華中科技大學土力學課件第1章

第十二章預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念及其材料BasicConceptandMaterialsofPCStructure本章主要內(nèi)容：

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的概念、特點、分類；

預(yù)應(yīng)力度、消壓彎矩、全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念；

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本工作原理；

先張法和后張法的施工工藝、相同和不同點；

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼筋的要求；

錨具的分類及其受力原理；

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的三種概念的內(nèi)涵。04二月2023華中科技大學2/62

一、鋼筋砼結(jié)構(gòu)的缺點

①需要帶裂縫工作(使構(gòu)件剛度下降，不能應(yīng)用于不允許開裂的結(jié)構(gòu)中)

②無法充分發(fā)揮高強度鋼筋及高標號混凝土的作用；

③自重大，構(gòu)件跨徑受到限制。二、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念

(prestressedconcretestructure)

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，就是事先人為地在混凝土或鋼筋混凝土中引入內(nèi)部應(yīng)力，且其數(shù)值和分布恰好能將使用荷載產(chǎn)生的內(nèi)力抵銷到一個合適程度的混凝土。這種預(yù)先給混凝土引入內(nèi)部應(yīng)力的結(jié)構(gòu)，就稱為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。以下圖所示簡支梁為例?！?2.1概述04二月2023華中科技大學3/62以圖10-1所示簡支梁為例。04二月2023華中科技大學4/62

加筋混凝土結(jié)構(gòu)的分類：全預(yù)應(yīng)力混凝土

(fullprestressedconcretestructure)；部分預(yù)應(yīng)力混凝土

(partiallyprestressedconcretestructure)。普通鋼筋混凝土（非預(yù)應(yīng)力混凝土)non-prestressedconcretestructure)

上面的算例說明了兩個重要的問題：

１、由于預(yù)先給混凝土梁施加了預(yù)壓力Ｎｙ，使混凝土梁在均布荷載ｑ作用下，下緣產(chǎn)生的拉應(yīng)力完全或部分被預(yù)壓應(yīng)力所抵消，因而可以避免混凝土出現(xiàn)裂縫或推遲裂縫出。２、必須針對荷載作用下可能產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)來施加預(yù)應(yīng)力。所需施加的預(yù)壓應(yīng)力Ｎy，不僅與荷載（或者說彎矩Ｍ）值的大小有關(guān)，而且也與Ｎy的作用位置（即偏心距ｅ的大?。┯嘘P(guān)。04二月2023華中科技大學5/62按預(yù)應(yīng)力度分類（1）預(yù)應(yīng)力度：由預(yù)加應(yīng)力大小確定的消壓彎矩M0與外荷載產(chǎn)生的彎矩Ms的比值。M0：消壓彎矩，也就是構(gòu)件抗裂邊緣預(yù)壓應(yīng)力抵消到0時的彎矩；Ms：按作用（或荷載）短期效應(yīng)組合計算的彎矩。

全預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件：λ≥1

部分預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件：1＞λ＞0（分為A類和B類）A類：拉而有限B類：裂而有限鋼筋砼構(gòu)件：不施加預(yù)應(yīng)力的砼構(gòu)件，即λ＝0（2）分類：04二月2023華中科技大學6/62三、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點1、優(yōu)點：

（１）提高了構(gòu)件的抗裂度和剛度。

（２）節(jié)約材料，降低造價。

（３）結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全可靠。

（４）增強結(jié)構(gòu)耐久性（durability）。

（５）能促進橋梁新體系的發(fā)展。

2、缺點：

（１）工藝較復(fù)雜，對質(zhì)量要求高。

（２）需要有一定的專門設(shè)備。

（３）預(yù)應(yīng)力反拱不易控制。

（４）設(shè)計要求高。

04二月2023華中科技大學7/62預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)基本概念預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理如何實現(xiàn)預(yù)加力預(yù)加（拉）力預(yù)加（壓）力04二月2023華中科技大學8/62四、預(yù)應(yīng)力原理在日常生活中的應(yīng)用

木桶是用環(huán)向竹箍對桶壁預(yù)先施加環(huán)向壓應(yīng)力。當桶中盛水后，水壓引起的拉應(yīng)力小于預(yù)壓應(yīng)力時，桶就不會漏水。04二月2023華中科技大學9/62

