预应力混凝土工程

1945年英国工程师阿勃雷斯兴建伦敦电气化 铁路几座跨线桥时,由于桥下净空所限,为降 低梁高,提出了允许混凝土使用状态下出现一 定限度的拉应力,即“部分预应力混凝土”概 念。
按照使用荷载下对截面拉应力控制要求的不同，预应力 混凝土结构构件可分为三种： ①全预应力混凝土 全预应力混全凝土是指在各种荷载组合下构件截面上 均不允许出现拉应力的预应力混凝土构件。大致相当于 裂缝控制等级为一级的构件。 ②有限预应力混凝土 有限预应力混凝土是按在短期荷载作用下，容许混 凝土承受某一规定拉应力值，但在长期荷载作用下，混 凝土不得受拉的要求设计。相当于裂缝控制等级为二级 的构件。 ③部分预应力混凝土 部分预应力混凝土是按在使用荷载作用下，容许出 现裂缝，但最大裂宽不超过允许值的要求设计。相当于 裂缝控制等级为三级的构件。

预应力混凝土框架结构
挠度
裂缝 预应力
承载能力
跨度≥15m
正截面裂缝控制验算
一级——严格要求不出现裂缝的构件
ck pc 0
二级—— 一般要求不出现裂缝的构件
ck pc f tk cq pc 0
三级——允许出现裂缝的构件
wmax wlim
1－张拉端试验锚具或夹具；2－加载用千斤顶；3 －承力台座；4－预应力筋；5－测量总应变的量 具；6－荷载传感器；7－固定端试验锚具或夹具
预应力张拉台座

预应力张拉设备
电动张拉机 ——按传动方式可分为：电动螺杆张拉机 和电动卷筒张拉机。
电动螺杆张拉机图 1一电动机；2一皮带；3一齿轮；4一齿轮螺母；5一螺杆；6一顶杆；7一台座横梁； 8一钢丝；9一锚固夹具；10一张拉夹具；11一弹簧测力计；12一滑动架
先张法－制作预应力构件时，在浇灌混凝土之前张拉 预应力钢筋的方法，称为先张法。
先张法施工工序：
（1） 固定台座，安装预应力筋； （2） 用千斤顶张拉钢筋，用夹具将预应力筋固定; （3） 浇筑混凝土、ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ护； （4） 混凝土达到一定强度（75%以上设计强度）切断钢筋。
后张法---在制作预应力构件时，先浇灌混凝土，在混 凝土构件达到规定强度后再张拉预应力钢筋的方法称为 后张法。
7孔夹片锚具图

HVM固定端——P型挤压锚及GYJ挤压机
挤压锚锚具
挤压锚具是用液压挤压机将套筒挤紧在钢绞线端头上的一种锚具。
套筒采用45号钢（调质），套筒内衬有硬钢 丝螺旋圈。 挤压锚具组装时，挤压机的活塞杆推动套筒 通过喇叭形挤压模，使套筒变细，硬钢丝衬圈 碎断，一半嵌入外钢套，一半压入钢绞线，从 而增加钢套简与钢绞线之间的摩阻力，形成挤 压头。挤压后预应力筋外端应露出挤压套筒1～ 5mm。 宜用于内埋式固定端。
施加预应力的方法 锚具和夹具
*夹具：主要依靠摩擦力来夹 住钢筋，它不留在构件上，剪 断预应力筋后夹具的作用即消 失。
*锚具：永久地留在构件上， 如锚具失效构件中可能导致预 应力消失。
梳子板夹具
螺丝端杆锚具
螺丝端杆锚具
镦头锚具 镦头锚具利用钢丝两端的镦粗头来锚固预应力钢丝。 常用镦头锚具：锚杯与螺母(张拉端用)、锚板(固定 端用)。 加工简单，锚具材料采用45号钢，张拉方便，锚固可 靠，成本较低，但对钢丝束的等长要求较严。 调质热处理。 钢丝镦头，可采用液压冷镦器。 镦头要求：镦头尺寸要足，头型圆整，不偏歪，颈部 母材不受损伤，钢丝的镦头强度不得低于钢丝强度标 准值的98％。
钢丝束镦头锚具图 (a)张拉端锚环与螺母；(b)固定端锚板 1一螺母；2一锚杯；3一锚板；4一排气孔；5一钢丝 钢丝镦头图 (a)液压冷镦器；(b)头型 1一冷镦器；2一钢丝；3一镦头
LD-10（20）型镦头器
锥形锚具
用于锚固多根平行钢丝束或钢绞线束
夹片式锚具
预应力靠摩擦力将预拉力传给 夹片，夹片依靠其斜面上的承 压力传锚环，再由锚环依靠承 压力传给构件。
(a)挤压锚具；(b)成型工艺 1一挤压套筒；2一垫板；3一螺旋筋；4一钢绞线; 5一硬钢丝衬圈；6一挤压机机架；7一活塞杆；8一挤压模

HVM锚具总成

HVM固定端——H型压花锚、约束环及YH3压花机
扁锚
扁锚锚板、夹片
扁锚张拉端部组装件
钢绞线连接件
群锚连接器
单根钢绞线连接器
钢绞线连接件
预应力混凝土工程 Prestressed Concrete Engineering
1928年法国杰出的土木工程师E.Freyssnet弗列西奈 “发明了”预应力混凝土。
钢筋混凝土受拉与受弯等构件，由于混凝土抗 拉强度及极限拉应变值都很低，所以在使用荷载 作用下，通常是带裂缝工作的。因而对使用上不 允许开裂的构件，不能充分利用受拉钢筋的强度。 为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构 件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使 钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结 构成为不可能或很不经济。 钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能发挥 其作用的 。而提高混凝土强度等级对提高构件 的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也不大。

