1、預應力混凝土結構的基本原理與計算原則10.1.1 預應力混凝土的概念10.1 預應力混凝土的基本原理跨度為5.2m的簡支梁，截面尺寸為200450mm2，作用均布活荷載標準值qk=10kN/m，均布恒荷載gk=5kN/m。一、普通鋼筋混凝土的不足 產生上述問題原因主要是因為混凝土的抗拉強度太低，導致受拉區混凝土過早開裂，截面抗彎剛度顯著降低。 鋼筋混凝土梁應用于大跨度結構時，如為增加剛度而加大截面尺寸，會導致自重進一步增大，形成惡性循環。 如增加鋼筋來提高剛度，則鋼材的強度得不到充分利用，造成浪費。 采用高強鋼筋，按正截面承載力要求可減少配筋，截面抗彎剛度基本與配筋面積成比例降低，故撓度變形控

2、制難以滿足。 裂縫寬度與鋼筋應力基本成正比。 因而，鋼筋混凝土結構中采用高強度鋼筋是不能發揮其作用的 。而提高混凝土強度等級對提高構件的抗裂性能和控制裂縫寬度的作用也不大。 預應力混凝土結構就是構件在承受外荷載之前，人為地預先通過張拉鋼筋對結構使用階段產生拉應力的混凝土區域施加壓力，構件承受外荷載后，此項預壓應力將抵消一部分或全部由外荷載所引起的拉應力；從而推遲裂縫的出現和限制裂縫的開展。二、預應力的基本原理0pcctkpccf0tkpccf由于預加應力pc較大，受拉邊緣仍處于受壓狀態，不會出現開裂；受拉邊緣應力雖然受拉，但拉應力小于混凝土的抗拉強度，一般不會出現開裂；受拉邊緣應力超過混凝土的

3、抗拉強度，雖然會產生裂縫，但比鋼筋混凝土構件（Np =0）的開裂明顯推遲，裂縫寬度也顯著減小。三、預應力混凝土的特點 預應力混凝土結構與普通混凝土結構相比,其主要優點是： 提高構件的抗裂度，改善了構件的受力性能。因此適用于對裂縫要求嚴格的結構； 由于采用了高強度混凝土和鋼筋，從而節省材料和減輕結構自重，因此適用于跨度大或承受重型荷載的構件； 提高了構件的剛度，減少構件的變形，因此適用于對構件的剛度和變形控制較高的結構構件； 提高了結構或構件的耐久性、耐疲勞性和抗震能力。 預應力混凝土結構的缺點是需要增設施加預應力的設備，制作技術要求較高，施工周期較長。 預應力混凝土結構的發展1.力學與實踐；生

4、活中預應力；2.預應力混凝土的發展應用；初期階段：1886年前后，加利福尼亞舊金山工程師申請了在混凝土拱內張緊鋼拉桿作樓板的專利，1888年，德國，在混凝土樓板受荷前用施加拉力的鋼筋來加強混凝土的專利， 1908年，美國的學者提出了二次張拉的建議 1925年 內布拉斯加州試用無粘結的做法工程實用階段法國的 弗萊西奈 E.Freyssinet 在 1928年考慮混凝土收縮和徐變產生的損失 ，提出預應力混凝土必須采用高強鋼材和高強混凝土 ，這是預應力混凝土在理論上關鍵的突破 直到1939 年，E.Freyssinet 發明了短部錨固用的錐形契等，在工藝上提供了切實可行的方法， 使預應力結構得到工程

5、應用的真正推廣40 年代，弗萊西奈 E.Freyssinet 設計跨越法國馬恩河 ，孔徑為55 m 的 大橋，人們才接受預應力損失可以控制和計算的見解世界普及階段美國 ：大規模的預應力混凝土的推廣，是第二次世界大戰結束后，由于西歐對工業 、交通 、城市建設急待恢復和重建 ，鋼材供應十分緊張的情況下 ，原先鋼結構的工程紛紛改為預應力混凝土結構 ，應用范圍 ，也從橋梁 、工廠擴大到土木 、建筑工程的各個領域。 我國預應力的發展50 、60 年代 ：預制構件 ，3 - 6 米的樓板，吊車梁 ， 大型屋面板，12 18 米的大梁 ，36米以內的屋架 等 提倡工業化施工70 年代 ，北京 和江、浙 一帶