從書架上取下一疊書，由于受到雙手施加的壓力，這一疊書就如同一橫梁，可以承擔全部書的重量。

04二月2023華中科技大學10/62木鋸是利用預(yù)拉力來抵抗壓力預(yù)先擰緊另一側(cè)的繩子使鋸條預(yù)先受拉，如預(yù)加拉力大于鋸木時產(chǎn)生的壓力，鋸條就始終處于受拉狀態(tài)，不會產(chǎn)生壓曲失穩(wěn)。04二月2023華中科技大學11/62一、先張法（pretensioningmethod）：

1、定義

先張法是先張拉鋼筋，后澆筑構(gòu)件混凝土的方法。先張法所用的預(yù)應(yīng)力鋼筋，一般可用高強鋼絲、直徑較小的鋼鉸線和小直徑的冷拉鋼筋。

2、特點靠鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)力來傳遞和保持預(yù)應(yīng)力。

§12.2預(yù)加應(yīng)力的方法與設(shè)備

04二月2023華中科技大學12/62

3、先張法工藝流程圖04二月2023華中科技大學13/624、優(yōu)點：

先張法生產(chǎn)工藝簡單、工序少，效率高、質(zhì)量容易保證，適宜工廠化大批量生產(chǎn)。5、缺點：

需要專門的張拉臺座，基建投資較大。先張法一般宜于生產(chǎn)直線配筋的中小型構(gòu)件。二、后張法（posttensioningmethod）

1、定義

先澆筑混凝土后張拉鋼筋的方法。張拉鋼筋的同時，構(gòu)件混凝土受到預(yù)壓。2、特點

后張法主要是靠錨具傳遞和保持預(yù)加應(yīng)力的。04二月2023華中科技大學14/62

3、后張法工藝流程圖04二月2023華中科技大學15/6204二月2023華中科技大學16/624、優(yōu)點：

后張法不用加力臺座，張拉設(shè)備簡單，便于現(xiàn)場施工，是生產(chǎn)大型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的主要方法。預(yù)應(yīng)力鋼筋可按照需要布置成合理的曲線形。三、錨具

1、概念

錨具是在制作預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件時錨固預(yù)應(yīng)力筋的一種裝置。

2、對錨具要求：

（１）錨具受力安全可靠；

（２）預(yù)應(yīng)力損失小；

（３）構(gòu)造簡單，制作方便，用鋼量少，價格便宜；

（４）施工設(shè)備簡便，張拉錨固方便迅速。04二月2023華中科技大學17/62

3、錨具的分類

（1）依靠摩阻力錨固的錨具；如錐形錨、夾片式群錨、JM錨（2）依靠承壓錨固的錨具；如鐓頭錨、鋼筋螺紋錨（3）依靠粘結(jié)力錨固的錨具；如先張法的筋束錨固、后張法固定端的鋼絞線壓花錨具

4、幾種常用的錨具04二月2023華中科技大學18/6204二月2023華中科技大學19/6204二月2023華中科技大學20/6204二月2023華中科技大學21/6204二月2023華中科技大學22/62錐塞式錨具

04二月2023華中科技大學23/62鐓頭錨具

04二月2023華中科技大學24/62夾片式錨具04二月2023華中科技大學25/6204二月2023華中科技大學26/6204二月2023華中科技大學27/6204二月2023華中科技大學28/62

錐形錨

其工作原理是通過張拉鋼束時頂壓錨塞，將預(yù)應(yīng)力鋼絲卡在錨圈與錨塞間，當張拉千斤頂放松預(yù)應(yīng)力鋼絲后，鋼絲向梁內(nèi)回縮時帶動錨塞向錨圈內(nèi)楔緊，這樣預(yù)應(yīng)力鋼絲通過摩阻力將預(yù)應(yīng)力傳到錨圈，然后由錨圈承壓，將預(yù)加力傳到混凝土構(gòu)件上。04二月2023華中科技大學29/62

