材料与预应力工艺

1、哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日1/532、材料与预应力工艺2.1 混凝土材料2.2 预应力钢材2.3 预应力张拉锚固体系2.4 预应力工艺及设备T型刚构体系在设计中不断改进，逐步与连续梁体系的优点相结合，而且，T型刚构的粗大桥墩已被薄壁的柔性桥墩所代替，逐步形成了采用柔性薄墩、墩梁固结的连续-刚构形式。这种体系上部结构仍具有连续梁的特点，在墩梁固结处仍具有T型刚构的特点。墩梁固结有利于悬臂施工，同时也避免了更换支座。它利用高墩的柔度来适应结构因预应力、混凝土收缩、徐变以及温度变化等引起的纵向变形。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工20

2、22年6月16日2/532.1 混凝土材料 预应力混凝土桥梁所用的基本材料包括混凝土和钢材两大类。 与普通钢筋混凝土结构不同的是，在预应力混凝土桥梁结构中，必须采用高强度的预应力钢材和与之相匹配的高标号混凝土，以充分发挥材料的作用，适应桥梁结构大跨、经济、美观的要求。 预应力混凝土桥梁对混凝土的基本要求是：高强度、低收缩徐变、缓凝早强、高弹性模量。这些指标一般可以通过采用高标号混凝土来获得。 我国现行公路桥规规定：公路桥梁预应力混凝土构件的混凝土强度等级不宜低于C40。目前国内预应力混凝土连续梁桥的混凝土强度等级一般为C40C60，取用C50者居多；国外大都用C50以上混凝土。 采用高标号混凝

3、土的主要原因是为了减少结构混凝土用量，减轻自重，与高强预应力钢材的级别相适应，并有效地减少由混凝土收缩徐变导致的应力损失。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日3/532.1.1 混凝土强度指标 混凝土是由水泥、石子、砂子、水和其它掺加剂混合组成的，由于水泥的标号、集料的性质、水灰比、混凝土龄期、试件的形状和尺寸、试验方法等均对混凝土的强度有所影响，所以混凝土的强度具有匀质性差、各向异性、强度变异性大和在不同受力状态下强度相差悬殊等缺点。因此，混凝土的各混凝土的各项强度指标是在大量实验基础上，用数理统计方法来确定项强度指标是在大量实验基础上，用数理统计方法来确

4、定。 反映混凝土强度的指标主要有立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、弯曲抗压强度及轴心抗拉强度。1、立方体抗压强度 立方体抗压强度即混凝土的强度等级C，它是反映混凝土强度的主要标志，它决定了混凝土的其它物理力学性能。 我国桥规规定的混凝土强度等级，是按边长为150mm的立方体，以标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度（MPa，fcu,k），并冠以C表示，如C30表示30级混凝土。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日4/53 在国际上，各国制订混凝土标号的标准并不统一，试件的形状、尺寸、制作、养护、强度试验方法及强度取用的保证率各不相同。1977年国际标准化

5、组织颁布的混凝土-按抗压强度的分级标准（ISO）建议，以混凝土的28天抗压强度来建立分级体系，标准试件采用150300mm的圆柱体或边长150mm的立方体，试件养护按国际标准ISO2736进行。 根据国际标准化组织ISO的TC71文件，标准圆柱体(150300mm)试件的抗压强度fc与边长为150mm或200mm的标准立方体试件的抗压强度fcu,150或fcu,200之间有以下的换算关系： 25，fc = 0.83 fcu,150 25，fc = 0.80 fcu,150 fcu,150 = 1.05 fcu,200哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日5/5

6、3 影响混凝土立方体抗压强度的主要因素有： （1）组成材料品种性质的影响 水泥和骨料的品种性质是混凝土组成结构和强度的主要影响因素。立方体强度随水泥标号和骨料强度的提高而提高。 （2）组成材料配比的影响 1）水灰比：随水灰比的减小而增大，反之亦然，因含水量大的稀水泥浆的粘着力较弱。 2）空气含量：随混凝土中空气含量的增大而减小。 3）水泥用量：水泥用量越多，强度越高。但增至一定量时，不仅不能提高强度，反而有害于某些使用性能，如增加收缩和徐变等。 4）骨料最大尺寸：大尺寸骨料增大了混凝土内非匀质性，使强度降低。 （3）混凝土龄期和环境的影响 随着龄期的增长而增加。增长的速度开始快，后来逐渐变慢，

7、经过二、三年后基本趋于稳定。在潮湿环境下比在干燥环境下增长得快；温度越高，强度越大。 （4）试验方法的影响 与试件的制作条件及试块形状、尺寸、加载速度有关，混凝土振捣越密实，强度越高；试块尺寸越小，强度越高；加载速度越快，强度越高。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日6/532、棱柱体抗压强度 在实际结构中，关键截面混凝土的受压状态接近于单向受压，所以采用棱柱体的抗压强度比立方体更能反映混凝土的实际抗压能力，它较接近于构件的实际使用状态。 棱柱体强度是用高宽比为34的棱柱体或圆柱体的混凝土试件，在轴心压力作用下的极限强度（fck）。我国采用的混凝土棱柱体试件

