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西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院 楊 勇 2009-12-15,第10章 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件性能與設(shè)計,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識;（掌握） 10.2 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計一般規(guī)定；（熟悉） 10.3 預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件應(yīng)力分析；（熟悉） 10.4 預(yù)應(yīng)力混凝土軸心受拉構(gòu)件計算驗算；（掌握） 10.5 預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件的設(shè)計計算；（自學(xué)） 10.6 預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求；（了解） 10.7 公路橋涵預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計。（自學(xué)） 參考資料 杜拱辰.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu) .北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000 李國平.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理.北京：人民交通出版社，2000 薛偉辰. 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003 宋玉普.新型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005,本章主要內(nèi)容,緣起-why?,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)需要滿足三種性能狀態(tài)要求 安全性承載能力（Mu 、Vu、 Nu、 Tu ） 適用性正常使用極限狀態(tài)下的裂縫與變形 耐久性裂縫和鋼筋銹蝕 大跨建筑結(jié)構(gòu)和大跨橋梁結(jié)構(gòu)對混凝土結(jié)構(gòu)提出更高要求 構(gòu)件承載能力可以通過提高材料強(qiáng)度得到提高和保證 減小裂縫與變形在實際工程中的常用措施均具有局限性,10.1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的一般概念,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,增加鋼筋配筋量As，不經(jīng)濟(jì)； 增加截面尺寸bh，增加自重，不利大跨、抗震結(jié)構(gòu)、不經(jīng)濟(jì)； 采用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土，也不能明顯減小裂縫與變形。 混凝土強(qiáng)度fc提高，ft提高不明顯，抗裂度提高不明顯； 鋼筋強(qiáng)度fy提高，彈性模量Es2105MPa，剛度不提高； 鋼筋強(qiáng)度提高，鋼筋應(yīng)力sk提高，裂縫與變形加大。,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,混凝土結(jié)構(gòu)的“兩朵烏云” ：裂縫和變形,裂縫與變形限制了混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用和發(fā)展，以下情況不適用： 不允許出現(xiàn)裂縫的結(jié)構(gòu)：水池、儲罐等； 高腐蝕環(huán)境的結(jié)構(gòu)：海洋工程、跨海大橋等。 大跨結(jié)構(gòu)：大跨橋梁、大跨建筑等； 高強(qiáng)材料：高強(qiáng)鋼筋、高強(qiáng)混凝土、FRP等。 因此，為發(fā)揮和利用混凝土結(jié)構(gòu)取材方便、整體性好、可模性強(qiáng)、造價低廉等優(yōu)點(diǎn)，必須解決裂縫和變形問題。,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,預(yù)應(yīng)力技術(shù)是改善混凝土裂縫和變形最有效措施,預(yù)應(yīng)力技術(shù)源于生活實踐一些生活用具中得出以下經(jīng)驗： 在生活用具零構(gòu)件間引入足夠的緊壓力，緊壓力超過可能發(fā)生的張拉力可以維持用具原型與功能。減小裂縫。,在生活用具零構(gòu)件間引入足夠張拉力，張拉力超過可能發(fā)生外荷載可以維持用具原型與功能提高剛度、減小變形。,5,預(yù)應(yīng)力混凝土基本思想在混凝土構(gòu)件承受外荷載前，對混凝土受拉區(qū)預(yù)先施加壓應(yīng)力，以改善構(gòu)件抗裂性能，Prestressed Concrete，簡稱PC。