《结构设计原理》叶见曙预应力混凝土结构的基本概念及其材料详解47页PPT

特点
预应力混凝土具有高强度、高刚度、 良好的耐久性和稳定性等特点，广泛 应用于桥梁、高层建筑、大跨度结构 等工程领域。
发展历程与现状
发展历程
预应力混凝土技术自20世纪初开始 发展，经历了早期的张拉工艺、现代 的锚固技术等阶段，技术不断完善。
现状
预应力混凝土已成为现代混凝土结构 中的重要组成部分，不断有新的预应 力混凝土技术涌现，如体外预应力混 凝土、智能预应力混凝土等。
预应力混凝土的受力原理主要基于钢筋的预应力作用，通过 在混凝土结构中施加预应力，使结构在承受外部荷载之前就 具有一定的压应力。这种预压应力可以抵消外部荷载产生的 拉应力，从而提高结构的承载能力和抗裂性能。
预应力混凝土结构的设计思路是在普通混凝土结构的基础上 ，通过施加预应力来改善结构的受力性能，提高结构的承载 力和延性。预应力混凝土结构在桥梁、高层建筑、大跨度结 构等领域得到广泛应用。
耐久性
结构应具有足够的耐久性，以 应对自然环境和使用环境的影
响。
结构分析方法
静力分析
通过平衡条件求解结构的内力和变形。 适用于大多数结构在静力作用下的分 析。
动力分析
考虑结构在动力作用下的响应，如地 震、风载等。适用于需要分析结构动 力特性的情况。
稳定性分析
研究结构在各种外力作用下保持平衡 状态的能力。对于大跨度结构和高层 建筑尤为重要。
03
锚具和连接器
锚具和连接器是预应力混凝土结构中用于固定预应力筋的关键部件，应
具有足够的承载能力和可靠性。其质量应符合相关标准，并经过严格的
质量检测和认证。
04
预应力混凝土结构形式与构造要求
预应力混凝土结构的常见形式
预应力梁
预应力平板
采用预应力筋对梁进行预压， 以提高梁的承载力和抗裂性， 常用于楼板、屋面等跨度较 大的结构。

总论
钢管混凝土 （Concrete Filled Steel Tube）
参考书目： 《钢管混凝土结构：理论与实践》第2版， 韩林海著，科学出版社，2019 《钢管混凝土结构的计算与应用》，蔡 绍怀编著，中国建筑工业出版社，1989
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总论
钢骨混凝土（Steel Reinforced Concrete） （Encased Concrete）
总论
本课程的指导思想： 注重建立工程概念 注重培养综合能力 注重提炼科学知识 注重激发创新意识 从理论转向实际，从简单转向综合 理论分析与工程概念相结合 科学方法与工程创新相结合 培养土木工程师的基本素质
如何学好本课程
目的 Aims 概念 Concept 模型 Model 综合 Synthetic
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总论
FRP-混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete）
总论
FRP-混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete）
总论
FRP-混凝土（Fiber Reinforced Polymer Concrete）
CFRP 壳 混凝土主 梁
钢筋、钢管、钢骨等，作为主要承重材料 的结构。
素混凝土结构
钢骨混凝土结构
钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构
FRP-混凝土结构 纤维混凝土结构
钢管混凝土结构
钢-混凝土结构
总论
素混凝土结构 （Plain Concrete Structures）
以普通混凝土材料制作的结构。 主要用于承受压力而不承受拉力的结 构，如重力堤坝、支墩、基础、挡土 墙、地坪、水泥混凝土路面、飞机场 跑道及砌块等。
（Prestressed Concrete Structures）

