4.4預應力混凝土結構的基本知識一．概述19世紀20年代，水泥發(fā)明，混凝土問世?；炷量箟簭姸雀?，就地取材，易于成型，但抗拉強度低，應用受到限制．

19世紀中葉，出現(xiàn)了鋼筋混凝土。在鋼筋混凝土結構中，由鋼筋承擔拉力，混凝土承擔壓力，發(fā)揮了二者的優(yōu)點。到20世紀初，鋼筋混凝土廣泛應用于土木工程的各個領域．到20世紀30年代又出現(xiàn)了預應力混凝土，預應力混凝土的抗裂性優(yōu)于鋼筋混凝土，用途更加廣泛。

二．預應力混凝土的概念

1．為什么要施加預應力？２．怎樣施加預應力？３．預應力混凝土的解釋．４．預應力混凝土的效果．普通混凝土容易開裂

混凝土是一種“壓強拉弱”的建筑材料1/10；配筋可以改善混凝土的抗裂性能，但作用有限。軸心受拉構件的開裂變形：1．為什么要施加預應力？普通鋼筋混凝土結構的缺點不能采用高強度鋼筋

裂縫、撓度與應變成正比,鋼筋強度越高，裂縫、撓度越大結論為了控制裂縫，應用高強度鋼筋，必須施加預應力

先張法１．先張拉鋼筋，后澆灌混凝土構件。２．先張法施工的3個階段：ａ、張拉鋼筋；ｂ、澆灌混凝土和養(yǎng)護；ｃ、放松鋼筋建立預應力。

２．怎樣施加預應力？施加預應力的方法后張法

１．先澆灌混凝土構件，后張拉鋼筋

２．后張法施工的3個階段：

a、構件制作和養(yǎng)護；

b、張拉鋼筋建立預應力；

c、灌漿和錨頭處理。

３．有粘結、無粘結

４．直線預應力筋、曲線預應力筋

５．縱向張拉、橫向張拉

其他

電熱法、膨脹混凝土中、小型預應力構件一般采用先張法，大型預應力構件一般采用后張法

預應力混凝土的基本原理

所謂預應力混凝土就是在混凝土構件承受使用荷載前的制作階段，預先對使用階段的受拉區(qū)施加壓應力，造成一種人為的應力狀態(tài)。這種在結構構件承受荷載以前預先對受拉區(qū)混凝土施加壓應力的結構構件，就稱為預應力混凝土構件。３．預應力混凝土的解釋．

如圖所示，一簡支梁在承受外荷載之前，預先在梁的受拉區(qū)施加一對大小相等、方向相反的集中力P,則構件各截面的應力分布如圖(a)，下邊混凝土纖維的壓應力為σpc；僅在使用荷載作用下，梁跨中截面應力分布如圖(b)，跨中截面下邊緣混凝土的拉應力為σt；當兩種應力狀態(tài)相互疊加時（如圖(c)所示)，梁跨中下邊緣的應力可能是數(shù)值很小的拉應力，也可能是壓應力，甚至應力為零，視施加壓力P和荷載的相對大小而定。1.大幅度提高混凝土構件的抗裂能力，從根本上解決了裂縫問題，改善結構的耐久性；

2.可以有效地利用高強度鋼筋和高強度混凝土，有利于減輕結構自重；

3.提高混凝土構件的剛度，減小了變形，提高了混凝土結構的跨越能力；4.擴大了構件的應用范圍。

預應力混凝土構件的優(yōu)點主要缺點是1、施工設備要求高，

2、施工較復雜，

3、設計計算較繁。４．預應力混凝土的效果．三、預應力混凝土結構的材料與張拉機具

１．混凝土

預應力混凝土結構應采用高強度、低徐變、低收縮的混凝土．混凝土強度等級不低于C30；當預應力鋼筋采用鋼絞線、鋼絲和熱處理鋼筋時不低于C40．

２．預應力鋼筋ａ．國家標準《預應力混凝土用鋼絲》GB/T5223-95和《預應力混凝土用鋼絞線》GB/T5224-95ｂ．預應力混凝土結構的預應力鋼筋應采用高強度、低松弛的鋼筋ｃ．一般宜采用鋼絞線、鋼絲，也可采用熱處理鋼筋

