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1、,5.5 预应力混凝土梁和板,我们知道混凝土的抗拉强度远远小于其抗压强度，抗拉极限应变远远小于其抗压极限应变。亦即混凝土的抗拉能力很低。对普通的钢筋混凝土构件，若不允许开裂，钢筋应力 只能达到，这个数值远低于钢筋的屈服强度，钢筋强度得不到充分利用。即便对于允许开裂的构件，规范规定一般的裂缝宽度不得超过0.20.3mm，与此相应的钢筋应力约为150250Nmm2（光圆钢筋）或200300 Nmm2（螺纹钢筋）。这就意味着钢筋的应力无法再提高，使用高强钢筋是无法发挥作用的。,5.5 预应力混凝土梁和板,使用高强混凝土并不能解决这一问题。因为混凝土的强度提高后，其极限拉应变没有大的变化，弹性模量的提
2、高也很有限。在抗裂能力和弹性模量都没有根本提高的情况下，仍然只能靠加大截面尺寸的方法来保证构件的抗裂能力和刚度，既不能节约材料，反而由于采用高强混凝土而提高了造价。所以从限制开裂和裂缝宽度角度考虑（正常使用），普通钢筋混凝土不能充分利用钢筋的作用。克服普通钢筋混凝土构件易开裂的缺点的办法，一是加大截面尺寸（浪费）；二是采用预应力混凝土，预应力混凝土可充分发挥高强钢筋的作用，并可使用高强混凝土。这可充分发挥材料性能，减小构件截面尺寸。,5.5 预应力混凝土梁和板,那么，什么是预应力混凝土构件呢？就是指在受荷之前预先对混凝土施加压应力的构件。预应力混凝土的出现是一次革命，使钢筋混凝土结构的应用进入
3、了一个新时代，见图5-81。,图5-81 预应力混凝土简支梁(a)预压应力作用下；(b)外荷载作用下；(c)预压力和外荷载共同作用下,5.5 预应力混凝土梁和板,预应力混凝土结构有以下特点：提高构件的抗裂性；提高构件的刚度（减小挠度、减小裂缝宽度），但不能提高承载力（相同材料截面相同）；节约材料，降低造价。预应力混凝土结构采用较高强度的钢筋和混凝土，充分发挥材料性能，减小构件截面尺寸，节约材料、降低造价，减轻结构自重；提高梁的抗扭和抗剪承载力，但不提高抗弯承载力；提高梁的抗疲劳承载力保护钢筋免受大气腐蚀,5.5 预应力混凝土梁和板,预应力混凝土结构的缺点：生产工艺复杂（张拉机具、台座、锚具），
4、尤其是后张法要求用特制锚具，增加了制做成本。按照使用荷载作用下构件截面应力状态的不同，预应力混凝土分为全预应力混凝土、有限预应力混凝土及部分预应力混凝土三类。全预应力混凝土：在使用荷载下，截面受拉区混凝土中不出现拉应力；有限预应力混凝土：在使用荷载下，截面受拉区混凝土中允许出现拉应力，但拉应力值不超过混凝土抗拉强度标准值ftk；部分预应力混凝土：在使用荷载下，截面上允许出现裂缝，但对最大裂缝宽度予以限制。,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1 施加预应力的方法和材料,对混凝土施加预应力主要是通过张拉预应力钢筋的方法，分为先张法和后张法。,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.1 施加预应力
5、的方法,（1）先张法 在浇筑构件混凝土之前张拉预应力钢筋的施工方法称为先张法。其施工过程如图5-82。先张法中钢筋的预应力是靠钢筋和混凝土的粘结作用传给混凝土的。,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.1 施加预应力的方法,（2）后张法 构件混凝土结硬以后，在预留孔道中穿入预应力钢筋张拉的施工方法称为后张法。其施工过程如图5-83。,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.1 施加预应力的方法,后张法中，预应力是靠锚具传递给混凝土的。锚具是张拉时必不可少的工具，而且锚具的类型很多，性能各有特点。图5-84为常用的几种锚具。采用的锚具不同，张拉钢筋时的预应力损失大小也不同。,图5-84 常用锚