8、的尺寸为150 x150 x450mm。根据试验资料，fck与混凝土立方体抗压强度fcu,k之间有以下关系： fck = 0.88fcu,k与混凝土强度等级有关： 对C50及以下混凝土，取=0.76； C55C80混凝土，取=0.770.82。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日7/533、弯曲抗压强度 它是混凝土在受弯状态下，受压区混凝土破坏时的极限强度。因为弯曲受压应力不均匀，应力小的纤维对应力大的纤维有制约作用，因而提高了强度。参照以往的经验，弯曲抗压标准强度fwk与轴心抗压设计强度fcu,k可按下列经验公式计算：fwk = 1.25 fcu,k4、轴

9、心抗拉强度 混凝土轴心抗拉强度ftk是指混凝土试件在轴心拉伸下的极限强度，是混凝土的基本力学特征之一。混凝土是脆性材料，其抗拉强度虽然很低，但混凝土的抗拉性能对了解结构受力性能的表现是非常重要的，构件的抗裂性、剪力、扭矩、收缩应力、混凝土与钢筋间的粘结强度等计算均与ftk直接有关。 混凝土的抗拉强度通常通过立方体或圆柱体混凝土试件的劈裂试验来间接确定，它与标准立方体强度fcu,k的关系可按经验公式计算：ftk = 0.22 fcu,k 2/3哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日8/535、混凝土的疲劳强度 混凝土的疲劳强度是指混凝土在重复荷载作用下的极限强度

10、。当重复荷载到200万次时，混凝土的抗压耐疲劳强度只有原来的5060%。 混凝土的疲劳强度与许多因素有关，除了影响混凝土强度的一般因素外，还与下列因素有关： （1）与疲劳应力比值有关(=min/max)。越小，疲劳强度越小。 （2）与荷载重复的次数有关。重复次数越多，疲劳强度越低。 （3）与混凝土加载时的龄期有关。因数百万次的加载是在一个很长的时间内逐步完成的，在此期间混凝土的强度已发生很大的变化。这与在实验室用快速加载的疲劳试验过程有很大出入，这个因素是有利于疲劳强度计算的，当= 0.20.7时可作0.530.76的修正。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16

11、日9/532.1.2 混凝土的变形性能 混凝土的变形有两种：一种是非受力的变形，包括由混凝土收缩和膨胀引起的变形；另一种是受力变形，包括短期加载的变形和混凝土徐变变形。1、混凝土的收缩和膨胀 混凝土在结硬过程中，由于多余水分的蒸发将使混凝土的体积产生收缩。当将混凝土浸泡于水中时，混凝土将吸水膨胀。 对于一般工程结构，混凝土的收缩影响较膨胀大得多，且较为普遍。这两者的发生过程都与时间有关，在混凝土硬化初期较明显，以后逐渐缓慢，该过程可持续数年之久。混凝土的总收缩率约为(1.53.0)10-4，10天内约完成1/3，一个月内约完成1/2，与结构的含筋率有关，因构件内钢筋的存在限制了其收缩或膨胀。

12、收缩应变与混凝土中的应力条件无关。若受到约束，收缩的结果会在混凝土内引起拉应力而产生裂纹。收缩可引起构件的开裂、预应力损失等。 混凝土的收缩与许多因素有关，其中包括：水泥的品种性质及用量，骨料的物理性质，骨料的最大粒径，水质和用水量，浇注的密实度，养护方法和龄期，使用时所在环境的温湿条件，混凝土的体积与表面面积之比，外加剂的品种性质等。一般来说，水泥浆越多收缩越明显；水泥标号越高越大；砂石料质量越差越大；混凝土越密实越小；养护越好越小。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日10/532、短期加载的变形 由于混凝土是弹塑性材料，所以在外荷载作用下，其应力-应变关

13、系呈曲线变化，图为无侧限混凝土受压应力-应变关系的典型曲线。 混凝土的应力-应变曲线由上升段和下降段两部分组成。其表达式一般采用Hognestad提出的上升段为抛物线、下降段为直线的形式： 上升段： 下降段：式中，fc为圆柱体抗压强度，0为最大应力时的应变，一般取0.002；u为混凝土的极限压应变，一般取0.0033。 在短期荷载作用下，混凝土的总变形h由弹性变形1和塑性变形2两部分组成。在卸载后除弹性变形1立即恢复外，塑性变形2不能完全恢复。若等候相当长的时间，由于混凝土的弹性后效作用（1），塑性变形有所减小，但仍具有较大的塑性变形。 从图中看出，混凝土应力和应变之间并不存在线性关系，所以混

14、凝土的弹性模量不是常数，它随应力的增加而减小。对弹性模量常用其初始切线模量来表示，它是通过对棱柱体试件经过多次重复加载和卸载后得出的。0012(1)2ccf00(10.15)ccuf哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日11/533、混凝土徐变 徐变是荷载维持不变，而变形随时间的增加而增加的现象。具有下列特性： （1）徐变在加载初期发展很快，而后逐渐减慢，其延续时间可达数年。一般在加载的第一个月内完成全部徐变量的40%，三个月约完成60%，一年到一年半约完成80%，在35年内基本完成。混凝土徐变量的终值约为(6001600)10-6。 （2）在卸载时，有一部分

