第12章预应力混凝土结构的基本概念及其材料

12-1第二篇预应力混凝土结构第12章预应力混凝土结构的基本概念及其材料12.1概述钢筋混凝土构件由于混凝土的抗拉强度低，而采用钢筋来代替混凝土承受拉力。但是，混凝土的极限拉应变也很小，每米仅能伸长（0.10~0.15）mm，若混凝土伸长值超过该极限值就要出现裂缝。如果要求构件在使用时混凝土不开裂，则钢筋的拉应力只能达到（20~30）MPa；即使允许开裂，为了保证构件的耐久性，常需将裂缝宽度限制在（0.2~0.25）mm以内，此时钢筋拉应力也只能达到（150~250）MPa，可见高强度钢筋是无法在钢筋混凝土结构中充分发挥其抗拉强度的。由上可知，钢筋混凝土结构在使用中存在如下两个问题：一是需要带裂缝工作，由于裂缝的存在，不仅使构件刚度下降，而且使得钢筋混凝土构件不能应用于不允许开裂的场合；二是无法充分利用高强材料。当荷载增加时，靠增加钢筋混凝土构件的截面尺寸或增加钢筋用量的方法来控制构件的裂缝和变形是不经济的，因为这必然使构件自重（恒载）增加，特别是对于桥梁结构，随着跨度的增大，自重作用所占的比例也增大。这使得钢筋混凝土结构在桥梁工程中的使用范围受到很大限制。要使钢筋混凝土结构得到进一步的发展，就必须克服混凝土抗拉强度低这一缺点，于是人们在长期的工程实践及研究中，创造出了预应力混凝土结构。12.1.1预应力混凝土结构的基本原理所谓预应力混凝土，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的应力抵消到一个合适程度的配筋混凝土。例如，对混凝土或钢筋混凝土梁的受拉区预先施加压应力，使之建立一种人为的应力状态，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者使裂缝宽度减小。这种由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的结构，就称为预应力混凝土结构。现以图12-1所示的简支梁为例，进一步说明预应力混凝土结构的基本原理。设混凝土梁跨径为L，截面为b×h，承受均布荷载q（含自重在内），其跨中最大弯矩为M＝qL2/8，此时跨中截面上、下缘的应力[图12-1c)]为2266cucbMbhMbh上缘：（压应力）下缘：（拉应力）假如预先在离该梁下缘h/3（即偏心距e＝h/6）处，设置高强钢丝束，并在梁的两端对拉锚固[图12-1a)]，使钢束中产生拉力Np，其弹性回缩的压力将作用于梁端混凝土截面与钢束同高的水平处[图12-1b)]，回缩力的大小亦为Np，。如令Np=3M/h，则同样可求得Np作用下，梁上、下缘所产生的应力[图12-1d)]为22222313066666ppcpuppcpbNNeMMhbhbhbhbhhNNeMbhbhbh上缘：下缘：（压应力）12-2Lh/ehhbNppNe=h/L（压）cubhMpNNpMMcpubud）e）qMbhcb（拉）Mbh（压）h/h/（压）bhMc）a）b）图12-1预应力混凝土结构基本原理图a）简支梁受均布荷载q作用b）预加力Np作用于梁上c）荷载q作用下的跨中截面应力分布图d）预加力Np作用下的跨中截面应力分布图e）梁在q和Np共同作用下的跨中截面应力分布图现将上述两项应力叠加，即可求得梁在q和Np共同作用下，跨中截面上、下缘的总应力[图12-1e)]为2222660660ucucpubcbcpbMMbhbhMMbhbh上缘：（压应力）下缘：由于预先给混凝土梁施加了预压应力，使混凝土梁在均布荷载q作用时在下边缘所产生的拉应力全部被抵消，因而可避免混凝土出现裂缝，混凝土梁可以全截面参加工作。这就相当于改善了梁中混凝土的抗拉性能，而且可以达到充分利用高强钢材的目的。上述概念就是预应力混凝土结构的基本原理。其实，预应力原理的应用早就有了，而且在日常事物中的例子也很多。例如在建筑工地用砖钳装卸砖块，被钳住的一叠水平砖块不会掉落；用铁箍紧箍木桶，木桶盛水而不漏等，这些都是运用预应力原理的浅显事例。从图12-1还可看出，预压力Np必须针对外荷载作用下可能产生的应力状态有计划地施加。因为要有效地抵消外荷载作用所产生的拉应力，这不仅与Np的大小有关，而且也与Np所施加的位置(即偏心距e的大小)有关。