西安建筑科技大学 土木工程学院 杨 勇 2009-12-15

1. 第10章 预应力混凝土构件性能与设计 西安建筑科技大学 土木工程学院 杨 勇 2009-12-15

2. 本章主要内容 • 10.1 预应力混凝土的基本知识;（掌握） • 10.2 预应力混凝土构件设计一般规定；（熟悉） • 10.3 预应力混凝土轴心受拉构件应力分析；（熟悉） • 10.4 预应力混凝土轴心受拉构件计算验算；（掌握） • 10.5 预应力混凝土受弯构件的设计计算；（自学） • 10.6 预应力混凝土构件的构造要求；（了解） • 10.7 公路桥涵预应力混凝土构件设计。（自学） • 参考资料—— • 杜拱辰.《现代预应力混凝土结构》 .北京：中国建筑工业出版社，2000 • 李国平.《预应力混凝土结构设计原理》.北京：人民交通出版社，2000 • 薛伟辰. 《现代预应力结构设计》.北京：中国建筑工业出版社，2003 • 宋玉普.《新型预应力混凝土结构》.北京：机械工业出版社，2005

3. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 10.1.1 预应力混凝土的一般概念 • 缘起-why? 混凝土结构的“两朵乌云” ：裂缝和变形 • 钢筋混凝土结构需要满足三种性能状态要求 • 安全性——承载能力（Mu 、Vu、Nu、Tu ） • 适用性——正常使用极限状态下的裂缝与变形 • 耐久性——裂缝和钢筋锈蚀 • 大跨建筑结构和大跨桥梁结构对混凝土结构提出更高要求 • 构件承载能力可以通过提高材料强度得到提高和保证 • 减小裂缝与变形在实际工程中的常用措施均具有局限性 • 裂缝与变形限制了混凝土结构应用和发展，以下情况不适用： • 不允许出现裂缝的结构：水池、储罐等； • 高腐蚀环境的结构：海洋工程、跨海大桥等。 • 大跨结构：大跨桥梁、大跨建筑等； • 高强材料：高强钢筋、高强混凝土、FRP等。 • 因此，为发挥和利用混凝土结构取材方便、整体性好、可模性强、造价低廉等优点，必须解决裂缝和变形问题。 • 增加钢筋配筋量As，不经济； • 增加截面尺寸b×h，增加自重，不利大跨、抗震结构、不经济； • 采用高强钢筋和高强混凝土，也不能明显减小裂缝与变形。 • 混凝土强度fc提高，ft提高不明显，抗裂度提高不明显； • 钢筋强度fy提高，弹性模量Es≈2×105MPa，刚度不提高； • 钢筋强度提高，钢筋应力σsk提高，裂缝与变形加大。

4. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 预应力技术是改善混凝土裂缝和变形最有效措施 • 预应力技术源于生活实践——一些生活用具中得出以下经验： • 在生活用具零构件间引入足够的紧压力，紧压力超过可能发生的张拉力可以维持用具原型与功能。——减小裂缝。 • 在生活用具零构件间引入足够张拉力，张拉力超过可能发生外荷载可以维持用具原型与功能——提高刚度、减小变形。 5

5. 预应力混凝土基本思想——在混凝土构件承受外荷载前，对混凝土受拉区预先施加压应力，以改善构件抗裂性能，Prestressed Concrete，简称PC。（普通混凝土——RC） 例1：轴拉构件 • 普通钢筋混凝土（ RC） （a）正常使用状态下RC轴拉构件应力 • 因此，预应力可以有效避免开裂或提高开裂荷载。 • 预应力钢筋混凝土（ PC） 粘结锚固 外加锚固 预应力大 不开裂 • 预应力施加完——混凝土受压 预应力中 • 构件承受荷载——混凝土由压到拉 较大拉力开裂 预应力小 +

6. 10.1 预应力混凝土的基本知识 例2：受弯构件（直线预应力筋） q （a）正常使用状态下RC受弯构件应力 预应力大 不开裂 q + = 预应力中 较大荷载开裂 （b）正常使用状态下PC受弯构件应力 预应力小 • 预应力可以避免或延缓构件开裂——从而使构件在正常使用荷载下不裂缝或开裂荷载较大（在同样荷载下宽度较小）； • 提高刚度、减小变形——由于裂缝不开展或在较大荷载下开展，在正常使用荷载下构件刚度提高，构件变形减小。

7. 10.1 预应力混凝土的基本知识 例3：受弯构件（曲线预应力筋） q • 在本例中，预应力产生等效荷载，等效荷载可抵消外加荷载作用q，在理想状态下，受弯构件变为受压构件，裂缝和变形问题得到解决。 • 因此，预应力相当于产生一个内在等效荷载，该等效荷载可以抵抗外加荷载，从而有效解决裂缝和变形问题。 （a）正常使用状态下RC受弯构件应力 q （b）正常使用状态下PC受弯构件应力

