预应力结构及预应力结构施工的基本常识概论.docx
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预应力结构及预应力结构施工的基本常识概论
第一章预应力结构及预应力结构施工的基本常识
1.1预应力的基本概念
1.1.1什么是预应力结构
预应力结构就是在结构承受外荷载作用之前，预先采用人为的方法，在结构内部形成一种预先的应力状态，使结构在使用阶段产生拉（压）应力的区域预先受到压（拉）应力，这种压（拉）应力可以抵消全部或一部分在使用阶段由外荷载产生的拉（压）应力，从而达到推迟裂缝出现、限制裂缝开展和提高结构刚度的目的。
以简支梁跨中截面为例，在使用阶段垂直向下荷载作用下，梁跨中截面的下部受拉。
如果在使用荷载施加之前，我们采取某种方法使该截面的下部预先受到一定的压应力，这样，当施加使用荷载时，使用荷载产生的应力将首先平衡掉预先形成的压应力，然后才产生拉应力，两者抵消后最终产生的拉应力将比没有预加压应力时小得多。
当预加压应力的值等于或大于荷载产生的拉应力时，甚至在混凝土中根本不产生拉应力。
由于混凝土的抗压能力远远大于抗拉能力，在预应力钢筋混凝土结构中，我们主要是预先在构件的混凝土中形成压应力，用来抵消使用荷载条件下的拉应力，减小截面混凝土的拉应力，达到提高构件的承载能力，减少和推迟混凝土受拉裂缝产生的效果。
这里应当注意的是，所谈的压应力或拉应力都是针对构件的某个截面甚至截面的某一边来说的，如果将施加压应力的位置搞反了，不但不能提高构件的承载能力，反而会大大降低构件的承载能力。
因此在施工中应严格按设计的预应力钢筋位置进行布筋。
为了在混凝土中预加应力，一般在构件内设置预应力钢筋，对其进行张拉并锚固后，利用预应力钢筋的弹性回缩力在混凝土中形成压应力。
如果预应力钢筋布置成曲线形状，则对构件来说还将产生与使用荷载相反效果的附加荷载，这种荷载与使用荷载是相互抵消的，因此也会产生减小构件应力的效果。
1.1.2预应力结构的优点
a．可以有效地避免或限制使用阶段裂缝的开展；
b．可以提高结构的刚度，减小构件的变形；
c．可以充分利用高强钢材的机械性能，节约钢材；
d．可以充分利用材料的性能，有效地减小构件的尺寸，为建筑物提供更大的有效空间；
e．可以减小结构的自重；
f．可以减少工程的投资。
1.1.3预应力结构的分类
对于预应力钢筋混凝土结构来说，主要有如下三种分类方法：
a．按照预应力施加的时间进行分类有先张预应力构件和后张预应力构件。
这里的先后是相对于混凝土的浇筑时间来说的，在浇筑混凝土之前就对钢筋施加应力的称为先张预应力构件，如在台座上施工的预制预应力空心板就属于先张预应力构件；反之在混凝土浇筑之后才对钢筋施加应力的称为后张预应力构件，在现场施工的预应力构件多为后张预应力构件。
后张预应力构件的主要特点是都要采取钢筋张拉之前混凝土不对钢筋产生握裹力的措施，比如采用预埋波纹管和采用抽拔钢管的办法在混凝土中留设孔道，或者直接在钢筋的表面满涂润滑脂后用塑料皮包裹的办法。
本公司施工的预应力构件多数为后张预应力构件。
b．按照预应力钢筋作用的方式分为有粘结预应力构件和无粘结预应力构件。
对于预应力构件来说，在预应力钢筋张拉锚固后，预应力钢筋的弹性回缩力传递到混凝土上有两种方式：
一种是通过混凝土对预应力钢筋的直接握裹，将弹性回缩力沿钢筋的长度均匀地传递到混凝土上，这样就形成了有粘结预应力混凝土构件。
另一种方式是预应力钢筋和混凝土之间没有握裹力（虽然还有一部分摩擦力），钢筋的弹性回缩力通过在预应力钢筋的两端的锚固端施加到构件上，这样就形成了无粘结预应力构件。
由此可见这里说的“粘结”指的是混凝土和钢筋之间的粘结。
对于有粘结预应力构件，预应力钢筋是和混凝土结合在一起共同工作的，构件的受力性能比无粘结预应力构件要好，因此在梁等重要构件一般采用有粘结预应力构件，无粘结预应力构件一般用在板等次要构件上。