15、变形立即恢复，另一部分变形在相当长的时期内逐渐恢复，而有更大部分的塑性变形却永不恢复。 （3）徐变量与加载的应力大小有关，应力越大，徐变量越大。当应力小于(0.50.6)fcu,k时，应力与徐变呈近似的线性关系。 （4）徐变量与加载时混凝土的龄期有关。龄期越短，徐变量越大。 （5）徐变量与水灰比、水泥用量有关。水灰比大，水泥用量大，则徐变量大。 （6）徐变量与混凝土所用的骨料有关。骨料的弹性模量高则徐变量小。 （7）徐变量与施工条件有关。振捣密实和养护好的混凝土徐变量小。 徐变对预应力混凝土结构产生的影响较大，会引起预应力的损失和结构内力重分布。早期建造的预应力结构失败的主要原因就是没有掌握混

16、凝土的徐变规律。因此，在设计预应力混凝土结构时，要正确计算由于徐变引起的结构效应。在施工时，要从材料级配到生产工艺尽可能减少徐变发生的因素。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日12/53佳木斯松花江公路大桥松原市松花江公路大桥三股线高架桥哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日13/532.1.3 混凝土材料的耐久性 为使混凝土结构物长期正常工作，发挥其正常的使用功能，除要求硬化混凝土具有足够的强度外，还应在所处的自然环境及使用条件下具有相应的耐久性。混凝土材料的耐久性体现在以下几个方面： 1、抗渗透性 2、抗冻融性 3、抗碳

17、化性 4、抗碱集料反应哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日14/531、抗渗透性 渗透性是混凝土的一个综合指标，指气体、液体或者离子受压力、化学势或者电场的作用，在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。 混凝土渗透性与耐久性之间有着密切的关系，混凝土获得高耐久性与长寿命的关键是提高混凝土的抗渗性。例如，混凝土发生硫酸盐腐蚀的必要条件是有水及腐蚀离子进入混凝土内部；发生碱-集料反应需要有水分的参与；钢筋发生锈蚀破坏，需要有氯离子和氧离子作用去破坏钢筋惰性氧化铁薄膜或者CO2气体破坏混凝土的高碱性环境；碳化反应需要有CO2和水分的参与等。如果混凝土抗渗性高，水分及

18、有害离子渗透不到混凝土内部，就不致造成混凝土的损伤破坏。 混凝土强度等级越高，其内部结构越密实，抗渗透性越好；掺磨细粉煤灰，可显著改善混凝土的抗渗透性。骨料的粒径越大，抗渗透性越差；当水灰比大于0.50.6时，混凝土的抗渗透性急剧下降，当混凝土的抗渗透性要求较高时，水灰比不宜大于0.50.55。采用低水灰比可延长混凝土初始腐蚀的时间，使其毛细孔互不连通。孔越多和抗渗性越差的混凝土，其被腐蚀的初始时间就越短。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日15/532、抗冻融性 抗冻融性是指混凝土在水饱和状态下经受多次冻融循环作用而不破坏，同时也不产生严重强度降低的性能。

19、 在世界很多温度达到冰点的地区，混凝土中饱和水结冰造成的冻融侵蚀是混凝土性能劣化的最普遍的原因。混凝土孔隙至少有91.7%充满水，水结冰才产生内应力。在水形成冰的过程中，结冰产生的破坏性膨胀引起了混凝土性能的劣化，表现为浆体的碎裂、放射状裂纹、图案或地图状裂纹和胀崩等现象。混凝土厚板表面放射状裂纹是混凝土冻融侵蚀破坏最普通的形式之一，在寒冷气候中被水饱和的混凝土的冻融侵蚀最严重。 在混凝土中加入适量的引水剂，可以增强其抗冻融侵蚀能力，因此在寒冷气候下引气混凝土被用来提高抗冻融侵蚀能力。引气剂可使混凝土中产生大量均匀地分布于混凝土中的微小气泡，结冰时气泡能使未结冰水进入而使结冰产生的水压得以释放

20、。如果气泡占混凝土体积的1%，且气泡的大小合适，非结冰水能进入气泡，那么混凝土内的水结冰过程将不产生内应力。 为了降低寒冷气候对混凝土造成冻害，通常采用以下措施：避免采用吸水率高的集料、掺引气剂、相同施工性能下减少用水量、加强排水以免混凝土被水饱和、在混凝土泌水完成以前避免快速干燥、在混凝土的泌水散失后终饰、确保在首次冻融循环之前水泥已充分水化。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日16/533、抗碳化性 普通水泥在水化过程中产生大量的Ca(OH)2，因此在混凝土孔隙中充满了Ca(OH)2饱和溶液，钢筋在碱性介质中表面产生难融的Fe2O3、Fe3O4，这层保护

