1、第八章第八章预预 应应 力力 混混 凝凝 土土 结结 构构Prestressed Concrete Structure8.1 概述概述8.1.1 预应力混凝土的基本原理一、钢筋混凝土的缺欠一、钢筋混凝土的缺欠1 混凝土的极限拉伸变形和抗拉强度很低，一般混凝土的极限拉伸变形和抗拉强度很低，一般带裂缝工作。在潮湿环境或侵蚀介质中的构件，裂带裂缝工作。在潮湿环境或侵蚀介质中的构件，裂缝的存在会使钢筋锈蚀，影响构件的承载力及耐久缝的存在会使钢筋锈蚀，影响构件的承载力及耐久性。对于受振动作用的使用条件下，裂缝的存在还性。对于受振动作用的使用条件下，裂缝的存在还会影响构件的耐疲劳性能。会影响构件的耐疲劳性
2、能。采用采用I,II级钢筋，裂缝宽度一般可以满足。而采级钢筋，裂缝宽度一般可以满足。而采用用III,IV级高强度钢筋就不能满足要求。因为构件级高强度钢筋就不能满足要求。因为构件在使用阶段的裂缝宽度与钢筋的应力成正比。在使用阶段的裂缝宽度与钢筋的应力成正比。二二 预应力混凝土结构的特点预应力混凝土结构的特点1优点：优点：）提高构件的抗裂性受弯倍中心受）提高构件的抗裂性受弯倍中心受力倍力倍）提高构件的刚度短期长期）提高构件的刚度短期长期）节约材料，降低造价节约混凝土）节约材料，降低造价节约混凝土钢筋自重钢筋自重）扩大钢筋混凝土结构的应用范围较大跨度）扩大钢筋混凝土结构的应用范围较大跨度缺点：缺点：
3、生产工艺复杂，需要张拉设备，周期较长生产工艺复杂，需要张拉设备，周期较长三、预应力的基本概念三、预应力的基本概念2hIeNANppppc2hIMc)2(2hIeNANhIMppppccb0pcc)2(2hIeNANhIMppppccbtkpccf0tkpccf由于预加应力由于预加应力 pc较大，受拉较大，受拉边缘仍处于受压状态，边缘仍处于受压状态，不会不会出现开裂；出现开裂；受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混凝土的抗拉强度，凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；一般不会出现开裂；受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会
4、产生裂缝，但比钢筋混凝土构件（生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np=0）的）的开裂明开裂明显推迟显推迟，裂缝宽度也显著减小裂缝宽度也显著减小。预应力坝8.1.2 施加预应力的方法先张法先张法后张法后张法后张法后张法pcp锚具下混凝土局部承压问题无粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土锚具的可靠性高强钢丝的可靠度一定要有非预应力筋8.1.3 材料与锚夹具一、预应力钢筋一、预应力钢筋 预应力钢筋的强度越高越好预应力钢筋的强度越高越好。而且在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预而且在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣应力筋中预先施加的
5、张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高的张拉应力，除应力损失后仍具有较高的张拉应力，也必须使用高强钢筋也必须使用高强钢筋（丝）作预应力筋（丝）作预应力筋。为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还必须具有一具有一定的塑性定的塑性。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋。同时还要求具有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求。焊接、镦粗的加工要求。对钢丝类预应力筋，还要求具有对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性低松弛性和与混凝土良好的和与混凝土良好的粘结性能，通常采用粘结性能，通常采用刻痕刻痕或或压波压波方法来提高与混凝
6、方法来提高与混凝土粘结强度。土粘结强度。1、冷拉低合金钢筋、冷拉低合金钢筋通常将通常将级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达达580MPa。为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预应力筋的应用已很少。筋的应用已很少。2、中高强钢丝、中高强钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几
7、次冷拔后得到。中强钢丝的为中强钢丝的为8001200MPa，高强钢丝的强度为高强钢丝的强度为14701860MPa。钢丝直径为钢丝直径为39mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕刻痕或或压波压波，也可制成螺旋肋。也可制成螺旋肋。刻痕钢丝螺旋肋钢丝消除应力钢丝：消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般钢丝经冷拔后，存在有较大的内应力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比都需要采用低温回火处理来消除内应力。消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前有所提高，例极限、条件屈服强度和弹性模量均比消除应力前
8、有所提高，塑性也有所改善。塑性也有所改善。3、钢绞线、钢绞线 钢绞线是用钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋，其中以其中以7股钢绞线应用最多股钢绞线应用最多。7股钢绞线的公称直径为股钢绞线的公称直径为9.515.2 mm，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达，通常用于无粘结预应力筋，强度可高达1860MPa。2股和股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的股钢绞线用途不广，仅用于某些先张法构件，以提高与混凝土的粘结强度。粘结强度。无粘结预应力束无粘结预应力束4、热处理钢筋、热处理钢筋 用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后