在施工中，一般有粘结预应力构件在预应力钢筋张拉后都要进行灌浆，使预应力钢筋和混凝土之间产生可靠的粘结力。
c．按照预应力抵消使用荷载条件下应力的多少分为部分预应力构件和全预应力构件。
当在构件中预先施加的应力小于使用荷载产生的应力时，构件在使用荷载作用下混凝土中仍然会有拉应力存在，这样的预应力构件称之为部分预应力构件。
当预先施加的压应力大于或等于使用荷载产生的应力时，构件在使用荷载作用下混凝土中将不会有拉应力存在，这样的预应力构件称之为全预应力构件。
笼统地讲，我们将预先施加的应力和使用荷载作用下产生的应力的比值成为预应力度。
预应力度小于1的预应力构件为部分预应力构件，预应力度大于等于1的预应力构件为全预应力构件。
1.1.4预应力损失的基本概念
我们对预应力钢筋进行张拉，但是并不是我们张拉时施加的力都能够保持下来，形成对混凝土产生的预加应力，其中相当大的部分都因为各种各样的原因被释放掉了，这些消耗掉的部分我们称之为预应力损失。
a．第一批预应力损失
第一批预应力损失是指在预应力构件施工过程中就产生的预应力损失，包括锚具变形和混凝土内缩损失、孔道摩擦损失、加热养护由于温差引起的损失等。
锚具变形和钢筋内缩损失是在锚具锚固、张拉机具放张后，由于锚具在受压后产生压应变产生的损失；钢筋与夹片及夹具与锚环之间产生滑移产生的损失；锚具各零件之间和锚具与混凝土之间的间隙被压缩产生的张拉应力损失。
为了减少这部分损失，锚具应选用高硬度的材料，施工中应尽可能将夹片顶紧和减小各零件之间的间隙。
孔道摩擦损失是指由于预留孔道和预应力钢筋之间摩擦力的影响，使钢筋的张拉应力随着到张拉端的距离增大而变小，这样在远离张拉端位置钢筋的实际拉力要比张拉端的位置要小一些，这个差值就是孔道摩擦损失。
为了减小这部分损失，应尽可能保持预留孔道的光滑。
在工厂预制先张预应力构件时，有时具有加热养护的条件。
这时一般的施工程序是在没有进行加热的条件下先对预应力钢筋进行张拉，进行混凝土浇筑成形，然后将成形后的构件连同预应力钢筋一起进行加热养护，待混凝土强度达到规定要求后，将与混凝土粘结在一起的预应力钢筋剪断放张，形成成品构件。
这个过程中，在构件进行加热养护时，混凝土还没有强度，预应力钢筋和混凝土之间的粘结力为零，而在冷环境下张拉过的钢筋在受热后将产生温度变形而伸长，这样有一部分张拉的弹性伸长量就被温度伸长所替代，使钢筋的弹性伸长相应变小，而由于混凝土和钢材的温度伸长率很接近，当构件降温后混凝土和钢材将粘结在一起一同回缩，那么被温度伸长所替代的弹性伸长将不会再恢复，这样实际由弹性伸长回缩产生的预应力就变小了，这样产生的预应力损失我们称之为加热养护由温差引起的损失。
这部分损失在我们经常施工的现场浇筑的预应力混凝土构件当中是不存在的。
b．第二批预应力损失
第二批预应力损失是构件制作完成后，在使用过程中随着时间的推移产生预应力损失，包括钢筋应力松弛损失、混凝土收缩徐变损失、螺旋和环形配筋的环形预应力构件由于局部混凝土的挤压产生预应力损失等。
减少第二批预应力损失的措施一般是在材料选用及材料质量方面采取措施。
1.1.5预应力构件的主要控制指标
在预应力构件的设计过程中主要考虑的技术指标为构件的强度、裂缝、变形和结构的预应力度。
这些技术指标最终体现在预应力钢筋强度、数量、锚具的选择、预应力钢筋的布筋形状和钢筋的张拉控制应力等，所有这些都是实现设计意图的必要保证，缺一不可。
因此在进行预应力结构的施工过程中，必须做到进场材料的质量检验、准确铺设预应力钢筋和严格按照设计要求的张拉控制应力对预应力钢筋进行张拉，对于有粘结预应力钢筋还要对预留孔道进行灌浆。
预应力钢筋的张拉机具多采用油压千斤顶和与之配套的油泵。
在张拉时是通过油泵的油压显示来控制施加到预应力钢筋上的拉（压）力的。