21、膜使钢筋难以生锈。混凝土硬化后，Ca(OH)2慢慢与空气中的CO2反应生成CaCO3，这样虽使表面混凝土的强度得到提高，但由于Ca(OH)2溶液浓度降低，使钢筋氧化膜破坏引起锈蚀，进而体积膨胀引起平行于钢筋的裂纹和周围混凝土的崩裂，这又加快了钢筋的锈蚀。这种现象称为混凝土的碳化。对碳化锈蚀最敏感的是暴露于雨水中的混凝土，特别是钢筋的保护层较薄或保护层质量低更易碳化。 混凝土的抗碳化性与混凝土的孔结构、水灰比大小、水泥及外加剂品种等因素有关。提高混凝土抗碳化性的措施有：提高混凝土的密实性，降低水灰比，掺优质减水剂，掺优质粉煤灰，加强养护等。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工20

22、22年6月16日17/534、抗碱集料反应 碱-集料反应俗称为混凝土的癌症，这是因为该反应一旦发生，混凝土将无法修复，整体结构功能将遭到破坏。在许多国家已经发现了由于碱-集料反应造成的开裂。 碱-硅反应是混凝土孔中的OH-离子与集料中的活性SiO2之间的反应。混凝土中的碱离子（指Na2O和K2O）主要由水泥引入，当集料中含有活性SiO2时，在有水的条件下，碱离子将和活性SiO2发生反应，生成一种具有强烈的吸水膨胀能力的含碱金属的硅凝胶，其形成和成长常常造成膨胀，这种膨胀所产生的应力，造成内部微裂缝甚至造成混凝土严重开裂（网状裂纹）。 受碱-集料反应影响最不利的混凝土是处于雨水或地下水中的混凝土

23、，水的存在是碱-集料反应的外部条件。碱-集料反应诱发的膨胀和开裂还取决于混凝土可获得的碱含量、活性硅含量、所受约束、存在的盐和龄期。混凝土中整体水化物的Ca/Si也是影响碱-集料反应发生的重要因素，因为低Ca/Si的C-S-H凝胶具有强烈吸附能力，可将混凝土中的游离态碱金属“固化”，使其失去参与碱-集料反应的能力。在其它条件相同下，高Ca/Si的混凝土比低Ca/Si的混凝土易于发生碱-集料反应，在混凝土中掺混合材可以抑制碱-集料反应的发生。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日18/53 在现代建筑中已经采用了一些方法以最大限度降低由于碱集料反应导致开裂的可能

24、性，如采用有良好工程实例的集料、检测集料活性、检测水泥-集料的膨胀、规定水泥碱含量、规定混凝土中碱含量或者用粉煤灰或矿渣取代部分高碱水泥等。 综上所述发生碱集料反应的两个根本的内因，是混凝土中要含有较多的碱金属离子以及集料中必须含有活性二氧化硅。因此，为了避免碱-集料反应，一般可采取以下技术路线： （1）采用非活性集料，如采用花岗岩质集料。 （2）采用低碱水泥和控制混凝土其它组分碱的引入。 （3）掺入混合材料。一般可选用粉煤灰或硅灰，混合材的掺入可以有效地降低水化物的Ca/Si，从而抑制碱-集料反应。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日19/532.2 预应

25、力钢材 预应力混凝土桥梁用的钢材就其使用状况可分为非预应力钢材和预应力钢材。前者与钢筋混凝土桥梁使用的钢材相同，不再赘述。 桥梁上使用的预应力钢材一直在朝着高强度、低松弛、大直径及耐腐蚀的方向发展。80年代中期以前，我国的预应力钢材的性能与国际上落后较多，近20年差距逐渐减小。但在对高强度、大直径、低松弛预应力钢材的具体使用上仍属于局部突破，没有形成普遍应用的状况。这一方面需要结合桥梁用预应力钢材的发展趋势加速改进其性能、研制新产品；另一方面设计者应充分认识高性能预应力钢材对结构所带来的好处，广泛使用，以改善结构设计状况。 下面分别从预应力钢材的要求、种类及力学性能等方面对预应力钢材加以介绍。

26、哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日20/53一、结构对预应力钢材的要求1、强度 PC桥梁结构中必须采用高强度钢材，这一方面是与高标号的混凝土材料相匹配，另一方面是由于存在着随时间而长期发展的混凝土收缩徐变现象，预应力钢材中的应力不断减小。为了得到较大的永存预应力，预应力钢材张拉时的应力必须超过各种因素造成的应力损失，而且超得越多，其应力损失率越小，经济效果也越高。 预应力钢材强度是决定混凝土构件承载力的重要因素，但并非强度越高越好。由于钢筋弹性模量变化不大，高强钢筋在高应力下受力往往引起构件过大的变形和裂缝。在预应力结构中，通过张拉钢筋并对混凝土施加预应力

27、，钢筋的高强度得以发挥，但同时带来了在混凝土中锚固的问题。受混凝土强度的制约，过高应力的钢筋锚固困难，强度也难以发挥。因而预应力钢丝、钢绞线可有较高的强度，但应有一定限度。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日21/532、延性性能 延性是变形的能力。为保证正常配筋的PC结构在破坏前有足够的预兆（明显的挠度或较大的裂缝），预应力钢材必须具有一定的延性性能。钢筋的延性通常用拉伸试验测得的伸长率来表示（5、10、100），以量测拉断钢筋断口区域的相对变形来计算。 影响延性的主要因素是钢筋的材质。热轧低碳钢筋强度虽低但延性最好。随着加入合金元素和碳当量加大，强度提高

