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1、第8章 预应力混凝土构件（1）熟悉预应力混凝土的基本概念、基本原理、明确施加预应力的目的及应用。（2）掌握施加预应力的两种方法（3）熟悉张拉控制应力的概念（4）熟悉预应力损失产生的原因及减少预应力损失的措施；（5）了解各阶段预应力损失值的组合。（6）熟悉预应力混凝土构件的构造要求；,8.1 概 述 混凝土作为一种建筑材料，主要缺点之一就是抗拉的能力很低。当混凝土用于存在受拉区的构件时，比如用于受拉构件或受弯构件时，受拉区的混凝土在很小的拉应力作用下就会开裂，造成构件裂缝宽度超出许可或构件刚度达不到要求。在很多情况下，混凝土构件的截面尺寸是由对其抗裂要求、裂缝宽度要求或刚度的要求所决定的。,使用
2、高强的混凝土并不能解决这一问题。混凝土的强度提高后，极限拉应变没有大的变化，弹性模量的提高也很有限。在抗裂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，既不能节省材料，反而由于采用高强度混凝土而提高了造价。,混凝土的这一缺陷还限制了高强度钢筋的使用。混凝土的极限抗拉应变一般只有(0.10.15)10-3左右，因此当混凝土受拉开裂时，钢筋中的应力只有2030MPa(相应的钢筋应变为(0.10.15)10-3)，强度远未充分利用。即便对于允许开裂的构件，规范规定一般的裂缝宽度不得大于0.20.3mm，与此相应的钢筋拉应力约为150200MPa(光面
3、钢筋)或200300MPa(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。,为了使钢筋混凝土结构能得到进一步发展，就必须解决混凝土抗拉性能弱这一缺陷。预应力混凝土结构就是为克服钢筋混凝土结构的缺点，经人们长期实践而创造出来的一种具有广泛发展潜力、性能优良的结构。,8.1.1预应力的概念 预应力是预加应力的简称。这一名字出现的历史虽不很长，但预应力的思想是古老的，其基本原理在几世纪以前就已被聪明的祖先所运用。木桶是预加压应力抵抗拉应力的一个典型的例子。采用藤、竹或铁箍的木桶，当箍套紧时便对桶壁产生环向的压应力，如施加的环向压应力超过水压力引起的拉应力，木桶就不会开裂
4、和漏水。现代预应力混凝土圆形水池的原理与上述套箍木桶是一样的，所以套箍木桶实质上是一种预应力木结构。,木锯是利用预拉应力抵抗压应力的一个典型的例子。采用线绳绞拧而拉紧的木锯给锯条施加了一个拉应力，使其挺直而能承受锯木来回运动中受到重复变化的拉、压力，避免抗弯能力很低的锯条受压失稳、弯折破坏。现实生活和工作中利用预应力原理的例子也很多，如拧紧螺丝使钢丝收紧的自行车车轮的钢圈，以及为稳定烟囱、电线杆、桅杆的拉索等等。,对于采用高强钢材作配筋的预应力混凝土，可以用三种不同的概念或三种不同的角度来理解和分析其性状。设计者同时理解这三种概念及其相应的计算方法是十分重要的，只有这样才能更灵活有效地去选择和
5、设计预应力混凝土结构。（1）第一种概念预加应力能使混凝土在使用状态下成为弹性材料,前面几章已经讨论过普通钢筋混凝土的特点，即其抗裂刚度比较小，一旦开裂就进入弹塑性阶段。经过预压的混凝土，使原先抗拉弱、抗压强的脆性材料变为一种既能抗压又能抗拉的弹性材料。若预应力所产生的压应力将外荷载所产生的拉应力全部抵消，则在正常使用状态下混凝土没有裂缝甚至不出现拉应力。混凝土构件的应力、应变及变形均可按材料力学公式计算，并可在需要时采用叠加原理。,在预加力Np的作用下，混凝土截面的正应力（应力以压为正）为：,外荷载弯矩M（包括梁自重）产生的混凝土截面正应力为：,式中 Ac、Ic混凝土截面面积和抗弯惯性矩；y应