6、具(a)锥形螺杆锚具；(b)螺丝端杆锚具；(c)墩头锚具；(d)锥形锚具；(e)JM12锚具,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.1 施加预应力的方法,预应力混凝土也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即：先张法生产的预应力混凝土构件以及后张法张拉钢筋后在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件，见图5-85。有粘结预应力混凝土的特点：受力性能好，裂缝分布均匀，裂缝宽度较小。,图5-85 有粘结预应力混凝土,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.1 施加预应力的方法,无粘结预应力混凝土见图5-86。后张法张拉钢筋后不在孔道中灌浆所生产的预应力混凝土构件。其特点是：造价
7、低，便于以后再次张拉或更换预应力钢筋。,图5-86 无粘结预应力混凝土,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.2 张拉控制应力con,张拉控制应力：张拉钢筋时，张拉设备上的测力计所指示的总张拉力除以预应力钢筋截面面积得出的应力值，用con表示。在配筋相同情况下，钢筋张拉得越紧，产生的预应力就越大，构件的抗裂性也越好，但是预应力钢筋的张拉应力也不是可以无限制地提高的，因为 张拉控制应力过高时，可能使钢筋拉断；张拉控制应力过高时，构件的抗裂性过高，开裂荷载接近破坏荷载，即构件开裂后，不久便可能无明显预兆地产生破坏。,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.2 张拉控制应力con,对张拉应力应进行
8、控制。混凝土规范规定张拉控制应力不宜超过表中所列限值，且不应小于0.4fptk(预应力钢筋的强度标准值)。表 张拉控制应力限值,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.3 预应力混凝土材料,预应力钢筋应具有较高的强度、一定的延伸率、低松弛性能等。先张法预应力混凝土结构构件要求预应力钢筋与混凝土之间有较好的粘结性能，因为它们是靠钢筋和混凝土之间的粘结力来传递预应力的。用作预应力钢筋的钢材首先应具有高强度，因为只有强度高才能在钢筋中建立起高应力，预应力的效果才明显，才能发挥预应力构件的优势。要求钢筋具有较低的松弛率，以减小预应力的松弛损失。这样才能在钢筋中建立起高的张拉应力并在出现预应力损失后仍保
9、持较高的应力。预应力钢筋还应具有一定的塑性，即要求拉断时有一定的延伸率。尤其在低温或冲击环境下以及在抗震结构中，更应注意钢材的塑性要求，否则可能产生脆性破坏。,5.5 预应力混凝土梁和板,5.5.1.3 预应力混凝土材料,规范建议，预应力钢筋宜采用预应力钢丝、钢绞线，也可采用热处理钢筋。预应力构件使用的混凝土应具有高强度，这样才能在混凝土中建立较高的预压应力。混凝土规范规定预应力混凝土结构中的混凝土强度等级不宜低于C30，当采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋时不宜低于C40。,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.2.1 截面形式和尺寸,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.2.2 预应