28、但延性减小。对钢筋进行热处理和冷加工同样可提高强度，但降低了延性。冷加工后截面减少越多，延性损失也越多。目前国际上能满足延性要求的钢材极限强度为18002000MPa，强度太高则材质脆，不宜作PC钢材使用。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日22/533、锚固性能 锚固是混凝土结构中钢筋承载的基础，结构中的钢筋能够与混凝土共同受力，是因为与混凝土的粘结锚固作用。钢筋的锚固性能包括锚固刚度（制约滑移的能力）、锚固强度（锚固应力最大值）及锚固延性（滑移较大时维持锚固的能力）。 锚固作用是由胶结力、摩阻力和咬合力构成的，咬合力是锚固作用的主要部分。光面钢筋滑移大，

29、锚固强度低，在受力后期仅靠摩阻持力，因此锚固强度衰减快，延性很差。刻痕钢丝的锚固强度有所提高，但由于混凝土咬合齿太单薄，受力不大即被挤碎切断。旋扭状的钢绞线主要靠钢筋侧面旋角的挤压作用咬合，因其角度较小，故锚固刚度及强度均较带横肋钢筋低，但螺旋状的咬合齿是连续的，不会被切断，因此锚固延性很好，随着滑移加大，锚固应力相应提高。螺旋肋钢丝既有横肋挤压，同时混凝土咬合齿较宽大且为连续螺旋状，因此锚固刚度、强度和延性三方面都较好，是一种比较理想的钢筋外形。 钢筋的锚固性能在设计中表现为锚固长度，即钢筋能发挥设计强度所必须锚入混凝土的长度。锚固性能好的钢筋，其锚固长度可短一些，预应力的传递长度也相应缩短

30、。但过小的传递长度会造成构件端部应力集中，引起局部挤压裂缝。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日23/534、疲劳性能 预应力混凝土结构在反复荷载作用下，预应力筋的应力将出现波动，因此，要求预应力钢材有一定的抗疲劳性能。影响钢材抗疲劳性能的因素除荷载引起的上限应力和下限应力外，还与钢种的外形有关。一般地，表面平滑的钢筋抗疲劳性能好；经刻痕、扭转处理或带横肋的钢筋，在形状突变处容易应力集中而诱发疲劳破坏。5、耐久性 表面起伏较大的带肋钢筋对锈蚀的敏感程度，与其直径大小及是否预应力钢筋有关：直径越细，锈蚀削弱截面对抗力的影响越大；预应力钢筋因在高应力状态下承载受

31、力，锈蚀影响相对较大。因此，用于预应力结构的钢丝、钢绞线及冷加工钢筋的防锈问题应特别注意。我国近年开发的镀锌、环氧树脂涂层钢筋及包裹油脂和塑料套管的无粘结预应力钢绞线具有较好的防腐功能，可用于环境恶劣及对耐久性有较高要求的水工、港工、化工、市政工程的混凝土结构中。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日24/53二、预应力钢材的种类 目前桥梁上常用的预应力材料有以下三大类： （1）高强度钢丝； （2）高强钢绞线； （3）高强度粗钢筋。 基本上都采用后张预应力体系。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日25/53（一）高强度钢丝

32、高强度钢丝是用含碳量为0.71.4%的优质碳素钢盘条加热至850950C，再经500C600C的铅浴淬火，然后经过酸洗冷拔加工制成。若冷拉后对钢丝进行低温矫直回火(350C400C)处理，可消除钢丝在冷拔过程中产生的内应力，提高钢丝的屈服强度，改善其塑性，减小钢丝的松弛损失，解决钢丝的伸直问题。这种钢丝通常叫做消除应力钢丝。 将应力消除回火后的钢丝冷却至常温进行稳定处理，其松弛值将大大降低，仅为普通钢丝的1/41/3。工程中大量采用这种低松驰钢丝，其松驰率约23%。 除表面为光面的高强度钢丝外，还将钢丝表面刻痕（二面、三面）或做成月牙助（有、无纵肋）及螺旋肋的形状，以增加钢丝与混凝土的粘结锚固

33、性能。 高强度钢丝直径一般为38mm，并逐渐趋向于大直径，有的钢丝可达12 mm。近年常用的高强钢丝直径有5、7两种，标准强度一般在1570MPa以上。 高强度钢丝由于含有较多的碳元素，属于硬钢型，强度较高，但脆性较大，极限变形量较小，无明显屈服平台，实际主要用做主梁的纵向预应力束筋、缆索等。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日26/53（二）钢绞线 钢绞线是由多根高强度钢丝在绞线机上以一根直径稍粗的钢丝为轴心，其余钢丝顺一个方向均匀绞制而成。其规格有2股、3股、5股、7股、19股钢丝等，并多为由低松弛钢丝绞制而成的低松驰钢绞线。桥梁工程中常用的钢绞线是由7

