现代预应力混凝土第一讲修1.docx

1、现代预应力混凝土第一讲修1现代预应力混凝土结构课程：现代预应力混凝土结构专业：结构工程（硕士研究生）院系：土木工程学院姓名：唐昌辉日期：2008.9.教材：杜拱辰编著，现代预应力混凝土结构，中国建筑工业出版社，1988年9月，第一版湖南大学土木工程学院建筑结构教研室2008年9月前 言在已学过的混凝土结构课程里所涉及预应力混凝土结构的内容主要有先张法轴心受拉和受弯构件，其中还包括了先张法和后张法的概念、预应力阶段、预应力损失等内容。现代预应力混凝土结构课程是以后张法预应力混凝土结构、梁和框架结构为主。目的：通过学习达到看课外书和参考书的能力。涉及的知识储备：结构力学，材料力学，混凝土结构。设计

2、内容和步骤：繁琐些，复杂些。因此，先张法、后张法、预应力阶段、预应力损失等内容就不讲了，通过学习预应力结构的内容加深了，加宽了。参考文献1林同炎，Ned.H.Burns著，预应力混凝土设计（第三版），路湛心等译，中国铁道出版社，19842T.Y.Lin and Ned.H.Burns,Design of Prestressed Concrete Structures ,John Wiley & Sons ,New York,19633杜拱辰，现代预应力混凝土结构，中国建筑工业出版社，19884陶学康，后张预应力混凝土设计手册，中国建筑工业出版社，19965吕志涛等，现代预应力设计，中国建筑工业

3、出版社，19986薛伟辰，现代预应力结构设计，中国建筑工业出版社，20007李国平编著，桥梁预应力混凝土技术及设计原理，人民交通出版社，2004.1第一讲 绪论一、预应力混凝土的定义1、狭义的定义为：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，就成为预应力混凝土结构。2、广义的定义为：预应力混凝土是其中已建立有内应力的混凝土，内应力的大小和分布能够抵消给定的外加荷载所引起的应力至预期的程度。在钢筋混凝土中，预应力是靠张拉钢筋来建立的，但是也可以利用其它方法，如图1.1所示（因此，从广义讲，一般称之为预应力混凝土，而不叫预应力钢筋混凝土）。图1.1 用千斤顶直接对混凝土施加压应力的桥梁

4、美国混凝土协会（ACI）给出的广义定义是：预应力混凝土是根据需要人为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。二、预应力混凝土发展简史钢筋混凝土与预应力混凝土之间的主要区别在于：钢筋混凝土是将钢筋和混凝土简单地结合在一起，并且任由它们自行地共同工作，而预应力混凝土则不然，它是将高强混凝土和高强钢材“能动”地结合在一起，这种结合是靠张紧钢材并将其锚固于混凝土，从而使混凝土受压来实现。钢材是延性材料，现在用预加应力的办法使其能在高拉力下工作，混凝土在抗拉能力上是脆性材料，现在由于受到预压而有所改善，同时抗压能力并未真正受到损害。因此预应力混凝土仍是两种现代高强度材料

5、的一种理想结合。预应力技术是一种古老的技术，但将预应力原理用于混凝土的实践是19世纪80年代。预应力混凝土的早期活动，由于混凝土和钢材的应力状态下的性能缺乏认识，施加的预应力太小，预应力损失过大而效果不明显。现代预应力混凝土的发展应归功于法国工程师弗雷西奈E.Freyssinet，他在对混凝土和钢材性能进行大量研究和总结前人经验的基础上，考虑到混凝土收缩和徐变产生的损失，于1928年提出了预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土。他的这一论断是预应力混凝土在理论上的关键性突破，从此，对预应力混凝土的认识开始进入理性阶段。1886年美国旧金山的一位叫P.H.Jackson（杰克逊）的工程师，获得