鐓頭錨

其工作原理：先將鋼絲逐一穿過錨杯的蜂窩眼，然后用專門的鐓頭機將鋼絲端頭鐓粗，借鐓粗頭直接承壓將鋼絲固定于錨杯上。錨杯的外圓車有螺紋，穿束后，在固定端將錨圈（螺帽）擰上，即可將鋼束錨固于梁端。在張拉端，則先將與千斤頂連接的拉桿旋入錨杯內(nèi)進行張拉，待錨杯帶動鋼筋或鋼絲伸長到設(shè)計需要時，將錨圈沿錨杯外的螺紋旋緊頂在構(gòu)件表面，再慢慢放松千斤頂，退出拉桿，于是鋼絲束的回縮力就通過錨圈、墊板，傳到梁體混凝土上而獲得錨固。04二月2023華中科技大學30/62

四、預(yù)應(yīng)力張拉機具系列

04二月2023華中科技大學31/6204二月2023華中科技大學32/6204二月2023華中科技大學33/6204二月2023華中科技大學34/6204二月2023華中科技大學35/6204二月2023華中科技大學36/62

五、工程橡膠支座及伸縮縫系列

04二月2023華中科技大學37/6204二月2023華中科技大學38/6204二月2023華中科技大學39/6204二月2023華中科技大學40/6204二月2023華中科技大學41/6204二月2023華中科技大學42/62一、混凝土材料

2、混凝土的收縮與徐變

混凝土的收縮和徐變，使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件縮短，因而引起預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)應(yīng)力下降，通常稱此為預(yù)應(yīng)力損失（lossofprestress）。

１、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中常用混凝土強度等級

《公路橋規(guī)》規(guī)定：預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的混凝土強度等級不應(yīng)低于C40。§12.3預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的材料04二月2023華中科技大學43/62（１）混凝土的收縮

混凝土的收縮包括兩部分：一部分為凝縮，系由水泥凝結(jié)硬化時所產(chǎn)生的收縮變形；另一部分為干縮，它是由于混凝土干硬出水后產(chǎn)生的收縮變形。影響徐變的主要因素是:應(yīng)力的大小和受荷時混凝土的齡期。應(yīng)力小于0.5～0.55Rａ時，徐變與應(yīng)力成正比，為線性徐變；應(yīng)力大于0.55Rａ時，徐變與應(yīng)力不成正比，為非線性徐變。（２）混凝土的徐變

混凝土在受力后立即產(chǎn)生的變形稱為急變（包括彈性變形和一部分塑性變形。在應(yīng)力不變的情況下，隨時間增長的塑性變形稱為徐變。04二月2023華中科技大學44/62二、預(yù)應(yīng)力鋼筋

2、預(yù)應(yīng)力鋼筋的類型高強度鋼絲；鋼絞線；精軋螺紋鋼筋。普通鋼筋類型：光圓鋼筋R235，帶肋鋼筋HRB335、

HRB400和KL400

3、對混凝土的要求①高強度②快硬、早強③收縮、徐變小1、對預(yù)應(yīng)力鋼筋的要求①高強度②有較好的塑性和可焊性；③與混凝土的粘著力強④應(yīng)力松弛損失小04二月2023華中科技大學45/62三、鋼筋的冷加工目的：提高強度，節(jié)約鋼材，降低造價1、冷拉

指在常溫下，將熱軋鋼筋拉伸，使其應(yīng)力超過屈服強度但小于極限強度的方法稱冷拉，然后卸載，經(jīng)過一段時間再拉伸，則獲得比原來的屈服強度更高的新的屈服強度限值，這種隨時間延續(xù)而逐漸硬化的現(xiàn)象稱冷拉時效（或時效硬化）。

經(jīng)冷拉時效后，強度提高，伸長率減小

冷拉只提高抗拉屈服強度，不提高抗壓屈服強度，不宜用作受壓鋼筋。

雙控：冷拉操作時，同時控制冷拉應(yīng)力和伸長率單控：冷拉操作時，只控制伸長率04二月2023華中科技大學46/62

冷拔可提高抗拉、抗壓強度，冷拔后的鋼筋沒有明顯的屈服點和流幅。2、冷拔指在常溫下，將小直徑的圓盤鋼筋強行拉伸通過比原直徑還小的硬質(zhì)合金拔絲?？?，變成直徑較原來小的鋼絲的方法。04二月2023華中科技大學47/62一、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的分類：

按照鋼筋與砼之間的粘結(jié)情況分：有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。按照鋼筋是否布置在砼截面內(nèi)分：體內(nèi)預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)和體外預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)。