34、股4或5的钢丝绞制而成，其外径分别为12.7mm和15.2mm。近几年钢绞线材料的主导产品是符合美国现行ASTM标准的l860MPa级的高强低松弛钢绞线。目前国内也有不少厂家生产这种低松弛钢绞线，质量达到国际标准，实际松弛率3。应注意，钢绞线的公称直径是其外接圆轮廓直径，不能用于计算截面面积，公称截面面积在标准中单独给出。 由于经绞制的钢丝呈螺旋形，故其弹性模量较单根钢丝为低，整根钢绞线的平均强度也比单根钢丝低。但由于钢丝呈螺旋形，增强了其锚固强度，与混凝土粘结良好，具有较好的锚固性能。 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日27/53 钢绞线具有截面集中和比

35、较柔软的特点，盘弯运输方便，可大大简化现场成束工艺，是一种较理想的预应力束筋。目前，在国内外使用高强度低松弛的钢绞线作为预应力筋已成为主要趋势，钢绞线在预应力筋中的用量已大大超过了高强钢丝和粗钢筋，尤其是7股钢绞线,已成为目前国际上应用最广的一种预应力钢材。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日28/53（三）高强度粗钢筋 高强度粗钢筋主要用在桥梁的箱梁腹板中，作为竖向预应力。目前用于桥梁预应力筋的粗钢筋主要有两种，即热处理钢筋和冷拉热轧钢筋。热处理钢筋是在普通中碳钢的基础上加入少量合金元素（一般总量不超过3%），以改善钢的机械性能。它是钢材在高于再结晶状态下

36、，用机械方法轧制成材的热轧钢筋，属于软钢型，具有良好的塑性和较好的冷弯性能，有明显的屈服平台。 鉴于目前生产的低合金钢的屈服强度都较低，而屈服强度与抗拉强度的比值却较大，为充分挖掘钢材潜力，使用前在低于再结晶温度状态下（室温），用卷扬机或千斤顶等设备将热轧钢筋进行张拉，使其应力超过屈服强度达到一定值，然后放松钢筋，这样的钢筋称为冷拉钢筋。经过冷拉后的钢筋，不仅提高了使用强度，可节约钢材，而且是一种非常有效的质量检验手段。但经过冷加工的钢筋，其冷弯性能降低，且延性损失较多。在桥梁中的使用尚无明确规定。 由于钢筋中含碳量和所加合金元素对低合金钢的焊接性能有一定影响，导致钢筋接长时焊接质量不稳定。为

37、此，可在钢筋端部冷轧螺纹，采用套筒进行接长；或者采用无纵肋的精轧螺纹钢筋，在其端部用螺纹套筒进行连接接长。目前我国常用的精轧螺纹钢筋有25和32mm两种规格。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日29/532.3 预应力张拉锚固体系 预应力结构成败的重要关键是在混凝土内部必须建立永久存在的预应力，而预应力混凝土构件在预制时需要采用锚夹具来保持预加力，使它在结构内产生必要的预应力。因此，锚夹具在预应力构件尤其是后张法构件的施工和使用过程中起着举足轻重的作用，是建立永存预应力的关键。由于自身结构和构造特征的制约，预应力混凝土桥梁绝大多数采用后张法施工。在桥梁施工时

38、，需要选用锚固性能良好、成本低廉、使用简便且又与桥梁施工工艺相适应的锚固体系。 我国在50年代开始发展预应力混凝土结构，但由于国外技术的专利与保密，我国在预应力锚固体系方面的研究与生产技术一直比较滞后。长期以来，以采用传统的1600MPa高强度碳素钢丝和与其配套的钢质锥形锚（即弗式锚具）为主，而钢绞线的锚夹具则依赖进口。 由于弗氏锚张拉吨位小，预应力损失较大，锚固效率低，预加力布束有时控制截面尺寸的选择，在很大程度上限制了我国大跨度预应力混凝土桥梁的发展。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日30/53 1984年，建设部将钢绞线预应力张拉锚固体系的研究列入科

39、学技术开发计划。1987年，中国建筑科学研究院率先研制群锚锚具成功，先后推出了XM与QM两种预应力体系，并投入生产。随后，YM体系与OVM体系等相继研制开发成功，我国的预应力张拉锚固技术得到了迅速发展，产品不断完善，已接近国际先进水平，极大地推动了我国预应力混凝土工程的发展。 后张法构件采用的锚具，按所锚预应力筋的不同，分为粗钢筋锚具、钢丝束锚具和钢绞线锚具三大类。各国根据本国的情况、配合使用的预应力筋和张拉吨位的大小，张拉设备和锚具都形成各种系列产品。这些系列产品各有专利，但差别不大，仅在规格上存在差异。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日31/53一、锥

40、形锚具 锥形锚具首先是由法国著名预应力结构学者弗莱西奈（Freyssinet）创制，故有时称为“F”氏锚。它由锚环、锚塞两部分组成，锚环及锚塞均采用45号钢制造。锚环为带有锥形内孔的圆环；锚塞的外锥面视被锚固钢材品种和规格的不同而制成环齿状或纵槽状，中间一般设有一个供锚固后灌浆的小孔。 锚具的工作原理是通过张拉预应力钢丝，顶压锚塞，把钢丝楔紧在锚环与锚塞之间，借助摩阻力传递张拉力。同时，利用钢丝的回缩带动锚塞向锚环内滑进，使钢丝进一步楔紧。 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日32/53 预应力张拉时采用的配套千斤顶是YZ系列双作用千斤顶或三作用千斤顶，其张

