结构设计原理曙第12章

1、曙 结构设计原理（第三版）第12章 预应力混凝土结构的概念及其材料曙张娟秀编Princile oStructure Desin本章目录12.112.2概述预加应力的方法与设备12.3预应力混凝土结构的材料2教学要求深刻理解预应力混凝土结构的基本原理。了预应力混凝土结构的分类。熟练掌握预加应力的先和后。了解预应力混凝土结构对材料的要求，理解混凝土收缩和、预应力钢筋的应力松弛概念。了解锚具类型、作用机理和预加应力的其他设备。312.1概述钢筋混凝土结构在使用中存在如下两个问题：1)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；2)无法充分利用高强材料。靠增加

2、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。钢筋混凝土结构在桥梁工的使用范围受到很大限制。4预应力混凝土结构的基本原理由配置预应力钢筋再通过结构，就称为预应力混凝土结构。或其他方法建立预应力的图12-1 预应力混凝土结构基本原理图a）简支均布荷载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）q和Np共同作用下的跨中截面应力分布图预压力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。要有效地抵消外

3、荷载作用所产生的拉应力，不仅与N 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。5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；IV级：钢筋混凝土结构。62）国内

4、配筋混凝土结构的分类根据国内工程，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。（1）预应力度的定义公路桥规将受弯构件的预应力度（）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MM0s按作用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值7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

5、裂缝，即1 0；钢筋混凝土构件不预加应力的混凝土构件， = 0。8（3）部分预应力混凝土构件的分类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。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，直到出现不超过限值宽度的裂缝时，为B类预应力混凝土构件。9预应力混凝土结构的优缺点提高了构件的抗裂度和刚度。可以节省材料，减少自重。可以

6、减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。（4）预应力可做为结构构件连接段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。预应力还可以提高结构的耐疲劳性能,这对承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。1010预应力混凝土结构施工工艺较复杂，对施工质量要求甚高，同时需要有专门设备，如机具、孔道压浆设备等，需要有张台座，因而需要配备技术较熟练的专业队伍。预应力混凝土结构主要缺点有：（1）预应力上拱度不易控制。预制时间过久再进行安装，就可能因预应力作用使上拱度很大，造成桥面不平顺。（2）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。111112.2预加应力的方法与设备预加应力的主要方法1）先先

7、钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。图12-2 先a) 预应力钢筋就位，准备工艺流程示意图b)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1212放张（将临时锚固松开，缓慢放松力），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。在台座上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构件。预应力混凝土13132）后先浇筑构件混凝土，待混凝土结硬后，再张拉预应力钢筋并锚固的方法。图12-3 后工艺流程示意图a)浇筑构件混凝土，预留孔道，穿入预应力钢筋b)千斤顶支于混凝土构件上，预应力钢筋c)用锚具将预应力钢筋锚

8、固后进行孔道压浆1414在混凝土结硬后通过预加应力的构件称为后预应力筋并锚固而建立预应力混凝土构件。施工工艺不同，建立预应力的方法也不同，后张法是靠工作锚具来传递和保持预加应力的；先则是靠粘结力来传递并保持预加应力的。1515锚具1）对锚具的要求临时夹具在制作先或后预应力混凝土构件时，为保持预应力筋拉力的临时性锚固装置。锚具在后预应力混凝土构件中，为保持预应力的拉力并将其传递到混凝土上所用的性锚固装置。在设计、制造或选择锚具时应满足下列要求：受力安全可靠；预应力损失要小；构造简单、紧凑，制作方便，用钢量少；锚固方便迅速，设备简单。16162）锚具的分类锚具的形式繁多，按其传力锚固的受力原理，可

