第八章預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的基本概念

因此混凝土受拉區(qū)開裂較早，此時(shí)的鋼筋應(yīng)力只有（20～40）N/mm2左右,大概只發(fā)揮了其強(qiáng)度的十分之一左右。因而在使用階段鋼筋砼構(gòu)件一般是帶裂縫工作的！8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理14構(gòu)件中若采用高強(qiáng)度鋼筋，將使——

使用荷載下鋼筋的工作應(yīng)力提高很多，撓度和裂縫寬度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值!——若拉區(qū)最大裂縫控制在0.3mm以內(nèi)的話，鋼筋的拉力僅達(dá)到150~250N/mm2,只占高強(qiáng)鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1000~1300N/mm2）的15%～20%

——

不能充分利用高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度！8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理15實(shí)際上高強(qiáng)度鋼筋在鋼筋混凝土構(gòu)件中將很難得到合理的使用——

因而不能采用高強(qiáng)度鋼筋！而采用高強(qiáng)度混凝土也是沒有意義的——因?yàn)楦邚?qiáng)度混凝土對提高抗裂度、剛度和減小裂縫寬度的作用很小。鋼筋混凝土構(gòu)件過早開裂的問題不解決——就不能有效的利用高強(qiáng)材料！結(jié)果——阻礙了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自身的發(fā)展。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，也受到過早開裂導(dǎo)致的剛度降低、裂縫開展的制約：如用于大跨結(jié)構(gòu)時(shí)，為滿足撓度控制的要求，需要加大截面尺寸來增大剛度，以致使構(gòu)件的承載力中有較大一部分用于負(fù)擔(dān)結(jié)構(gòu)的自重。跨度越大，自重在承載力中所占比例就越大，很不經(jīng)濟(jì)、不合理、甚至是不可能的——因此，限制了應(yīng)用范圍。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理那么，如何解決這個(gè)矛盾呢？

是否可以借助于混凝土的抗壓強(qiáng)度來補(bǔ)償其抗拉強(qiáng)度的不足，以推遲受拉區(qū)混凝土的開裂？即：在構(gòu)件受外荷以前，使它先存在著一種應(yīng)力狀態(tài)（預(yù)加應(yīng)力），用以減小或抵消外荷作用時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力？8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理18

實(shí)際上,預(yù)加應(yīng)力的概念在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中早有所應(yīng)用。如：8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理19208.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理21施加預(yù)應(yīng)力的概念雖然早已存在，但預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用，還只是近50年來有了高強(qiáng)鋼筋才變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)！為什么？因?yàn)椤蓄A(yù)應(yīng)力損失！8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理22施加預(yù)應(yīng)力后，應(yīng)用范圍擴(kuò)大：非預(yù)應(yīng)力吊車梁跨度為6m，預(yù)應(yīng)力吊車梁跨度可達(dá)12m；非預(yù)應(yīng)力屋架18~21m，預(yù)應(yīng)力屋架30~36m或更大！8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理23目前預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用

世界上最大的預(yù)應(yīng)力砼貯罐直徑達(dá)82m，高達(dá)36m；預(yù)應(yīng)力輕骨料砼建造的飛機(jī)庫屋蓋結(jié)構(gòu)跨度達(dá)90m；預(yù)應(yīng)力箱形截面橋梁跨度達(dá)240m以上；預(yù)應(yīng)力電視塔高達(dá)549m;