6、力计算点至截面形心轴的距离，在截面形心轴以下取正。从公式中可以看出，对预应力混凝土构件的应力可以象弹性材料一样采用叠加的方法计算，而普通混凝土构件开裂后应力不能叠加。,混凝土截面的最终正应力为：,（2）第二种概念预加应力能使高强钢材和混凝土共同工作并发挥两者的潜力 这种概念是将预应力混凝土看作高强钢材和混凝土两种材料的一种协调结合。在混凝土构件中采用高强钢筋，要使高强钢筋的强度充分发挥，就必须使其有很大的伸长变形。如果高强钢筋只是简单地浇筑在混凝土体内，那么在使用荷载作用下混凝土势必严重开裂，构件将出现不能允许的宽裂缝和大挠度。,预应力混凝土构件中的高强钢筋只有在与混凝土结合之前预先张拉，使在
7、使用荷载作用下受拉的混凝土预压、储备抗拉能力，才能使受拉的高强钢筋的强度进一步发挥。因此，预加应力是一种充分利用高强钢材的能力、改变混凝土工作状态的有效手段，预应力混凝土可看作钢筋混凝土应用的扩展。但也应明确，预应力混凝土不能超越材料本身的强度极限。,（3）第三种概念预加应力实现荷载平衡 预加应力的作用可以认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载(外力)方向相反的荷载，用以抵消部分或全部使用荷载效应的一种方法。图8.2 采用抛物线形配筋的预应力混凝土梁,预应力混凝土三个不同的概念，是从不同的角度来解释预应力混凝土的原理。第一种概念是预应力混凝土弹性分析的依据，指出了预应力混凝土的主要工作状态；第二
8、种概念反映了预加应力对发挥高强钢材和混凝土潜力的必要性，也指出了预应力混凝土的强度界限；第三种概念则在揭示预加力和外荷载效应相互关系的同时，也为预应力混凝土结构设计与分析提供了一种简捷的方法。,8.1.2 预应力混凝土的等级与分类 由于预应力技术及其应用的不断发展，国际上对预应力混凝土迄今还没有一个统一的定义。一个概括性较强、由美国混凝土协会(ACI)作出的广义的定义是：“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一分布与数值的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。以钢材为配筋和施加预应力的预应力混凝土，实际上与普通钢筋混凝土同属于一个统一的加筋混凝土系列。国际上对整个加筋混凝土系列
9、按照其受力性能及变形情况分为若干个等级。,1.国外对加筋混凝土的分类 1970年国际预应力协会(FIP)、欧洲混凝土委员会(CEB)根据预应力程度大小的不同，建议将加筋混凝土分为四个等级：（1）级全预应力 在全部荷载最不利组合作用下，混凝土不出现拉应力。（2）级有限预应力 在全部荷载最不利组合作用下，混凝土允许出现拉应力，但不超过其强度容许值；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力。（3）级部分预应力 在全部荷载最不利组合作用下，混凝土允许出现裂缝，但裂缝的宽度不超过规定值。（4）级普通钢筋混凝土,2.中国对加筋混凝土的分类 中国土木工程学会部分预应力混凝土结构设计建议（1986年，以下简称
10、PPC建议），根据预应力程度的不同，把加筋混凝土分为全预应力、部分预应力和钢筋混凝土三类。对于部分预应力混凝土，我国又将其分为A类和B类。A类指在正常使用极限荷载状态下，构件预压区混凝土正截面的拉应力不超过规定的容许值；B类则指在正常使用极限荷载状态下，构件预压区混凝土正截面的拉应力允许超过规定的限值，但当裂缝出现时，其宽度不超过容许值。,8.1.3 预应力混凝土结构的类型 预应力混凝土结构，根据其工艺、预应力度、体系及构造特点等可划分为如下几种类型。1.按预应力工艺分类图8.3 先张法预应力混凝土工艺a)预应力筋张拉、锚固；b)混凝土施工；c)预应力筋放松,图8.4 后张法预应力混凝土工艺(
11、a)预留孔道混凝土施工；(b)穿筋、张拉、锚固；(c)孔道压浆粘结成整体,2.按预应力度分类 根据预应力程度的不同和我国对预应力混凝土结构的分类法，预应力混凝土结构被分为全预应力、部分预应力两类3.按预应力体系分类 根据预应力体系的特点，预应力混凝土结构可分为体内预应力、体外预应力、有粘结和无粘结预应力、预拉应力及预弯预应力等几类。,混凝土斜拉桥属体外预应力结构的特例,8.1.4 预应力混凝土结构的优缺点 预应力混凝土结构与钢筋混凝土结构相比，具有下列主要优点：（1）提高了构件的抗裂性和刚度。构件施加预应力之后，裂缝的出现将大大推迟；在使用荷载作用下，构件可不出现裂缝或推迟出现，因而构件的刚度