而每一套机具在相同油压下施加拉力是不同的，为了保证张拉控制应力的实现，在张拉之前必须对张拉机具的拉力——油压对应关系进行标定，并根据标定值进行张拉油压控制。
在预应力张拉施工之前，还应根据钢筋的长度、曲线的形状和张拉控制应力换算出钢筋的预期伸长值，并在施工过程中进行测量。
在施工中一般以表压值作为主要的控制指标，以计算预期的钢筋伸长值作为校验指标。
通过钢筋伸长值的测量可以判断孔道内钢筋的变形是否均匀，和有无孔道堵塞现象。
1.1.6预应力钢筋在构件中的作用
A、利用预应力钢筋的回缩弹性在构件中产生预压应力。
B、利用钢筋布置的形状给构件产生与外荷载相平衡的方向荷载。
C、利用预应力钢筋抵抗外荷载产生的荷载效应。
1.1.7施加预应力的方法
A、采用张拉钢筋的方式施加预应力。
B、采用给钢筋加温的方式施加预应力。
C、利用其它使钢筋产生变形的办法施加预应力。
1.1.8常见预应力混凝土构件
就混凝土结构而言，在实际工程中常见的预应力构件有预应力混凝土梁、预应力混凝土板、预应力混凝土屋架、预应力特种结构（如环形预应力混凝土水池等）。
另外还有预应力混凝土大偏心柱、边坡处理中的锚拉桩等。
所有这些构件都包括预制预应力构件和现浇预应力构件两种。
1.1.9常见的预应力钢筋布筋形式
由于各种预应力构件的工作状态不同，构件中的预应力钢筋的布置形式有所不同。
常见的预应力钢筋的布筋形式有直线形、折线形和曲线形等。
所有这些布筋形式的选用原则是将预应力钢筋布置在构件的受拉部位，并考虑预应力钢筋在构件中产生的应力与荷载产生的应力方向相反。
直线形常用于抗拉构件，如：
锚拉桩、屋架的下弦拉杆等；也可用于单跨的抗弯构件，如：
单跨简支梁、单跨简支板等。
折线形常用于作用有较大集中荷载的单跨简支梁等。
折线形钢筋在转折处应做弧形转折。
曲线形常用于连续梁、框架梁、框架柱和预应力特种结构等。
1.2预应力结构和非预应力结构在施工中差别
1.2.1钢筋的差别
预应力钢筋一般采用高强低松弛的钢材，可以是钢筋或钢丝的形式，也可以是将钢丝编成钢绞线的形式。
预应力结构中钢筋的强度一般都比普通预应力构件中钢筋的强度高。
1.2.2预应力钢筋铺设方法的特点
a．由于预应力钢筋多采用钢丝或由钢丝变成的钢绞线，柔性比较大，因此在铺设时需要有较多的固定措施。
b．后张有粘结预应力结构中的钢绞线需要铺设在预留的孔道当中，以便在混凝土浇筑完成后进行预应力的施加。
1.2.3预应力构件施工要求的特点
a．预应力钢筋的定位必须准确，这种定位包括竖向和横向两个方向上的定位。
b．预应力钢筋相配套的部件必须安装牢靠。
波纹管和通气管必须保证其完整性和密闭性，锚垫板必须和所连接的预应力钢筋垂直。
c．预应力构件在混凝土振捣过程中必须注意不得使预应力钢筋或波纹管及其配件移位。
不得损伤波纹管和无粘结预应力钢筋的塑料包裹层。
必须更加强调混凝土的密实性，尤其是张拉端附近的混凝土由于钢筋较多，更应注意保证混凝土的密实性。
为了保证预应力钢筋的及时张拉，应多留一些试块用于混凝土强度的中间检测。
1.2.4拆模问题
根据预应力混凝土的特点，在预应力钢筋张拉之前构件的承载能力较低，因此构件的竖向支撑模板在预应力钢筋张拉之前不得拆除；而为了减少模板对预应力构件侧向变形的限制，在预应力钢筋张拉之前应将构件的侧模拆除。
因此，预应力构件一般都会有二次拆模的问题。
1.3预应力结构的图纸及有关的计算
1.3.1预应力结构的施工图纸
除了与非预应力结构相同的结构布置、梁柱配筋图以外，作为非预应力结构特有的图纸包括预应力钢筋曲线图、预应力有关节点构造图和有关的设计说明。
在结构布置图中，预应力构件编号的第一个字符一般为字母“Y”。
预应力钢筋曲线图中一般包括曲线预应力钢筋的坐标。
预应力设计说明中一般包括预应力的施工要求：
如预应力钢筋及锚具的选型、预应力钢筋的张拉控制应力、灌浆封锚等有关材料要求、预应力张拉时要求的混凝土强度及其它有关注意事项。
