构件，要求构件正截面最大裂缝宽度计算值不超过规定限值。

11. 若按预应力钢筋与混凝土的粘结状况，可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。若按预应力钢筋与混凝土的粘结状况，可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。 • 有粘结预应力混凝土：预应力钢筋与周围的混凝土有可靠的粘结强度，使得预应力钢筋与混凝土在荷载作用下有相同的变形。 • 无粘结预应力混凝土：预应力钢筋与周围的混凝土没有任何的粘结强度。预应力钢筋的应力沿构件长度变化不大，若忽略阻力影响则可以认为是相等的。

12. 无粘结预应力混凝土特点 • 无粘结预应力混凝土的预应力钢筋有塑料套管或塑料包膜包裹；制作时不需预留孔道和灌浆；张拉工序简单，施工方便；破坏时钢筋应力仅为有粘结预应力钢筋的70％～90％。为了综合考虑对其结构性能的要求，必须配置一定数量的有粘结的非预应力钢筋。用于水工建筑物较少。

13. 10.2施加预应力的方法、预应力混凝土材料与张拉机具10.2施加预应力的方法、预应力混凝土材料与张拉机具 先张法－在浇灌混凝土之前张拉钢筋的方法，称为先张法。 先张法 预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。 优点：用长线台座，批量生产，效率高；施工简单。 缺点：需要专门台座，基建投资较大；施加的预应力较小，用于中小构件。

15. 在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法。在结硬后的混凝土构件上张拉钢筋的方法称为后张法。 后张法 预应力是靠钢筋端部的锚具来传递的。 优点：不需要专门台座，可现场制作，用于大型构件； 缺点：需要留孔，灌浆，施工复杂；锚具要附在构件内，耗钢量大。

16. 10.2.2 预应力混凝土材料 混凝土 1）强度高。预应力混凝土要求采用高强混凝土，可以施加较大的预压应力，有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求； 2）收缩、徐变小，有利于减少收缩、徐变引起的预应力损失； 3）快硬、早强。可较早施加预应力，加快施工速度，提高台座、模具、夹具的周转率 一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C30，当采用高强钢丝时不低于C40。

17. 钢材 1）强度高；预应力钢筋具有较高的抗拉强度。 2）具有一定的塑性；为避免在构件发生脆性破坏，预应力筋在拉断前具有一定的伸长率。 3）良好的加工性能；以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。 4）与混凝土之间有良好的粘结；通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。 我国目前常用的预应力钢材主要有： 钢绞线 钢丝 钢丝束等

18. 1、钢绞线 钢绞线是用直径5~6mm的高强钢丝捻制而成的一种高强预应力筋，其中以7股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为9.5~15.2 mm，强度可高达1860MPa。 无粘结预应力束

19. 刻痕钢丝 螺旋肋钢丝 2、钢丝、钢丝束 分为冷拉钢丝和消除应力钢丝两种。 外形分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝、刻痕钢丝三种。 极限抗拉强度标准值可达1860N/mm2。 在后张法构件中，当需要钢丝的数量很多时，钢丝常成束布置，称为钢丝束。钢丝束就是将几根或几十根钢丝按一定规律排列，用钢丝扎在一起。排列方式有单根单圈、单根双圈、单束单圈等

20. 3、无粘结预应力钢筋 分为无粘结预应力钢丝束和无粘结预应力钢绞线。它们用的钢丝与有粘结钢筋相同，所不同的是：无粘结预应力钢筋的表面必须涂刷油脂，应用塑料管或塑料布带作为包裹层加以保护及形成可相互滑动的无粘结状态。

21. 10.2.3 夹具和锚具 夹具：当预应力构件制成后能够取下重复使用的称为夹具； 锚具：留在构件上不再取下的称锚具。 二者均是依靠摩阻、握裹和承压锚固来夹住或锚住钢筋。 对锚具的要求： （1）安全可靠，具有足够的强度和刚度； （2）应使预应力钢筋在锚具内尽可能的不产生滑移； （3）构造简单，便于机械加工制作； （4）使用方便，省材料，价格低。 先张法夹具

23. 梳子板夹具

25. 螺丝端杆锚具 后张法锚具 螺丝端杆锚具 优点：操作简单，预应力钢筋基本不发生滑动； 缺点：对预应力钢筋长度的精度要求高，不能太长或太短。

26. 锥形锚具 优点：锚固多根平行钢丝束或钢绞线束； 缺点：滑移大，不易保证每根应力均匀。

27. (a) (b) (c) 张拉端 分散式固定端 集中式固定端 镦头锚具 预应力靠镦头的承压力传到锚环，在依靠罗纹上的承压力传到螺帽，再经过垫板传到混凝土构件上。 优点：锚固性能可靠，锚固力大，张拉操作方便；缺点：对钢筋钢丝束的长度精度要求高。