12、相应提高，结构的耐久性增强，且可作为弹性材料进行力学分析与计算。有资料表明，预应力构件的短期挠度仅为非预应力构件短期挠度的2050，长期挠度为4070。,（2）可以节省材料，减少自重。预应力混凝土由于必须采用高强度材料，因而可以减少钢筋用量和减小构件截面尺寸，节省钢材和混凝土，从而降低结构物的自重。对于自重占总荷载比例很大的大跨径公路桥梁来说，采用预应力混凝土有着显著的优越性。对大跨度或重荷载结构，采用预应力混凝土是比较经济合理的。一般来说，预应力结构能节约混凝土2040，钢材3060，自重减轻2040。,（3）可以减小混凝土梁的剪力和主拉应力。预应力混凝土梁的曲线筋（束），可使混凝土梁在支座
13、附近承受的剪力减小，又由于混凝土截面上预压应力的存在，使荷载作用下的主拉应力也相应减小，有利于减薄混凝土梁腹的厚度，这也是预应力混凝土梁能减轻自重的原因之一。（4）结构安全、质量可靠。施加预应力时，预应力筋(钢筋束)与混凝土都将经受一次强度检验。如果在预应力筋张拉时预应力筋和混凝土都表现出良好的质量，那么，在使用时一般也可以认为是安全可靠的。,此外，预应力混凝土还能提高结构的耐劳性能。因为具有强大预应力筋、混凝土全截面或基本全截面参加工作的构件，在使用阶段因加荷或卸荷所引起的应力相对变化很小，因而引起疲劳破坏的可能性也小。这对于承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。,预应力混凝土结构也存在着一些
14、缺点：（1）工艺较复杂，质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。（2）需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。（3）预应力反拱不易控制，它将随混凝土的徐变增加而加大，可能影响结构使用效果。（4）预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高。,8.1.5 预应力混凝土及其工作原理 预应力构件没有承受荷载时，预应力钢筋就已经承受了一定程度的拉应力；承受荷载后，拉应力在此基础上进一步提高。在预应力构件中一般使用高强度的预应力钢筋，使得构件受荷后预应力钢筋的应力仍可以有较大幅度的增高。因此也可以说，预应力构件在利用混凝土抗压能力的同时，也利用了高强钢筋的抗拉能
15、力来弥补混凝土抗拉能力的不足。,由于预应力减小了构件中混凝土承受的拉应力，预应力混凝土构件在使用阶段可以做到不开裂或开裂甚微，构件的刚度提高，挠度大大减小，所以预应力这一手段大大地提高了构件的抗裂度，减小了构件的裂缝与变形(图8.7)。,预应力的最大优点也就在于提高了构件的抗裂能力和提高了构件的刚度，其他的大部分优点都是由此而来的。抗裂能力和刚度有所提高，就有可能减小构件截面尺寸，就有可能采用高强度的材料，就会提高耐久性。,预应力提高了构件受荷以后混凝土拉应力允许提高的幅度，但同时也降低了构件受荷以后混凝土压应力和钢筋拉应力允许提高的幅度。因此，使用同样材料、同样尺寸的预应力构件和非预应力构件
16、相比，两者的强度是差不多的（图8.7）；试验和理论分析也都证明了这一点。,但是，预应力构件可以采用高强度的混凝土和高强度的钢筋，而材料的价格并不会随强度的提高而成正比的增加。施加预应力虽然不能提高构件的强度，但可以采用高强度的材料，对一些结构，尤其是大型结构，有一定的经济意义。,8.1.6 后张法锚具,8.1.7 预应力混凝土的使用范围 预应力混凝土，由于它具有许多优点，目前在国内外应用非常广泛，特别是在大跨度或重荷载结构，以及不允许开裂的结构中得到了广泛的应用。我国在解放后不久，即开始研究预应力混凝土在桥梁结构中的应用。目前预应力混凝土结构在我国桥梁建设中的应用已得到了迅速发展。而且在房屋结