2）锚固性能试验 试件应由锚具的全部零件和预应力钢材组成，锚具各零件应合格 。 组装时不得在锚固零件上添加影响锚固性能的物质。
各根预应力钢材应等长平行，其受力长度不应小于3m。 试验工作应在无粘结状态下将试件置于专门的试验台上进行。 试验时先用张拉设备分四级（每级20％）等速(每分钟约100MPa)张拉至 预应力钢材强度标准值的80％，锚固持荷1h后，再用试验设备逐步加载至 破坏。对支承式锚具，也可先安装锚具，直接用试验设备加载。 试验过程中应观察和测量： 预应力钢材与锚具之间以及锚 具各零件之间的相对位移；预 应力筋破坏时的伸长和荷载以 及破坏部位和形态等。 全部（一组为3束）试验结果 均应做出记录，并据此计算锚 具的效率系数η a和预应力筋极 限应变ε apu。
④提高了结构或构件的耐久性、耐疲劳性和抗震能力。
预应力混凝土结构的缺点是需要增设施加预应力的设备， 制作技术要求较高，施工周期较长。



第一种概念：预加应力是为了把混凝土 变成弹性材料 材料力学的理论公式来计算混凝土的应力 两组力：一组为预加力 一组为荷载 两组力引起的应力、应变和挠度可分开考虑， 也可根据需要叠加。
液压张拉机
液压张拉机包括：液压千斤顶、油泵与压力表等。 液压千斤顶常用的有：穿心式和锥锚式千斤顶二类。 （注：选用千斤顶型号与吨位时，应根据预应力筋的张拉力和所用的锚 具形式确定。）
1）双作用穿心式千斤顶
双作用：张拉和顶压。 由张拉油缸、顶压油缸(即张 拉活塞)、顶压活塞回程弹簧等 组成， 常用型号YC一60，公称张拉力 为600kN，张拉行程为150mm，顶 压力为300kN，顶压行程为50mm 。 适用于张拉带夹片锚具的钢筋 束或钢绞线束；配上撑脚、拉杆 等也可作为拉杆式千斤顶使用。
b c pc
h N p N pep h ( ) I 2 A I 2 M
预应力混凝土结构受力示意图
预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比， 其主要优点是：
①提高构件的抗裂度，改善了构件的受力性能。因此适 用于对裂缝要求严格的结构； ②由于采用了高强度混凝土和钢筋，从而节省材料和减 轻结构自重，因此适用于跨度大或承受重型荷载的构件； ③提高了构件的刚度，减少构件的变形，因此适用于对 构件的刚度和变形控制较高的结构构件；
单孔夹片式锚具图 (a)组装图；(b)三夹片；(c)二夹片 1一钢绞线；2一锚环；3一夹片；4一 弹性槽
多孔夹片锚具
多孔夹片锚具
多孔夹片锚具也称群锚，由多孔的锚板与夹片组成。在每个锥 形孔内装一副夹片，夹持一根钢绞线。 每束钢绞线的根数不受限制；任何一根钢绞线锚固失效，都不 会引起整束锚固失效。 锚板的材料及锥形孔与单孔夹片锚具的锚环相同，且夹片通用。 对于多孔夹片锚具，如采用大吨位千斤顶整束张拉有困难的情 况下，也可采用小吨位千斤顶逐根张拉锚固。
扁锚连接器 群锚连接器
7.1.5 预应力筋一锚具组装件的锚固性能检验
1）锚固性能要求 静载锚固性能——锚具效率系数η a和总应变ε
apu。
a
p Fptm
Fapu
0.95
ε
apu≥2％
式中： Fapu——预应力筋—锚具组装件的实测极限拉力； Fptm——试验用预应力钢材的极限抗拉强度平均值； Ap——预应力筋—锚具组装件中各根预应力钢材总截面面积； η p——预应力筋的效率系数，预应力筋-锚具组装件中钢绞线为1～5 根时，预应力筋的效率系数，η p=1；6～12根时，η p=0.99；13 ～19根时，η p=0.98；20根以上时，η p=0.97。 疲劳性能 ——须满足循环次数为200万次的疲劳性能试验；抗震结构中，还应 满足循环次数为50次的低周荷载试验。
全预应力混凝土构件具有抗裂性和抗疲劳性好、刚度大 等优点，但也存在构件反拱值过大，延性差，预应力钢筋配 筋量大，施加预应力工艺复杂、费用高等主要缺点。因此适 当降低预应力，做成有限或部分预应力混凝土构件，即克服 了上述全预应力的缺点，同时又可以用预应力改善钢筋混凝 土构件的受力性能。
有限或部分预应力混凝土 介于全预应力混凝土和钢筋混 凝土之间，有很大的选择范围，设计者可根据结构的功能要 求和环境条件，选用不同的预应力值以控制构件在使用条件 下的变形和裂缝，并在破坏前具有必要的延性，因而是当前 预应力混凝土结构的一个主要发展趋势。


第二种概念：预加应力是为了使高强钢 材和混凝土共同工作的一种特殊的钢筋 混凝土。 工作原理：在工作弯矩作用下截面如不 开裂，则增加外力矩时，组成内力偶的 拉力和压力几乎保持为常量，而力臂随 外力矩而比例增加。

第三种概念：预加应力为了荷载平衡 预加应力是对混凝土构件预先施加与使 用荷载相反方向的荷载，用以抵消部分 或全部工作荷载。 林同炎教授首先提出的