1.3.2预应力钢筋伸长值的估算
由于有孔道摩擦损失，预应力钢筋在混凝土构件中各个截面处的应力是不同的，在利用预应力钢筋弹性应力应变关系进行伸长值的计算中必须考虑计算范围内钢筋应力的变化情况。
对于直线孔道预应力钢筋由于孔道摩擦损失较小，可以忽略钢筋应力变化的影响，直接按公式△L=Fj×L/（Ap×Es）进行计算
其中，Fj——预应力钢筋张拉端的拉力。
L——计算范围内预应力钢筋的长度。
Es——预应力钢筋的弹性模量。
Ap——预应力钢筋的截面面积。
对于曲线孔道预应力钢筋，则必须考虑钢筋应力变化的影响。
如果精确的考虑钢筋应力的变化来计算钢筋伸长值，应该采用随着应力的变化沿钢筋全长进行积分的办法计算。
但由于孔道摩擦力计算是一种概率统计基础上的计算，计算值与实际值之间还是有误差的，从而带来伸长值计算的误差。
因此在工程使用中一般可以采用考虑孔道摩擦的近似计算办法，计算公式为△L=Fp×Lt/（Ap×Es）。
其中，Fp——各截面预应力钢筋拉力的平均值。
Fp=Fj×（1-（（κLt+μθ）/2））
θ——从张拉端到计算截面曲线孔道部分切线夹角的弧度值。
Lt——预应力钢筋的计算长度。
对于多曲线段或由直线段和曲线段组成的曲线应分段进行计算，然后进行叠加。
第二章预应力结构的材料与检验
2.1预应力钢筋
2.1.1预应力结构对钢筋的要求
1、要有高强度。
只有高强度的钢筋才能对混凝土施加较大的预应力，同时可以充分发挥由于施加了预应力混凝土受压区延缓出现带来的结构承载能力的提高。
2、要求有较好的延性。
预应力钢筋是构件中的主要承力件，没有足够的延性将使结构构呈现脆性破坏。
3、与混凝土有较好的粘结性（无粘结预应力结构除外）。
混凝土与预应力钢筋的有效粘结，可以保证钢筋和混凝土更好地共同工作。
2.1.2增加钢筋强度的方法
1．改变钢筋的化学成份。
即炼钢法，在铁中增加碳的含量可大大提高其强度，但大于一定范围将影响其塑性，故在预应力钢筋的化学成分中一般不大于0.8，其它如Si、Mn、Cr、NI、及V等都可明显改善钢的性能。
2．改变钢的内部全部组织，即热处理方法。
当钢铁的化学成分一定以后，它的全相组织对强度、塑性等性能影响也很大。
因而采用合理的热处理方法即可改善性能，在预应力钢筋中油淬火、回火钢丝应用就很广。
3．冷强化法。
冷作变形能够改变钢材的晶格位置，形成错位，因而形成材料中的内应力。
这种内应力也可改变材料的性能，我们大量的使用冷拉钢丝，钢绞线等都是经过冷拉强化后的材料拉应力越大，强度提高越多，但延性越低。
综合应用以上三种方法，选用最经济同时最优化的组合就制成了我们现在常用的预应力钢筋。
2.1.3常用的预应力钢筋性能及检验
一、消除应力钢丝与冷拉钢丝的力学性能及尺寸允许偏差。
1、性能的尺寸偏差见表2.1、２.2、２.3。
2、冷拉钢丝代号RCD；消除应力代号S；消除应力刻痕代号SI；消除应力螺旋钢丝代号SH。
3、对于钢丝的检查分自检与复检两种。
自检应检查钢丝直径是否在符合表2.1规定；钢丝表面不应有裂纹、小刺、机械损伤、氧化铁皮和油污。
消除应力钢丝取弦长1m的钢丝，其自然矢高不大于20mm。
复检应由有资格的检测单位进行。
复检项目有抗拉强度（σb）、规定非比例伸长应力（σ2）及伸长率三项。
弯曲及松驰不要求复检。
特性：
表面的冷拉钢丝一般不采用。
施工中如遇此种钢丝要特别小心，因其伸长值只有2％，属脆性材料。
表2.1钢丝尺寸及允许偏差
钢丝公称直径•mm
直径允许偏差•mm
横截面积•mm2
每米理论重量•kg/m
3.00
±0.04
7.07
0.055
4.00
12.57
0.099
5.00
±0.05
19.63
0.154
6.00
28.27
0.222
7.00
±0.05
38.48
0.302
8.00
50.26
0.394