（普通混凝土RC）,預(yù)應(yīng)力大,預(yù)應(yīng)力中,預(yù)應(yīng)力小,（a）正常使用狀態(tài)下RC軸拉構(gòu)件應(yīng)力,+,不開裂,較大拉力開裂,例1：軸拉構(gòu)件,普通鋼筋混凝土（ RC ）,預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土（ PC ）,預(yù)應(yīng)力施加完混凝土受壓,構(gòu)件承受荷載混凝土由壓到拉,粘結(jié)錨固,外加錨固,因此，預(yù)應(yīng)力可以有效避免開裂或提高開裂荷載。,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,預(yù)應(yīng)力可以避免或延緩構(gòu)件開裂從而使構(gòu)件在正常使用荷載下不裂縫或開裂荷載較大（在同樣荷載下寬度較小）； 提高剛度、減小變形由于裂縫不開展或在較大荷載下開展，在正常使用荷載下構(gòu)件剛度提高，構(gòu)件變形減小。,=,預(yù)應(yīng)力大,預(yù)應(yīng)力中,預(yù)應(yīng)力小,（a）正常使用狀態(tài)下RC受彎構(gòu)件應(yīng)力,（b）正常使用狀態(tài)下PC受彎構(gòu)件應(yīng)力,+,不開裂,較大荷載開裂,例2：受彎構(gòu)件（直線預(yù)應(yīng)力筋）,q,q,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,在本例中，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生等效荷載，等效荷載可抵消外加荷載作用q，在理想狀態(tài)下，受彎構(gòu)件變?yōu)槭軌簶?gòu)件，裂縫和變形問題得到解決。 因此，預(yù)應(yīng)力相當(dāng)于產(chǎn)生一個內(nèi)在等效荷載，該等效荷載可以抵抗外加荷載，從而有效解決裂縫和變形問題。,（a）正常使用狀態(tài)下RC受彎構(gòu)件應(yīng)力,（b）正常使用狀態(tài)下PC受彎構(gòu)件應(yīng)力,例3：受彎構(gòu)件（曲線預(yù)應(yīng)力筋）,q,q,f,ACI（American Concrete Institute）“預(yù)應(yīng)力混凝土是根據(jù)需要人為地引入某一數(shù)值與分布的內(nèi)應(yīng)力，用以全部或部分抵消外荷載應(yīng)力的一種加筋混凝土”。,各種情況下預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的等效荷載,預(yù)應(yīng)力混凝土實質(zhì)預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生等效荷載，平衡外加荷載 預(yù)應(yīng)力對構(gòu)件產(chǎn)生等效荷載，而且該等效荷載可以調(diào)整、設(shè)計； 等效荷載可以部分或全部抵銷外加使用荷載效應(yīng)，減小裂縫與變形。,10.1.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)混凝土的特點(diǎn),預(yù)應(yīng)力混凝土是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的一場新革命。 與RC相比，預(yù)應(yīng)力混凝土具有以下優(yōu)點(diǎn)： 提高了構(gòu)件抗裂能力避免或減小裂縫、提高抗裂度 增大構(gòu)件剛度、減小構(gòu)件變形 不開裂或裂縫很小構(gòu)件基本處于彈性階段，剛度較大； 預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生等效荷載，抵消外荷載，減小變形。 充分利用高強(qiáng)度材料裂縫和變形問題得到解決，高強(qiáng)混凝土和高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)度充分發(fā)揮，構(gòu)件截面變小、自重小，經(jīng)濟(jì)合理； 擴(kuò)大混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍 改善抗裂性能可用于防滲、防水及耐久性要求高的構(gòu)件； 改善抗裂性能連續(xù)梁橋梁（鋼筋混凝土連續(xù)梁、連續(xù)組合梁） 高強(qiáng)材料應(yīng)用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、變形小，適用大跨、重載結(jié)構(gòu)； 缺點(diǎn)施工工序多、施工技術(shù)高，需要張拉設(shè)備、錨具等。 RC和PC各有應(yīng)用范圍、均有生命力。 RC結(jié)構(gòu)施工方便、造價較低、允許帶裂縫工作； PC結(jié)構(gòu)RC“力不能及”的情況（大跨、重載結(jié)構(gòu)）。,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,10,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,10.1.3 預(yù)應(yīng)力混凝土的分類,1. 按制作、施工工藝劃分先張法、后張法 先張法概念在混凝土澆筑前對鋼筋施加預(yù)應(yīng)力。 將預(yù)應(yīng)力筋用錨具臨時固定在臺座或鋼模上，待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度（一般不低于75%設(shè)計強(qiáng)度），放松預(yù)應(yīng)力筋，使混凝土在預(yù)應(yīng)力作用下，構(gòu)件受拉區(qū)混凝土承受預(yù)壓應(yīng)力。 