10、力纵向钢筋,直线布置：当荷载和跨度不大时，直线布置最为简单，见图5-87(a)，施工时用先张法或后张法均可。曲线布置、折线布置：当荷载和跨度较大时，可布置成曲线形（图5-87b）或折线形（图5-87c），施工时一般用后张法，如预应力混凝土屋面梁、吊车梁等构件。,图5-87 预应力钢筋的布置（a）直线形；（b）曲线形；（c）折线形,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.2.2 预应力纵向钢筋,规范规定，预应力混凝土受弯构件中的纵向钢筋最小配筋率应符合下列要求：,式中:Mu构件的正截面受弯承载力设计值；Mcr构件的正截面开裂弯矩值。,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.2.3 非预应
11、力纵向钢筋的布置,预应力构件中，除配置预应力钢筋外，为了防止施工阶段因混凝土收缩和温差及施加预应力过程中引起预拉区裂缝以及防止构件在制作、堆放、运输、吊装时出现裂缝或减小裂缝宽度，可在构件截面（即预拉区）设置足够的非预应力钢筋。在后张法预应力混凝土构件的预拉区和预压区，应设置纵向非预应力构造钢筋。在预应力钢筋弯折处，应加密箍筋，以加强在钢筋弯折区段的混凝土。,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.2.4 先张法构件的构造要求,1 钢筋、钢丝、钢绞线净间距 先张法预应力钢筋之间的净间距应根据浇筑混凝土、施加预应力及钢筋锚固要求确定。预应力钢筋之间的净距不应小于其公称直径或有效直径的1.5倍
12、，且应符合下列规定。对热处理钢筋和钢丝，不应小于15mm；对三股钢绞线，不应小于20mm；对七股钢绞线，不应小于25mm。,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.2.4 先张法构件的构造要求,2 构件端部加强措施 对先张法构件，在放松预应力钢筋时，端部有时会产生裂缝，为此，对端部预应力钢筋周围的混凝土应采取下列加强措施：（1）对单根配置的预应力钢筋，其端部宜设置长度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋；当有可靠经验时，亦可利用支座垫板的插筋代替螺旋筋，但插筋数量不应少于4根，其长度不宜小于120mm，见图（5-88）。,图5-88 部附加钢筋,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.
13、2.5 后张法构件的构造要求,1 预留孔道 孔道的布置应考虑张拉设备和锚具的尺寸以及端部混凝土局部受压承载力等要求。后张法预应力钢丝束、钢铰线束的预留孔道应符合下列规定：（1）对预制构件，孔道之间的水平净间距不宜小于50mm，孔道至构件边缘的净间距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的一半；（2）在框架梁中，预留孔道在竖直方向的净间距不应小于孔道外径，水平方向的净间距不应小于1.5倍孔道外径；从孔壁算起的混凝土保护层厚度，梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm；（3）预留孔道的内径应比预应力钢丝束或钢铰线束外径及需穿过孔道的连接器外径大1015mm；（4）在构件两端及跨中应设置灌浆孔或排气
14、孔，其孔距不宜大于12m。（5）凡制作时需要起拱的构件，预留孔道宜随构件同时起拱。,5.5.2 预应力混凝土梁板的构造,5.5.2.5 后张法构件的构造要求,2 构件端部加强措施（1）端部附加竖向钢筋 当构件端部的预应力钢筋需集中布置在截面的下部或集中布置在上部和下部时，则应在构件端部0.2h（h为构件端部的截面高度）范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋。当构件在端部有局部凹进时，为防止在预加应力过程中，端部转折处产生裂缝，应增设折线构造钢筋，见图（5-89），或其它有效的构造钢筋。,图5-89 端部转折处构造1折线构造钢筋；2竖向构造钢筋,5.5.3 预应力损失,5.
