《鋼筋混凝土結構》——發(fā)現(xiàn)結構之美

規(guī)范設計施工1.預應力的施加原理2Learning

Aims學習目標了解普通鋼筋混凝土結構的缺點；1掌握預應力的施加原理；2目錄頁掌握預應力混凝土結構的分類與特點。3301普通混凝土結構的缺點PARTONE過渡頁普通混凝土結構的缺點4

2013年8月，一組關于?？谀洗髽驀d大道引橋橋體裂紋圖曾在網絡上引起熱議，更有網友表示南大橋穿起了“豹紋裝”，有密集恐懼癥的人群不適宜觀看。5混凝土的極限拉應變很小，每米僅能伸長0.10∽0.15mm，若超出則會出現(xiàn)裂縫。鋼筋混凝土結構通常帶裂縫工作，構件剛度小，耐久性差。1.抗裂性能差ftk=(1/8~1/20)fckεtu=(1/20~1/30)

εck普通混凝土結構的缺點62.無法充分利用高強材料

對應于裂縫寬度為(0.2~0.3)mm時的鋼筋應力約為250MPa。普通砼中采用高強鋼筋，不能發(fā)揮高強鋼筋的強度優(yōu)勢。普通混凝土結構的缺點73.結構自重大，使用性能不好

大跨度和大空間結構采用普通鋼筋混凝土梁時，因為無法采用高強度的材料，為滿足構件強度、變形、裂縫控制的要求，需加大截面尺寸，但又使構件自重進一步增大，造成安裝困難，材料浪費，或造型不協(xié)調。思考：如何才能克服混凝土開裂這一缺點呢？預應力混凝土結構！普通混凝土結構的缺點802PARTTWO過渡頁預應力混凝土結構的基本原理1.生活中的預應力用環(huán)箍對木片施加預壓應力，以抵消水產生的拉應力。旋緊自行車輪的鋼絲，使車輪受壓力后而鋼絲不折。預應力混凝土結構的基本原理92.預應力的施加原理所謂預應力砼，就是事先人為地在混凝土或鋼筋混凝土中引入內部應力，而且其數(shù)值和分布有利于抵消使荷載產生的應力，稱其為預應力混凝土。10預應力混凝土結構的基本原理

設有一矩形簡支梁，計算跨徑為l，截面為b×h，承受均布荷載q。上緣：=（壓應力）下緣：（拉應力）q受壓區(qū)受拉區(qū)112.預應力的施加原理預應力混凝土結構的基本原理（壓應力）0NyNy一種方法是：先在截面重心處施加預壓力，令Ny=6M/hq上緣：=（壓應力）下緣：（拉應力）122.預應力的施加原理預應力混凝土結構的基本原理在距截面下緣h/3處（即偏心距e=h/6)處，施加預應力，令Ny=3M/h。上緣：下緣：（壓應力）=NyNyq132.預應力的施加原理預應力混凝土結構的基本原理說明：

（1）施加預應力可以避免混凝土出現(xiàn)裂縫，混凝土梁可以全截面參加工作。

（2）預加力的大小以及預加力的作用點位置是預應力混凝土結構設計計算的關鍵問題。思考：如何給混凝土施加預應力呢？q142.預應力的施加原理預應力混凝土結構的基本原理1503PARTTHREE過渡頁預應力混凝土結構的分類及特點161.配筋混凝土結構的分類(1)國外配筋混凝土結構的分類I級：全預應力—在全部荷載最不利組合作用下，正截面上混凝土不出現(xiàn)拉應力；II級：有限預應力—在全部荷載最不利組合作用下，正截面上混凝土允許出現(xiàn)拉應力，但不超過其抗拉強度（即不出現(xiàn)裂縫）；在長期持續(xù)荷載作用下，混凝土不出現(xiàn)拉應力；III級：部分預應力—在全部荷載最不利組合作用下，構件正截面上混凝土允許出現(xiàn)裂縫，但裂縫寬度不超過規(guī)定容許值；IV級：鋼筋混凝土結構。預應力混凝土結構的分類與特點(2)國內配筋混凝土結構的分類根據(jù)國內工程習慣，我國對以鋼材為配筋的配筋混凝土結構系列，采用按其預應力度分成全預應力混凝土、部分預應力混凝土和鋼筋混凝土等三種結構的分類方法。預應力度的定義《公路橋規(guī)》將受彎構件的預應力度（λ）定義為由預加應力大小確定的消壓彎矩M0與外荷載產生的彎矩Ms的比值，即預應力混凝土構件的預應力度消壓彎矩，也就是構件抗裂邊緣預壓應力抵消到零時的彎矩按作用（或荷載）短期效應組合計算的彎矩值17預應力混凝土結構的分類與特點1.配筋混凝土結構的分類18(2)國內配筋混凝土結構的分類

