第十一章 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念及其材料

1、第十一章 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念及其材料第一節(jié) 預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理一、鋼筋砼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)二、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念三、加筋混凝土結(jié)構(gòu)的分類四、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)一、鋼筋砼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)需要帶裂縫工作，裂縫的存在，不僅使構(gòu)件剛度(rigidity)下降很多，而且不能應(yīng)用于不允許開裂的結(jié)構(gòu)中；在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，無法充分發(fā)揮高強(qiáng)度鋼筋作用及高標(biāo)號混凝土的作用；構(gòu)件跨徑(span)受到限制，當(dāng)跨徑較大時(shí)，構(gòu)件截面尺寸增加很大，使構(gòu)件的自重比例增大，造成材料不經(jīng)濟(jì)和使用不合理。二、預(yù)應(yīng)力混凝土的基本概念預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)(prestressed concrete structure)是指結(jié)構(gòu)在承受外荷

2、載以前，預(yù)先采用人為的方法，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成一種應(yīng)力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)在使用階段產(chǎn)生拉應(yīng)力的區(qū)域先受到壓應(yīng)力，這項(xiàng)壓應(yīng)力將與使用階段荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵銷一部分或全部，從而推遲裂縫的出現(xiàn)，限制裂縫的展開，提高結(jié)構(gòu)的剛度。 如圖所示簡支梁為例。圖11.1.1表示一純混凝土小梁，梁上受到15kNm的均布荷載作用（包括自重），已知混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值18.4MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.65MPa，試計(jì)算跨中截面的應(yīng)力。解：跨中彎矩：跨中截面應(yīng)力：上緣壓應(yīng)力：下緣拉應(yīng)力：從計(jì)算結(jié)果看出，下緣拉應(yīng)力（tension stress）已大大超過混凝土的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而上緣壓應(yīng)力卻還遠(yuǎn)未達(dá)到抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度。如果在梁的兩端

3、對中心軸加上一個(gè)集中力Np=600KN，梁的跨中截面應(yīng)力疊加后得：上緣應(yīng)力下緣應(yīng)力即下緣可以不出現(xiàn)拉應(yīng)力。采用精軋螺紋鋼筋作為預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行加壓，鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值540MPa，假定張拉的應(yīng)力為600×103/486×1061234.6mm2可采用420，g=12.72cm2。如將施加的集中力作用于中心軸下方e=50mm的位置，并將Np減小為300KN(此時(shí)只需用220的鋼筋加壓），則跨中截面應(yīng)力如下:在預(yù)加力作用下，仍按材料力學(xué)的偏心受壓公式計(jì)算上緣應(yīng)力=0下緣應(yīng)力5510MPa（壓應(yīng)力）所以在預(yù)加力和荷載共同作用下的跨中截面應(yīng)力為：上緣應(yīng)力10MPa（壓應(yīng)力）下緣應(yīng)力

4、10MPa10MPa.由于預(yù)先給混凝土梁施加了預(yù)壓力p，使混凝土梁在均布荷載作用下，下緣的拉應(yīng)力完全被預(yù)壓應(yīng)力所抵消，可以避免裂縫出現(xiàn)，混凝土梁始終全截面參加工作。 .必須針對荷載作用下可能產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)來施加預(yù)應(yīng)力。施加的預(yù)壓應(yīng)力p不僅與荷載(或者說彎矩)的大小有關(guān)，且與y的作用位置(即偏心距的大小)有關(guān)。在現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)中，通常把在使用荷載作用下，沿預(yù)應(yīng)力筋方向的正截面始終不出現(xiàn)拉應(yīng)力的預(yù)應(yīng)力混凝土，稱為“全預(yù)應(yīng)力混凝土”；把普通鋼筋混凝土稱為“非預(yù)應(yīng)力混凝土（non-prestressed structure）”；把介于鋼筋混凝土與全預(yù)應(yīng)力混凝土之間，預(yù)應(yīng)力程度不同的整個(gè)區(qū)間的預(yù)

5、應(yīng)力混凝土，稱為“部分預(yù)應(yīng)力混凝土(partially prestressed concrete structure)”。                                        

6、0;                      <top>三、加筋混凝土結(jié)構(gòu)的分類國內(nèi)通常把全預(yù)應(yīng)力混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)總稱為加筋混凝土結(jié)構(gòu)系列。（一）國將加筋混凝土按預(yù)加應(yīng)力的大小劃分為級、級、級、級分別為全預(yù)應(yīng)力、有限預(yù)應(yīng)力、部分預(yù)應(yīng)力、普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。（二）國內(nèi)加筋混凝土結(jié)構(gòu)的分類我國按預(yù)應(yīng)力度分成全預(yù)應(yīng)力混凝土、部分預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土等三