9.00
63.62
0.499
注：
计算钢丝理论重量时钢的密度为7.85g/cm3。
表2.2消除应力钢丝的力学性能
公称直径mm
抗拉
强度σb
Mpa
不小于
规定非比例伸长应力σb
Mpa
不小于
伸长率
（L0=100mm）%
不小于
弯曲次数
松驰
次数/180o不小于
弯曲半径
mm
初始应力相当于公称抗拉强度的百分数％
1000h应力损失，％
不大于
Ⅰ级松驰
Ⅱ级松驰
4.00
1470
1570
1670
1770
1250
1330
1410
1500
4
3
10
60
70
80
4.5
8
12
1.0
2.5
4.5
5.00
4
15
6.00
1570
1670
1330
1420
700
1470
1570
1250
1330
20
8.00
9.00
25
注:
1．Ⅰ级松驰即普通松驰Ⅱ级松驰即低松驰它们分别适用所有钢丝。
2．屈服强度σp0.2值不小于公称抗拉强度的85％。
3．如需镦头锚固，订货合同中应注明要求条件。
二、预应力混凝土用钢绞线
1、钢绞线尺寸允许偏差及拉伸性能见表2.4、2.5、2.6。
无粘结预应力筋的规格分性能见表2.7。
表2.41x3结构钢绞线尺寸及允许偏差
钢绞线结构
公称直径·mm
钢绞线
测量尺寸
mm
钢绞线测量尺寸允许偏差mm
钢绞线
公称截面积
mm2
每1000mm的绞线理论重量
kg
绞线
钢丝
1X3
10.80
5.00
9.33
+0.30
59.3
465
12.90
6.00
11.20
-0.15
85.4
671
表2.51x7结构钢绞线尺寸及允许偏差
钢绞线结构
公称直径
mm
直径允许偏差mm
钢绞线
公称截面积
mm2
每1000mm的绞线理论重量
kg
中心钢丝直径加大范围不不于，％
1Х7标准型
9.50
+0.30
-0.15
54.8
432
2.0
11.10
74.2
580
12.70
-0.40
-0.20
98.7
774
15.20
139
1101
1Х7模拔型
12.70
112
890
15.20
165
1295
表2.6钢绞线尺寸及拉伸性能
钢绞线结构
钢绞线
公称直径
mm
强度级别Mpa
整根钢绞线的最大负荷
kN
屈服负荷
kN
伸长率
％
1000h松驰率，％不大于
Ⅰ级松驰
Ⅱ级松驰
初始负荷
不小于
70％公称最大负荷
80％公称最大负荷
70％公称最大负荷
80％公称最大负荷
1Х3
10.80
1720
102
86.7
3.5
8.0
12
2.5
4.5
12.90
147
125
1Х7
标准型
9.50
1860
102
86.6
11.10
1860
138
117
12.70
1860
184
156
15.20
1720
239
203
1860
259
220
模拔型
12.70
1860
209
178
15.20
1820
300
255
注：
1．Ⅰ级松驰即普通松驰级，Ⅱ级松驰即低松驰级，它们分别适用所有钢绞线。
2．屈服负荷不小于整根钢绞线公称最大负荷的85％。
表2.7无粘结预应力金的规格与性能
项目
规格和性能
碳素钢丝束7Ф5
钢绞线
1X7－Ф12.0
1X7－Ф15.0
1000h松驰值,%
（初始负荷为70%破断负荷）不大于
Ⅰ级松驰
8.0
8.0
8.0
Ⅱ级松驰
2.5
2.5
2.5
截面积，mm2
137.41
89.45
139.98
重量,kg／m
1.08
0.7
防府润滑脂重量·g/m大于
50
43
50
高密度聚乙稀护套厚度·mm
0.8～1.2
0.8～1.2
0.8～1.2
摩擦试验：
无粘结预应力筋与壁之间的摩擦系数
考虑无粘结预应力筋壁每米长度局部
偏差对摩擦的影响系数
0.1
0.0035
0.12
0.001
0.12
钢材的抗拉强度σb,也服强度.σ0.2及伸长率与表2.6规格相同.