配筋混凝土結構的分類全預應力混凝土構件——在作用（荷載）短期效應組合下控制的正截面受拉邊緣不允許出現(xiàn)拉應力（不得消壓），即

λ≥1；部分預應力混凝土構件——在作用（荷載）短期效應組合下控制的正截面受拉邊緣出現(xiàn)拉應力或出現(xiàn)不超過規(guī)定寬度的裂縫，即1＞λ＞0；鋼筋混凝土構件——不預加應力的混凝土構件，λ=0。預應力混凝土結構的分類與特點1.配筋混凝土結構的分類19(2)國內配筋混凝土結構的分類部分預應力混凝土構件的分類部分預應力混凝土構件就是指其預應力度介于以全預應力混凝土構件和鋼筋混凝土構件為兩個界限的中間廣闊領域內的預應力混凝土構件。為了設計的方便，《公路橋規(guī)》又將在作用（荷載）短期效應組合下控制的正截面受拉邊緣允許出現(xiàn)拉應力的部分預應力混凝土構件分為以下兩類：A類：當對構件控制截面受拉邊緣的拉應力加以限制時，為A類預應力混凝土構件；B類：當構件控制截面受拉邊緣拉應力超過限值，直到出現(xiàn)不超過限值寬度的裂縫時，為B類預應力混凝土構件。預應力混凝土結構的分類與特點1.配筋混凝土結構的分類20（1）預應力混凝土結構的優(yōu)點

提高了構件的抗裂度和剛度；

可以節(jié)省材料，減少自重；

可以減小混凝土梁的豎向剪力和主拉應力；

預應力可做為結構構件連接的手段，促進了橋梁結構新體系與施工方法的發(fā)展；

可以提高結構的耐疲勞性能。預應力混凝土結構的分類與特點2.預應力混凝土結構的特點21（2）預應力混凝土結構的缺點預應力上拱度不易控制。預制梁存梁時間過久再進行安裝，就可能因預應力作用使上拱度很大，造成橋面不平順。預應力混凝土結構的開工費用較大，對于跨徑小、構件數(shù)量少的工程，成本較高。預應力混凝土結構的分類與特點2.預應力混凝土結構的特點2.預應力的施加方法課題導入231.抗裂性能差普通鋼筋混凝土結構的缺點

2.無法充分利用高強材料3.結構自重大，使用性能不好

24Learning

Aims學習目標掌握預應力的施加原理；1掌握施加預應力的兩種方法；2掌握預應力混凝土結構的特點。3目錄頁2501先張法PARTONE過渡頁先張法:先張拉鋼筋，后澆筑構件混凝土的施工方法。

主要工序：建造張拉臺座張拉鋼筋并臨時錨固養(yǎng)護混凝土制作構件放松鋼筋臺座橫梁錨固夾具預應力筋臺面支模、澆筑混凝土26先張法

預應力傳遞：

通過預應力筋與混凝土之間的粘結力傳遞預應力。臺座臺面特點:（1）臨時錨具，通過粘結作用保持預應力；

（2）需要臺座，一般多預制中小型構件；

（3）只張拉直線筋。27先張法先張法:先張拉鋼筋，后澆筑構件混凝土的施工方法。2802后張法PARTTWO過渡頁后張法：先澆筑構件混凝土，后張拉鋼筋的施工方法。29后張法