6、建了少量的預應力框架結構 80 年代：由于無粘結預應力混凝土的推廣，多、高層 大開間的預應力平板體系 ，大量地采用預應力混凝土結構 橋梁，特種結構等大量采用預應力混凝土結構90年代 ：高層房屋的樓板跨度大 ；采用預應力梁減少。大跨度結構（大跨度橋梁）； 特種結構（防漏 、防滲和壓力容器 ）； 對構件的剛度和變形控制要求較高的結構構件。四、預應力混凝土的應用10.2 預應力混凝土的分類1、按施加預應力的方法分：先張法預應力混凝土后張法預應力混凝土2、按施加預應力的程度分：3、按預應力鋼筋與混凝土的黏結狀況分：全預應力混凝土部分預應力混凝土有黏結預應力混凝土無黏結預應力混凝土1、先張法預應力混凝土

7、和后張法預應力混凝土1）先張法預應力混凝土工序：鋼筋就位張拉預應力鋼筋臨時錨固鋼筋，澆注混凝土放松預應力筋，混凝土受壓。特點：依靠鋼筋與混凝土間的黏結力先張法2）后張法預應力混凝土工序：制作構件，預留孔道穿筋張拉預應力鋼筋錨固鋼筋，孔道灌漿特點：依靠構件兩端的錨固裝置后張法(Pretension)后張法Post-tension2、全預應力混凝土和部分預應力混凝土 國際預應力混凝土協會和歐洲混凝土委員會建議將配筋混凝土分為4個等級：即級（全預應力混凝土）、級（有限預應力混凝土）、級（部分預應力混凝土）、級（普通鋼筋混凝土）。 全預應力混凝土 全預應力混全凝土是指在各種荷載組合下構件截面上均不允許

8、出現拉應力的預應力混凝土構件。大致相當于裂縫控制等級為一級的構件。 有限預應力混凝土 有限預應力混凝土是按在短期荷載作用下，容許混凝土承受某一規定拉應力值，但在長期荷載作用下，混凝土不得受拉的要求設計。相當于裂縫控制等級為二級的構件。 部分預應力混凝土 部分預應力混凝土是按在使用荷載作用下，容許出現裂縫，但最大裂寬不超過允許值的要求設計。相當于裂縫控制等級為三級的構件。 有限或部分預應力混凝土介于全預應力混凝土和鋼筋混凝土之間，有很大的選擇范圍，設計者可根據結構的功能要求和環境條件，選用不同的預應力值以控制構件在使用條件下的變形和裂縫，并在破壞前具有必要的延性，因而是當前預應力混凝土結構的一個

9、主要發展趨勢。（1）預應力混凝土結構對預應力鋼筋的要求 高強度 預應力混凝土構件在制作和使用過程中，由于種種原因，會出現各種預應力損失，為了在扣除預應力損失后，仍然能使混凝土建立起較高的預應力值，需采用較高的張拉應力，因此預應力鋼筋必須采用高強鋼筋（絲）； 較好的黏結性能 在受力傳遞長度內鋼筋與混凝土間的黏結力是先張法構件建立預應力的前提，因此必須有足夠的黏結強度。通常采用刻痕或壓波方法來提高與混凝土粘結強度。 良好的加工性能 即要求鋼筋有良好的可焊性，以及鋼筋“鐓粗”后并不影響原來的物理性能； 10.3 預應力混凝土的材料1、預應力鋼筋具有一定的塑性 為防止發生脆性破壞，要求預應方鋼筋在拉斷

10、時，具有一定的伸長率；（2）常用預應力鋼筋 1、冷拉低合金鋼筋通常將級熱軋鋼筋經冷拉后作為預應力筋，抗拉強度可達580MPa。為解決粗直徑鋼筋的連接問題，鋼筋表面軋制成不帶縱向肋的精制螺紋，可用套筒直接連接。但隨著近年來高強鋼絲和鋼絞線的大量生產，這種預應力筋的應用已很少。2、中、高強鋼絲中高強鋼絲是采用優質碳素鋼盤條，經過幾次冷拔后得到。中強鋼絲的為8001200MPa，高強鋼絲的強度為14701860MPa。鋼絲直徑為39mm。為增加與混凝土粘結強度，鋼絲表面可采用刻痕或壓波，也可制成螺旋肋。刻痕鋼絲螺旋肋鋼絲消除應力鋼絲：鋼絲經冷拔后，存在有較大的內應力，一般都需要采用低溫回火處理來消除

11、內應力。消除應力鋼絲的比例極限、條件屈服強度和彈性模量均比消除應力前有所提高，塑性也有所改善。3、鋼絞線 鋼絞線是用2、3、7股高強鋼絲扭結而成的一種高強預應力筋，其中以7股鋼絞線應用最多。7股鋼絞線的公稱直徑為9.515.2 mm，通常用于無粘結預應力筋，強度可高達1860MPa。2股和3股鋼絞線用途不廣，僅用于某些先張法構件，以提高與混凝土的粘結強度。無粘結預應力束4、熱處理鋼筋 用熱軋中碳低合金鋼經過調質熱處理后制成的高強度鋼筋，直徑為610mm，抗拉強度為1470MPa。 除冷拉低合金鋼筋外，其余預應力筋的應力-應變曲線均無明顯屈服點，采用殘余應變為0.2%的條件屈服點作為抗拉強度設計