先張法施工工序：張拉固定鋼筋澆混凝土養(yǎng)護(hù)混凝土(至75%設(shè)計強(qiáng)度)放張鋼筋 運(yùn)輸安裝。 先張法特點(diǎn)： 臨時錨具，通過粘結(jié)作用保持預(yù)應(yīng)力； 需要臺座，一般多采用預(yù)制構(gòu)件； 預(yù)制構(gòu)件整體性差（抗震性能差）。 先張法適用范圍：構(gòu)件廠生產(chǎn)中、小型構(gòu)件（樓板、屋面板、吊車梁、橋面板等）大型構(gòu)件運(yùn)輸難；,后張法概念在混凝土澆筑后對鋼筋施加預(yù)應(yīng)力。 先制作混凝土構(gòu)件，并在預(yù)應(yīng)力筋的位置預(yù)留出相應(yīng)孔道（波紋管），待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計規(guī)定的數(shù)值后，穿入預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，并利用錨具把預(yù)應(yīng)力筋錨固，最后進(jìn)行孔道灌漿。 后張法施工工序：澆筑混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件(留孔)養(yǎng)護(hù)拆模(達(dá)75%強(qiáng)度后)穿筋張拉固定孔道灌漿(漿達(dá)15N/mm2,混凝土達(dá)100%后) 受荷、移動、吊裝。 后張法特點(diǎn)： 不需臺座，可現(xiàn)場預(yù)制大型構(gòu)件； 工序多、工藝復(fù)雜，錨具不能重復(fù)利用； 灌漿是關(guān)鍵問題穿筋困難；灌漿不密實、鋼筋銹蝕； 總體而言，后張法比先張法用的更多。 適用范圍：大構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場施工。,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,2. 按預(yù)應(yīng)力程度劃分全部預(yù)應(yīng)力、部分預(yù)應(yīng)力 全部預(yù)應(yīng)力在使用荷載作用下，構(gòu)件截面混凝土不出現(xiàn)拉應(yīng)力，為全截面受壓； 部分預(yù)應(yīng)力在使用荷載作用下，構(gòu)件截面混凝土允許出現(xiàn)拉應(yīng)力或開裂，只有部分截面受壓。 A類：在使用荷載作用下，構(gòu)件截面拉應(yīng)力不超過容許值； B類：在使用荷載作用下，構(gòu)件截面裂縫寬度不超過容許值。,=,預(yù)應(yīng) 力大,預(yù)應(yīng) 力中,預(yù)應(yīng) 力小,（b）正常使用狀態(tài)下PC受彎構(gòu)件應(yīng)力,+,不開裂,晚開裂,q,全預(yù)應(yīng)力,部分預(yù)應(yīng)力,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,3. 按預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)程度劃分 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力沿預(yù)應(yīng)力筋全長與混凝土粘結(jié)，先張法預(yù)應(yīng)力筋、后張法中孔道灌漿預(yù)應(yīng)力混凝土； 特點(diǎn)：后張法孔道灌漿不易密實、預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕、構(gòu)件斷裂 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力沿預(yù)應(yīng)力筋全長與混凝土不粘結(jié)，預(yù)應(yīng)力筋伸縮、滑動自由。 特點(diǎn)：無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋表面防銹、外套塑料管、與砼無粘結(jié)； 優(yōu)點(diǎn)：施工方便（后張法使用不留孔道）、曲線更有優(yōu)勢； 缺點(diǎn)：與有粘結(jié)相比裂縫少而寬、強(qiáng)度稍低、脆性破壞； 措施：部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力（有粘結(jié)和無粘結(jié)搭配）。 緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力表面有緩凝膠，后張法施工張拉時不膠不硬化（無粘結(jié)），張拉完后再硬化（有粘結(jié)）。 特點(diǎn)：綜合有粘結(jié)和無粘結(jié)優(yōu)點(diǎn)、施工方便、受力合理。 關(guān)鍵：緩粘結(jié)劑的緩粘結(jié)時間張拉時不硬化、張拉后硬化,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,15,無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土筋,4. 按預(yù)應(yīng)力筋線型劃分 線預(yù)加應(yīng)力預(yù)應(yīng)力筋是直線、折線或曲線； 環(huán)預(yù)加應(yīng)力將預(yù)應(yīng)力用于環(huán)形結(jié)構(gòu)：圓形池罐等。,球形水池,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,5. 