3．灌漿材料

灌漿材料一般采用純水泥漿，水泥漿強度等級不低于M20，水灰比為0.40-0.45，灌漿壓力為0.4MPa

４．錨具

國家標準《預應力筋用錨具、夾具與連接器》GB/T14370-98

a.鋼絞線錨具——HVM（OVM）群錨體系

b.鋼絲錨具

c.鋼筋錨具

d.張拉設備——YCWB系列千斤頂

HVM錨具總成

HVM張拉端——圓形錨工作錨板、夾片、錨墊板、螺旋筋、波紋管

HVM固定端——H型壓花錨、約束環(huán)及YH3壓花機

HVM固定端——P型擠壓錨及GYJ擠壓機

HVM張拉端——BM型扁錨

工程例子

錐形錨具

1.DM-60，2.DXM-60，3.DM-120，4.DXM-120

鐓頭錨具

鐓頭錨張拉錨固示意圖

1.千斤頂，2.工具螺母，3.工具拉桿，4.錨環(huán)，5.螺母，6.鋼絲束

工程例子

鋼筋錨具

張拉設備——YCWB系列千斤頂

四張拉控制應力σcon（1）σcon的定義

張拉控制應力是指張拉預應力筋時預應力筋應達到的拉應力規(guī)定值，用σcon表示。張拉時預應力筋實有的應力可由張拉設備上的測力計所示的總拉力除以預應力鋼筋截面面積得出。（2）

張拉控制應力的確定張拉控制應力的數(shù)值與鋼筋的種類和施加預應力的方法有關。規(guī)范規(guī)定的張拉控制應力允許值見表4-21。表4-21張拉控制應力允許值［σcon］鋼筋種類張拉方法先張法后張法消除應力鋼絲、鋼絞線0.75fptk0.75fptk

熱處理鋼筋0.70fptk0.65fptk

張拉控制應力高，構件的開裂彎矩大，剛度大，開裂彎矩接近屈服彎矩，破壞預兆不明顯，張拉鋼筋時可能會出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，構件反拱大，預拉區(qū)可能會出現(xiàn)裂縫。張拉控制應力低，構件的開裂彎矩小，預應力效果差，構件的性能接近普通鋼筋混凝土。五、預應力損失σl按照某一控制張拉應力值張拉好的預應力鋼筋的初始張拉應力，由于張拉工藝和材料特性等原因，會從構件制作到安裝使用各個過程中不斷降低。這種預應力降低的現(xiàn)象稱為預應力損失。引起預應力損失的因素很多，規(guī)范給出了以下六種因素及其產(chǎn)生的相應預應力損失值的計算方法。

1、各種預應力損失有：1）張拉端錨具變形及鋼筋內(nèi)縮引起的損失(σl1)2）鋼筋與孔道間的摩擦引起的損失(σl2)3）砼加熱養(yǎng)護時，受拉筋與臺座（設備）間的溫差引起的損失(σl3)4)預應力鋼筋的應力松弛損失(σl4)5)砼的收縮徐變引起的損失(σl5)6)環(huán)形構件用螺旋式預應力鋼筋，砼受到局部受壓引起的損失(σl6

)

（1）

選擇變形小或預應力筋滑動小的錨具或夾具，盡量減少墊板的數(shù)量，增加先張法臺座長度，以減小σl1值；

（2）

采用高強度等級混凝土、高標號水泥，降低水泥用量，減小水灰比，采用良好級配的骨料，盡可能提高混凝土的密實度并加強養(yǎng)護，從而減少預應力損失σl5；

（3）

鋼筋放張時混凝土的實有立方體強度值不能定得太低，并使得混凝土的預壓應力σpc和σpc′不大于0.5fcu′；2、減少預應力損失的措施

（4）

對預應力鋼筋進行超張拉，以減少鋼筋松弛所引起的預應力損失；

（5）

采用合適的施工工藝，如對預應力筋進行兩端張拉，加熱養(yǎng)護采用“兩階段升溫養(yǎng)護”，即先在較低溫度下養(yǎng)護，使混凝土達到一定強度后，再升溫至規(guī)定的溫度下進行養(yǎng)護，從而可減少由溫差和摩擦引起的預應力損失。八預應力混凝土結構的構造要求截面形式一般為矩形、T形、工字形和箱形。因預應力對構造剛度和抗裂能力有提高作用，故構件截面可選得小些。一般取截面高度h為（1/20~1/14)l,l為構件跨度，寬度也相應減小。8.1截面形式及尺寸8.2構件端部的構造鋼筋為防止預應力構件端部及預拉區(qū)的裂縫，對各種預制構件應按下述構造措施配置防裂鋼筋：