9、分为：依靠摩阻力锚固的锚具。依靠承压锚固的锚具。（3）依靠粘结力锚固的锚具。对于不同形式的锚具，往往需要配套使用专门的设备。因此，在设计施工中，锚具与设备的选择，应同时考虑。17173）目前桥梁结构中几种常用的锚具（1）锥形锚锥形锚（又称为弗式锚），主要用于钢丝束的锚固。它由锚圈和锚塞（又称锥销）两部分组成。图12-4 锥形锚具a）锥形锚具工作示意图b）锥形锚具剖面图18（2）镦头锚镦头锚主要用于锚固钢丝束，也可锚固直径在14mm以下的预应力粗钢筋。钢丝的根数和锚具的尺寸依设计张拉力的大小选定。图12-5 镦头锚锚具工作示意图19（3）钢筋螺纹锚具当采用高强粗钢筋（精轧螺纹钢筋）作为预应力钢筋

10、时，可采用螺纹锚具固定。图12-6 钢筋螺纹锚具a）轧丝锚具b）迪具2020（4）夹片锚具夹片锚具体系主要作为锚固钢绞线之用。钢绞线夹片锚图12-7夹片锚具配套示意图21 扁型夹片锚具扁型夹片锚具是为适应扁薄截面构件（如桥面板等）预应力钢筋锚固的需要而研制的，简称扁锚。（5）固定端锚具采用一端时，其固定端锚具，除可采用与相同的夹片锚具外，还可采用挤压锚具和压花锚具。2222（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

11、器232312.2.4预加应力的其他设备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波纹孔器。24242）孔道压浆用水泥浆及压浆机在后后宜采用预应力混凝土构件中，预应力钢筋锚固压浆料或压浆剂配制的水泥浆进行孔道压浆，以免钢筋锈蚀并使预应力钢筋与梁体混凝土结合为一整体。普通压力压浆方法，采用压浆

12、泵将水泥浆在一定的压力下压入孔道中。真空压浆方法，采取对孔道进行抽真空处理后再注入水泥浆，是把真空吸浆技术与压浆方法相结合的方法，故又称真空辅助压浆法。2525（1）水泥浆为保证后张预应力孔道压浆的质量和耐久性，所用水泥浆的性能应具有以下特征：具有高性；不泌水，不离析，无沉降；适宜的凝结时间；在塑性阶段具有良好地补偿收缩能力，且硬化后产生微膨胀；具有足够的强度。2626压浆用水泥浆的水胶比以0.260.28为宜； 拌合后24h泌水率都为0。可在水泥浆中掺入适量膨胀剂，使水泥浆在硬化过膨胀，但其膨胀率应小于3%。所用的水泥应采用性能稳定、强度等级不低于42.5级的低碱普通硅酸盐水泥。拌和用的水不

13、应含有对预应力筋或水泥有害成分，每升水不得含350mg以上的氯化物离子或任何一种有机物，宜采用符合国家卫生标准的清洁饮用水。2727水泥浆浆搅拌机。应采用高速搅拌机，不得采用普通的砂行业标准公路桥涵施工技术规范（ JTG/TF502011）规定采用转速应不低于1000r/min的搅拌机，搅拌叶的形状应与转速相匹配，其叶片的线速度不宜低于10m/s，最高线速度宜限值在20m/s以内，且应能满足在规定的时间内搅拌均匀的要求。2828（2）压浆机是孔道灌浆的主要设备，它主要由水泥浆、储浆桶和压送浆液的压浆泵以及供水系统组成。压浆机应采用活塞式可连续作业的压浆泵，其压力表的最小分度值应不大于0.1MP

14、a，最大量程应使实际工作压力在其25%75%的量程范围内。压浆泵需要的压力，以能将水泥浆压入并充满孔道孔隙为原则，一般在出浆口应先后排出空气、水、稀浆及浓浆。用于临时水泥浆的储料罐亦应具有搅拌功能，且应设置网络尺寸应不大于3mm的过滤网。真空辅助压浆工艺中采用的真空泵应能达到0.10MPa的负压力。292912.3预应力混凝土结构的材料混凝土1）强度要求应混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C40。高强混凝土，一般系指采用水泥、砂石原料和常规工艺配制，依靠添加高效减水剂或掺加粉煤灰、磨细矿渣、F矿粉或硅粉等活性矿物材料，使新拌混凝土具有良好的工作性能，并在硬化后具有高强度、高密实性的强度等级为C