前景
随着交通基础设施建设的不断推进和桥梁设计理论的不断完善，大跨度桥梁的建设需求将不断增加。预应力混凝 土作为一种高性能材料，将在未来大跨度桥梁建设中发挥更大的作用，如超大跨度桥梁的建设、新型桥梁结构形 式的探索等。
海洋工程结构中应用现状及前景
现状
海洋工程结构长期处于恶劣的海洋环境中，对结构的耐久性和安全性要求极高。预应力混凝土在海洋 工程结构中具有广泛的应用前景，如海上风力发电基础、海洋石油平台、跨海大桥等。
发展历程
预应力混凝土技术起源于法国，20世 纪初开始应用于桥梁建设，后逐渐扩 展到建筑、水利等领域，成为现代土 木工程的重要分支。
预应力原理及作用机制
原理
通过在混凝土受拉区预先施加压应力，使得混凝土在使用阶段产生拉应力时， 能够抵消或部分抵消外荷载产生的拉应力，从而提高结构的承载能力和变形性 能。
未来发展趋势预测和展望
发展趋势预测
数字化与智能化技术的应用：探讨数字化与智能化技术 在预应力混凝土工程设计、施工及运维中的应用及发展 趋势。
提高工程质量和效率：提出通过改进设计方法、优化施 工工艺等措施，进一步提高预应力混凝土工程的质量和 效率。
新型材料的研发与应用：预测未来新型预应力混凝土材 料的研发方向及其在工程中的应用前景。
补偿方法
为减小预应力损失对结构性能的影响，可以采取以下补偿措 施：增加张拉控制应力、采用低松弛钢绞线、加强锚固措施 、采用后张法施工等。同时，在设计和施工过程中，应对预 应力损失进行充分估计和合理控制。
02
材料与构件特性分析
高性能混凝土材料特性
高强度
高性能混凝土具有较高的抗压 、抗拉和抗折强度，能够满足 大跨度、重载等复杂结构的需
验收程序

σ ε s= sEs (0≤εs≤εy) σ σ s= y (εs＞εy)
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压区混凝土等效矩形应力图形
保持压应力合力C的大小及其作用位置yc不变条
件下，用等效矩形的混凝土压应力图（图3-17d） 来替换实际的混凝土压应力分布图形（图3-17c） 取 γ0σ0=fcd (抗压设计强度)，得到简化的应力分 布图形
实际设计中可分为两类计算问题 1）截面设计 2）截面复核
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1）截面设计
已知弯矩计算值M，混凝土和钢筋材料级别， 截面尺寸b×h，求钢筋面积As。
1）假设as(钢筋截面重心至梁截面受拉边缘距离)，
然后计算有效高度h0： h0=h-as。设as，对于梁，可 设as≈40mm（布置一层钢筋时）或65mm（布置 两层钢筋时）。对于板，设as为30mm或40mm。
3.2 受弯构件正截面受力过程和破坏形态
正截面受弯界限破坏
① 适筋梁 ② 超筋梁 ③ 少筋梁
超筋梁与适筋梁之间
的界限破坏：钢筋达
到屈服的同时受压区
混凝土达到极限压应
变
max
适筋梁与少筋梁之间界限破坏：控制最小配筋率
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min
受弯构件正截面破坏形态（续）
三种破坏形态的 意弯矩图-曲率图
基本公式及适用条件
fcdbx fsd As (3 13)
0M d
Mu
fcdbx(h0
x) 2
(3 14)
0M d
Mu
fsd As (h0
x) 2
(3 15)
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基本公式及适用条件
适用条件 (适用于适筋梁 ) • （1）不是超筋梁 • （2）不是少筋梁

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§12-2 预加应力的方法与设备
张拉端锚固
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§12-2 预加应力的方法与设备
绑扎普通钢筋、模板安装
2020/10/28
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§12-2 预加应力的方法与设备
绑扎普通钢筋、模板安装
2020/10/28
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§12-2 预加应力的方法与设备
浇筑底板混凝土
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§12-2 预加应力的方法与设备
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§12-2 预加应力的方法与设备
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§12-2 预加应力的方法与设备
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§12-2 预加应力的方法与设备
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§12-2 预加应力的方法与设备
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§12-2 预加应力的方法与设备
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§12-2 预加应力的方法与设备
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§12-2 预加应力的方法与设备 工作原理 通过锚具来传递和保持预应力。
特点 适用性较大； 工艺复杂； 锚具耗用量较多。
8
8
截面应力： qW M33000 01 003 00 010M 0 Pa
在预加力作用下：
截面应力：
pc
N A
Ne W
30013030013050 0 200300 300000010MPa
在均布荷载和预加力共同作用下：
截面应力： qp N AW N eW M0 1 01 1 0 010 M 0 Pa
支模、浇砼并 养护