12、指標。a0.2%0.2 fu2、混凝土 強度高 預應力混凝土只有采用較高強度的混凝土，才能建立起較高的預壓應力，并可減少構件截面尺寸，減輕結構自重。對先張法構件，采用較高強度的混凝土可以提高黏結強度，對后張法構件，則可承受構件端部強大的預壓力； 收縮、徐變小 這樣可以減少由于收縮、徐變引起的預應力損失； 快硬、早強 這樣可以盡早施加預應力，加快臺座、錨具、夾具的周轉率，以利加快施工進度，降低間接費用。 3、孔道及灌漿材料 制孔器的類型 抽拔式制孔器：即在預應力混凝土構件中根據設計要求預留制孔器具，待混凝土初凝后拔出制孔器具，形成孔道。 埋入式制孔器：即在預應力混凝土構件中根據設計要求永久埋置制

13、孔器，形成預留孔道。 灌漿材料 為了避免預應力筋腐蝕，保證預應力筋與周圍混凝土共同變形，應向孔道中灌入水泥漿。 要求：具有一定的黏結強度，收縮不能過大。10.4 預應力鋼筋張錨體系 類型：錨具和夾具，代號：錨具：M；夾具：J一般根據錨固方式的不同分為： 夾片式錨具：代號J，如：JM型錨具；QM型；XM型；OVM型錨具；夾片式扁錨BM體系； 支承式錨具：代號L和D，如螺絲端桿錨具LM；鐓頭錨具DM； 錐塞式錨具：代號Z，如：鋼質錐形錨具GZ； 握裹式錨具：代號W，如擠壓錨具；壓花錨具；1、夾片式錨具10.5 預應力混凝土結構計算的基本原則1、計算要求 正常使用條件下：承載力計算；變形驗算；抗裂驗

14、算；裂縫寬度驗算；應力驗算。 施工階段：承載力計算；抗裂驗算；應力驗算；局部受壓驗算。u裂縫控制驗算：裂縫控制一般分為三級：一級：不允許出現裂縫；二級：一般要求不出現裂縫；三級：允許出現裂縫。u變形驗算：荷載作用下的變形；預應力產生的反拱估算。2、張拉控制應力 張拉控制應力是指張拉預應力鋼筋時所控制的最大應力值，其值為張拉設備所控制的總的張拉力除以預應力鋼筋面積得到的應力值。 從充分發揮預應力優點的角度考慮，張拉控制應力宜盡可能地定得高一些，con定得高，形成的有效預壓應力高，構件的抗裂性能好，且可以節約鋼材，但如果控制應力過高，會出現以下問題： con越高，構件的開裂荷載與極限荷載越接近，使

15、構件在破壞前無明顯預兆，構件的延性較差。 在施工階段會使構件的某些部位受到拉力甚至開裂，對后張法構件有可能造成端部混凝土局部受壓破壞。 有時為了減少預應力損失，需對鋼筋進行超張拉，由于鋼材材質的不均勻，可能使個別鋼筋的應力超過它的實際屈服強度，而使鋼筋產生較大塑性變形或脆斷，使施加的預應力達不到預期效果。 使預應力損失增大 。 con也不能定得過低，它應有下限值。否則預應力鋼筋在經歷各種預應力損失后，對混凝土產生的預壓應力過小，達不到預期的抗裂效果。 先張法構件的con值適當高于后張法構件. 冷拉熱軋鋼筋塑性較好，有明顯的流幅，以屈服強度作為標準值，故con定得高，冷拔低碳鋼絲、鋼絞線、熱處理

16、鋼筋屬于無明顯流幅的鋼筋，塑性差，且以極限抗拉強度作為標準值，故con定得低。 張拉控制應力大小的確定與預應力鋼筋的品種和施加預應力的方法有關。 因為對預應力筋的張拉過程是在施工階段進行的，同時張拉預應力筋也是對它進行的一次檢驗，所以表中con是以預應力筋的標準強度給出的，且con可不受抗拉強度設計值的限制。在下列情況下， con可提高0.05 fptk： 為提高構件在施工階段的抗裂性能，而在使用階段受壓區內設置的預應力筋；為部分抵消應力松弛、摩擦、分批張拉和溫差產生預應力損失。 為避免con的取值過低，影響預應力筋充分發揮作用，規范規定con不應小于0.4 fptk。預應力筋張拉后，由于混凝