15、5.3.1 预应力损失,预应力损失：预应力钢筋中建立起的预应力（张拉控制应力）在构件施工及使用过程中将由于工艺和材性等原因不断降低，这就是预应力损失l。尽可能减小预应力损失，并对其准确地估算，是预应力混凝土结构设计中的重要问题。预应力损失主要有以下五种：（1）锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1（先、后）（2）预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失l2（后）（3）预应力钢筋与张拉台座之间温差引起的预应力损失l3（先）（4）预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失l4（先、后）（5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失l5（先、后）,5.5.3 预应力损失,5.5.3.1 预应力损失,（1）锚具
16、变形和钢筋内缩引起的预应力损失l1（先、后）无论先、后张法，也就是无论在台座上或直接在构件上张拉钢筋时，一般总是先将钢筋一端锚固，然后在另一端张拉，待钢筋应力达到设计规定的控制应力值后，再将钢筋在张拉端锚固，张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的损失，是在该钢筋张拉结束并且传力后产生的，不能再由张拉设备补偿，计算中应考虑。,5.5.3 预应力损失,5.5.3.1 预应力损失,（2）预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的预应力损失l2（后）后张法构件中配置直线预应力钢筋时，由于预留孔道的位置偏差、内表面不平及预应力钢筋表面粗糙等原因，张拉时在预应力筋与孔道壁之间产生摩擦力。摩擦力的积累使预应力钢筋的应力随到
17、张拉端距离的增大而减小。引起预应力损失。,5.5.3 预应力损失,5.5.3.1 预应力损失,（3）预应力钢筋与张拉台座之间温差引起的预应力损失l3（先）在先张法构件中，预应力钢筋在台座上张拉锚固且构件浇灌成型后，如采用加热养护，在加热养护初期混凝土强度尚未来得及发展，钢筋则处在自由变形状态中，因受热膨胀而伸长，而台座长度却基本维持不变，于是钢筋变形略有恢复，预应力相应地有所降低，当降温时，混凝土已结硬，钢筋不能回缩，所以降低的预应力也不会恢复，这就是先张法构件采用加热养护时，被张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差所引起的预应力损失。,5.5.3 预应力损失,5.5.3.1 预应力损失,（4）
18、预应力钢筋的应力松弛引起的预应力损失l4（先、后）钢筋在较大应力下具有塑性变形随时间增长的性质。当长度保持不变时，其应力将随时间而降低，这一性质称为松弛。预应力钢筋张拉终止后固定在台座或构件上，可以认为其长度变化很小，其随时间发展导致的应力降低，称为松弛损失。,5.5.3 预应力损失,5.5.3.1 预应力损失,（5）混凝土收缩和徐变引起的预应力损失l5（先、后）由于混凝土的收缩，以及预应力长期作用下混凝土的压缩徐变，会使构件继续缩短，因而预应力钢筋也会随之缩短一些，由此引起预应力钢筋的应力减小，这是一项数值较大并占很大比重的预应力损失，必须认真对待。损失值的计算，规范已给出明确的方法和计算公
19、式。设计时可直接使用。,5.5.3 预应力损失,5.5.3.2 预应力损失组合,上述各项预应力损失是分批出现的。不同的受力阶段应考虑相应的预应力组合值。按混凝土受到预压的前后划分，预应力损失分为两组，见表5.7.2。,5.5.3 预应力损失,5.5.3.3 预应力总损失的下限值,预应力总损失值,考虑到计算误差，为保证预应力的效果，混凝土规范规定了预应力总损失的最小值：先张法构件为100 Nmm2，后张法构件为80 Nmm2。,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,预应力混凝土梁板的设计内容应包括使用阶段受弯及受剪承载力计算、裂缝控制、变形验算和施工阶段截面应力验算。,5.5.4 预应力混凝土梁
20、板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,（1）正截面受弯承载力计算 1）基本计算公式 与钢筋混凝土梁相同，预应力混凝土梁正截面达到破坏时的受压混凝土应力分布可采用等效矩形图形，强度为a1fc；受拉预应力钢筋和非预应力钢筋都达到屈服，强度分别为fpy和fy。预应力混凝土梁正截面承载力计算公式如下：,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,2）适用条件,为避免超筋破坏，截面相对界限受压区高度b应满足下列要求：,在截面受拉区内配置有不同种类（如预应力钢筋和非预应力钢筋）或不同预应力值的钢筋时，构件的相对界限受压区高度应分别计算，并取其较小值。非预应力钢筋一般采用热轧钢筋，其
21、b值见表5.2.2。,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,2）适用条件,预应力钢筋一般采用钢绞线、钢丝和热处理钢筋等无明显屈服点钢筋，b值应按下式计算：,式中，p0为受拉区纵向预应力钢筋合力点处混凝土法向应力等于零时的预应力钢筋应力。具体计算可见混凝土规范。,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,2）适用条件,对于无明显屈服点的钢筋,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,5.5.