主要工序：澆砼，預留孔道→達到強度，穿筋→張拉鋼筋，錨固→孔道灌漿錨具波紋管錨具30后張法：先澆筑構件混凝土，后張拉鋼筋的施工方法。后張法錨具波紋管錨具

預應力傳遞：后張法是靠工作錨具來傳遞并保持預加應力的。后張法：先澆筑構件混凝土，后張拉鋼筋的施工方法。31后張法適用范圍施工工序多，就地張拉，消耗大量錨具后張法先張法構件一般只能采用直線配筋，較適合制作中小構件工序少，需建張拉臺座，錨具可重復使用預應力鋼筋可以布置成曲線形，多用于大跨度橋梁工序設備工作原理通過工作錨具來傳遞并保持預加應力的通過預應力筋與混凝土之間的粘結力傳遞預應力預應力的施加方法323303預應力混凝土結構對材料的要求PARTTHREE過渡頁（1）強度高：第一要在鋼筋中建立起高應力；

第二預應力混凝土會產生各種預應力損失

（2）一定的塑性：避免超載、低溫、沖擊及地震時的脆性斷裂。（3）良好的加工性能：以滿足焊接、鐓粗等的加工要求。（4）低松弛性：以減小由于松弛而產生的預應力損失。（5）與混凝土良好的粘結性能：采用刻痕、壓波等方法來提高粘結強度。一、對鋼筋的性能要求預應力混凝土結構對材料的要求34是用3或7股高強鋼絲扭結而成的一種高強預應力筋，其中以7股鋼絞線應用最多。（1）鋼絞線二、預應力鋼筋的種類35預應力混凝土結構對材料的要求（2）中高強鋼絲是采用優(yōu)質碳素鋼盤條，經過幾次冷拔后得到。中強鋼絲的強度為800~1200MPa，高強鋼絲的強度為1570~1770MPa。二、預應力鋼筋的種類36預應力混凝土結構對材料的要求（3）精軋螺紋鋼◆通常將Ⅳ級熱軋鋼筋經冷拉后作為預應力筋，抗拉強度可達580MPa?！魹榻鉀Q粗直徑鋼筋的連接問題，鋼筋表面軋制成不帶縱向肋的精制螺紋，可用套筒直接連接?！舻S著近年來高強鋼絲和鋼絞線的大量生產，這種預應力筋的應用已很少。二、預應力鋼筋的種類37預應力混凝土結構對材料的要求（1）高強度：一是可施加較大的預壓應力；二是可減小截面尺寸、自重，實現(xiàn)大跨度。（2）具有較高的彈性模量：可提高截面抗彎剛度；可減少預壓時的彈性回縮，減少預應力損失。（3）收縮、徐變小：可減少預應力損失。（4）與鋼筋有較大粘結強度：可減少先張法預應力筋的應力傳遞長度。三、對混凝土的性能要求38預應力混凝土結構對材料的要求（5）快硬、早強：有利于較早施加預應力，加快施工進度，提高臺座、模具、夾具的周轉率，降低間接費用。

對預應力“混凝土”強度等級要求：不應低于

。

C40三、對混凝土的性能要求39預應力混凝土結構對材料的要求鞏固提升無粘結預應力鋼筋后張法的主要工序：澆砼，預留孔道→

達到強度，穿筋→

張拉鋼筋，錨固→

孔道灌漿錨具波紋管錨具將預應力鋼筋的外表面涂以瀝青，油脂或其他潤滑防銹材料，并用塑料套管或以紙帶,塑料帶包裹，使之與周圍混凝土隔離，在張拉時可沿縱向發(fā)生相對滑移的后張預應力鋼筋。特點：不需要預留孔道，也不必灌漿、施工簡便、快速、造價較低、易于推廣應用。403.張拉控制應力及預應力損失42Learning

Aims學習目標掌握張拉控制應力的計算；1掌握影響預應力損失的因素；2掌握減小預應力損失的措施。3目錄頁4301張拉控制應力PARTONE過渡頁44張拉控制應力一、張拉控制應力的定義σcon的定義：張拉預應力鋼筋時，張拉設備（千斤頂或油泵）上的壓力表所控制的總張拉力Np,con除以預應力鋼筋面積Ap得到的應力稱為張拉控制應力σcon?！?/p>