7、種結(jié)構(gòu)的分類方法。1.預(yù)應(yīng)力度（degree of prestress）的定義公橋規(guī)將預(yù)應(yīng)力度定義為對預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件預(yù)應(yīng)力度定義也可按下式計(jì)算：部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件：部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，1>l>0全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，l。鋼筋混凝土構(gòu)件：不加預(yù)應(yīng)力，即l=0。3.有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，是指沿預(yù)應(yīng)力鋼筋全長，其周圍均與混凝土粘結(jié)、握裹在一起的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。先張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)及預(yù)留孔道穿筋壓漿的后張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)均屬此類。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，是指預(yù)應(yīng)力鋼筋伸縮、滑動自由，不與周圍混凝土粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。一般是在預(yù)應(yīng)力鋼筋外面涂防腐油脂外包塑料套管防止鋼筋與

8、混凝土粘結(jié)、按后張法制作的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。                                               &

9、#160;                 <top>四、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)： （）提高了構(gòu)件的抗裂度和剛度。（）節(jié)約材料，降低造價(jià)。（）結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全可靠。（）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性（durability）。（）能促進(jìn)橋梁新體系的發(fā)展。2、缺點(diǎn)： （）工藝較復(fù)雜，對質(zhì)量要求高。（）需要有一定的專門設(shè)備。（）預(yù)應(yīng)力反拱不易控制。（）設(shè)計(jì)要求高。3、無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)自重輕。（2）施工簡便、速度快。（3

10、）抗腐蝕能力強(qiáng)。（4）使用性能良好。                                                

11、;                      <top>第二節(jié) 預(yù)加應(yīng)力方法一、先張法二、后張法三、預(yù)應(yīng)力鋼筋的傳遞與錨固長度四、預(yù)應(yīng)力錨固體系五、張拉千斤頂六、預(yù)加應(yīng)力的其他設(shè)備一、先張法(pretentioning method)： 如圖。 1、概念：先張法是先張拉鋼筋，后澆筑構(gòu)件混凝土的方法。先張法所用的預(yù)應(yīng)力鋼筋，一般可用高強(qiáng)鋼絲、直徑較小的鋼鉸線和小直徑的冷拉鋼筋。

12、2、優(yōu)點(diǎn)：先張法生產(chǎn)工藝簡單、工序少，效率高、質(zhì)量容易保證，適宜工廠化大批量生產(chǎn)。3、缺點(diǎn)：需要專門的張拉臺座，基建投資較大。先張法一般宜于生產(chǎn)直線配筋的中小型構(gòu)件。                                    &

13、#160;                           <top>二、后張法(posttensioning method)：如圖1、概念：在澆筑的混凝土中，按預(yù)應(yīng)力鋼筋的設(shè)計(jì)位置預(yù)留管道。待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將預(yù)應(yīng)力鋼筋穿入孔道，并利用構(gòu)件作為加力臺座進(jìn)行張拉鋼筋，在張拉鋼筋的同時(shí)，構(gòu)件混凝土受壓，鋼筋張拉完畢后，

14、用錨具（anchorage device）將鋼筋錨固在構(gòu)件的兩端。然后向預(yù)留管道內(nèi)壓注水泥漿，使鋼筋和混凝土粘結(jié)成整體以防止鋼筋銹蝕，并可增加構(gòu)件的剛度。后張法主要是靠錨具傳遞和保持預(yù)加應(yīng)力的。2、優(yōu)點(diǎn)：后張法不用加力臺座，張拉設(shè)備簡單，便于現(xiàn)場施工，是生產(chǎn)大型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的主要方法。預(yù)應(yīng)力鋼筋可按照設(shè)計(jì)要求，配合荷載的彎矩和剪力變化而布置成合理的曲線形。                    

15、0;                                                 <top&g

16、t;三、預(yù)應(yīng)力鋼筋的傳遞與錨固長度（一）先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件先張法預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的鋼筋兩端都不設(shè)置永久性錨具，而是通過鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力作用來達(dá)到錨固的要求。當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋放松后，由于在構(gòu)件端部外露的鋼筋拉應(yīng)力變?yōu)榱悖摻顒t朝構(gòu)件方向產(chǎn)生回縮，但鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力將阻止鋼筋內(nèi)縮，通過一定長度的粘結(jié)作用，鋼筋停止內(nèi)縮而保持有效的預(yù)應(yīng)力，在正常使用極限狀態(tài)下，從鋼筋應(yīng)力為零的端部到應(yīng)力為的這一長度，稱為預(yù)應(yīng)力的傳遞長度（圖）。同理，當(dāng)外荷載增加，承載能力達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，為了使鋼筋不致被拔出，鋼筋應(yīng)力從到零的這一段長度就稱為錨固長度。見圖（二）后張法