41、拉力为850kN，顶压力为390kN。预应力钢丝通过锚环后，采用长形楔块固定在千斤顶的四周，开动油泵对千斤顶加压。千斤顶的外筒就带动预应力筋一起后退，使预应力筋得到张拉。当达到要求张拉力后，开动中间的小千斤顶，对锚塞施压，将锚塞顶入锚环内，然后回油、退楔完成张拉工作。该千斤顶不能重复张拉，而且张拉行程受限。 1、楔块 2、钢丝 3、对中套 4、锚塞 5、锚环 锥形锚具主要用于锚固1230根直径为5mm、7mm的高强钢丝。通过采用带纵槽的锚塞，也可以锚固612根74或75的钢绞线，例如法国弗莱西奈公司的弗莱西奈多股钢绞线系列，用于锚固12根12.7mm和12根15.2mm的钢绞线。国内大多数锚具

42、生产厂家只生产锚固高强钢丝的锥形锚具。 锥形锚具的主要特点是锚具简单，使用成本低，锚环的直径较小，便于在构件上布置。其缺点是锚固时钢丝的回缩量较大，因此预应力损失较大，并且无法重复张拉和接长，不能用于长束。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日33/53二、镦头锚具 镦头锚具主要用于高强钢丝，也有应用于锚固直径较小的IV级、V级钢筋（12mm）或钢绞线。它分为张拉端锚具和固定端锚具两种。与镦头锚具配套的千斤顶为YC系列穿心式千斤顶，穿心杆一端配有能与锚杯内螺纹连接的工具杆与锚杯相连，另一端穿过千斤顶用螺帽锚于千斤顶后部。 镦头锚具的工作原理是，先将预应力筋逐一

43、穿过锚杯或锚板中比钢丝直径稍大的圆孔，利用镦头机将钢丝端头镦粗，使钢丝不能脱出，然后将千斤顶拉杆旋入锚杯内，进行张拉，待张拉达到设计要求时，将螺帽拧紧，再放松千斤顶，于是锚圈通过支承垫板将预压力传给构件。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日34/53 目前国内常用的镦头锚具有DM5A型（张拉端锚具，用于锚固5mm钢丝）、DM7A型（张拉端锚具，用于锚固7mm钢丝）和DM5B型（固定端锚具）。 镦头锚具的优点是张拉方便，锚固可靠；钢丝束回缩小，应力损失小；钢束可利用连接器接长。缺点是下料长度要求很严格，若误差太大，张拉时会因各钢丝受力不匀而出现断丝现象。 LM

44、型钢丝冷铸镦头锚具是与DM型锚相似的锚具，具有良好的抗疲劳性能，主要用于锚固平行钢丝束，通常用在斜拉桥或悬索桥的拉索等应力变化幅度较大的体外预应力束上。 国外较著名的镦头锚体系是瑞士BBRV预应力公司生产的BBRV体系，它是1945年在瑞士开发研制出来的，在世界上应用较为广泛。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日35/53 国内在1987年研制群锚锚具成功，常用的有XM、QM、OVM、YM、XYM等，主要用于锚固74mm和75mm的钢绞线，锚固的钢绞线根数从1根到55根不等。群锚体系在国际上采用最为广泛，著名的有瑞士VSL体系、法国Freyssinet体系、

45、英国CCL体系等。 三、群锚锚具 群锚预应力张拉锚固体系是一种以钢绞线为预应力筋的后张体系，主要由夹片、锚垫板、锚杯组成。它的基本工作原理是，将钢绞线穿过带有多个圆锥形孔锚杯的圆孔，每根钢绞线用一组内孔带齿槽的圆锥形夹片（由两片或三片组成）单独夹持，夹片按楔作用的原理，在钢绞线回缩过程中将其压紧，达到锚固的目的。其主要特点是不易产生个别钢绞线的滑移或滑脱，锚固可靠；由于每根钢绞线是分开锚固的，任何一根钢绞线锚固失效都可以单独处理而不会引起整体锚固失效。 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日36/53 OVM型锚固体系分为张拉锚具、固定锚具和连接器三类，其中张

46、拉锚具分为群锚、扁锚、拉索锚、环锚四种，固定锚具分为轧花式（H型）和挤压式（P型）两种，连接器分为群锚连接器和扁锚连接器。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日37/53（1）张拉端锚具 群锚是OVM锚固体系的主要元件，其夹片为二片式。 扁锚（BM）可使用在后张混凝土构件厚度较薄的地方，由于经过特殊设计，锚下可不设螺旋加强筋。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日38/53（2）固定端锚具 轧花式锚具利用混凝土对钢绞线的握裹力将后张力传至混凝土。钢绞线的末端用压花机压成圆球形花，这些圆球形花以矩形排列，并用网格钢筋固定。为防止