6、了在人造石和混凝土拱内张紧钢拉杆用作楼板的专利。1888年前后，德国的C.E.W.Doehring（陶林） 独立获得了在楼板受荷前用施加拉力的钢筋来加强混凝土的专利。1906年德国的M.Koenen（柯南）进行了将张拉应力为60MPa的钢筋浇筑于混凝土的试验，并观察到混凝土的初始预压应力由于混凝土收缩而丧失的现象。1908年，美国的G.R.Steiner（斯坦纳）建议，在混凝土徐变和收缩发生后再重新张拉钢筋以挽回一些损失。1925年美国的R.E.Dill（迪尔）试验采用螺帽锚固的涂层无粘结高强钢筋，在混凝土中结硬后还能张拉。预应力混凝土作为一种工程技术能够真正地实现使用始于1928年，由法国工

7、程师E.Freyssinet（弗雷西奈）创建了成套的理论和技术。在这之前，预应力实践存在以下问题没有解决：使用的混凝土和钢筋材料的强度较低；对预应力损失的认识不够。通过实践，Freyssinet（弗雷西奈）提出了全预应力混凝土的概念，其基本理论特点有：由于施加预应力，预应力与混凝土是一种完全不同于混凝土的弹性材料；提出了设计准则，即在使用过程中混凝土始终是受压的；对预应力损失有了充分的认识；设计了一整套锚具；这一技术正式大幅度使用于19381940年以后。1934年德国人F.Dischiger的体外无粘结预应力筋技术取得了专利。1937年此项技术被用于世界上第一座体外无粘结预应力混凝土桥梁。1

8、938年德国的E.Hoyer研制成功了不靠专用锚具传力的利用钢丝与混凝土粘结力、无锚具的先张法工艺，并用于世界上第一座体内有粘结预应力混凝土桥梁。1939年E.Freyssinet（弗雷西奈）发明了锥形锚，并设计了双作用千斤顶用来张拉钢丝然后将锚塞顶入锚圈以锚固钢丝。通过预应力的不断实践，有人提出了部分预应力混凝土的概念，公然与全预应力混凝土唱对台戏，即与E.Freyssinet（弗雷西奈）唱对台戏。当时，出现了2位典型代表，他们是：1938年奥地利Von.Eeperger（恩丕格）提出在普通钢筋混凝土中采用预应力钢筋来提高结构的抗裂能力和变形，实际上这是部分预应力混凝土的开端。1940194

9、4年后英国的P.W.Abeles（阿贝勒斯）正式提出允许出现拉应力，甚至允许开裂的部分预应力混凝土概念。并于1944年后，英国铁路部门修订了“部分”预应力混凝土铁路桥梁。“部分”预应力混凝土的出现，遭到E.Freyssinet（弗雷西奈）的强烈反对，他认为在“全”预应力混凝土和普通钢筋混凝土之间不存在具有更好的折衷方案。由于E.Freyssinet（弗雷西奈）的反对，阻碍了“部分”预应力混凝土在工程上的应用，然而却促进了人们对预应力混凝土开裂后性能的深入研究，加深了对“部分”预应力混凝土的了解，促进了部分预应力混凝土的发展。1954年在英国召开的纪念E.Freyssinet（弗雷西奈）首创预应

10、力混凝土的会议上，E.Freyssinet（弗雷西奈）改变了自己的看法，同意部分预应力混凝土的推广应用。现代预应力混凝土是包括部分预应力混凝土在内的预应力混凝土，他是混凝土结构的一个组成部分。三、预应力混凝土基本概念与一般原理（一）预应力混凝土的三种概念1、第一种概念：预应力混凝土是由于预加应力而使混凝土从一种脆性材料转变成为一种弹性材料。这种概念：“以无拉应力（设计准则）准则”为基础的。其特点：按照这种概念进行设计，主要的设计阶段为正常使用阶段。很富裕计算方法可以采用材料力学方法。符合虎克定律和叠加原理这种概念有时简称为“应力概念”。2、第二种概念：预加应力是为了使高强钢筋能够和混凝土结合，