2、自检时有粘结钢绞的钢丝表面不仅有裂纹、小刺、机械损伤、皮坑及油污。
无粘结钢绞线护套不得有破裂和明显折皱。
复检按表2.6检查σb、σ0.2及伸长率。
三、预应力混凝土用热处理钢筋（包括螺纹钢筋与光圆钢筋）
1、该钢筋是热轧后淬火和回火的调质处理钢筋，其规格、化学成份和机械性能见表2.8、表2.9。
表2.8钢号的化学成分
牌号
化学成分
C
Si
Mn
Cr
P
S
不大于
40Si2Mn
0.36-0.45
1.40-1.90
0.80-1.20
－
0.045
0.045
48Si2Mn
0.44-0.53
1.40-1.90
0.80-1.20
－
0.045
0.045
45Si2Cr
0.41-0.51
1.55-1.95
0.40-0.70
0.30-0.60
0.045
0.045
表2.9
公称直径
Mm
牌号
屈服强度σ0.2
kgf/mm2
（N/mm2）
抗拉强度σb
kgf/mm2
（N/mm2）
伸长率δ10
%
松驰
不小于
不大于
6
40Si2Mn
135
（1325）
150
（1470）
6
初始栽荷
70%σb
3.5
8.2
48Si2Mn
10
45Si2Cr
注；括号中的单位及数值系国际单位制（SI）。
2、其标记代号为：
RB150－8.2－GB4463－1984
其中RB为代号，150指强度级别，8.2表示公称直径，GB4463－1984是生产标准。
3、自检不可有肉眼可见的裂纹、结疤、折叠，表面不得有油污等影响使用的缺陷。
复检只检验屈服强度σ0.2、抗拉强度σb及伸长率。
4．以上三种预应力钢筋均不得电焊或气焊。
复检中每个工程应取样一支检验，如不合格该盘应退货，再取两盘从中各取一支检验，如再有不合格时，应与供方协商整批做退货处理。
2.2混凝土
2.2.1混凝土的性能
混凝土是预应力构件的重要组成。
它是由水泥、水、沙子和石子等原料搅拌后入模浇筑，并经养护硬化做成的人工石材。
混凝土按《规范》规定分12个强度等级，它们的机械性能由下表列出：
表2.10混凝土的性能
强度类别
符号
混凝土强度级别
C7.5
C10
C15
C20
C25
C30
C35
C40
C45
C50
C55
C60
轴心抗压
fck
5
6.7
10
13.5
17
20
23.5
27
29.5
32
34
36
弯曲抗压
fcmk
5.5
7.5
11
15
18.5
22
26
29.5
32.5
35
37.5
39.5
抗拉
ftk
0.75
0.9
1.2
1.5
1.75
2
2.25
2.45
2.6
2.75
2.85
2.95
轴心抗压设计值
fc
3.7
5
7.5
10
12.5
15
17.5
19.5
21.5
23.5
25
26.5
弯曲抗压设计值
fcm
4.1
5.5
8.5
11
13.5
16.5
19
21.5
23.5
26
2
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