8. ACI（American Concrete Institute）——“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值与分布的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。 f 各种情况下预应力所产生的等效荷载 • 预应力混凝土实质——预应力产生等效荷载，平衡外加荷载 • 预应力对构件产生等效荷载，而且该等效荷载可以调整、设计； • 等效荷载可以部分或全部抵销外加使用荷载效应，减小裂缝与变形。

9. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 10.1.2 预应力结构混凝土的特点 • 预应力混凝土是钢筋混凝土结构的一场新革命。 • 与RC相比，预应力混凝土具有以下优点： • 提高了构件抗裂能力——避免或减小裂缝、提高抗裂度 • 增大构件刚度、减小构件变形 • 不开裂或裂缝很小——构件基本处于弹性阶段，刚度较大； • 预应力产生等效荷载，抵消外荷载，减小变形。 • 充分利用高强度材料——裂缝和变形问题得到解决，高强混凝土和高强钢筋强度充分发挥，构件截面变小、自重小，经济合理； • 扩大混凝土结构应用范围—— • 改善抗裂性能——可用于防渗、防水及耐久性要求高的构件； • 改善抗裂性能——连续梁桥梁（钢筋混凝土连续梁、连续组合梁） • 高强材料应用——结构强度高、变形小，适用大跨、重载结构； • 缺点——施工工序多、施工技术高，需要张拉设备、锚具等。 • RC和PC各有应用范围、均有生命力。 • RC结构—施工方便、造价较低、允许带裂缝工作； • PC结构——RC“力不能及”的情况（大跨、重载结构）。 10

11. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 10.1.3 预应力混凝土的分类 1. 按制作、施工工艺划分——先张法、后张法 • 先张法概念——在混凝土浇筑前对钢筋施加预应力。 • 将预应力筋用锚具临时固定在台座或钢模上，待混凝土达到一定强度（一般不低于75%设计强度），放松预应力筋，使混凝土在预应力作用下，构件受拉区混凝土承受预压应力。 • 先张法施工工序：张拉固定钢筋→浇混凝土→养护混凝土(至75%设计强度)→放张钢筋 → 运输安装。 • 先张法特点： • 临时锚具，通过粘结作用保持预应力； • 需要台座，一般多采用预制构件； • 预制构件整体性差（抗震性能差）。 • 先张法适用范围：构件厂生产中、小型构件（楼板、屋面板、吊车梁、桥面板等）——大型构件运输难；

13. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 后张法概念——在混凝土浇筑后对钢筋施加预应力。 • 先制作混凝土构件，并在预应力筋的位置预留出相应孔道（波纹管），待混凝土强度达到设计规定的数值后，穿入预应力筋进行张拉，并利用锚具把预应力筋锚固，最后进行孔道灌浆。 • 后张法施工工序：浇筑混凝土结构或构件(留孔)→养护拆模→(达75%强度后)穿筋张拉→固定→孔道灌浆→(浆达15N/mm2,混凝土达100%后) 受荷、移动、吊装。 • 后张法特点： • 不需台座，可现场预制大型构件； • 工序多、工艺复杂，锚具不能重复利用； • 灌浆是关键问题——穿筋困难；灌浆不密实、钢筋锈蚀； • 总体而言，后张法比先张法用的更多。 • 适用范围：大构件及结构的现场施工。

15. 10.1 预应力混凝土的基本知识 2. 按预应力程度划分——全部预应力、部分预应力 • 全部预应力——在使用荷载作用下，构件截面混凝土不出现拉应力，为全截面受压； • 部分预应力——在使用荷载作用下，构件截面混凝土允许出现拉应力或开裂，只有部分截面受压。 • A类：在使用荷载作用下，构件截面拉应力不超过容许值； • B类：在使用荷载作用下，构件截面裂缝宽度不超过容许值。 预应 力大 全预应力 q 不开裂 + = 预应 力中 部分预应力 （b）正常使用状态下PC受弯构件应力 晚开裂 预应 力小

16. 10.1 预应力混凝土的基本知识 3. 按预应力筋与混凝土粘结程度划分 • 有粘结预应力——沿预应力筋全长与混凝土粘结，先张法预应力筋、后张法中孔道灌浆预应力混凝土； • 特点：后张法孔道灌浆不易密实、预应力钢筋锈蚀、构件断裂 • 无粘结预应力——沿预应力筋全长与混凝土不粘结，预应力筋伸缩、滑动自由。 • 特点：无粘结预应力筋表面防锈、外套塑料管、与砼无粘结； • 优点：施工方便（后张法使用不留孔道）、曲线更有优势； • 缺点：与有粘结相比裂缝少而宽、强度稍低、脆性破坏； • 措施：部分粘结预应力（有粘结和无粘结搭配）。 • 缓粘结预应力——表面有缓凝胶，后张法施工张拉时不胶不硬化（无粘结），张拉完后再硬化（有粘结）。 • 特点：综合有粘结和无粘结优点、施工方便、受力合理。 • 关键：缓粘结剂的缓粘结时间——张拉时不硬化、张拉后硬化 15