17、構(gòu)件有效預(yù)應(yīng)力沿構(gòu)件長度的分布后張法構(gòu)件中，摩擦損失在張拉端為零，然后逐漸增大，至錨固端達(dá)最大值；若為直線預(yù)應(yīng)力鋼筋，則其它各項(xiàng)損失值沿構(gòu)件長度方向不變。因此，預(yù)應(yīng)力鋼筋的有效應(yīng)力沿構(gòu)件長度方向的各截面是不同的，從而在混凝土中建立的有效預(yù)應(yīng)力也是變化的（張拉端最大，錨固端最小），其分布規(guī)律同摩擦損失。所以計(jì)算后張法構(gòu)件時(shí)，必須特別注意針對的是哪個(gè)截面。                    

18、60;                                                 

19、60; <top>四、預(yù)應(yīng)力錨固體系 1、概念：所謂預(yù)應(yīng)力錨固體系（亦稱張拉體系）主要指預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉和錨固方法，以及一些構(gòu)造和操作細(xì)節(jié)。 2、對錨具要求：（）錨具受力安全可靠；（）預(yù)應(yīng)力損失?。唬ǎ?gòu)造簡單，制作方便，用鋼量少，價(jià)格便宜；（）施工設(shè)備簡便，張拉錨固方便迅速。3、錨具形式（1）靠摩擦阻力錨固的錨具。（2）依靠承壓錨固的錨具。（3）先張法和后張法自錨構(gòu)件中的預(yù)應(yīng)力鋼筋是利用鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力進(jìn)行錨固的。4、幾種常用的錨具（一）錐形錨：如圖其工作原理是通過頂壓錐形的錨塞，將預(yù)應(yīng)力的鋼絲卡在錨圈與錨塞之間，當(dāng)張拉千斤頂（stressing jack）放松預(yù)應(yīng)力鋼絲

20、后，鋼絲向梁內(nèi)回縮時(shí)帶動錨塞向錨圈內(nèi)楔緊，這樣預(yù)應(yīng)力鋼絲通過摩阻力將預(yù)應(yīng)力傳到錨圈，然后由錨圈承壓，將預(yù)加力傳到混凝土構(gòu)件上。（二）鐓頭錨：如圖鐓頭錨的工作原理先將鋼絲逐一穿過錨杯的蜂窩眼，然后用專門的鐓頭機(jī)將鋼絲端頭鐓粗，借鐓粗頭直接承壓將鋼絲固定于錨杯上。錨杯的外圓車有螺紋，穿束后，在固定端將錨圈（螺帽）擰上，即可將鋼束錨固于梁端。在張拉端，則先將與千斤頂連接的拉桿旋入錨杯內(nèi)進(jìn)行張拉，待錨杯帶動鋼筋或鋼絲伸長到設(shè)計(jì)需要時(shí)，將錨圈沿錨杯外的螺紋旋緊頂在構(gòu)件表面，再慢慢放松千斤頂，退出拉桿，于是鋼絲束的回縮力就通過錨圈、墊板，傳到梁體混凝土上而獲得錨固。（三）鋼筋螺紋錨具當(dāng)采用高強(qiáng)粗鋼筋作為預(yù)

21、應(yīng)力筋束時(shí)，可采用螺紋錨具固定。即借粗鋼筋兩端的螺紋，在鋼筋張拉后直接擰上螺帽進(jìn)行錨固，鋼筋的回縮力由螺帽經(jīng)支承墊板承壓傳遞給梁體而獲得預(yù)應(yīng)力，如圖。（四）夾片錨具將預(yù)應(yīng)力筋用夾片楔緊在錐形錨孔中的錨具稱為夾片式錨具，適用于單根或多根預(yù)應(yīng)力束。（1）鋼絞線夾片錨夾片錨具的工作原理如圖所示。（2）XM型預(yù)應(yīng)力張拉錨固體系（3）扁型夾片錨具（4）固定端錨具a、擠壓式錨具：是一種固定錨具。利用壓頭機(jī)，將套在鋼絞線端頭上的軟鋼（一般為45號鋼）套筒，與鋼絞線一起，強(qiáng)行頂壓通過規(guī)定的模具孔擠壓而成（如圖11-9所示）。b、壓花錨具是用壓花機(jī)將鋼絞線端頭壓制成梨形花頭的一種粘結(jié)型錨具(如圖11-10)，張