9、制成的高强度钢筋，直用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋，直径为径为610mm，抗拉强度为抗拉强度为1470MPa。除冷拉低合金钢筋外，其余预除冷拉低合金钢筋外，其余预应力筋的应力应力筋的应力-应变曲线均无明应变曲线均无明显屈服点，采用残余应变为显屈服点，采用残余应变为0.2%的的条件屈服点条件屈服点作为抗拉强作为抗拉强度设计指标。度设计指标。a0.2%0.2 fu预应力钢筋强度标准值和设计值（N/mm2）种 类fptkfpyyf 消除应力钢丝螺旋肋钢丝4914701570167017701250118011101040400刻痕钢丝5、71470157011101040360二
10、股d=10.0d=12.017201220360三股d=10.8d=12.917201220360钢绞线七股d=9.5d=11.1d=12.7d=15.2186018601860186018201720132013201320132012901220360热处理钢筋40Si2Mn(d=6)48Si2Mn(d=8.2)45Si2Cr(d=10)14701040400二、混凝土二、混凝土预应力混凝土要求采用高强混凝土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，提高预应力效率；可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求；有利于减小构件截面尺寸，以适用
11、大跨度的要求；具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预压时的弹性回缩；的弹性回缩；徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；与钢筋有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传递长度；有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；板的尺寸；强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度，提高强度早期发展较快，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
12、率，降低间接费用台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用 一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于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，当采用高强钢丝时不低于强钢丝时不低于C40。三、三、锚具和夹具锚具和夹具图 螺丝端杆锚具螺钉端杆锚具(a)张拉端 (b)分散式固定端(c)集中式固定端图 镦头锚具 夹片式锚具夹片式锚具8.28.2 张拉控制应力和预应力损失张拉控制应力和预应力损失.8.2.18.2.1 张拉控制应力张拉控制应力在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油在张拉预应力筋对构件施加预应力时，张拉设备（千斤顶油压表）所控制的压表）所控制的总张拉力总张拉力
13、Np,con除以预应力筋面积除以预应力筋面积Ap得到的应得到的应力称为力称为张拉控制应力张拉控制应力 con。它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。它是预应力筋在在构件受荷以前所经受的最大应力。张拉控制应力张拉控制应力 con取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用取值越高，预应力筋对混凝土的预压作用越大，可以使预应力筋充分发挥作用。越大，可以使预应力筋充分发挥作用。但但 con取值过高，可能会在张拉时引起破断事故，产生过大取值过高，可能会在张拉时引起破断事故，产生过大应力松弛。应力松弛。因此，因此，规范规范规定了张拉控制应力限值规定了张拉控制应力限值 con。pconpconAN,张拉控
14、制应力限值con张拉方法钢筋种类先张法后张法预应力钢丝、钢绞线热处理钢筋0.75 fptk0.70 fptk0.75 fptk0.65 fptk 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，所以表中预应力筋也是对它进行的一次检验，所以表中 con是以预应力是以预应力筋的标准强度给出的，且筋的标准强度给出的，且 con可不受抗拉强度设计值的限制可不受抗拉强度设计值的限制。在下列情况下，在下列情况下，con可提高可提高0.05 fptk：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为提高构件在施工阶
15、段的抗裂性能，而在使用阶段受压区内设置的预应力筋；设置的预应力筋；为部分抵消应力松弛、摩擦、分批张拉和温差产生预应力损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。失。为避免为避免 con的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，的取值过低，影响预应力筋充分发挥作用，规范规范规定规定 con不应小于不应小于0.4 fptk。8.2.2、预应力损失、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，原因，预应力筋中应力会从预应力筋中应力会从 con逐步减少逐步减少，并经过相当长的，并经过相当长的时间才会最终稳定下来，这种
16、应力降低现象称为预应力损失。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。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。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。利影响。由于预应力的通过张拉预应力筋得到，由于预应力的通过张拉预应力筋得到，凡是能使预应力筋凡是能使预应力筋产生缩短的因素，都将引起预应力损失产生缩短的因素，都将引起预应力损