（1）

對于槽形板類構件，應在構件端部100mm范圍內(nèi)沿構件板面設置附加的橫向鋼筋，其數(shù)量不少于2根，如圖4.21所示。

圖4.21附加橫向鋼筋圖4.22端部凹進處構造配筋1—折線構造鋼筋；2—豎向構造鋼筋（2）當構件在端部有局部凹進時，應增設折線構造鋼筋或其它有效的構造鋼筋（圖4.22)。

（4）

對預應力鋼筋在構件端部全部彎起的受彎構件或直線配筋的先張法構件，當構件端部與下部支承結構焊接時，應考慮混凝土收縮、徐變及溫度變化所產(chǎn)生的不利影響，宜在構件端部可能產(chǎn)生裂縫的部位設置足夠的非預應力縱向構造鋼筋。

（3）在預應力混凝土屋面梁、吊車梁等構件靠近支座的斜向主拉應力較大部位，宜將一部分預應力鋼筋彎起。8.3先張法構件的構造要求1.鋼筋（絲）間距先張法預應力鋼筋之間的凈間距應根據(jù)澆筑混凝土、施加預應力及鋼筋錨固等要求確定。預應力鋼筋之間的凈間距不應小于其公稱直徑或等效直徑的1.5倍，且應符合下列規(guī)定：

對熱處理鋼筋及鋼絲，不應小于15mm；

對三股鋼絞線，不應小于20mm；

對七股鋼絞線，不應小于25mm。2.鋼絲的并筋配筋方式當先張法預應力鋼絲按單根方式配筋困難時，可采用相同直徑鋼絲并筋的配筋方式。并筋的等效直徑，對雙并筋應取為單筋直徑的1.4倍，對三并筋應取為單筋直徑的1.7倍。并筋的保護層厚度、錨固長度及預應力傳遞長度等均應按等效直徑考慮。當預應力鋼絞線、熱處理鋼筋采用并筋方式時，應有可靠的構造措施。3.鋼筋的保護層縱向預應力鋼筋的保護層厚度取值同普通鋼筋混凝土構件。4.端部附加鋼筋先張法預應力混凝土構件，預應力鋼筋端部周圍的混凝土應采取下列加強措施：

（1）

對單根預應力鋼筋，其端部宜設置長度不小于150mm且不少于4圈的螺旋筋（圖4.23(a)）；當有可靠經(jīng)驗時，亦可利用支座墊板上的插筋代替螺旋筋，但插筋數(shù)量不應少于4根，其長度不宜小于120mm(圖4.23(b))。圖4.23端部附加鋼筋的插筋

（2）

對分散布置的多根預應力鋼筋，在構件端部10d(d為預應力鋼筋的公稱直徑）范圍內(nèi)應設置3~5片與此預應力鋼筋垂直的鋼筋網(wǎng)。

（3）

對采用預應力鋼絲配筋的薄板，在板端100mm范圍內(nèi)應適當加密橫向鋼筋。8.4后張法構件的構造要求1.預留孔道

（1）

對預制構件，孔道之間的水平凈距不宜小于50mm；孔道至構件邊緣的凈距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直徑的一半。

（2）

在框架梁中，預留孔道在豎直方向的凈間距不應小于孔道外徑，水平方向的凈間距不應小于1.5倍孔道外徑；從孔壁算起的混凝土保護層厚度：梁底不宜小于50mm，梁側不宜小于40mm。

（3）

預留孔道的內(nèi)徑應比預應力鋼絲束或鋼絞線束外徑及需穿過孔道的連接器外徑大10~15mm。

（4）

在構件兩端及跨中應設置灌漿孔或排氣孔，其孔距不宜大于12m。

（5）

凡制作時需要預先起拱的構件，預留孔道宜隨構件同時起拱。2.曲線預應力鋼筋的曲率半徑后張法預應力混凝土構件中，曲線預應力鋼絲束、鋼絞線束的曲率半徑不宜小于4m；對折線配筋的構件，在預應力鋼筋彎折處的曲率半徑可適當減小。3.錨具后張法預應力鋼筋所用錨具的形式和質(zhì)量應根據(jù)國家現(xiàn)行標準《預應力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T