17. 10.1 预应力混凝土的基本知识 无粘结预应力混凝土筋 4. 按预应力筋线型划分 • 线预加应力——预应力筋是直线、折线或曲线； • 环预加应力——将预应力用于环形结构：圆形池罐等。 球形水池

18. 10.1 预应力混凝土的基本知识 5. 按预应力筋位置划分 • 体内预应力——预应力筋在构件内部； • 体外预应力——预应力筋（索）在构件外部，新建和加固工程 预应力现场张拉 体外预应力桥梁 穿心千斤顶 6. 按预应力张拉方法划分 • 机械张拉——穿心千斤顶。 • 电热张拉——通电加热张拉。 • 预起拱方法——浇注砼前用千斤顶预起拱，浇筑后释放。

19. 10.1 预应力混凝土的基本知识 7. 按制作场所划分 • 现浇预应力混凝土——大型和重型构件； • 预制预应力混凝土——工厂或工地预制，运输吊装； • 整体性差、抗震性能差——汶川地震。 • 组合式预应力混凝土——预制和现浇结合。 • 装配整体式——预制板作模板，再现浇混凝土； • 叠合板——可用于新建或加固工程。 叠合板 SP空心板

20. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 10.1.4 预应力混凝土的材料 • 钢筋——预应力筋和非预应力筋。 • 非预应力筋——选用原则与普通混凝土中钢筋相同：HRB335、HRB400和RRB400； • 预应力筋——施加预应力的钢筋、高强高耐久性。 • 必须具有很高强度：提供高预应力、还要有应力富余以承受外加荷载；由于早期预应力筋未用高强钢筋，结果失败； • 具有一定塑性、良好可焊性； • 先张法和孔道灌浆后张法中要求有足够粘结力。 • 一般常用：钢绞线、消除应力钢丝、热处理钢筋。 • 混凝土——宜采用高强混凝土。 • 高强度——足够承受预压力； • 高弹模——弹性变形和徐变变形小、减小预应力损失； • 高粘结力——有利先张法； • 高强混凝土、高强钢筋匹配使用——截面尺寸小、经济性好。 • 《砼规范》——≥C30，采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋≥C40。 • FRP——高强、轻质、耐久性好、疲劳性能好。

21. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 10.1.5 预应力混凝土的锚具 • 锚具——锚固预应力筋的装置，是构件中建立有效预应力关键元件。 • 先张法：锚具可以重复使用，亦称夹具或工作锚具； • 后张法：预应力筋的预应力由锚具保持，锚具是构件组成部分，不能重复使用； • 根据锚具构造形式和锚固原理，分为三种基本类型： • 锚块锚塞型——由锚块和锚塞组成，可用于固定端和张拉端 • 螺杆螺帽型——采用螺杆和螺帽固定预应力筋。常用于后张法构件张拉端，也可用于固定端； • 墩头型——预应力筋端部墩粗，用锚板固定，用于张拉端和固定端 • 锚具要求——安全可靠、使用有效、制作简单、操作方便 20

22. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 本节小结 • 预应力混凝土产生原因——裂缝与变形 • 预应力混凝土作用原理——预应力产生等效荷载抵抗外加荷载 • 预应力混凝土特点——混凝土结构的一场新革命！ • 预应力混凝土分类—— • 按制作施工方法——先张法、后张法 • 按预应力程度——全部预应力、部分预应力 • 按预应力筋与混凝土粘结——有粘结、无粘结、部分粘结、缓粘结 • 按预加应力筋线型——线型、环形 • 按预应力筋位置——体内预应力、体外预应力 • 按预应力张拉方法——机械张拉、电热张拉、起拱、砼浇筑顺序 • 按构件制作场所——现浇、预制、组合式 • 预应力混凝土材料——高强材料：预应力筋、混凝土。 • 预应力混凝土锚具——锚块锚塞型、螺杆螺丝型、墩头型。 • 作业——思考题10.1~10.4。

23. 敬请各位老师批评！

24. 10.1 预应力混凝土的基本知识 先张法施工工艺

25. 10.1 预应力混凝土的基本知识

26. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 锚块锚塞型锚具 单根夹片锚具 多根夹片锚具 单根锥型锚具 多根锥片锚具

27. 10.1 预应力混凝土的基本知识 锚板夹片锚固锚具 锚环夹片锚固锚具

28. 10.1 预应力混凝土的基本知识 多孔夹片锚固锚具

29. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 螺杆螺帽型锚具 单根螺丝端杆锚具 多根锥形螺杆锚具

30. 10.1 预应力混凝土的基本知识 • 墩头型锚具