28. 夹具式锚具 预应力靠摩擦力将预拉力传给夹片，夹片依靠其斜面上的承压力传锚环，再由锚环依靠承压力传给构件。

30. 10.3 张拉控制应力scon及预应力损失 预应力钢筋在进行张拉时，所控制达到的最大应力值。其值为张拉设备（千斤顶油压表）所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积而得到的应力值，以scon表示。 ◆ 它是预应力筋在构件受荷以前所经受的最大应力。 ◆ 张拉控制应力scon取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，抵消部分预应力损失，可以使预应力筋充分发挥作用。 ◆ 但scon取值过高，可能会在张拉时引起破断事故，产生过大应力松弛。因此，《规范》规定了张拉控制应力限值[scon]。

31. 张拉控制应力的大小与施加预应力的方法有关，先张法高于后张法。先张法在台座上张拉钢筋，预应力钢筋中的拉应力就是张拉控制应力scon，施加后混凝土弹性回缩造成预应力筋拉力降低；后张法在混凝土构件上张拉钢筋，张拉的同时混凝土被压缩，张拉控制应力已经扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。张拉控制应力的大小与施加预应力的方法有关，先张法高于后张法。先张法在台座上张拉钢筋，预应力钢筋中的拉应力就是张拉控制应力scon，施加后混凝土弹性回缩造成预应力筋拉力降低；后张法在混凝土构件上张拉钢筋，张拉的同时混凝土被压缩，张拉控制应力已经扣除混凝土弹性压缩后的钢筋应力。

32. 因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的，同时张拉预应力筋也是对它进行的一次检验，所以表中[scon]是以预应力筋的标准强度给出的，且[scon]可不受抗拉强度设计值的限制。因为对预应力筋的张拉过程是在施工阶段进行的，同时张拉预应力筋也是对它进行的一次检验，所以表中[scon]是以预应力筋的标准强度给出的，且[scon]可不受抗拉强度设计值的限制。 在下列情况下， [scon]可提高0.05 fptk： ⑴ 为提高构件在施工阶段的抗裂性能，而在使用阶段受压区内设置的预应力筋； ⑵为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损失。 为避免scon的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，《规范》规定scon不应小于0.4 fptk。

33. 10.1.7 预应力损失 • ◆ 预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及制作方法上原因，预应力筋中应力会从scon逐步减少，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种应力降低现象称为预应力损失。 • ◆ 由于最终稳定后的应力值才对构件产生实际的预应力效果。因此，预应力损失是预应力混凝土结构设计和施工中的一个关键的问题。 • ◆ 过高或过低估计预应力损失，都会对结构的使用性能产生不利影响。 • 采取各种因素产生的预应力损失进行叠加的方法求得总预应力损失。6项预应力损失。

34. 由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有：由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失，主要有： ◆ 锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。 ◆ 摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔道壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处的摩擦，也会使张拉应力造成损失。 ◆温差损失：先张法中的热养护引起的温差损失。 ◆ 松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生松弛，会引起预应力损失。 ◆ 混凝土的收缩和徐变引起的损失。 ◆ 螺旋式预应力钢筋对混凝土的局部挤压损失。

35. 1、预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失（简称锚固损失）sl11、预应力直线钢筋由于锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失（简称锚固损失）sl1 预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形，锚具、垫板与构件之间的缝隙被挤紧，以及钢筋在锚具中的滑移引起的预应力损失记为sl1。 a－张拉端锚具变形和钢筋内缩值(mm)； l－张拉端与锚固端之间的距离(mm)； Es－预应力钢筋的弹性模量。

36. 减小sl1的措施：选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板；增加台座长度。减小sl1的措施：选择锚具变形小或使预应力钢筋内缩小的锚具、夹具，并尽量少用垫板；增加台座长度。

37. 2、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失sl22、预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失sl2 摩擦损失是指在后张法张拉钢筋时，由于预应力筋与周围接触的混凝土或套管之间存在摩擦，引起预应力筋应力随距张拉端距离的增加而逐渐减少的现象。 摩擦阻力由下述两个原因引起，分别计算，然后相加： 1）张拉曲线预应力钢筋时，由预应力钢筋和孔道壁之间的法向正压力引起的摩擦阻力； 2）预留孔道因施工中某些原因发生凹凸，偏离设计值，预应力钢筋和孔道壁之间将产生法向正压力而引起摩擦阻力。

38. 若 κ－考虑孔道每米长度局部偏差的摩擦系数； x－从张拉端至计算截面的孔道长度； m－预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数； q－从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角。

39. 钢丝束、钢绞线摩擦系数 k m 孔道成型方式 预埋金属波纹管 0.0015 0.25 预埋钢管 0.0010 0.25 抽芯成型 0.0015 0.55 无粘结预应力钢绞线 0.0035 0.09 1 注： 、当有可靠的试验数据资料时，表列系数值可根据实测数据 确定； 2 、当采用钢丝束的钢质锥形锚具及类似形式锚具时，尚应考 虑锚杯口处的附加摩擦损失，其值可根据实测数据确定；