17、构、塔桅结构、蓄液池、压力管道、原子能反应堆容器、船体结构以及机场机库等方面得到了更加广泛地应用。,8.2 预应力损失 预应力钢筋在张拉过程中、在预加应力阶段中以及在长期的使用过程中，由于材料的性能、张拉工艺和锚固等原因，均可能引起预加应力的减小，即所谓发生了“预应力损失”。在预应力混凝土设计中需考虑的主要预应力损失有以下六项。1 张拉端锚具变形和钢筋松动引起的预应力损失l12 预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起预应力损失l2,3 温度差引起预应力损失l34 钢筋应力松弛引起的预应力损失l45 混凝土收缩徐变引起的预应力损失l5 6 环形配筋对混凝土局部挤压引起的预应力损失l6,一锚二摩三温差，
18、四松五缩六挤压,8.2.7 预应力损失的组合 上述各种因素引起的应力损失，是分批出现的。有的(如l1、l2、l3、l6)是瞬时完成的；有的（如l3、l4、l5）是经过相当长时间才完成的，它们有的只发生在先张法构件中，有的只发生在后张法构件中，有的两种构件都有。在两种构件中它们出现的时刻也不尽相同，有一些损失在混凝土建立起初始预压应力前或同时即已完成，也有一些损失只有建立起混凝土初始预压应力之后才可能出现，这些收缩、徐变损失和松弛损失都与时间有关，是时间的函数，而且这些损失又是相互有关的。因此，要准确计算这些预应力损失是不容易的。,以上6种预应力损失值的计算，规范在总结试验和实践的基础上已提出明
19、确的方法和现成的公式，可供设计时直接用来进行计算。,对预应力混凝土构件除应根据使用条件进行承载力计算及变形、抗裂、裂缝宽度和应力验算以外，还需对构件在制作、运输、吊装等施工阶段进行应力验算。不同的受力阶段应考虑相应的预应力损失的组合。因此，可将预应力损失分为两组：（1）混凝土施加预压完成以前出现的损失，称为第一批损失。对先张法构件即为放张挤压混凝土前发生的损失；对后张法构件则为张拉预应力工序终止前发生。,图8.8 预应力损失的组合,（2）混凝土施加预压完成以后出现的损失，称为第二批损失。对先张法构件为放张后发生的损失；对后张法构件则为张拉预应力工序终止后发生的损失。,一般情况下预应力损失总值大
20、约可达200250(N/mm2)之多，故此，在设计及制作时要对它有足够的重视和估计。考虑到预应力损失的计算值与实际值之间可能有一定误差，并且，为了保证预应力构件的抗裂性，规范规定了总损失的最小值。即当计算求得的预应力总损失值，如果小于下列数值，则应按下列数值取用：先张法构件：100N/mm2；后张法构件：80N/mm2。,预应力混凝土的想法与探索多年前已开始，但在开始时效果总是不理想，构件的变形与裂缝开展总是达不到预期的效果。长期失败的一个重要原因就在于对预应力损失缺乏认识，尤其是对混凝土收缩、徐变引起的预应力损失认识不足。这一历史经验也说明了正确认识预应力损失在预应力混凝土设计中的重要性。,
21、8.2.3 减少预应力损失的措施1.减少锚具、钢筋回缩引起的预应力损失的措施为了减少此项应力损失，可以采用下列两种方式：（1）选择变形量较小的锚具及尽可能少用锚垫板；（2）采用超张拉施工方法。,2.减少预应力筋与孔道间摩擦引起的预应力损失的措施（1）采用两端张拉；（2）进行超张拉。,3.减少预应力筋与台座间温差引起的应力损失 为了减小这项预应力损失，先张法构件在养护时可采用两次升温的措施。其中，初次升温应在混凝土尚未结硬、未与预应力筋粘结时进行，初次升温的温差一般可控制在200C以内；第二次升温则在混凝土构件具备一定强度(例如7.510MPa)，即混凝土与预应力筋的粘结力足以抵抗温差变形后，再将温度升到设定温度进行养护，此时，预应力筋将和混凝土一起变形，预应力筋不再引起应力损失。,4.减少预应力筋松弛引起的应力损失的措施（1）采用低松弛预应力筋；（2）采用超张拉方法及增加持荷时间；（3）采用一般普通硅酸盐水泥，控制每立方混凝土中的水泥用量及混凝土的水灰比。5.减少混凝土弹性压缩引起的应力损失的措施 一般情况下，对于后张法构件可尽量减少分批张拉次数。,