22、拉前預(yù)先埋入構(gòu)件混凝土中。3）軋花錨具是一種固定錨具，利用混凝土對鋼絞線的握裹力將后張力傳至混凝土構(gòu)件。鋼絞線的末端利用壓花機(jī)壓成圓球形花，這些球形花以正方形或長方形排列，并用網(wǎng)格鋼筋固定位置。為了防止混凝土局部開裂，在鋼絞線從波紋管出來開始散開的位置，用螺旋鋼筋和約束環(huán)加強(qiáng)。軋花錨具的結(jié)構(gòu)見圖11-11所示。（5）連接器連接器有兩種：鋼絞線束錨固后，需要再連接鋼絞線束的，叫錨頭連接器；如圖所示。當(dāng)兩段未張拉的鋼絞線束、需直接接長時(shí)，則可采用接長連接器，如圖所示。XM型連接器示意圖如圖。         

23、                                                  

24、    <top>五、張拉千斤頂各種錨具都必須配置相應(yīng)的張拉設(shè)備，才能順利地進(jìn)行張拉、錨固。與夾片錨具配套的張拉設(shè)備，是一種大直徑的穿心單作用千斤頂，如圖。YDC型千斤頂外形，如圖。千斤頂在錨固時(shí)采用的頂壓器有液壓與彈性頂壓兩種。（1）液壓頂壓器采用多孔式多油缸并聯(lián)，頂壓器的每個(gè)穿心式頂壓活塞對準(zhǔn)錨具的一組夾片，鋼絞線由其穿心孔中穿過，每個(gè)活塞在頂壓時(shí)的壓力為25kN，采用同步頂壓。頂壓器的使用增加了錨固的可靠性，并減少了錨固損失。液壓頂壓器的外形，如圖所示。（2）彈性頂壓器采用橡膠制的筒形彈性元件，每個(gè)彈性元件對準(zhǔn)一組夾片，鋼絞線從筒形彈性元件的中孔

25、通過。張拉時(shí)，彈性頂壓器的殼體把彈性元件壓緊在一夾片上，由于彈性元件受夾片彈性壓縮，鋼絞線能正常拉出，張拉后利用鋼絞線的回縮將夾片帶動錨固。采用此法較為簡單，但鋼絞線的回縮值較采用液壓頂壓器要大。                                  

26、60;                                   <top>六、預(yù)加應(yīng)力的其他設(shè)備（一）制孔器預(yù)制后張法構(gòu)件時(shí)，需預(yù)先留好待混凝土結(jié)硬后筋束穿入的孔道。目前，國內(nèi)橋梁構(gòu)件預(yù)留孔道所用的制孔器主要有兩種：抽拔橡膠管與螺旋金屬

27、波紋管。（二）穿索機(jī)在橋梁懸臂施工和尺寸較大的構(gòu)件中，一般都采用后穿法穿束。對于大跨度橋梁有的筋束很長，人工穿束十分吃力，故采用穿索（束）機(jī)。穿索（束）機(jī)有兩種類型：一是液壓式；二是電動式，橋梁中多用前者。（三）灌孔水泥漿及壓漿機(jī)（四）張拉臺座                              

28、60;                                        <top>第三節(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的材料一、混凝土材料、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中常用混凝土強(qiáng)度等級要求我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)

29、構(gòu)采用的混凝土等級為C40、C50和C60。在先張法中， 混凝標(biāo)號不應(yīng)低于40號。當(dāng)采用碳素鋼絲、鋼鉸線、熱處理鋼筋作預(yù)應(yīng)力鋼筋時(shí)， 混凝土標(biāo)號不應(yīng)低于C40。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件對混凝土的要求如下：強(qiáng)度高。勻質(zhì)性好?？煊?、早強(qiáng)。收縮和徐變小，以減小預(yù)應(yīng)力損失。2、混凝土的收縮與徐變混凝土的收縮和徐變，使預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件縮短，因而引起預(yù)應(yīng)力鋼筋預(yù)應(yīng)力下降， 通常稱此為預(yù)應(yīng)力損失（loss of prestress）。（）混凝土的收縮混凝土的收縮包括兩部分：一部分為凝縮，系由水泥凝結(jié)硬化時(shí)所產(chǎn)生的收縮變形；另一部分為干縮，它是由于混凝土干硬出水后產(chǎn)生的收縮變形。（）混凝土的徐變混凝土在受力后立即產(chǎn)生的變形稱為急變（包括彈性變形（elasticde formation）和 一部分塑性變形（plasticde formation）。在應(yīng)力不變的情況下，隨時(shí)間增長的 塑性變形稱為徐變。 影響徐變的主要因素是應(yīng)力的大小和受荷時(shí)混凝土的齡期（age of concrete）。 當(dāng)應(yīng)力小于0.50.55fcd時(shí)，徐變變形