预加力Np所产生的反弯矩与偏心距e成正比例，为了节省预应力钢筋的用量，设计中常常尽量减小Np值，因此在弯矩最大的跨中截面就必须尽量加大偏心距e值。如果沿全梁Np值保持不变，对于外弯矩较小的截面，则需将e值相应地减小，以免由于预加力弯矩过大，使梁的上缘出现拉应力，甚至出现裂缝。预加力Np在各截面的偏心距e值的调整工作，在设计时通常是通过曲线配筋的形式来实现的，这在后面的受弯构件设计中将作进一步介绍。12.1.2配筋混凝土结构的分类国内通常把全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土结构总称为配筋混凝土结构系列。1）国外配筋混凝土结构的分类1970年国际预应力混凝土协会（FIP）—欧洲混凝土委员会（CEB）建议，将配筋混凝土按预加应力的大小划分为如下四级：I级：全预应力—在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土不出现拉应力；II级：有限预应力—在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土允许出现拉应力，但不超过其抗拉强度（即不出现裂缝）；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力；III级：部分预应力—在全部荷载最不利组合作用下，构件正截面上混凝土允许出现裂缝，但裂缝宽度不超过规定容许值；12-3IV级：普通钢筋混凝土结构。这一分类方法，由于对部分预应力混凝土结构的优越性强调不够，容易给人们造成误解，认为这是质量的分等，似乎I级比II级好，II级比III级好等，形成盲目去追求I级的不正确倾向。事实上应根据结构使用的要求，区别情况选用不同的预应力度。针对这种分类方法存在的缺点，国际上已逐步改用按结构功能要求合理选用预应力度的分类方法。2）国内配筋混凝土结构的分类根据国内工程习惯，我国对以钢材为配筋的配筋混凝土结构系列，采用按其预应力度分成全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土等三种结构的分类方法。（1）预应力度的定义《公路桥规》将受弯构件的预应力度（λ）定义为由预加应力大小确定的消压弯矩M0与外荷载产生的弯矩Ms的比值，即sMM0式中0M——消压弯矩，也就是构件抗裂边缘预压应力抵消到零时的弯矩；sM——按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值；——预应力混凝土构件的预应力度。（2）配筋混凝土构件的分类全预应力混凝土构件——在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘不允许出现拉应力（不得消压），即≥1；部分预应力混凝土构件——在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝，即1＞＞0；钢筋混凝土构件——不预加应力的混凝土构件，即=0。（3）部分预应力混凝土构件的分类由上可知，部分预应力混凝土构件就是指其预应力度介于以全预应力混凝土构件和钢筋混凝土构件为两个界限的中间广阔领域内的预应力混凝土构件。这一定义是采用了包括CEB/FIP规范中的有限预应力和部分预应力这两部分的广义定义。可以看出，对于部分预应力混凝土构件，如何根据结构使用要求，合理地确定构件的预应力度（）是一个非常重要的问题。为了设计的方便，《公路桥规》又将在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘允许出现拉应力的部分预应力混凝土构件分为以下两类：A类：当对构件控制截面受拉边缘的拉应力加以限制时，为A类预应力混凝土构件；B类：当构件控制截面受拉边缘拉应力超过限值或出现不超过宽度限值的裂缝时，为B类预应力混凝土构件。3）配筋混凝土结构的其他分类方法配筋混凝土结构的分类，除以上方法外，在国内外尚有建议按照配筋情况来分类的。即认为结构构件中同时配有一部分预应力钢筋和另一部分非预应力钢筋的混合配筋混凝土结构，才是部分预应力混凝土结构。当构件中全部配置预应力钢筋，而没有按受力配置的非预应力钢筋时，则为全预应力混凝土结构；当构件中的预应力钢筋为零，而仅有非预应力钢筋时，则为普通钢筋混凝土结构等。