11、它是钢筋混凝土的扩大和改进。其特点：主要表现在提高了构件的抗裂和刚度性能，同时也提高了承载力，充分发挥了张拉对承载力的贡献。即发挥了高强钢筋的作用这种概念一般简称“强度概念”。为什么预应力混凝土能发挥高强钢筋的作用呢？原因在于钢材的弹性模量一般相差不大，而在正常使用状态时，普通钢筋混凝土拉应变不大，因此不能使用高强钢筋，即受到限制。预应力混凝土是先将钢筋张拉一段应变，即先增加了应力，然后在外加荷载下还能增加一段应变，这样高强钢筋就能使用了。3、第三种概念：预加应力是为了实现预期的荷载平衡，一般简称为“荷载平衡概念”。a)采用抛物线筋的简支梁；b)取预应力筋为分离体；c)取混凝土为分离体图1.2

12、 抛物线筋对混凝土引起的反力这种概念带有革命性的特点：使得预应力概念更深入了。给设计计算带来了大大的简化。荷载平衡概念是以林同炎教授的荷载平衡法为基础的。这种概念认为预加应力的目的就是对结构施加与外加重力荷载反向的平衡荷载，以达到部分甚至全部抵消外加重力荷载的目的，如图1.2所示。上述三种概念表达了理解预应力混凝土结构的三种观点，它们在分析和设计预应力混凝土时都是有用的。第一种概念有助于预计开裂的程度；第二种概念主要是评定抵抗破坏的安全性；第三种概念常常是计算挠度的最佳方法。【例1.1】 已知一根预应力混凝土简支梁（图1.3），矩形截面，宽300mm，高600mm，跨度8.0m，配有抛物线预应

13、力筋，跨中垂度100mm，有效预加力为1080kN，梁承受每米长27kN的均布荷载（包括自重在内）。求用第一种概念计算跨中截面混凝土的纤维应力。【解】 取用毛截面，梁的面积3006001.8105mm2，梁的截面惯性矩，梁的预加力1080kN，截面偏心距e100mm，顶、底纤维离截面重心的距离y1y2300mm梁的跨中截面外力矩由材料力学的公式可得（注意，P取用负值）：（顶纤维）（底纤维）图1.3 例题1.1下面来介绍一下内力偶计算截面应力的方法，由图1.4可得：即可求得内力臂： （1.1）a)外力矩0；b)外力矩；c)压力的偏心矩为图1.4 压力作用点与外力矩的关系求得混凝土压力C作用点与预

14、加力作用点之间的距离a之后，即可得到C离开截面重心的距离（ae）（见图1.4c）。由于CP，偏心距ae，代入弹性公式（1-6）即可得到在预加力P和外弯矩M共同作用下截面内混凝土任意一点处的应力为 （1.2）在形式上看，按第二种概念和按第一种概念得出的计算截面应力的公式有很大的差别，其实只要用aM/P代入式（1.2）即可导例1.1计算应力的同样公式。因此用两种概念表达式求得的结果是完全一样的。【例1.2】 已知条件同例1.1。求用第二种概念内力偶法计算跨中截面混凝土的纤维应力。(a)梁左半部分离体；(b)跨中截面应力分布图1.5 例题1.2【解】 取梁的左半部为分离体如图1.5。跨中截面作用有一

15、对内力，即预应力筋的拉力和混凝土压应力的合力C。跨中截面承受的外力矩为：由于内力偶等于外力矩，C与之间的内力臂为从公式（1.2）即可求得在外力矩和预应力共同作用下跨中截面混凝土纤维应力为：求得的、值与例1.1完全一样。【例1.3】 已知条件同例1.1。求用第三种概念计算跨中截面混凝土的纤维应力。【解】 取梁体混凝土作为分离体，混凝土所承受的外荷载和预应力筋引起的横向力示于图1.6。预应力筋对混凝土产生向上的横向均布力为：（a）梁体混凝土分离体受力图；（b）跨中截面应力分布图图1.6因此作用在混凝土梁上的净荷载，亦即没有被平衡掉的重力荷载为2713.513.5kN/m，它对跨中引起的力矩为：由M