22、4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,2）公式的应用,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.1 承载力计算,2）公式的应用,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.2 裂缝控制和变形验算,图5-90 预应力混凝土梁的消压弯矩、开裂弯矩,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.2 裂缝控制和变形验算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.2 裂缝控制和变形验算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.2 裂缝控制和变形验算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.2 裂缝控制和变形验算,5.5.4 预应力混凝土梁
23、板设计要点,5.5.4.2 裂缝控制和变形验算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.2 裂缝控制和变形验算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.3 施工阶段验算,（1）施工阶段承载力验算 对预应力混凝土梁应按实际受力验算制作、运输、吊装等施工阶段的承载力，一是因为预应力混凝土梁在施工阶段的受力状态与使用阶段是不同的；二是因为在预应力钢筋放张（先张法构件）或锚固（后张法构件）时，混凝土受到的压应力最大，而此时又允许混凝土立方体受压强度取75的设计强度等级。验算施工阶段承载力时一般要考虑把自重乘以动力系数1.5。,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.3 施
24、工阶段验算,图 预应力混凝土梁在施工阶段受力(a)构件制作；(b)构件吊装,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.3 施工阶段验算,5.5.4 预应力混凝土梁板设计要点,5.5.4.4 后张法构件端部局部受压承载力验算,后张法构件锚具垫板尺寸小，在构件端部锚具下的混凝土中将出现很大的局部压应力，张拉预应力钢筋时这一压应力最大。此时构件端部将出现纵向裂缝，导致局部受压破坏。端部局部受压承载力设计计算包括两项内容。一是验算局部受压面积，以保证不产生过大的局部变形而使垫板下陷；二是为了提高端部局部受压承载力并控制裂缝宽度，按计算和构造要求在局部受压区内配置方格网式或螺旋式间接钢筋。,5.
25、6 混凝土结构的耐久性,5.6.1 耐久性的概念,由于影响混凝土结构耐久性的因素及规律研究尚欠深入，难以达到进行定量设计的程度。规范采用了宏观控制的方法，以概念设计为主。根据环境类别和设计使用年限对结构混凝土提出了相应的限制和要求，以保证结构的耐久性。基本上能保证在结构规定的设计使用年限内应有的使用性能和安全储备。对临时性混凝土结构，可不考虑混凝土的耐久性的要求。规范对混凝土耐久性要求的具体规定。,5.6 混凝土结构的耐久性,5.6.1 耐久性的概念,1 使用环境的分类混凝土结构的耐久性应根据环境类别和设计使用年限进行设计，见下表。表 混凝土结构的环境类别,注：严寒和寒冷地区的划分应符合国家现
26、行标准民用建筑热工设计规程JGJ24的规定,5.6 混凝土结构的耐久性,5.6.1 耐久性的概念,2 当处于一类，二类和三类环境中时，设计使用年限为50年的结构混凝土耐久性，应符合下表的规定 表 结构混凝土耐久性的基本要求,5.6 混凝土结构的耐久性,5.6.1 耐久性的概念,3 设计使用年限为100年的结构混凝土耐久性符合下列规定，（）当处于一类环境时 1）钢筋混凝土结构的最低混凝土强度等级为C30，预应力混凝土结构最低混凝土强度等级为C40。2）混凝土中的最大氯离子含量为0.06%。3）宜使用非碱活性集料；当使用碱活性集料后，混凝土中的最大碱含量为3.0kg/m3。4）混凝土保护层厚度应按附表（1.16）的规定增加40%；当采取有效的表面防护措施时，混凝土保护层厚度可适当减少；5）在使用过程中应定期维护。（）当处于二类，三类环境中，设计使用年限为100年的混凝土结构，应采取专门有效措施。,