我國設(shè)計(jì)制造的大跨度預(yù)應(yīng)力砼屋架跨度達(dá)60m。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理24預(yù)應(yīng)力混凝土與普通砼兩者相比，預(yù)應(yīng)力混凝土有如下特點(diǎn)：1．提高構(gòu)件的抗裂能力——只有當(dāng)混凝土的預(yù)壓應(yīng)力全部抵消轉(zhuǎn)而受拉且受拉應(yīng)變超過混凝土的極限拉應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件才會(huì)開裂。2．增大了構(gòu)件的剛度——使混凝土轉(zhuǎn)變成彈性材料預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件正常使用時(shí)，可能不開裂或只有很小的裂縫，混凝土基本上處于彈性階段工作。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理253．充分利用高強(qiáng)度材料前已分析4．?dāng)U大了構(gòu)件的應(yīng)用范圍因改善了抗裂性能，可用于防水、抗?jié)B性及抗腐蝕要求的環(huán)境。采用高強(qiáng)度材料，結(jié)構(gòu)輕巧，剛度大、變形小，可用于大跨度、重荷載及承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理26預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)施工麻煩，工藝復(fù)雜，需要錨具，精度要求較高，施工周期較長，造價(jià)高，且不能提高構(gòu)件的承載力。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理272.施加預(yù)應(yīng)力的方法——先張法與后張法先張法：先張拉鋼筋后澆筑混凝土；后張法：先澆筑混凝土后張拉鋼筋。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理28先張法——29在先張法中，預(yù)應(yīng)力是靠鋼筋與砼之間的粘結(jié)力來傳遞的。施加預(yù)應(yīng)力是靠張拉鋼筋來實(shí)現(xiàn)的——即張拉高強(qiáng)度的鋼筋，并將其錨固在砼構(gòu)件內(nèi)，由于鋼筋彈性回縮，就使砼受壓。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理30后張法——31后張法是靠錨具來保持預(yù)應(yīng)力的，錨具將永遠(yuǎn)附在構(gòu)件上。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理3233錨具：34上述后張法的缺點(diǎn)是：工序多，預(yù)留孔道占截面面積大，施工復(fù)雜。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理35夾具與錨具是預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的重要工具——夾具——構(gòu)件制作完畢能取下來重復(fù)使用的稱為夾具；錨具——留在構(gòu)件上不能再取下的稱為錨具。統(tǒng)稱為錨具——有時(shí)，為簡便起見。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理OVM型錨具GZ型鋼質(zhì)錐形錨具DM型墩頭錨VLM型扁型固定端H型錨具43另一種后張法——后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)。特點(diǎn)：不需要預(yù)留孔道，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可與非預(yù)應(yīng)力筋同時(shí)鋪設(shè)，并可采用曲線配筋，布置靈活。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力：沿預(yù)應(yīng)力筋全長其周圍均與混凝土粘結(jié)握裹在一起；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力：預(yù)應(yīng)力筋伸縮、滑動(dòng)自由，不與周圍混凝土粘結(jié)。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理44其主要工序?yàn)椋?．制作無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋（加涂層、套管）2．綁扎鋼筋（圖a)3．澆筑混凝土(圖b）4．張拉預(yù)應(yīng)力筋45先張法和后張法的比較：先張法：工藝簡單，靠粘結(jié)力錨固預(yù)應(yīng)力筋不需要永久性的工作錨具，但需要臺(tái)座或鋼模等設(shè)施。適于：在預(yù)制廠制造標(biāo)準(zhǔn)預(yù)應(yīng)力構(gòu)件，如樓板或過梁等。后張法：通過錨具傳遞預(yù)壓應(yīng)力工藝較復(fù)雜，慢，需要在構(gòu)件上安裝永久性的工作錨具，成本高。適于：現(xiàn)場澆筑、就地張拉、吊裝的大型建筑中的特大構(gòu)件。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理463.預(yù)應(yīng)力砼的材料預(yù)應(yīng)力鋼筋（一）對鋼筋性能要求：⑴.強(qiáng)度高——使混凝土獲得較高的預(yù)壓應(yīng)力；⑵.良好的塑性——以保證在較高應(yīng)力下不會(huì)發(fā)生拉斷破壞；⑶.良好的可焊性——以保證必要的加工；⑷.與砼有較好的粘接強(qiáng)度原因：預(yù)應(yīng)力鋼筋——高應(yīng)力狀態(tài)8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理47（二）預(yù)應(yīng)力鋼筋分類國內(nèi)常用的預(yù)應(yīng)力鋼筋有鋼筋、鋼絲、鋼絞線；分為兩大類：1．無物理屈服點(diǎn)鋼筋（絲）（1）鋼鉸線

