预应力混凝土结构
Prestressed Concrete Structure
10.1 概述
预应力混凝土概念： 在混凝土构件承受外荷载之前，对其受拉区预先施加压应力，成为预应力混凝 土结构。预应力混凝土结构是改善构件抗裂性能的有效途径。 ACI：预应力混凝土是根据需要，人为地引入某一数值与分布的内应力，用以 全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土。
2010新规： 预应力混凝土构件的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。
Ⅱ级 — 有限预应力混凝土；在最不利荷载效应组合作用下，混凝土中 允许出现低于抗拉强度的拉应力，但在长期荷载效应组合作用 下，不得出现拉应力；
Ⅲ级 — 部分预应力混凝土；允许开裂，但应控制裂缝宽度； Ⅳ级 — 普通钢筋混凝土；
部分预应力混凝土的优点： • 由于部分预应力混凝土施加的预应力较小，张拉钢筋的应力值较低，
预留孔道及穿筋
后张法
张拉预应力筋
锚固及灌浆
浇混凝土，预留孔道 达到强度，穿筋 张拉钢筋，锚固 产生预应力 孔道灌浆
后张法典型预应力混凝土构件—预应力混凝土梁
传递预应力的途径 先张法：依靠混凝土与钢筋的粘结力来传递预应力； 后张法：靠两端的工作锚具来传递预应力。
其它预应力方法： • 无粘接预应力； • 体外预应力。
无粘结预应力束
无粘结预应力
预应力钢筋的布置 应和构件的弯矩图 形状相似。
无粘结预应力混凝土楼板
体外预应力梁
1预0应.3力钢预筋应主要力采混用凝热处土理的钢筋材、料钢及丝和锚钢夹绞具线
一. 预应力钢筋
预应力钢筋的强度越高越好 因为在预应力混凝土制作和使用过程中，由于种种原因，预应力筋中预 先施加的张拉应力会产生损失，因此，为使得扣除应力损失后仍具有较高 的张拉应力，必须使用高强钢筋（丝）作为预应力筋； 具有足够的塑性和加工性能 为避免发生脆性破断，预应力筋还必须具有一定的塑性，同时还要求具 有良好的加工性能，以满足对钢筋焊接、镦粗的加工要求； 与混凝土间有足够的粘接强度 对钢丝类预应力筋，还要求具有低松弛性和与混凝土良好的粘结性能， 通常采用‘刻痕’或‘压波’方法来提高与混凝土粘结强度;
1. 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，抗拉强 度为1470 MPa。
fu
0.2
a
0.2%
其应力-应变曲线无明显屈服点，采 用残余应变为0.2%的条件屈服点作 为抗拉强度设计指标。
2. 中高强钢丝
采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到，中强度为800~1270MPa， 高强钢丝的强度为1570~1960 MPa （2010新规）。
钢筋混凝土的缺点 （Disadvantages of RC）
➢ 混凝土抗拉强度太低； ➢ 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。
➢ 如果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。
二. 预应力的基本概念
pc
Np A
N pep I
h 2
M
c I
h 2
b c pc
M
h ( Np Npep h)
I2 A I 2
b c pc
由于预加应力pc较大，受拉
边缘仍处于受压状态，不会
M I
h ( Np Npep h) 2 A I2
出现开裂；
c pc 0
钢丝直径为3~9mm，为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面采用“刻痕” 或“压波”，也可制成螺旋肋。
刻痕钢丝
螺旋肋钢丝
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。7股钢绞线的公称直径为9.5~15.2 mm，通常用于无粘结预 应力筋，强度可高达1960MPa。2股和3股钢绞线用途不广，仅用于某些先张 法构件，以提高与混凝土的粘结强度。
降低了对张拉设备及锚夹具的要求，从而降低了造价； • 同时可以避免产生较大的反拱，降低了施工阶段混凝土开裂的风险。
10.2 施加预应力的方法 先张法
张拉钢筋
砼成型及养护
放张钢筋 张拉钢筋 支模、浇混凝土 混凝土达到一定强度切断钢筋 产生预应力
先张法典型预应力混凝土构件—预应力混凝土楼板、管桩
受拉边缘应力虽然受拉，但拉应力小于混 凝土的抗拉强度，一般不会出现开裂；
0 c pc ftk
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 ftk
三. 预应力混凝土的等级
Ⅰ级 — 全预应力混凝土；要求在最不利荷载效应组合作用下，混凝土 中不允许出现拉应力；
➢ 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. 采用预应力结构的原因
满足裂缝控制要求 普通钢筋混凝土构件抗裂性能较差，在正常使用情况下往往带裂缝 工作，对于裂缝控制较严的结构，宜采用预应力概念来控制裂缝宽 度或不出现裂缝。 充分利用高强钢筋（屈服应力超过1000 MPa） 对于普通混凝土构件，当裂缝宽度控制在0.3mm时，钢筋应力只达 150~ 200MPa，高强钢筋不能充分发挥；所以需要对高强钢筋预先 施加拉力，以达到充分利用材料的目的。 提高构件刚度、减小变形 如果靠增加钢筋来提高刚度，则钢材强度得不到充分利用，造成浪 费；采用预应力结构减小了裂缝，可使刚度不至于因裂缝原因而降 低过多，有利于控制变形。
【2010新规】预应力钢筋强度标准值（N/mm2）
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、具夹 具的周转率，降低间接费用