但上述这种分类方法，因为没有明确规定预应力钢筋中的预拉应力值，构件实际预加力的大小很不明确，也无法定义构件在使用阶段的受力性能（如拉应力大小和裂缝宽度等），所以国内一般不采用这种分类方法。12-412.1.3预应力混凝土结构的优缺点预应力混凝土结构具有下列主要优点：（1）提高了构件的抗裂度和刚度。对构件施加预应力后，使构件在使用荷载作用下可不出现裂缝，或可使裂缝大大推迟出现，有效地改善了构件的使用性能，提高了构件的刚度，增加了结构的耐久性。（2）可以节省材料，减少自重。预应力混凝土由于采用高强材料，因而可减少构件截面尺寸，节省钢材与混凝土用量，降低结构物的自重。这对自重比例很大的大跨径桥梁来说，更有着显著的优越性。大跨度和重荷载结构，采用预应力混凝土结构一般是经济合理的。（3）可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。预应力混凝土梁的曲线钢筋（束），可使梁中支座附近的竖向剪力减小；又由于混凝土截面上预压应力的存在，使荷载作用下的主拉应力也相应减小。这有利于减小梁的腹板厚度，使预应力混凝土梁的自重可以进一步减小。（4）结构质量安全可靠。施加预应力时，钢筋（束）与混凝土都同时经受了一次强度检验。如果在张拉钢筋时构件质量表现良好，那么，在使用时也可以认为是安全可靠的。因此有人称预应力混凝土结构是经过预先检验的结构。（5）预应力可做为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。此外，预应力还可以提高结构的耐疲劳性能。因为具有强大预应力的钢筋，在使用阶段由加荷或卸荷所引起的应力变化幅度相对较小，所以引起疲劳破坏的可能性也小。这对承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。预应力混凝土结构也存在着一些缺点：（1）工艺较复杂，对施工质量要求甚高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。（2）需要有专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。先张法需要有张拉台座；后张法还要耗用数量较多、质量可靠的锚具等。（3）预应力反拱度不易控制。它随混凝土徐变的增加而加大，如存梁时间过久再进行安装，就可能使反拱度很大，造成桥面不平顺。（4）预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高。但是，以上缺点是可以设法克服的。例如应用于跨径较大的结构，或跨径虽不大，但构件数量很多时，采用预应力混凝土结构就比较经济了。总之，只要从实际出发，因地制宜地进行合理设计和妥善安排，预应力混凝土结构就能充分发挥其优越性。所以它在近数十年来得到了迅猛的发展，尤其对桥梁新体系的发展起了重要的推动作用。这是一种极有发展前途的工程结构。12.2预加应力的方法与设备12.2.1预加应力的主要方法1）先张法先张法，即先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法，如图12-2所示。先在张拉台座上，按设计规定的拉力张拉预应力钢筋，并进行临时锚固，再浇筑构件混凝土，待混凝土达到要求强度（一般不低于强度设计值的75%）后，放张（即将临时锚固松开，缓慢放松张拉力），让预应力钢筋的回缩，通过预应力钢筋与混凝土间的粘结作用，传递给混凝土，使混凝土获得预压应力。这种在台座上张拉预应力筋后浇筑混凝土并通过粘结力传递而建立预加应力的混凝土构件就是先张法预应力混凝土构件。先张法所用的预应力钢筋，一般可用高强钢丝、钢绞线等。不专设永久锚具，借助与混凝土的粘结力，以获得较好的自锚性能。12-5伸长张拉台座预应力筋混凝土压缩a）b）c）临时锚固pN压缩图12-2先张法工艺流程示意图a)预应力钢筋就位，准备张拉b)张拉并锚固，浇筑构件混凝土c)松锚，预应力钢筋回缩，制成预应力混凝土构件先张法施工工序简单，预应力钢筋靠粘结力自锚，临时固定所用的锚具(一般称为工具式锚具或夹具)可以重复使用，因此大批量生产先张法构件比较经济，质量也比较稳定。目前，先张法在我国一般仅用于生产直线配筋的中小型构件。大型构件因需配合弯矩与剪力沿梁长度的分布而采用曲线配筋，这将使施工设备和工艺复杂化，且需配备庞大