10 预应力混凝土结构的受力性能 1

预应力筋张拉后，由于混凝土和钢材的性质以及 制作方法上原因，使得预应力钢筋变松，这种现象称 为预应力损失。
1、锚固损失l1 预应力筋张拉后锚固时，由于锚具受力后变形、垫板缝隙 的挤紧以及钢筋在锚具中的内缩引起的预应力损失记为l1。 对直线预应力筋：
a l1 E s l
a 1 1 1 5 4 6~8
ss
[wmax]=0.3
603mm2 L 16.4= 0 317 232MPa 0.27
2106mm2 L 38.1= 0 273 264MPa 0.40
12650mm2 L 88.8= 0 234
308mm2 L 32.2= 0 161.5 453MPa 0.75
★产生上述问题原因主要是因为混凝土的抗拉强度太低，导致受 拉区混凝土过早开裂，截面抗弯刚度显著降低。 ★钢筋混凝土梁应用于大跨度结构时，如为增加刚度而加大截面 尺寸，会导致自重进一步增大，形成恶性循环。 ★如增加钢筋来提高刚度，则钢材的强度得不到充分利用，造成 浪费。 ★采用高强钢筋，按正截面承载力要求可减少配筋，截面抗弯刚 度基本与配筋面积成比例降低，故挠度变形控制难以满足。 ★一般，钢筋混凝土梁的经济适用跨度为5～8m，材料宜采用 C20～C30级混凝土，HPB235，HRB335和HRB400级钢筋。
预应力钢筋强度标准值和设计值（N/mm2）
种 消除应力钢丝 螺旋肋钢丝 刻痕钢丝 类 4~ 9 5、 7 二股 三股 钢绞线 七股 d=10.0 d=12.0 d=10.8 d=12.9 d=9.5 d=11.1 d=12.7 d=15.2 fptk 1470 1570 1670 1770 1470 1570 1720 1720 1860 1860 1860 1860 1820 1720 1470 fpy 1250 1180 1110 1040 1110 1040 1220 1220 1320 1320 1320 1320 1290 1220 1040
d 预应力钢丝、钢铰线的公称直径；
预应力钢筋外形系数；
' 相应的抗压强度标准值。 f tk' 与放张时混凝土立方体抗压强度 f cu
后张法
1、制作构件，预留孔道 2、穿钢筋 3、张拉钢筋，同时对混凝土施加预应力 4、锚固钢筋，灌孔
10.1.4 预应力混凝土材料 一、预应力钢筋 ◆由于预应力筋中预先施加的张拉应力会产生损失， 预应力钢筋的强度越高越好。 ◆为避免在超载情况下发生脆性破断，预应力筋还 必须具有一定的塑性。 ◆要求与混凝土有良好的粘结性能，通常采用‘刻 痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度。
第十章
预应力混凝土结构的性能与计算
10.1 概述 10.1.1预应力混凝土的概念 一、钢筋混凝土的缺欠
qk=10kN/m
L0
跨度为5.2m的简支梁，截面尺寸为200×450mm，作 用均布活荷载标准值qk=10kN/m，均布恒荷载gk=5kN/m。
L0 b×h 自重 gk
弯矩设计值 钢筋
5.2m 200×450 5kN 67.6kN.m
锚具变形和钢筋内缩值 a（ mm）
锚 具 类 别 带螺帽的锚具（包括钢丝束的锥形螺杆锚具、筒式锚具等） ： 螺帽缝隙 每块后加垫板的缝隙 钢丝束的镦头锚具 钢丝束的钢制锥形锚具 有预压时 夹片式锚具 无预压时
减少锚固损失l1的措施
• 选择锚具变形小或是预应力钢筋内缩小的锚具、
夹具，并尽量少用垫板，因每增加一块垫板， 值就增加1mm。 • 增加台座长度。因l1值与台座长度成反比。采用 先张法生产的构件，当台座长度为100m以上时， l1可忽略不计。
f y
400 360 360n(d=6) 48Si2Mn(d=8.2) 45Si2Cr(d=10)
400
预应力钢筋的强度标准值
二、混凝土——预应力混凝土要求采用高强混凝土 ★可以施加较大的预压应力，提高预应力效率； ★有利于减小构件截面尺寸，以适用大跨度的要求； ★具有较高的弹性模量，有利于提高截面抗弯刚度，减少预 压时的弹性回缩； ★徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失； ★与钢筋具有较大粘结强度，减少先张法预应力筋的应力传 递长度； ★有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚 具垫板的尺寸； ★强度早期发展较快，可较早施加预应力，加快施工速度， 提高台座、模具、夹具的周转率，降低间接费用 一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C30， 当采用高强钢丝时不宜低于C40。
dPx dP 1 dP 2 kPx dx Px d
张拉端
Px Px-dPx
锚固端
x
dx