§12.4預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的三種概念04二月2023華中科技大學48/62二、體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的三種基本概念1、預(yù)加應(yīng)力的目的是將砼變成彈性材料：

預(yù)加應(yīng)力的目的只是為了改變混凝土的性能，變脆性材料為彈性材料。這種概念認為預(yù)應(yīng)力混凝土與普通鋼筋混凝土是兩種完全不同的材料，預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用不是配筋而是施加預(yù)壓應(yīng)力以改變混凝土性能的一種手段。如果預(yù)壓應(yīng)力大于荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力，則混凝土就不承受拉應(yīng)力。

這種概念要求將無應(yīng)力或零應(yīng)力作為預(yù)應(yīng)力砼設(shè)計準則。這樣可以用材料力學公式計算砼的應(yīng)力、應(yīng)變和撓度、上拱，并在需要時可采用疊加原理，計算十分方便。04二月2023華中科技大學49/621）預(yù)壓力F作用在預(yù)應(yīng)力鋼筋的重心處，作用線通過截面的重心。圖12-15同軸預(yù)應(yīng)力混凝土截面的應(yīng)力分布

a)受預(yù)加力及外荷載作用的梁b)預(yù)壓力F作用的應(yīng)力c)外彎矩M作用的應(yīng)力d)F及M共同作用的應(yīng)力04二月2023華中科技大學50/62

由于預(yù)壓力F的作用，在面積為A的截面上將產(chǎn)生一均勻壓應(yīng)力為

如果M為梁上荷載及自重在某一截面處所引起的外彎矩，則該截面任意一點處由M引起的應(yīng)力為

疊加后的應(yīng)力分布表示為

04二月2023華中科技大學51/622）如果預(yù)應(yīng)力鋼筋偏離混凝土截面重心布置圖12-16偏心預(yù)應(yīng)力混凝土截面的應(yīng)力分布a）偏心預(yù)應(yīng)力及加外荷載的梁b）預(yù)壓力F軸壓作用下的應(yīng)力c）預(yù)壓力偏心矩作用下的應(yīng)力d）外彎矩M作用下的應(yīng)力e）偏心預(yù)壓力及外彎矩共同作用下的應(yīng)力04二月2023華中科技大學52/62

預(yù)壓力產(chǎn)生的彎矩Fe在混凝土截面上任意一點處引起的應(yīng)力為

而疊加后的應(yīng)力表示為

04二月2023華中科技大學53/623）預(yù)應(yīng)力鋼筋是彎曲的或彎折的［圖12-17a）］。圖12-17常高度預(yù)應(yīng)力簡直梁圖12-18不等高度預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁a）預(yù)應(yīng)力梁b）隔離體a）預(yù)應(yīng)力梁b）隔離體04二月2023華中科技大學54/62

偏心力F在混凝土內(nèi)引起的應(yīng)力為

所以，預(yù)應(yīng)力在任一截面處引起的混凝土應(yīng)力僅取決于F在該截面處的大小和位置，而與預(yù)應(yīng)力鋼筋沿梁在其他縱斷面上的位置無關(guān)。

作用：有助于預(yù)計開裂的程度

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2、施加預(yù)應(yīng)力的目的是使高強度鋼筋和砼能夠共同工作

將預(yù)應(yīng)力砼看作是高強鋼筋與砼兩種材料組成的一種特殊的鋼筋砼。預(yù)先將預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉到一定的應(yīng)力狀態(tài)，在使用階段預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力（應(yīng)變）增加的幅度較小，砼不開裂或裂縫較細，這樣高強鋼筋就可以與砼一起正常工作。04二月2023華中科技大學56/62圖12-19預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼筋混凝土梁的內(nèi)部抵抗力矩a）鋼筋混凝土梁的隔離體b）預(yù)應(yīng)力混凝土梁的隔離體圖12-20采用高強度鋼筋的混凝土梁a）普通鋼筋的——

裂縫及過度的撓度b）預(yù)應(yīng)力的——

無裂縫及很小的撓度04二月2023華中科技大學57/62根據(jù)這種觀點，可以得出預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土之間的基本相似性。這樣，就可以大大簡化預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算。同時，根據(jù)兩者的相似性，可以將預(yù)應(yīng)力鋼筋與普通鋼筋作等強代換，減少用鋼量，這在很多情況下是經(jīng)濟可行的。

作用：主要是