15、50及以上的混凝土。302）收缩、（1）混凝土的影响及其计算变形当混凝土所承受的持续应力c0.5fck 时，其应变值c 与混凝土应力c之间，存在着线性关系，在此范围内，即 c =e ，则的变形则称为线性应变与弹性应变的比 ce（12-1）例系数，一般称为数（亦称特征值）应变值3131加载（ c 作用）时的弹性应变（即急变）值公路桥规建议的数计算式为 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）(t , t0) 称为加载龄期为t0，计算考虑龄期为 t 时的式中的混凝土计算，即数；0为混凝土名义数，按式（12-3）0 RH fcm t0 （12-

16、3）1 RH RH 1 0 （12-4）其中RH10.46 hh0 3构件理论厚度（ mm）， h=2A/ （ mm ）， A为构件截面面积， 为构件与大气接触的周边长度 5.3 f（12-5）ffcm0.5cmc0m1 t （12-6）320.1 t00.2t0132环境年平均相对湿度（）强度等级C20C50混凝土在28d龄期时的平均立方体抗压强度（MPa）， fcm =0.8fcu,k +8MPa式中取RH0 100, h0 100mm, t11d ,fcm0 =10MPa , c (t- t0)为加载后随时间发展的系数。0.3t t t t t 01（12-7） t tc0t01 H18

17、 RH h150(11.2 250 )1500（12-8）HRH0 h03333在实际桥梁设计中需考虑影响或计算阶段预应力损失时，强度等级C20C50混凝土的名义数0可按表12-1值采用。数混凝土名义表12-10注：（1）本表适用于一般硅酸盐类水泥或快硬水泥配制而成的混凝土；本表适用于季节性变化的平均温度-20+40；本表数值系按C40混凝土计算所得，对强度等级C50及以上混凝土，表列数值应乘以中fck为混凝土轴心抗压强度标准值（MPa）；32. 4，式fck（4）计算时，表中年平均相对湿度40%RH70%，取RH55；70%RH90%，RH80；（5）构件的实际理论厚度和加载龄期为表列中间值

18、时，混凝土名义数可按直线内插法求34得。34加载龄期（d）40%RH70%70%RH90%理论厚度h(mm)理论厚度h(mm)10020030060010020030060033.903.503.313.032.832.652.562.4473.333.002.822.592.412.262.192.08142.922.622.482.272.121.991.921.83282.562.302.171.991.861.741.691.60602.211.991.881.721.611.511.461.39902.051.841.741.591.491.391.351.28混凝土的数值可按下列步

19、骤计算： 按式（12-8）计算 ，计算时公式中的年平均相对湿度RH，当在40%RH70%时，取RH=55%；当在70%RH90%时，取RH=80%；18 RHh150(11.2 250 )1500HRH0 h0所考虑的龄期t、加载龄期t0及已算得的根据计算H ，按式（12-7）计算发展系数c(t- t0) ；t t t0.3 t t01 t ttc001 H3535 根据 c(t- t0)和表12-1所列名义内插求得），按式（12-2）计算数（必要时用数(t , t0) 。当实际的加载龄期超过表12-1给出的90d时，其混凝数可按0= 0 (t0)/(t0) 求得。土名义数，(t0) 和(t0

20、)按式式中 0 为表12-1所列名义（12-6）计算，其中t0为表列加载龄期，t0为90d以外计算所需的加载龄期。3636对于用硅酸盐水泥配制的中等稠度的普通混凝土，在数终极值 (tu ,t0) 可按表12-3取要求不十分精确时，其用。混凝土数终极值tu,t0表3737（2）混凝土的收缩变形混凝土收缩应变计算式为收缩开始时的混凝土龄期（d），可假定为(37)d计算考虑时刻的混凝土龄期（d）t,st t 收缩随时间发展的系数t（12-9）cs0ss s fcm RHcs（12-10）0s 6fcm0 )10（12-11） 1.55 1 RH / RH3 （12-12）RH00.5t t t t