12
12.2 预加应力的方法与设备
预加应力的主要方法 1）先张法 ——先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。
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
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放张（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。
图12-9 压花锚具
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（6）连接器
钢绞线束N1锚固后，用来再连接钢绞线束N2 的，称为锚 头连接器（图12-10a）；当两段未张拉的钢绞线束N1 、 N2需 直接接长时，则可采用接长连接器（图12-10b）。
图12-10 连接器构造

a）锚头连接器 b）接长连接器
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12.2.4 预加应力的其他设备
徐变应变与弹性应变的比 例系数，一般称为徐变系 数（亦称徐变特征值）
c e
徐变应变值
（12-1）
加载（ σc 作用）时的弹 性应变（即急变）值
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《公路桥规》建议的徐变系数计算式为
t,t0 0 c t t0
（12-2）
计算考虑时刻的混 凝土龄期（d）
加载时的混凝土龄期（d）
1）制孔器 （1）抽拔橡胶管。在钢丝网胶管内事先穿入钢筋（称 芯棒），再将胶管（连同芯棒一起）放入模板内，待浇筑混 凝土达到一定强度后，抽去芯棒，再拔出胶管，则预留孔道 形成。 （2）螺旋金属波纹管（简称波纹管）。在浇筑混凝土 之前，将波纹管按预应力钢筋设计位置，绑扎于与箍筋焊连 的钢筋托架上，再浇筑混凝土，结硬后即可形成穿束的孔道。 由聚丙烯或高密度聚乙烯制成的塑料波纹管制孔器。

定义
预应力混凝土是一种在混凝土浇筑前或浇筑过程中，通过张拉钢筋 或钢束对混凝土预先施加压力，以改善其受力性能的结构形式。
特点
具有较高的抗裂性、刚度和耐久性，能有效控制裂缝的开展和宽度， 提高结构的承载能力和使用寿命。
预应力原理及作用机制
原理
通过在混凝土中引入预压应力，使混 凝土在承受外荷载之前已经处于受压 状态，从而提高其抗裂性和承载能力。
应用领域
预应力混凝土广泛应用于桥梁、高层建筑、水利工程、海洋工程等需要承受大 荷载和严酷环境的结构中。
国内外发展现状与趋势
发展现状
预应力混凝土技术在国内外得到了广泛应用和深入研究，形成了完善的理论体系和 施工工艺。
发展趋势
随着新材料、新工艺和计算机技术的发展，预应力混凝土技术将朝着更高强度、更 轻量化、更耐久性和更环保的方向发展。同时，智能化施工和监测技术也将得到更 广泛的应用。
80%
安全管理
建立结构安全管理制度，对结构进 行安全评估，确保结构在使用过程 中的安全性。
损伤诊断技术应用
无损检测技术
应用无损检测技术对预应力混 凝土结构进行检测，如超声检 测、射线检测等，确定结构的 损伤位置和程度。
结构健康监测技术
通过安装传感器等监测设备， 实时监测结构的变形、应力等 参数，评估结构的健康状况。
预应力混凝土ppt教学课件
目
CONTENCT
录
• 预应力混凝土基本概念与原理 • 预应力混凝土材料与性能要求 • 预应力混凝土设计方法与步骤 • 预应力混凝土施工工艺流程与技术
要点 • 预应力混凝土质量检测与验收标准 • 预应力混凝土结构维护与加固方法
01
预应力混凝土基本概念与原理

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12.2 预加应力的方法与设备
2）后张法——先浇筑构件混凝土，待混凝土结硬后，再张 拉预应力钢筋并锚固的方法。
在混凝土结硬后通过张拉预 应力筋并锚固而建立预加应力 的构件称为后张法预应力混凝 a） 土构件。
施工工艺不同，建立预应力 b) 的方法也不同，后张法是靠工 作锚具来传递和保持预加应力 的；先张法则是靠粘结力来传 c) 递并保持预加应力的。
钢丝镦头
预留孔道
锚杯
垫板 锚圈（螺帽） 锚杯 接千斤顶
锚圈（螺帽） 固定端
穿束方向 孔道长度L
钢丝镦头 压浆孔 预留孔道扩口
张拉端
图12-5 镦头锚锚具工作示意图
桥梁工程专业系列课程—结构设计原理
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12.2 预Байду номын сангаас应力的方法与设备 墩头锚具
桥梁工程专业系列课程—结构设计原理
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12.2 预加应力的方法与设备 冷铸镦头锚-HiAm锚（抗疲劳性能好，多用于斜拉索中）
桥梁工程专业系列课程—结构设计原理
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12.2 预加应力的方法与设备
（4）夹片锚具
夹片锚具体系主要作为锚固钢绞线之用。
①钢绞线夹片锚（1～55根Φs15.2mm， Φs12.7mm ）
工作锚夹板
铸铁喇叭管
锚板锥孔
螺旋筋
铸铁喇叭管
工作锚接片
钢绞线
Np
N con
波纹管
图12-7 夹片锚具配套示意图
桥梁工程专业系列课程—结构设计原理
桥梁工程专业系列课程—结构设计原理
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12.2 预加应力的方法与设备
（3）钢筋螺纹锚具
当采用高强粗钢筋（精轧螺纹钢筋Φ25mm，Φ32mm ）作 为预应力钢筋时，可采用螺纹锚具固定。