17、失，主要有：主要有：锚固损失：锚固损失：锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。锚具变形引起预应力筋的回缩、滑移。摩擦损失：摩擦损失：在预应力筋张拉过程中，后张法在预应力筋张拉过程中，后张法预应力筋与孔预应力筋与孔道壁之间的摩擦道壁之间的摩擦，先张法预应力筋与锚具之间以及折点处，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。的摩擦，也会使张拉应力造成损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失。混凝土的收缩和徐变引起的损失。松弛损失松弛损失：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下：长度不变的预应力筋，在高应力的长期作用下会产生会产生松弛松弛，会引起预应力损失。，会引起预应力损失。温差损失
18、：温差损失：先张法中的先张法中的热养护引起的温差损失。热养护引起的温差损失。弹性压缩损失：弹性压缩损失：混凝土弹性压缩，后张法中后拉束对先张混凝土弹性压缩，后张法中后拉束对先张拉束造成的压缩变形而产生拉束造成的压缩变形而产生分批张拉损失分批张拉损失等。等。1 1、锚固损失、锚固损失 l1 预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形、垫板缝隙的挤预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形、垫板缝隙的挤紧以及钢筋在锚具种的内缩引起的预应力损失记为紧以及钢筋在锚具种的内缩引起的预应力损失记为 l1。减少措施：变形小的夹具，增加台座长度减少措施：变形小的夹具，增加台座长度对直线预应力筋，对直线预应力筋，s
19、lEla1锚具变形和钢筋内缩值 a（mm）锚 具 类 别a支承式锚具（钢丝束镦头锚具等）：螺帽缝隙每块后加垫板的缝隙11锥塞式锚具（钢丝束的钢质锥形锚具等）5有顶压时5夹片式锚具无顶压时682 2、摩擦损失、摩擦损失 l2 摩擦损失是指在摩擦损失是指在后张法后张法张拉钢筋时，由于预应力筋与周围接张拉钢筋时，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。端距离的增加而逐渐减少的现象。直线预应力筋曲线预应力筋一端张拉一端张拉两端张拉两端张拉超张拉超张拉减少摩擦损失的措施3 3、热养护损失
20、、热养护损失 l3 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。的凝结硬化。升温时升温时，新浇混凝土尚未结硬新浇混凝土尚未结硬，钢筋受热膨胀，但张拉预应力，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，产生预应力损失的应力随温度的增高而降低，产生预应力损失 l3。降温时降温时，混凝土达到了一定的强度，与预应力筋之间已具有粘，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，结作用，两者共同回缩，两者共同回缩
21、，已产生预应力损失已产生预应力损失 l3无法恢复无法恢复。设养护升温后，预应力筋与台座的温差为设养护升温后，预应力筋与台座的温差为D D t，取钢筋的温，取钢筋的温度膨胀系数为度膨胀系数为110-5/，则有，则有，10153tEslDttDD210210155减少措施：减少措施：二次升温养护二次升温养护4 4、钢筋松弛损失、钢筋松弛损失 l4钢筋在高应力长期作用下具有随时间增长产生塑性变形的性质。钢筋在高应力长期作用下具有随时间增长产生塑性变形的性质。在长度保持不变的条件下在长度保持不变的条件下，应力值随时间增长而逐渐降低，这，应力值随时间增长而逐渐降低，这种现象称为松弛。种现象称为松弛。应力
22、松弛与初始应力水平和作用时间长短有关。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，根据应力松弛的长期试验结果，规范规范取取普通预应力钢丝和钢绞线普通预应力钢丝和钢绞线：conptkconlf)5.0(4.04低松弛预应力钢丝和钢绞线：低松弛预应力钢丝和钢绞线：当当 con0.7fptk时，时，conptkconlf)5.0(125.04当当0.7fptk con0.8fptk时时，conptkconlf)5.0(2.04为超张拉系数，一次张拉时，取为超张拉系数，一次张拉时，取=1；超张拉时，取；超张拉时，取=0.9。当当scon0.5fptk时，可不考虑应力松弛损失，
23、即取时，可不考虑应力松弛损失，即取sl4=0。减少措施：超张拉减少措施：超张拉5 5、收缩徐变损失、收缩徐变损失 l5混凝土的混凝土的收缩收缩和和徐变徐变，都会导致预应力混凝土构件长度的缩短，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。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，且影响二者的因素相同由于收缩和徐变是同时随时间产生的，且影响二者的因素相同时随变化规律相似，时随变化规律相似，规范规范将二者合并考虑。将二者合并考虑。规范规范对混凝土收缩和徐变引起的损失，按规范公式计算：对混凝土收缩和徐变引起的损失，按规范公式计算：减少措施减少措施 高
24、强度水泥高强度水泥,减少水泥用量减少水泥用量,降低水灰比降低水灰比,采用干硬性混凝土采用干硬性混凝土采用集配好的骨料采用集配好的骨料,提高密实度提高密实度,加强养护加强养护8.2.3、预应力损失的组合、预应力损失的组合预应力混凝土构件从预加应力开始即需要进行计算，而预应力预应力混凝土构件从预加应力开始即需要进行计算，而预应力损失是分批发生的。因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所损失是分批发生的。因此，应根据计算需要，考虑相应阶段所产生的预应力损失。产生的预应力损失。混凝土预压前完成的损失混凝土预压前完成的损失 lI；混凝土预压后完成的损失混凝土预压后完成的损失 lII。根据上述预应力损失发生时间先后关系，具体组合见表。根据上述预应力损失发生时间先后关系，具体组合见表。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混凝土预压前（第一批）损失lIl1+l2+l3+l4l1+l2混凝土预压后（第二批）损失lIIl5l4+l5考虑到预应力损失计算的误差，在总损失计算值过小时，产考虑到预应力损失计算的误差，在总损失计算值过小时，产生不利影响，生不利影响，规范规范规定当总损失值规定当总损失值 l=lI+lII小于下列数小于下列数值时，按下列数值取用：值时，按下列数值取用：先张法构件先张法构件 100MPa后张法构件后张法构件 80MPa