47、混凝土局部开裂，在钢绞线从波纹管出来开始散开的位置，用螺旋筋和约束环加强。 挤压式锚具利用一块锚板把后张力直接传至构件端部。它由锚板和挤压头组成，锚板上有孔洞可以让钢绞线通过，钢绞线末端利用挤压机挤压套管锚固。在钢绞线开始扩散处需用螺旋筋和约束环加强以防混凝土开裂。 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日39/53（3）连接器 OVM连接器的主要作用是将要接长的新钢束连接到已张拉锚固的钢束上。有单根和多根两种形式，单根作为接长预应力筋用；多根作为接长预应力束，通常用于连续梁中。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日40/53（

48、4）千斤顶 与OVM型张拉锚固体系配套的千斤顶为YCW型系列穿心式千斤顶，其缸体通过限位板支撑在工作锚杯上，千斤顶活塞的尾部装有自动工具锚，可以多次重复使用，当活塞向后移动时，即可进行张拉。如一次千斤顶的行程不够，可多次重复操作，直到达到要求。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日41/53四、粗钢筋锚具 当采用高强度粗钢筋作为预应力钢材时，可采用粗钢筋冷轧螺纹锚具（轧丝锚）进行张拉锚固。轧丝锚是在高强度光圆钢筋的端部，采用冷滚压的方法冷轧出外径大于钢筋直径的螺纹，在钢筋张拉后直接拧上特种螺帽进行锚固。 在钢材的冷滚压过程中，钢筋的体积并不减小，这是因为一部分

49、钢材被滚轮挤压入钢材表面形成螺纹的牙槽，而同时另一部分钢材被挤出钢材原表面形成螺纹的牙峰，即螺纹是通过钢筋表层金属的塑性变形形成的。尽管滚压出的螺纹内径略小于原钢材直径，但由于材料经过冷作强化，使该段钢材的强度与未加工螺纹钢筋的强度基本相同。 轧丝锚锚固性能可靠，操作简便，应力损失小，能重复张拉、放松，可用套筒式连接器多次接长。 目前国内生产的轧丝锚有两种规格，可分别锚固25mm和32mm两种IV级冷拉钢筋。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日42/53 精轧螺纹钢筋作为又一种预应力粗钢筋，在制造时就在钢筋的全长表面轧制出连续不断的螺纹，因此可以容许在钢筋的

50、任何一点直接拧上螺帽进行锚固和螺纹连接，而且与混凝土之间有着较好的握裹力。它采用的锚具为YGM锚，其外形尺寸如图2-26和表2-31。专用张拉 设备为YG-70型穿心式单作用千斤顶。 国外同类型的轧丝锚具有德国的迪维达克（DYWIDAG）体系、英国的李麦可（Lee MeCall）体系、美国的Stressteel体系等。其中德国迪维达克体系是最早采用高强度粗钢筋作为预应力筋的体系，在国外应用较为广泛。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日43/532.4 预加应力工艺及设备一、预加应力的方法 预应力的施加方法主要有先张法和后张法两种。 先张法是首先张拉预应力筋，

51、将其锚固在张拉台座上，然后立模浇注混凝土。待混凝土的强度达到设计要求，且高于设计标号的70%时，逐渐将预应力筋放松。这样，混凝土就因力筋的弹性回缩而获得了预应力。 先张法的工艺简单，工序少，效率高，质量容易保证。但需要专门的张拉台座，基建投资较大，一般适宜于大批中小型构件的工厂预制。 后张法是先浇注混凝土，并在放置预应力筋的位置预留出孔道，待混凝土达到一定强度后，将预应力筋穿入预留孔内，用张拉机具将预应力筋张拉到设计控制应力，然后，用特制的锚具将预应力筋锚固于混凝土构件上，最后进行孔道灌浆、封锚。 后张法适用性较大，可以是预制构件，也可以是现场施工的混凝土构件，目前预应力混凝土桥梁绝大多数均采

52、用后张法。但其施工工艺比较复杂，对锚具的要求很高。哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日44/53 为防止在施工过程中发生预应力筋拉断事故，预应力筋的张拉控制应力k必须符合公桥规的规定，即： 对于钢丝、钢绞线k 0.75fpk 对于冷拉粗钢筋k 0.90fpk 在任何情况下，预应力钢筋的最大控制应力：钢丝、钢绞线不应超过0.8 fpk；冷拉粗钢筋不超过0.95 fpk。 由于普遍采用低松弛钢绞线，预应力钢筋的应力松弛损失较小，加上张拉时多采用自锚式千斤顶，若采用超张拉方法进行张拉，一旦张拉应力达到1.05 k后就很难再回到k，即使能回到k，夹片已开始工作，经回缩损失后锚固，实际上钢绞线是在k和1.05k之间时开始锚固的。因此，在张拉钢绞线预应力筋时，若采用自锚式千斤顶及低松弛钢绞线，可采用下面的张拉程序：或 在预应力钢筋采用应力控制方法张拉时，应以伸长值进行校核。由于预应力筋的弹性模量、千斤顶读数、孔道摩阻损失、现场测量等都可能与实际值不一致，使实际伸长值与理论值之间有一定的误差，但该误差应控制在6%以内。50kk 持荷分钟初应力0105%k初应力哈尔滨工业大学交通科学与工程学院大跨度桥梁设计与施工2022年6月16日45/53二、制孔及穿索 后张法预应力混凝土结构的预应力筋都是在混凝土浇注凝固之后才穿束张