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第十一章 预应力混凝土的基本概念及其材料 第一节 预应力混凝土的基本原理 一，钢筋砼结构的缺点 二，预应力混凝土的基本概念 三，加筋混凝土结构的分类 四，预应力混凝土结构优缺点万能角钢
抽油机模型
一，钢筋砼结构的缺点 ①需要带裂缝工作，裂缝的存在，不仅使构件刚度(rigidity)下降很多，而且不能应用于不允许开 裂的结构中; ②在钢筋混凝土结构中，无法充分发挥高强度钢筋作用及高标号混凝土的作用; ③构件跨径(span)受到限制，当跨径较大时，构件截面尺寸增加很大，使构件的自重比例增大, 造成材料不经济和使用不合理. 二，预应力混凝土的基本概念 预应力混凝土结构(prestressed concrete structure)是指结构在承受外荷载以前, 预先采用人为的方 法，在结构内部形成一种应力状态，使结构在使用阶段产生拉应力的区域先受到压应力，这项压 应力将与使用阶段荷载产生的拉应力抵销一部分或全部，从而推迟裂缝的出现，限制裂缝的展开, 提高结构的刚度. 如图所示简支梁为例.
图 11.1.1a表示一纯混凝土小梁，梁上受到 15kN/m 的均布荷载作用(包括自重)，已知混凝 土的抗压强度
设计值 解：跨中弯矩: =18.4MPa，抗拉强度设计值 =1.65MPa，试计算跨中截面的应力.
跨中截面应力: 上缘压应力:
下缘拉应力:
从计算结果看出，下缘拉应力(tension stress)已大大超过混凝土的抗拉设计强度，而上缘压应 力却还远未达到抗压设计强度. 如果在梁的两端对中心轴加上一个集中力 Np=600KN，梁的跨中截面应力叠加后得: 上缘应力
下缘应力
即下缘可以不出现拉应力.采用精轧螺纹钢筋作为预应力钢筋进行加压，钢筋的抗拉强度标准 值 540MPa，假定张拉的应力为
=600×103/486×106=1234.6mm2 可采用 4Φ20,Ag=12.72cm2.如将施加的集中力作用于中心轴下方 e=50mm 的位置，并将 Np 减小为 300KN(此时只需用 220 的钢筋加压)，则跨中截面应力如下: 在预加力作用下，仍按材料力学的偏心受压公式计算
上缘应力
=0
下缘应力
5+5=10MPa(压应力)
所以在预加力和荷载共同作用下的跨中截面应力为:
上缘应力 下缘应力
= =10MPa-10MPa=0
=10MPa(压应力)
1.由于预先给混凝土梁施加了预压力Np，使混凝土梁在均布荷载q作用下，下缘的拉应力完 全被预压应力所抵消，可以避免裂缝出现，混凝土梁始终全截面参加工作. 2.必须针对荷载作用下可能产生的应力状态来施加预应力.施加的预压应力Np 不仅与荷载
清洗篮(或者说弯矩)的大小有关，且与Ny 的作用位置(即偏心距e的大小)有关. 在现代预应力混凝土结构学
中，通常把在使用荷载作用下，沿预应力筋方向的正截面始终不出 现拉应力的预应力混凝土，称为"
全预应力混凝土 全预应力混凝土"；把普通钢筋混凝土称为"非预应力混凝土 全预应力混凝土 非预应力混凝土 (non-prestressed structure)"；把介于钢筋混凝土与全预应力混凝土之间，预应力程度不同的整个 区间的预应力混凝土，称为"部分预应力混凝土(partially prestressed concrete structure)". <top> 三，加筋混凝土结构的分类 国内通常把全预应力混凝土，部分预应力混凝土和钢筋混凝土结构总称为加筋混凝土结构 加筋混凝土结构系列. 加筋混凝土结构 (一)国将加筋混凝土按预加应力的大小划分为Ⅰ级,Ⅱ级,Ⅲ级,Ⅳ级分别为全预应力，有限 预应力，部分预应力，普通钢筋混凝土结构. (二)国内加筋混凝土结构的分类 我国按预应力度分成全预应力混凝土, 部分预应力混凝土和钢筋混凝土等三种结构的分类方法. 1.预应力度(degree of prestress)的定义 《公桥规》将预应力度定义为
对预应力混凝土受弯构件预应力度定义也可按下式计算:
部分预应力混凝土构件：部分预应力混凝土构件,
1>λ>0
全预应力混凝土构件,λ≥1. 钢筋混凝土构件：不加预应力，即λ=0. 3.有粘结预应力与无粘结预应力 有粘结预应力，是指沿预应力钢筋全长，其周围均与混凝土粘结，握裹在一起的预应力混凝土 有粘结预应力 结构.先张预应力结构及预留孔道穿筋压浆的后张预应力结构均属此类. 无粘结预应力混凝土结构，是指预应力钢筋伸缩，滑动自由，不与周围混凝土粘结的预应力混 无粘结预应力 凝土结构.一般
是在预应力钢筋外面涂防腐油脂外包塑料套管防止钢筋与混凝土粘结，按后张法 制作的预应力混凝土结构. <top> 四，预应力混凝土结构优缺点 1，优点: (1)提高了构件的抗裂度和刚度. (2)节约材料，降低造价. (3)结构质量安全可靠. (4)增强结构耐久性(durability). (5)能促进桥梁新体系的发展. 2，缺点: (1)工艺较复杂，对质量要求高. (2)需要有一定的专门设备. (3)预应力反拱不易控制. (4)设计要求高.