17、土和鋼材的性質以及制作方法上原因，預應力筋中應力會從con逐步減少，并經過相當長的時間才會最終穩定下來，這種應力降低現象稱為預應力損失。由于最終穩定后的應力值才對構件產生實際的預應力效果。因此，預應力損失是預應力混凝土結構設計和施工中的一個關鍵的問題。過高或過低估計預應力損失，都會對結構的使用性能產生不利影響。3、預應力損失 由于預應力是通過張拉預應力筋得到，凡是能使預應力筋產生縮短的因素，都將引起預應力損失，主要有： 錨固損失：錨具變形引起預應力筋的回縮、滑移摩擦損失：在預應力筋張拉過程中，后張法預應力筋與孔道壁之間的摩擦，先張法預應力筋與錨具之間以及折點處的摩擦，也會使張拉應力造成損失。混

18、凝土的收縮和徐變引起的損失松弛損失：長度不變的預應力筋，在高應力的長期作用下會產生松弛，會引起預應力損失。溫差損失：先張法中的熱養護引起的溫差損失彈性壓縮損失：混凝土彈性壓縮，后張法中后拉束對先張拉束造成的壓縮變形而產生分批張拉損失等。1）錨具變形和鋼筋內縮引起的預應力損失l1 當為直線型預應力鋼筋時 式中 a張拉端錨具變形和預應力鋼筋回縮值； l張拉端至錨固端之間的距離。 減少此項損失的措施有： 合理選擇錨具和夾具，使錨具變形小或預應力回縮值小； 盡量減少墊塊的塊數； 增加臺座長度； 對直線預應力鋼筋可采用一端張拉的方法； 采用超張拉，可部分抵消錨固損失。2）預應力鋼筋與孔道壁之間摩擦引起的

19、預應力損失 l2 摩擦損失是指在后張法張拉鋼筋時，由于預應力筋與周圍接觸的混凝土或套管之間存在摩擦，引起預應力筋應力隨距張拉端距離的增加而逐漸減少的現象。對于該項損失可按下式計算：式中 k考慮孔道局部偏差對摩擦影響的系數： x張拉端至計算截面的孔道長度，可近似取該孔道在縱軸上的投影長度， 預應力鋼筋與孔道壁的摩擦系數， 從張拉端至計算截面曲線型孔道部分切線當 減少該項損失，可采取以下措施： 對較長的構件可在兩端進行張拉；采用超張拉，張拉程序可采用： 當第一次張拉至1.1con時，預應力鋼筋應力沿EHD分布，當張拉應力降至0.85con，由于鋼筋回縮受到孔道反向摩擦力的影響，預應力沿FGHD分布

20、，當再張拉至con時，鋼筋應力沿CFGHD分布，可見，超張拉鋼筋中的應力比一次張拉至con的應力分布均勻，預應力損失要小一些。 在接觸材料表面涂水溶性潤滑劑，以減小摩擦系數；提高施工質量，減少鋼筋位置偏差。3）混凝土加熱養護時，受張拉的鋼筋與承受拉力的設備之間溫差引起的損失 l3 為了縮短先張法構件的生產周期，混凝土常采用蒸汽養護辦法。升溫時，新澆的混凝土尚未結硬，預應力筋與臺座之間的溫差t使鋼筋受熱自由伸長，但兩端的臺座是固定不動的，即距離保持不變，于是鋼筋就松了，鋼筋的應力降低；降溫時，預應力鋼筋與混凝土已黏結成整體，加上兩者的溫度線膨脹系數相近，二者能夠同步回縮，放松鋼筋時因溫度上升鋼筋

21、伸長的部分已不能回縮，因而產生了溫差損失。僅先張法構件有該項損失。 l3=2t （N/mm2）減少此項損失的措施有： 采用二次升溫養護。先在常溫下養護至混凝土強度等級達到C7.5C10，再逐漸升溫至規定的養護溫度，這時可認為鋼筋與混凝土已結成整體，能夠一起脹縮而不引起預應力損失; 在鋼模上張拉預應力鋼筋。由于鋼模和構件一起加熱養護，升溫時兩者溫度相同，可不考慮此項損失。 4）鋼筋應力松弛引起的預應力損失l4 鋼筋的應力松弛是指鋼筋在高應力作用下及鋼筋長度不變條件下，其應力隨時間增長而降低的現象。 原因：鋼筋在高應力長期作用下具有隨時間增長產生塑性變形的性質。在鋼筋的應力保持不變的條件下，塑性變形隨時間增長而增長，這種現象稱為徐變。在長度保持不變的條件下，應力值隨時間增長而逐漸降低，這種現象稱為松弛。 鋼筋應力松弛有以下特點： 應力松弛與時間有關，開始快，以后慢； 應力松弛與鋼材品種有關。冷拉鋼筋、熱處理鋼筋的應力松弛損失比碳素鋼絲、冷拔低碳鋼絲、鋼絞線要小；