16、产生的跨中截面混凝土纤维应力为：由于轴心力P产生的均布压应力为：应力的合力为：计算表明，这与上述两种方法计算结果完全相等。（二）预应力混凝土的一般原理1、按材料力学原理计算预应力混凝土按第一种概念为弹性材料，遵守叠加原理（偏心受压构件）2、预应力混凝土承载力与钢筋混凝土计算原理一样为了充分理解截面开裂前后，截面形成抵抗外荷载的弯矩的差别，我们有必要了解预应力筋的应力发展规律：图1.7 预应力筋应力随荷载变化示意图以预应力筋的应力发展规律来看，在开裂以前，预应力筋的应力增量很小，一般不太会超过有效预应力的15%左右。因此在开裂以前，截面的抵抗外荷载的弯矩增大，主要依靠力臂的增大，而在开裂以后，预

17、应力筋的应力增长较快，此时，截面抵抗外荷载变矩的增大主要依靠钢筋的拉力（或混凝土的压力）的增大，而力臂的增大不明显。四、现代预应力混凝土的发展前景近二十年来，由于材料、预应力体系、施工技术等的发展，预应力混凝土结构仍然在发生着很大的变化，各种新技术、新方法以及新的设计构思层出不穷。（一）混凝土强度抗压强度高达100MPa的混凝土早在20世纪30年代便能够工业化生产，现在实验室里已能制出200MPa的混凝土。采用高强混凝土所带来的优越性是显著的。1989年法国建造了一座采用高强混凝土的试验桥梁，混凝土标号为87（60MPa），它与采用50号混凝土（35MPa）相比混凝土用量减少了30，下部结构基

18、底反力减少了约24。大量实践证明，一些使用期较长的混凝土结构在不利环境中毁坏的原因，并不是混凝土强度的缺陷，而是混凝土耐久性问题。因此，高强度并不是混凝土的唯一指标，高性能混凝土（High Performance Concrete）才是混凝土技术发展的主要方向。随着人们对高性能混凝土特征认识的深入，高性能混凝土的含义也在不断扩大。从施工、受力及耐久性等性能来看，易浇注、易密实、不离析、低水化热、高早强、韧性好、低徐变、耐疲劳、高密水、耐磨损、抗化腐等性能，已成为高性能混凝土的重要特征。混凝土材料的强度/容重比较低，随着预应力混凝土结构跨径的不断增大，自重也随之增大，导致结构的承载力大部分消耗于

19、抵抗自重内力，追求更高的强度/容重比是混凝土材料发展的目标之一。实例有：原西德的Koln Deutz桥为减轻中跨自重而采用容重为18kN/m3轻质混凝土；日本一座人行观光斜拉桥，混凝土强度标准值40MPa，使用了容重为19.5kN/m3及15.6kN/m3的轻质骨料。（二）预应力筋预应力混凝土结构必须采用高强度且具有一定塑性性能的钢材。目前能满足塑性性能要求的钢材的极限强度为18002000MPa。钢材的低松弛也是预应力钢筋的重要技术指标。虽然预应力钢材的本身性能无重大进展，但在耐久性、新材料预应力筋和大吨位预应力锚具及张拉设备方面均有所发展。预应力钢筋采用外涂环氧层以免遭腐蚀是增强其耐久性的