它是預應力筋在構件受荷以前所經受的最大應力。45二、張拉控制應力的取值（1）取值的一般概念張拉控制應力scon取值越高，預應力筋對混凝土的預壓作用越大，

使預應力筋充分發(fā)揮作用。（2）

scon的上限值

第一可能發(fā)生預應力鋼筋拉斷事故；

第二會產生過大的應力松弛。因此，《規(guī)范》規(guī)定了張拉控制scon的上限值。張拉控制應力46對于鋼絲、鋼絞線對于預應力螺紋鋼筋在工程需要采用超張拉工藝施工的鋼筋，可以適當提高張拉控制應力：對于鋼絲、鋼絞線對于預應力螺紋鋼筋為預應力鋼筋的抗拉強度標準值張拉控制應力二、張拉控制應力的取值47由于施工因素、材料性能和環(huán)境條件等的影響，鋼筋中的預拉應力會逐漸減小，預應力鋼筋的預應力隨著張拉、錨固過程和時間推移而降低的現(xiàn)象稱為預應力損失σl。設計中所需的鋼筋預應力值是扣除相應階段的應力損失后，鋼筋中實際存余的預應力值稱為有效預應力σpe。預應力損失值σl與有效預應力σpe間的關系為

張拉控制應力σcon

是預應力鋼筋錨固前張拉鋼筋的千斤頂所顯示的總拉力除以預應力鋼筋截面積所求得的鋼筋應力值。張拉控制應力三、有效預應力4802預應力的損失PARTTWO過渡頁49鋼筋預應力損失的估算公路橋梁預應力混凝土構件設計中需考慮的鋼筋預應力損失為：（1）預應力筋與管道壁之間的摩擦引起的應力損失；（2）錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應力損失；（3）鋼筋與臺座間的溫差引起的應力損失；（4）混凝土彈性壓縮引起的應力損失；（5）鋼筋松弛引起的應力損失；（6）混凝土收縮和徐變引起的應力損失。預應力的損失50一、預應力筋與管道壁間摩擦引起的應力損失σl1

采用后張法施工的預應力損失。張拉時，預應力筋將沿管道壁滑移而產生摩擦力，使鋼筋中的預拉應力形成張拉端高，向構件跨中方向逐漸減小的情況。從張拉端至計算截面的摩擦應力損失值以鋼筋在任意兩個截面間的應力差值就是這兩個截面間由摩擦所引起的預應力損失值，用符號sl1表示。圖

管道摩阻引起的鋼筋預應力損失計算簡圖預應力的損失51

——從張拉端至計算截面間管道平面曲線的夾角之和，即曲線包角，按絕對值相加，單位以弧度計。如管道為豎平面內和水平面內同時彎曲的三維空間曲線管道，則可按式計算：

——分別為在同段管道水平面內的彎曲角與豎向平面內的彎曲角；——從張拉端至計算截面的管道長度在構件縱軸上的投影長度；或為三維空間曲線管道的長度，以m計；

——管道每米長度的局部偏差對摩擦的影響系數(shù)；

——鋼筋與管道壁間的摩擦系數(shù)。鋼筋錨下張拉控制力預應力鋼筋的截面面積錨下張拉控制應力管道摩擦所引起的預應力損失估算值為預應力的損失一、預應力筋與管道壁間摩擦引起的應力損失σl152二、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應力損失σl2采用先張法和后張法施工構件的預應力損失。當張拉結束并進行錨固時，錨具將受到巨大的壓力并使錨具自身及錨下墊板壓密而變形，所有這些變形都將使錨固后的預應力鋼筋放松，因而引起應力損失，用σl2表示，其計算表達式為：張拉端錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮值之和(mm)，可根據(jù)試驗確定張拉端至錨固端之間的距離(mm)預應力鋼筋的彈性模量預應力的損失53圖

考慮反摩阻后鋼筋預應力損失計算示意圖預應力的損失二、錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮引起的應力損失σl2