40. 一端张拉 两端张拉 超张拉 减小sl2的措施： 1、对较长的构件两端进行张拉，计算中孔道长度可按构件的一半长度计算，如下图(b)所示。 2、采用超张拉(c)

41. 停2min 停2min scon 0.85scon 1.1scon 超张拉的程序为： Step1:张拉端A超张拉10%，控制应力为1.1scon，钢筋中的预应力将沿EHD分布； Step2：张拉端的张拉应力降低至0.85scon，由于孔道与钢筋之间的反向摩擦，预应力沿FGHD分布； Step3：张拉端A再次张拉至scon时，钢筋的预应力沿CGHD分布，预应力分布均匀，预应力损失小。

42. 3、热养护损失sl3 混凝土加热养护时，受张拉的预应力钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失。 为缩短先张法构件的生产周期，常采用蒸汽养护加快混凝土的凝结硬化。升温时，新浇混凝土尚未结硬，钢筋受热膨胀，但张拉预应力筋的台座是固定不动的，亦即钢筋长度不变，因此预应力筋中的应力随温度的增高而降低，产生预应力损失sl3。 降温时，混凝土达到了一定的强度，与预应力筋之间已具有粘结作用，两者共同回缩，已产生预应力损失sl3无法恢复。 设养护升温后，预应力筋与台座的温差为Dt ℃，取钢筋的温度膨胀系数为1×10-5/℃，则有，

43. 减少sl3的措施： 1、采用两次升温养护，先在常温下养护，待到混凝土强度达到一定强度等级，在逐渐升温至规定的养护温度； 2、钢模上张拉预应力钢筋，将钢模与构件一同整体养护。

44. 4、预应力钢筋应力松弛引起的预应力损失sl4 钢筋在高应力长期作用下其塑性变形具有随时间而增长的性质，在钢筋长度保持不变的条件下，钢筋应力值随时间增长而逐渐降低，这种现象称为松弛。另一方面，在钢筋应力保持不变的的条件下，应变随时间的增长而逐渐增大，这种现象称为徐变。 钢筋的松弛和徐变均将引起预应力钢筋中的应力的损失。 应力松弛与初始应力水平和作用时间长短有关。 根据应力松弛的长期试验结果，《规范》取 Ⅰ级松弛： 普通预应力钢丝和钢绞线 ψ为超张拉系数 一次张拉 y=1 超张拉 y=0.9

45. Ⅱ级松弛： 低松弛预应力钢丝和钢绞线 当scon≤0.7fptk时， 当0.7fptk <scon≤0.8fptk时， 热处理钢筋 一次张拉 sl4=0.05scon 超张拉 sl4=0.035scon 钢筋应力松弛的影响因素： 1、应力松弛与时间有关，开始阶段发展较快，后期发展缓慢；

46. 2、应力松弛与钢材品种有关； 3、张拉控制应力高，应力松弛大，反之，则小。 减少sl4的措施： 进行超张拉，先控制张拉应力大1.05scon～1.1scon，持荷2～5分钟，然后卸载再施加张拉应力至scon 5、混凝土收缩、徐变引起的预应力损失sl5 混凝土的收缩和徐变，都会导致预应力混凝土构件长度的缩短，预应力筋随之回缩，引起预应力损失。 由于收缩和徐变是同时随时间产生的，且二者的影响因素、变化规律较为相似，《规范》将二者合并考虑。 《规范》对混凝土收缩和徐变引起的损失，按下列公式计算：

47. 先张法 后张法 混凝土收缩、徐变引起受拉区预应力钢筋的预应力损失sl5和受压区预应力钢筋的预应力损失s’l5 spc和s’pc－受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处混凝土法向压应力。此时，预应力损失值仅考虑混凝土预压前（第一批）的损失，且spc和s’pc不得大于0.5f’cu

48. f’cu－施加预应力时的混凝土立方体抗压强度。f’cu－施加预应力时的混凝土立方体抗压强度。 r、r’－受力区、受压区预应力钢筋和非预应力钢筋的配筋率。 先张法 后张法 A0为混凝土换算截面面积A0=Ac+aEAp+aEAs，An为混凝土净截面面积An=Ac +aEAs。 sl5与相对初应力 为线性关系，是线性徐变条件下的应力损失，要求符合 的条件； 后张法构件的sl5的取值比先张法构件为低，因为后张法构件在施加预应力时，混凝土的收缩已经完成一部分。

49. 减少sl5的措施： 1、采用高标号水泥，减少水泥用量，降低水灰比，采用干硬性混凝土； 2、采用级配较好的骨料，加强振捣，提高混凝土的密实性； 3、加强养护，以减少混凝土的收缩。

50. 6、螺旋式配筋的环形构件，混凝土的局部挤压引起的6、螺旋式配筋的环形构件，混凝土的局部挤压引起的 预应力损失sl6 sl6的大小与环形构件的直径D成反比，直径越小，损失越大，《规范》规定：当D≤3m时， sl6 =30N/mm2 D>3m时， sl6 =0