3，无粘结预应力混凝土结构的优点: (1)结构自重轻. (2)施工简便，速度快. (3)抗腐蚀能力强. (4)使用性能良好. <top>
第二节 预加应力方法
一，先张法 二，后张法 三，预应力钢筋的传递与锚固长度 预应力钢筋的传递与锚固长度 四，预应力锚固体系 预应力锚固体系 五，张拉千斤顶 六，预加应力的其他设备
一，先张法(pretentioning method): 如图.
1，概念: 先张法是先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法.先张法所用的预应力钢筋，一般可用高强钢 先张法 丝，直径较小的钢铰线和小直径的冷拉钢筋. 2，优点: 先张法生产工艺简单，工序少，效率
高，质量容易保证，适宜工厂化大批量生产. 3，缺点: 需要专门的张拉台座，基建投资较大.先张法一般宜于生产直线配筋的中小型构件. <top> 二，后张法(posttensioning method): 如图
石棉密封垫
1，概念: 在浇筑的混凝土中，按预应力钢筋的设计位置预留管道.待混凝土达到设计强度后，将预应力 钢筋穿入孔道，并利用构件作为加力台座进行张拉钢筋，在张拉钢筋的同时，构件混凝土受压, 钢筋张拉完毕后，用锚具(anchorage device)将钢筋锚固在构件的两端.然后向预留管道内压注 水泥浆，使钢筋和混凝土粘结成整体以防止钢筋锈蚀，并可增加构件的刚度.后张法主要是靠锚 具传递和保持预加应力的. 2，优点: 后张法不用加力台座，张拉设备简单，便于现场施工，是生产大型预应力混凝土构件的主要方 法.预应力钢筋可按照设计要求，配合荷载的弯矩和剪力变化而布置成合理的曲线形.
<top> 三，预应力钢筋的传递与锚固长度 预应力钢筋的传递与锚固长度 (一)先张法预应力混凝土构件
先张法预应力混凝土构件的钢筋两端都不设置永久性锚具，而是通过钢筋与混凝土之间的粘结 力作用来达到锚固的要求. 当预应力筋放松后，由于在构件端部外露的钢筋拉应力变为零，钢筋则朝构件方向产生回缩, 但钢筋与混凝土间的粘结力将阻止钢筋内缩，通过一定长度的粘结作用，钢筋停止内缩而保持有 效的预应力 ，在正常使用极限状态下，从钢筋应力为零的端部到应力为 的这一长度 ，称
为预应力的传递长度(图 11.2.3).同理，当外荷载增加，承载能力达到极限状态时，预应力钢 筋的应力达到极限抗拉强度设计值 度 就称为锚固长度.见图 ，为了使钢筋不致被拔出，钢筋应力从 到零的这一段长去污剂
(二)后张法构件有效预应力沿构件长度的分布 后张法构件中，摩擦损失 在张拉端为零，然后逐渐增大，
至锚固端达最大值；若为直线预应
力钢筋，则其它各项损失值沿构件长度方向不变.因此，预应力钢筋的有效应力沿构件长度方向 的各截面是不同的，从而在混凝土中建立的有效预应力也是变化的(张拉端最大，锚固端最小), 其分布规律同摩擦损失.所以.计算后张法构件时，必须特别注意针对的是哪个截面.