20、一项措施。采用环氧涂层的钢铰线有两种，一种是用在无粘结、体外预应力体系和斜拉索时为平滑涂层钢铰线；另一种是先张或后张有粘结的体内预应力体系，则使用表面含有砂粒涂层的钢铰线以增强粘结性。然而，不论是体外、无粘结或体内有粘结，环氧涂层钢铰线仍需要外包层或混凝土的保护，环氧涂层钢铰线仅起到钢筋锈蚀作用，并不能替代对钢铰线的整体防护。近年来非预应力筋得到了很大的发展，它们主要是纤维增强聚合物（FRP）预应力筋，如：玻璃纤维增强聚合物（GFRP）、芳纶纤维增强聚合物（AFRP）及碳素纤维增强聚合物（CFRP）预应力筋。它们具有轻质、高强（强度接近或大于预应力钢筋）、耐腐蚀、耐疲劳、非磁性等优点，表面形态

21、可以是光滑的、螺纹的或网状的，形状包括棒状、绞线形及编织物形。研究与使用非预应力筋的主要国家是德国和日本。20世纪70年代后期，原联邦德国首先对用玻璃纤维增强聚合物替代预应力钢材作了大量试验。1980年起开始用GFRP预应力筋修建人行试验桥，1986年非钢材预应力筋开始使用于公路桥梁。日本是较早使用CFRP和AFRP预应力筋的国家，1988年、1996年CFRP和AFRP预应力筋分别被用于公路桥梁和悬索板桥。20世纪90年代后期，用FRP预应力筋修建的混凝土桥梁有20余座，公路桥梁的最大跨径已达32.5m。目前，纤维增强聚合物力学性能的测试标准，如延性、粘结、锚具、松弛、疲劳等等，有待统一的规

22、范，各种FRP预应力筋仍处于研究试验阶段，其材料的价格相当昂贵。（三）智能化预应力材料在预应力筋、拉索中配以光纤传感器，随着反映预应力的大小，已在实际桥梁中试用；在混凝土材料中加入或表面粘贴特殊的光传感材料，通过改变颜色直观显示混凝土的应力状况的技术被预测在将来10年内实现；利用形状记忆合金材料作为预加应力材料，已在未来50年内的研究展望之中。配合智能化预应力材料，利用现代传感和通讯等技术，不间断监视结构的工作状态、生命轨迹，将对预应力混凝土桥梁健康、安全运行提供有力保障。（四）预应力结构体系部分预应力混凝土结构：因其兼有预应力和钢筋混凝土结构的优点，克服了全预应力混凝土结构预压应力过高的缺点

23、，20世纪70年代以来倍受重视而得以发展。无粘结内预应力混凝土结构:消除了后张预应力筋管道的压浆，降低了预应力在管道内摩阻损失，已在简单的板式结构中广泛应用。混凝土受拉区预压，受压区预拉的双预应力体系：它是预应力概念的一个发展，从而使结构高跨比显著减小、预应力产生同样预弯矩的情况下混凝土的压应力降低，这种预应力技术已在桥梁上得到了应用。预弯预应力混凝土结构体系：它是预应力概念的另一种发展，在加荷预弯的劲性钢梁上浇注混凝土，然后在卸荷中利用钢梁反弹对混凝土施加预应力，这种预应力结构，因其建筑高度低、刚度大，而跨线桥、立交桥等特殊需要的桥梁中逐渐得到推广应用。体外预应力混凝土结构体系：早期主要用于

24、混凝土和桥梁结构的加固措施，近年来，由于研究和试验的不断深入，新建房屋和桥梁结构也选择了这种结构体系。体外预应力混凝土结构体系的特点：在使用它来加固已建结构时，由于受现有结构的限制，加固采用的预应力索只能布置在混凝土体外，这反而使预应力索布置构造简化、补索方便、施工操作简单，预应力管道摩阻损失大大减小。体内预应力混凝土桥梁结构因管道压浆不密实而经常出现事故，而体外预应力混凝土几乎不需灌浆，这也促进了体外预应力桥梁的发展。体外预应力索防腐要求较高。体外预应力混凝土的适用范围：加固处理；施工阶段结构的临时预应力；斜拉索桥梁；新桥设计；特种结构等等。轻型的钢混凝土组合式预应力结构（桥梁）：有波纹钢腹