Px
P
x dPx kdx d 0 0 Px
r
d r P' Px
d dP1 Px-dP1 dx
Px ln kx P Px P e ( kx )
0 c pc f tk
受拉边缘应力超过混凝土的抗拉强度，虽然会产 生裂缝，但比钢筋混凝土构件（Np =0）的开裂明 显推迟，裂缝宽度也显著减小。
c pc f tk
10.1.2 典型的预应力结构
★ 预应力混凝土核安全壳
★ 预应力混凝土看台建筑
★ 预应力混凝土高耸结构
10.2.2 夹具和锚具
图 螺丝端杆锚具
图 JM12 锚具
(a) 张拉端 (b) 分散式固定端 (c) 集中式固定端 图 镦头锚具
图 锥塞式锚具
图 夹片式锚具
10.3 张拉控制应力
con
Ap
N p ,con Ap
N p ,con ——张拉设备（千斤顶油压表）所控制的总张拉力
——预应力筋的面积

r
)l 2 f
lf
aE p 1000 con (

rc
)
(m)
x l1 2 con l f ( )(1 ) rc lf

减少摩擦损失l2的措施
一端张拉
两端张拉
超张拉
1.1 con 停2min 0.85 con 停2min con
3、热养护损失l3 预应力筋中的应力随温度的增高而降低，产生预应力损 失l3。而降温时，混凝土达到了一定的强度，与预应力筋之 间已具有粘结作用，两者共同回缩，已产生预应力损失l3无 法恢复。 设养护升温后，预应力筋与台座的温差为t ℃，取钢 筋的温度膨胀系数为0.00001/℃，则有，
Ⅱ级 310
跨度增加一倍 10.4m 400×900 20kN 513.96kN.m
Ⅱ级 310
跨度增加两倍 20.8m 800×1900 80kN 5948.8kN.m
Ⅱ级 310
采用高强钢筋 5.2m 200×450 5kN 67.6kN.m
冷拉Ⅳ级 580
M
fy 配筋面积 As L [f]= 0 300
M > Mcr
构件出现裂缝，但最大裂缝宽度控制在容许范围内
10.2.1 施加预应力的方法
机械张拉法 电热法 自应力法
先张法 后张法
先张法
1、在台座上穿钢筋 2、张拉钢筋 3、浇筑混凝土并养护 4、切断钢筋，对混凝土施加预应力
传递长度：
ltr
pe
f
' tk
d
pe 放张时预应力钢筋的有效预应力值；
x
dx
r Px
d dP1 Px-dP1 dx

P 张拉端 Px
d
预应力筋轴线
锚固端 Px-dPx
P ' p ' dx Px d
x
dx
r
d r P' Px-dP2 Px dx
d dP1 Px-dP1 dx
dP2 P Px d
Px dP2

P
d
预应力筋轴线
考虑孔道每米长度 局部偏差的摩擦系 数，教材表10-3
1 e
( kx )
)
Px dP2
Px-dP2 dx dP2+dP1 Px
预应力钢筋与孔 道壁间的摩擦系 数，教材表10-3
Px-dPx d Pxd
1 l 2 con 1 (x ) e
2 con (

r
)l f
2 con (

r
)l f
x l1 2 con l f ( )(1 ) rc lf

摩擦损失引起钢筋的变形为:
d
a
l1
Ep
dx
lf
a d
0 0
l1
Ep
dx
con
Ep
(
天津电视塔、南京电视塔
10.1.3 预应力混凝土的分类 1、全预应力混凝土 在使用荷载下，截面不出现拉应力，
c-pc≤0
对于受弯构件有M≤M0
M0为消压弯矩
2、有限预应力混凝土 在使用荷载下，截面出现拉应力，但未 达到混凝土的抗拉强度，
c-pc≤( ftk
对于受弯构件有M0≤M ≤ Mcr 3、部分预应力混凝土 使用荷载大于开裂荷载，即，
当
(x ) 0.3
l 2 con (x )
对于曲线预应力筋张拉锚固时，由于锚具变形和钢筋内缩 a(mm)，使预应力筋有回缩的趋势，从而产生反向摩擦力以阻 止其内缩。
反向摩擦力只在一定的影响长度lf(m)内发生，即在距张拉端lf处， 预应力筋的内缩值为零。 设反向摩擦和正向摩擦相同，因此在张拉和锚固时产生的摩擦 损失为前述摩擦损失的2倍，即
1、冷拉低合金钢筋 通常将Ⅳ级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达 580MPa。但随着近年来高强钢丝和钢绞线的大量生产，这种预 应力筋的应用已很少。 2、中高强钢丝 中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中 强钢丝的为800~1200MPa，高强钢丝的强度为1470~1860MPa。 钢丝直径为3~9mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采 用‘刻痕’或‘压波’，也可制成螺旋肋。 3、钢绞线 钢绞线是用2、3、7股高强钢丝扭结而成的一种高强预应力筋， 其中以7股钢绞线应用最多。强度可高达1860MPa。 4、热处理钢筋 用热轧中碳低合金钢经过调质热处理后制成的高强度钢筋，直 径为6~10mm，抗拉强度为1470MPa。