<top> 四，预应力锚固体系 预应力锚固体系
1，概念: 所谓预应力锚固体系(亦称张拉体系)主要指预应力钢筋的张拉和锚固方法，以及一些构造和 操作细节. 2，对锚具要求: (1)锚具受力安全可靠; (2)预应力损失小; (3)构造简单，制作方便，用钢量少，价格便宜; (4)施工设备简便，张拉锚固方便迅速. 3，锚具形式 (1)靠摩擦阻力锚固的锚具. (2)依靠承压锚固的锚具. (3)先张法和后张法自锚构件中的预应力钢筋是利用钢筋与混凝土之间的粘结力进行
锚固的. 4，几种常用的锚具 (一)锥形锚：如图
其工作原理是通过顶压锥形的锚塞，将预应力的钢丝卡在锚圈与锚塞之间，当张拉千斤顶 (stressing jack)放松预应力钢丝后，钢丝向梁内回缩时带动锚塞向锚圈内楔紧，这样预应力钢丝 通过摩阻力将预应力传到锚圈，然后由锚圈承压，将预加力传到混凝土构件上.
(二)镦头锚：如图
炭化镦头锚的工作原理先将钢丝逐一穿过锚杯的蜂窝眼，然后用专门的镦头机将钢丝端头镦粗，借 镦粗头直接承压将钢丝固定于锚杯上.锚杯的外圆车有螺纹，穿束后，在固定端将锚圈(螺帽) 拧上，即可将钢束锚固于梁端.在张拉端，则先将与千斤顶连接的拉杆旋入锚杯内进行张拉，待 锚杯带动钢筋或钢丝伸长到设计需要时，将锚圈沿锚杯外的螺纹旋紧顶在构件表面，再慢慢放松 千斤顶，退出拉杆，于是钢丝束的回缩力就通过锚圈，垫板，传到梁体混凝土上而获得锚固. (三)钢筋螺纹锚具 当采用高强粗钢筋作为预应力筋束时，可采用螺纹锚具固定.即借粗钢筋两端的螺纹，在钢筋 张拉后直接拧上螺帽进行锚固，钢筋的回缩力由螺帽经支承垫板承压传递给梁体而获得预应力, 如图.
(四)夹片锚具 将预应力筋用夹片楔紧在锥形锚孔中的锚具称为夹片式锚具，适用于单根或多根预应力束. (1)钢绞线夹片锚 夹片锚具的工作原理如图所示.
(2)XM 型预应力张拉锚固体系 (3)扁型夹片锚具 (4)固定端锚具 a，挤压式锚具: 是一种固定锚具.利用压头机，将套在钢绞线端头上的软钢(一般为 45 号钢)套筒，与钢绞线 一起，强行顶压通过规定的模具孔挤压而成(如图 11-9 所示).
b，压花锚具 是用压花机将钢绞线端头压制成梨形花头的一种粘结型锚具(如图 11-10)，张拉前预先埋入构件 混凝土中. 3)轧花锚具
是一种固定锚具，利用混凝土对钢绞线的握裹力将后张力传至混凝土构件.钢绞线的末端利用 压花机
压成圆球形花，这些球形花以正方形或长方形排列，并用网格钢筋固定位置.为了防止混 凝土局部开裂，在钢绞线从波纹管出来开始散开的位置，用螺旋钢筋和约束环加强.轧花锚具的 结构见图 11-11 所示.
(5)连接器 连接器有两种：钢绞线束锚固后，需要再连接钢绞线束的，叫锚头连接器；如图所示.当两段未 张拉的钢绞线束，需直接接长时，则可采用接长连接器，如图所示.
XM 型连接器示意图如图.
<top>
五，张拉千斤顶 各种锚具都必须配置相应的张拉设备，才能顺利地进行张拉，锚固.与夹片锚具配套的张拉设 备，是一种大直径的穿心单作用千斤顶，如图.YDC 型千斤顶外形，如图.
千斤顶在锚固时采用的顶压器有液压与弹性顶压两种. (1)液压顶压器采用多孔式多油缸并联，顶压器的每个穿心
式顶压活塞对准锚具的一组夹片，钢 绞线由其穿心孔中穿过，每个活塞在顶压时的压力为 25kN，采用同步顶压.顶压器的使用增加了 锚固的可靠性，并减少了锚固损失.液压顶压器的外形，如图所示.