——由多股（3或7股）高強(qiáng)鋼絲鉸合而成，再經(jīng)低溫回火制成。特點(diǎn)：鋼鉸線比單根鋼絲直徑大，但具有一定的柔性，施工方便且不降低強(qiáng)度。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理48

（2）消除應(yīng)力鋼絲——經(jīng)過低溫回火處理的鋼絲稱為~。解釋：高碳鋼經(jīng)過多次冷拔，存在較大的內(nèi)應(yīng)力，需采用低溫回火來消除內(nèi)應(yīng)力。在外形上分為：光面、刻痕及螺旋肋三種，用φp、φI、φH表示。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理49（3）熱處理鋼筋——用熱軋中碳鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后制成的高強(qiáng)度鋼筋。特點(diǎn)：具有強(qiáng)度高、松弛小等特點(diǎn)，以圓盤形式供應(yīng)，省掉對焊和整直等工序，施工方便。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理508.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理51二．混凝土

預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)對砼性能的要求是：（1）高強(qiáng)度——必須！砼強(qiáng)度等級愈高，承受的預(yù)壓應(yīng)力愈大，能顯著提高構(gòu)件的抗裂度；（2）收縮、徐變?。阂詼p少構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力損失。（3）快硬、早強(qiáng)：可縮短生產(chǎn)周期，提高了張拉工具的周轉(zhuǎn)率。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理52《規(guī)范》規(guī)定：預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)的砼強(qiáng)度等級不宜低于C30

；當(dāng)采用高強(qiáng)鋼絲或熱處理鋼筋時(shí)，砼強(qiáng)度等級不宜低于C40

。8.1預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理531.張拉控制應(yīng)力σcon在制作預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件時(shí)，張拉設(shè)備所控制的總張拉力除以預(yù)應(yīng)力筋截面積得到的應(yīng)力。8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定54σcon取值越高，混凝土的預(yù)壓應(yīng)力越高，可以節(jié)約鋼筋；但張拉控制應(yīng)力應(yīng)有所控制！原因：首先：鋼筋的強(qiáng)度是一定的，不能無限制的張拉；其次：如果張拉力過大，會(huì)使鋼筋應(yīng)力進(jìn)入屈服階段產(chǎn)生塑性變形而達(dá)不到預(yù)期的預(yù)應(yīng)力效果，甚至還會(huì)在加荷時(shí)出現(xiàn)脆性斷裂而突然破壞。8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定55因此：在充分利用鋼筋強(qiáng)度的前提下，對鋼筋的張拉應(yīng)力必須有所控制！《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉控制應(yīng)力σcon不應(yīng)超過表8-1。一根鋼筋究竟要拉多大的力才達(dá)到要求呢？——就是以鋼筋張拉控制應(yīng)力σcon乘以一根鋼筋的截面面積來決定的。8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定56在預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件計(jì)算時(shí)需解決兩個(gè)問題：鋼筋要張拉多大的力？預(yù)應(yīng)力損失值有多少？砼預(yù)壓應(yīng)力的大小，取決于鋼筋彈性回縮的程度；鋼筋要有足夠回彈力——

這就牽涉到鋼筋要張拉多大的力？因?yàn)橥ㄟ^張拉鋼筋建立的預(yù)應(yīng)力并不全部有效，實(shí)際有效的預(yù)應(yīng)力受各種因素影響有所降低——