25、混凝土组合预应力箱梁和钢桁腹混凝土组合桁梁两种，如图1.8所示。其特点：减轻了预应力混凝土箱梁的重量，改善了箱梁构造与腹板受力，方便混凝土浇筑。（a)波纹钢腹混凝土组合预应力箱梁；（b）钢桁腹混凝土组合桁梁图1.8钢混凝土组合式预应力桥梁（五）预应力结构施工技术预应力混凝土施工技术的新发展，在桥梁结构领域是最具代表性的。节段施工法是预应力混凝土桥梁施工技术发展的结果。这种施工方法的一种形式是悬臂施工法（主要用于大跨径桥梁的施工中），另一种形式是整跨施工法。悬臂施工法是将桥梁沿纵向划分为若干段，在墩梁（临时）固结的条件下，对称悬臂拼装预制或现场浇筑梁段，并通过预应力筋使桥梁逐段连续，最终形成结构

26、整体。这种施工方法克服了建桥对桥下通行的影响，能轻松跨越深险的江海和山谷。整跨施工法是采用整跨预制整体吊装，或在支架上拼装分段预制的梁段并由通长串联的预应力筋组成整体。节段施工方法充分利用了现代化机械设备，节段采用标准化、系列化方法预制，适合不同跨径组合的要求，大大提高了施工速度，并把对环境的不利影响降低到最小程度。节段现浇顶推施工法。转体施工法。作为预应力技术的进一步运用而产生的施工技术也很多，如利用预应力设备提升大型建筑结构就是其中一例。（六）结构耐久性设计预应力结构耐久性问题是国内外工程界日益关注的课题。20世纪60年代建造的预应力混凝土桥梁腐蚀破坏的现象，使人们认识到研究耐久性的必要性

27、。1990年CEB-FIP模式混凝土结构规范，对混凝土结构使用寿命的基本要求为：混凝土结构应以这样的方式设计、施工和使用，即在特定的环境条件影响下，在指明或不指明的运营期内保持其安全性和正常适用性，不需要为维护和修理花费高额的费用。混凝土结构损坏的机理主要有几种：钢筋锈蚀、碱骨料反应、化学侵蚀和冻融剥离。这些机理的定量研究尚处于试验研究阶段。但混凝土损坏机制的发展通常经历两个不同的阶段，初始阶段：混凝土碳化和氯化物表层渗入或硫酸盐堆积，保护层被穿越但材料和结构功能没有明显减弱；发展阶段：混凝土主动破坏发展迅速，开始出现钢筋锈蚀和损坏。研究表明：混凝土碳化表层的深度与结构物暴露时间的平方根接近正

28、比，氯化物及硫酸盐的扩散速度也与此相似，故选择最优混凝土保护层厚度是非常重要的问题；由于在施工捣密与养护上的差异和混凝土的表面开裂与内部微裂的现象，都明显加速了腐蚀物资的输送，故混凝土的渗透性成为耐久性设计的主要参数；复杂的混凝土构件外形，会增加其损坏的敏感性，缩短其使用寿命和增加更大的维修费用，同时也因施工操作困难而导致了质量不足的危险性。因此，首先是延长其损坏机制发展的初始阶段。选择抗腐蚀、渗透性较低的高性能混凝土，选择最优的混凝土保护层厚度，以及选择便于施工操作的结构构造和配以较好的养护，都是保证实现耐久性设计的目标手段。当损坏机制进入发展阶段，应设有减缓腐蚀速度的措施。1990年CEB-FIP模式混凝土结构规范给出了耐久性设计准则及相应的防护措施。需要指出的是，为特定使用寿命而进行的设计，并不是指在整个使用寿命期内保持功能完好而不需要维护和修理，检测和维护是使用寿命期的一个组成部分。然而，设计的目标将是实现全寿命花费最小的“最低维护结构”。（七）预应力混凝土的抗震性能研究和进展（略）