(2)弹性顶压器采用橡胶制的筒形弹性元件，每个弹性元件对准一组夹片，钢绞线从筒形弹性 元件的中孔通过.张拉时，弹性顶压器的壳体把弹性元件压紧在一夹片上，由于弹性元件受夹片 弹性压缩，钢绞线能正常拉出，张拉后利用钢绞线的回缩将夹片带动锚固.采用此法较为简单, 但钢绞线的回缩值较采用液压顶压器要大. <top> 六，预加应力的其他设备 (一)制孔器 预制后张法构件时，需预先留好待混凝土结硬后筋束穿入的孔道.目前，国内桥梁构件预留孔
道所用的制孔器主要有两种：抽拔橡胶管与螺旋金属波纹管. (二)穿索机 在桥梁悬臂施工和尺寸较大的构件中，一般都采用后穿法穿束.对于大跨度桥梁有的筋束很长, 人工穿束十分吃力，故采用穿索(束)机. 穿索(束)机有两种类型：一是液压式；二是电动式，桥梁中多用前者. (三)灌孔水泥浆及压浆机 (四)张拉台座 <top>
第三节预应力混凝土结构的材料
一，混凝土材料 1，预应力混凝土结构中常用混凝土强度等级要求 我国预应力混凝土结构采用的混凝土等级为 C40,C50 和 C60.在先张法中, 混凝标号不应低于 40 号.当采用碳素钢丝，钢铰线，热处理钢筋作预应力钢筋时, 混凝土标号不应低于 C40. 预应力钢筋混凝土结构构件对混凝土的要求如下: ①强度高. ②匀质性好. ③快硬，早强. ④收缩和徐变小，以减小预应力损失.
2，混凝土的收缩与徐变 混凝土的收缩和徐变，使预应力混凝土构件缩短，因而引起预应力钢筋预应
力下降, 通常称此为预应力损失 预应力损失(loss of prestress). 预应力损失 (1)混凝土的收缩 混凝土的收缩包括两部分：一部分为凝缩，系由水泥凝结硬化时所产生的收缩变形；另一部分 为干缩, 它是由于混凝土干硬出水后产生的收缩变形. (2)混凝土的徐变 混凝土在受力后立即产生的变形称为急变 急变(包括弹性变形(elasticde formation)和 急变 一部分塑性变形(plasticde formation)).在应力不变的情况下，随时间增长的 塑性变形称为徐变 徐变. 徐变 影响徐变的主要因素是应力的大小和受荷时混凝土的龄期(age of concrete). 当应力小于 0.5～0.55fcd 时，徐变变形与应力成正比，为线性徐变，徐变曲线逐渐收敛, 渐近线与横坐标平行(见图).但当混凝土应力大于 0.55fcd 时，徐变变形与应力不成正比, 为非线性徐变. 二，预应力钢材 1，预应力钢筋的基本要求 (1)强度高; (2)有较好的塑性(plasticity)和可焊性(wdldability) (3)与混凝土的粘着力强. 2，常用预应力钢筋的种类
(
1)高强钢丝 ①矫直回火钢丝 ②刻痕钢丝 ③低松弛钢丝 (2)钢绞线；钢绞线形状如图 11-17 所示,
三，预应力钢材的特性 1，应力松弛(stress relaxation) 在持续高应力下，钢的应变在常温下随时间而增加的现象称之为蠕变(又称徐变 徐变). 徐变 如受力后长度保持不变，钢的应力随时间增长而降低的现象称为松弛(又叫徐舒 松弛( 徐舒). 松弛 徐舒 2，克服应力松弛的办法: (1)对钢筋进行超张拉. (2)采用低松弛钢丝或钢绞线 3，应力腐蚀(stress corrosion)
第四节 预应力混凝土结构的设备
1. 预应力锚具系列 预应力张拉机具系列
工程橡胶支座及伸缩缝系列 缆索系列
第十一章 预应力混凝土的基本概念及其材料 思 考 区
11—1 何谓预应力混凝土?与普通钢筋混凝土构件相比.预应力混凝土构件有何优缺点. 11—2 为什么预应力混凝土构件必须采用高强钢材，且应尽可能采用高强度等级的混凝土? 11—3 预应力混凝土分为哪几类?各有何特点? 11—4 施加预应力的方法有哪几种?先张法和后张法的区别何在?试简述它们的优缺点及应用范围. 11—5 什么是预应力钢筋的预应力传递长度? 11—6 什么是预应力度?我国的工程中的按预应力度的概念对加筋混凝土是如何分类的? 11—7 预应力混凝土结构有哪些优点和缺点? 11—8 什么是无粘结预应力混凝土?无粘结预应力混凝土结构有哪些优点? 11—9 预应力混凝土结构对锚具有哪些要求?在设计，制造或选择锚具时，应注意什么? 11—10 按锚具的受力原理可以把锚具划分为哪几类? 11—11 孔道压浆的目的是什么?在施工中为了保证施工的质量，孔道压浆时应该注意哪些问题?
11—12 预应力混凝土结构构件对混凝土材料有哪些要求?混凝土的收缩和徐变对结构有哪些影响?在设计 计算时应该怎样的考虑? 11—13 在预应力混凝土结构中的对预应力钢筋有哪些要求?工程中常用的
预应力钢筋有哪些? 11—14 在预应力混凝土结构中非预应力钢筋有哪些作用? 11—15 预应力钢材有哪些特性?什么是徐变和松弛?克服钢材应力的松弛有哪些方法?
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