這就牽涉到預(yù)應(yīng)力損失值有多少？8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定572.預(yù)應(yīng)力損失從張拉開始到構(gòu)件使用，由于張拉工藝和材料的特性等原因，鋼筋的張拉控制應(yīng)力將不斷的降低，這部分降低值稱為預(yù)應(yīng)力損失。在設(shè)計(jì)時(shí)要正確計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失值；施工時(shí)要盡量減少預(yù)應(yīng)力損失；——預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的成敗關(guān)鍵！8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定58造成預(yù)應(yīng)力損失的原因主要有以下六種：⑴錨具變形和鋼筋滑動(dòng)引起的預(yù)應(yīng)力損失（先、后）錨具變形越大，預(yù)應(yīng)力損失亦越大，約占總損失的5~10%左右。計(jì)算模式：（對直線鋼筋）：減少措施：減少墊片數(shù)量，增加臺(tái)座的長度8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定59⑵預(yù)應(yīng)力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的預(yù)應(yīng)力損失

（先、后）在后張法張拉鋼筋時(shí)，由于鋼筋與孔道壁之間的摩擦妨礙了鋼筋伸長。約占總損失的5~15%左右。與位置有關(guān)，瞬時(shí)完成。計(jì)算模式

減少措施：兩端張拉，超張拉超張拉程序：8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定60⑶混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋與臺(tái)座之間溫度差引起預(yù)應(yīng)力損失

（先）約占20%左右。原因：T砼未成型,鋼筋伸長(變松)，T共同變形特點(diǎn)：先張法有，與升溫時(shí)砼結(jié)硬程度有關(guān)計(jì)算方法：減少措施：兩次升溫，在鋼模上張拉（共同升溫）8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定61⑷鋼筋應(yīng)力松弛引起的預(yù)應(yīng)力損失（先、后）

占總損失的15%左右。

計(jì)算方法（與鋼筋種類、強(qiáng)度和控制應(yīng)力有關(guān)）：

措施：超張拉

8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定普通松弛鋼絲、鋼絞線-低松弛鋼絲、鋼絞線62⑸砼收縮、徐變引起的應(yīng)力損失（先、后）計(jì)算方法：先張法

后張法修正：高濕度環(huán)境可降低；干燥環(huán)境應(yīng)增加。措施：混凝土質(zhì)量8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定63⑹環(huán)形配筋對砼局部擠壓引起的預(yù)應(yīng)力損失

（后）

直徑不大于3m的圓筒形結(jié)構(gòu)（如水管等）采用環(huán)形配筋時(shí)，因鋼筋在圓筒上作螺旋式張拉時(shí)，砼受到局部擠壓而產(chǎn)生壓陷，引起預(yù)應(yīng)力損失，約占總損失的15%左右。8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定64一般情況下，預(yù)應(yīng)力損失總值大約可達(dá)200~250N/mm2

之多，故在設(shè)計(jì)及制作時(shí)要對此有足夠的重視和估計(jì)。上述各種原因引起的應(yīng)力損失，是分批出現(xiàn)的。最小限量：100（先張法）80（后張法）8.2預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的一般規(guī)定65計(jì)算內(nèi)容——除承載力計(jì)算外，一般還應(yīng)包括：

裂縫和變形驗(yàn)算：承載力是任何構(gòu)件都必須保證的，對預(yù)應(yīng)力構(gòu)件也不例外，所以承載力計(jì)算是預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)必不可少的計(jì)算內(nèi)容；裂縫和變形驗(yàn)算是為了滿足預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性要求。此外，還應(yīng)進(jìn)行施工階段的應(yīng)力校核。8.3預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)計(jì)算原理661．承載力計(jì)算計(jì)算時(shí)，截面承載力達(dá)到極限狀態(tài)，以受彎構(gòu)件來說，梁破壞時(shí)鋼筋達(dá)到抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度fy,砼達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度

fc,這與普通鋼筋砼截面承載力極限的應(yīng)力狀態(tài)基本相同；那么：預(yù)應(yīng)力梁與非預(yù)應(yīng)力梁，如果兩者的尺寸、形式、材料等均相同，則它們破壞時(shí)能承受的荷載情況如何呢？8.3預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)計(jì)算原理67施加預(yù)應(yīng)力并不能提高構(gòu)件的承載力！——兩者的承載力計(jì)算基本相同。因?yàn)槠茐臅r(shí)，兩者的鋼筋達(dá)到抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度fy,砼達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度fc