按預(yù)應(yīng)力筋位置劃分 體內(nèi)預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力筋在構(gòu)件內(nèi)部； 體外預(yù)應(yīng)力預(yù)應(yīng)力筋（索）在構(gòu)件外部，新建和加固工程,6. 按預(yù)應(yīng)力張拉方法劃分 機(jī)械張拉穿心千斤頂。 電熱張拉通電加熱張拉。 預(yù)起拱方法澆注砼前用千斤頂預(yù)起拱，澆筑后釋放。,體外預(yù)應(yīng)力橋梁,預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場張拉,穿心千斤頂,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,7. 按制作場所劃分 現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土大型和重型構(gòu)件； 預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土工廠或工地預(yù)制，運(yùn)輸?shù)跹b； 整體性差、抗震性能差汶川地震。 組合式預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制和現(xiàn)澆結(jié)合。 裝配整體式預(yù)制板作模板，再現(xiàn)澆混凝土； 疊合板可用于新建或加固工程。,疊合板,SP空心板,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,10.1.4 預(yù)應(yīng)力混凝土的材料,鋼筋預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋。 非預(yù)應(yīng)力筋選用原則與普通混凝土中鋼筋相同：HRB335、HRB400和RRB400； 預(yù)應(yīng)力筋施加預(yù)應(yīng)力的鋼筋、高強(qiáng)高耐久性。 必須具有很高強(qiáng)度：提供高預(yù)應(yīng)力、還要有應(yīng)力富余以承受外加荷載；由于早期預(yù)應(yīng)力筋未用高強(qiáng)鋼筋，結(jié)果失敗； 具有一定塑性、良好可焊性； 先張法和孔道灌漿后張法中要求有足夠粘結(jié)力。 一般常用：鋼絞線、消除應(yīng)力鋼絲、熱處理鋼筋。 混凝土宜采用高強(qiáng)混凝土。 高強(qiáng)度足夠承受預(yù)壓力； 高彈模彈性變形和徐變變形小、減小預(yù)應(yīng)力損失； 高粘結(jié)力有利先張法； 高強(qiáng)混凝土、高強(qiáng)鋼筋匹配使用截面尺寸小、經(jīng)濟(jì)性好。 砼規(guī)范C30，采用鋼絞線、鋼絲、熱處理鋼筋C40。 FRP高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久性好、疲勞性能好。,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,10.1.5 預(yù)應(yīng)力混凝土的錨具,10.1 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本知識,20,錨具錨固預(yù)應(yīng)力筋的裝置，是構(gòu)件中建立有效預(yù)應(yīng)力關(guān)鍵元件。 先張法：錨具可以重復(fù)使用，亦稱夾具或工作錨具； 后張法：預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)應(yīng)力由錨具保持，錨具是構(gòu)件組成部分，不能重復(fù)使用； 根據(jù)錨具構(gòu)造形式和錨固原理，分為三種基本類型： 錨塊錨塞型由錨塊和錨塞組成，可用于固定端和張拉端 螺桿螺帽型采用螺桿和螺帽固定預(yù)應(yīng)力筋。常用于后張法構(gòu)件張拉端，也可用于固定端； 墩頭型預(yù)應(yīng)力筋端部墩粗，用錨板固定，用于張拉端和固定端 錨具要求安全可靠、使用有效、制作簡單、操作方便,本節(jié)小結(jié),預(yù)應(yīng)力混凝土產(chǎn)生原因裂縫與變形 預(yù)應(yīng)力混凝土作用原理預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生等效荷載抵抗外加荷載 預(yù)應(yīng)力混凝土特點(diǎn)混凝土結(jié)構(gòu)的一場新革命！ 預(yù)應(yīng)力混凝土分類 按制作施工方法先張法、后張法 按預(yù)應(yīng)力程度全部預(yù)應(yīng)力、部分預(yù)應(yīng)力 按預(yù)應(yīng)力筋與混凝土粘結(jié)有粘結(jié)、無粘結(jié)、部分粘結(jié)、緩粘結(jié) 按預(yù)加應(yīng)力筋線型線型、環(huán)形 按預(yù)應(yīng)力筋位置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力、體外預(yù)應(yīng)力 按預(yù)應(yīng)力張拉方法機(jī)械張拉、電熱張拉、起拱、砼澆筑順序 按構(gòu)件制作場所現(xiàn)澆、預(yù)制、組合式 預(yù)應(yīng)力混凝土材料高強(qiáng)材料：預(yù)應(yīng)力筋、混凝土。 預(yù)應(yīng)力混凝土錨具錨塊錨塞型、螺桿螺絲型、墩頭型。 作業(yè)思考題10.110.4。