于锚杯上。锚杯的外缘车有螺
纹，穿束后，在固定端将锚圈
（螺帽）拧上，即可将钢束锚
固于梁端。在张拉端，则先将
与千斤顶连接的拉杆旋入锚杯
内进行张拉，待锚杯带动钢筋
或钢丝伸长到设计需要时，将
锚圈沿锚杯外的螺纹旋紧顶在
构件表面，再慢慢放松千斤顶，
退出拉杆，于是钢丝束的回缩
力就通过锚圈、垫板，传到梁
体混凝土上而获得锚固。
§12.1 概述
一、钢筋砼结构的缺点 ①需要带裂缝工作(使构件刚度下降，不能应用于不允许开 裂的结构中) 不开裂 t = 20～30MPa 影响耐久，功能！刚度！疲劳性！ ②无法充分发挥高强度钢筋及高标号混凝土的作用
与 max 对 应 的 t =200N/mm2 ， 而 高 强 钢 丝 可 达
必须针对荷载作用下可能产生的应力状态来施加预应力。
所需施加的预压应力Ｎy，不仅与荷载（或者说弯矩Ｍ）值的
大小有关，而且也与Ｎy的作用位置（即偏心距ｅ 的大小）
有关。
PPT课件
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配筋混凝土结构的分类：
全预应力混凝土 (full prestressed concrete structure)；
部分预应力混凝土 (partially prestressed concrete structure)
是生产大型预应力混凝土构件的主要方法。 预应力钢筋可按照需要布置成合理的曲线形。
PPT课件
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三、锚具与夹具 构件制作完后，能取下重复使用–––夹具
用于永久固定钢筋、作为构件的一部分 –––锚具
1、概念 锚具是在制作预应力混凝土构件时锚固预应力筋的
一种装置。
2、对锚具要求： （１）锚具受力安全可靠； （２）预应力损失小； （３）构造简单，制作方便，用钢量少，价格便宜； （４）施工设备简便，张拉锚固方便迅速。

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fu 0.2
a
0.2%
2、混凝土
①强度高 预应力混凝土只有采用较高强度 的混凝土，才能建立起较高的预压应力，并可 减少构件截面尺寸，减轻结构自重。对先张法 构件，采用较高强度的混凝土可以提高黏结强 度，对后张法构件，则可承受构件端部强大的 预压力；
②收缩、徐变小 这样可以减少由于收缩、 徐变引起的预应力损失；
第8页/共59页
工程实用阶段
法国的 弗莱西奈 E.Freyssinet 在 1928 年考虑混凝土收缩和徐变产生的损失 ，提 出预应力混凝土必须采用高强钢材和高强 混凝土 ，这是预应力混凝土在理论上关键 的突破
直到1939 年，E.Freyssinet 发明了短部 锚固用的锥形契等，在工艺上提供了切实 可行的方法， 使预应力结构得到工程应用 的真正推广
施工阶段：承载力计算；抗裂验算；应力验 算；局部受压验算。
裂缝控制验算：裂缝控制一般分为三级：一级： 不允许出现裂缝；二级：一般要求不出现裂缝； 三级：允许出现裂缝。
变形验算：荷载作用下的变形；预应力产生的 反拱估算。
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2、张拉控制应力
张拉控制应力是指张拉预应力钢筋时所控制的最大 应力值，其值为张拉设备所控制的总的张拉力除以预应力 钢筋面积得到的应力值。
螺旋肋钢丝
消除应力钢丝：钢丝经冷拔后，存在有较大的内应 力，一般都需要采用低温回火处理来消除内应力。 消除应力钢丝的比例极限、条件屈服强度和弹性模 量均比消除应力前有所提高，塑性也有所改善。
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1860MPa。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。