《公路橋規(guī)》規(guī)定：后張法預應力混凝土構件應計算由錨具變形、鋼筋回縮等引起反摩阻后的預應力損失。

由錨具變形所引起的鋼筋回縮也會受到管道摩阻力的影響，這種摩阻力與鋼筋張拉時的摩阻力方向相反，稱之為反摩阻。反向摩阻的管道摩阻系數(shù)可假定與正向摩阻的相同。54鋼筋的線膨脹系數(shù)，一般可取a=1×10-5℃-1鋼筋的有效長度張拉鋼筋時，制造場地的溫度（℃）混凝土加熱養(yǎng)護時，已張拉鋼筋的最高溫度（℃）預應力的損失三、鋼筋與臺座間的溫差引起的應力損失σl3

采用蒸汽或其他加熱方法養(yǎng)護先張法構件的預應力損失。溫差變形?lt的概念假設張拉時鋼筋與臺座的溫度均為t1，混凝土加熱養(yǎng)護時的最高溫度為t2，此時鋼筋尚未與混凝土粘結，溫度由t1升為t2后鋼筋可在混凝土中自由變形，產生了一溫差變形?lt，即55預應力的損失為了減小溫差應力損失，一般可采用兩次升溫的養(yǎng)生方法，即第一次由常溫t1升溫至t?2進行養(yǎng)生。初次升溫的溫度一般控制在20℃以內，待混凝土達到一定強度(例如7.5~10MPa)能夠阻止鋼筋在混凝土中自由滑移后，再將溫度升至t2進行養(yǎng)生。此時，鋼筋將和混凝土一起變形，不會因第二次升溫而引起應力損失。如果張拉臺座與被養(yǎng)護構件是共同受熱、共同變形時，則不應計入此項應力損失。三、鋼筋與臺座間的溫差引起的應力損失σl3

56四、混凝土彈性壓縮引起的應力損失σl4

預應力混凝土構件受到預壓應力而產生壓縮變形時，則對于已張拉并錨固于該構件上的預應力鋼筋來說，將產生一個與該預應力鋼筋重心水平處混凝土同樣大小的壓縮應變εc

=εp，因而也將產生預拉應力損失σl4，這就是混凝土彈性壓縮損失。預應力損失σl4

在先張法和后張法（分批張拉）施工的構件都存在，應力損失值與構件預加應力的方式有關。預應力的損失57（1）先張法構件

預應力鋼筋彈性模量Ep與混凝土彈性模量Ec的比值在先張法構件計算截面鋼筋重心處，由預加力Np0產生的混凝土預壓應力全部鋼筋的預加力（扣除相應階段的預應力損失）構件全截面的換算截面面積預應力鋼筋重心至換算截面重心軸間的距離構件全截面的換算截面慣性矩預應力的損失四、混凝土彈性壓縮引起的應力損失σl4

5758（2）后張法構件當后張法構件預應力鋼筋采用分批張拉錨固并且多數(shù)情況是采用逐束進行張拉錨固時，當張拉后批鋼筋時所產生的混凝土彈性壓縮變形將使先批已張拉并錨固的預應力鋼筋產生應力損失，通常稱此為分批張拉應力損失?！豆窐蛞?guī)》規(guī)定σl4按下式計算：預應力鋼筋彈性模量Ep與混凝土彈性模量Ec的比值在計算截面上先張拉的鋼筋重心處，由后張拉各批鋼筋所產生的混凝土法向應力之和預應力的損失四、混凝土彈性壓縮引起的應力損失σl4

59五、鋼筋松弛引起的應力損失σl5

鋼筋在一定拉應力值下，將其長度固定不變，則鋼筋中的應力將隨時間延長而降低，一般稱這種現(xiàn)象為鋼筋的松弛或應力松弛。圖典型的預應力鋼筋松弛曲線預應力的損失60預應力的損失五、鋼筋松弛引起的應力損失σl5

鋼筋松弛特點:（1）鋼筋初拉應力越高，其應力松弛愈甚；（2）鋼筋松弛量的大小主要與鋼筋的品質有關。例如，我國的預應力鋼絲與鋼絞線依其加工工藝不同而分為I級松弛（普通松弛）和II級松弛（低松弛