21、t s1（12-13） 350 h h t tt2sss1 03838与年平均相对湿度相关 的 系 数 ； 当 40%RH99%时依水泥种类而定的系数，对一般的硅酸盐类水泥或快硬水泥，sc = 5.0收缩开始时的龄期为 ts ，计算考虑的龄期为t 时的收缩应变cs名义收缩系数在桥梁设计中，当需要考虑收响或计算阶段预应力损失时，混凝土收缩应变值可按下列步骤计算： 按式（12-13）计算从ts 到t、 ts到t0 的收缩应变发展系数s(t- ts) 和s(t0 - ts) 。0.5t t t t t s1 350 h h2t tssts1 0当计算s(t0- ts)时，式(12-13)中的t 均改

22、用t0 来计算。t为计算收缩应变考虑时刻的混凝土龄期（d）; t0 为桥梁结构开始受收响时刻或预应力钢筋传力锚固时刻的混凝土龄期（d）;ts为收缩开始时（养护期结束时）的混凝土龄期，设计时可取37d， ts t0 t 。3939按式(12-14)计算自 t0至t时的收缩应变值cs(tu, t0) ，即cs t,tos(t ts )s(t0 ts )cs0（12-14）对于强度等级C20C50混凝土，式中的名义收缩系数cs0可按表12-2所列数值采用。混凝土名义收缩系数cs0表12-2本表适用于一般硅酸盐类水泥或快硬水泥配制而成的混凝土；本表适用于季节性变化的平均温度-20+40；（3）本表数值

23、系按C40混凝土计算所得，对强度等级为C50及以上混凝土，表列数值应乘以(32.4/fck )1/2，式中为混凝土轴心抗压强度标准值（MPa）；（4）计算时，表中年平均相对湿度40%RH70%，取RH50；70%RH90%，取RH80。4040%RH70%70%RH90%0.5291030.310103对于用硅酸盐水泥配制的中等稠度的普通混凝土，在要求不十分精确时，其收缩应变终极值cs(tu3取用。,t0)可按表12-混凝土收缩应变终极值tu,t0表413）混凝土的配制要求与措施（1）严格控制水灰比。高强混凝土的水灰比一般宜在0.250.35范围之间。为增加和易性，可掺加适量的高效减水剂。（

24、2 ）注意选用高强度级别水泥并宜控制水泥用量不大于500kg/m3。水泥品种以硅酸盐水泥为宜，不得已需要采用矿碴水泥时，则应适当掺加早强剂，以改善其早期强度较低的缺点。（3）注意选用优质活性掺合料，如硅粉、F矿粉等，尤其是硅粉混凝土不仅可使收缩减小，特别可使（4）加强混凝土振捣与养护。混凝土在材料选择、拌制以及养护过性的要求。显著减小。还应考虑混凝土耐久4242预应力钢材预应力混凝土构件中设置有预应力钢筋和非预应力钢筋（即普通钢筋）。1）对预应力钢筋的要求强度要高；有较好的塑性；要具有与混凝土良好的粘结性能；（4）应力松弛损失要小。在一定拉应力值和恒定温度下，钢筋长度固定不变，则钢筋中的应力将

25、随时间延长而降低，一般称这种现象为钢筋的松弛或应力松弛。432）预应力钢筋的种类（1）高强度钢丝高强度钢丝（又称冷拉钢优质碳素钢轧制通过拔线模或消除应力盘圆条（含碳量约为0.7%1.4%）丝，以盘卷供货）轧辊经冷加工应力处理（初始应力相当于70%公称抗拉强度时，1000小时后应力松弛率不大于2%）4444普通松弛钢丝：冷拉钢丝通过矫直工序后在适当温度下进行短时热处理的钢丝，是普通松弛钢丝（初始应力相当于70%公称抗拉强度时，1000小时后应力松弛率不大于8%）消除应力钢丝低松弛钢丝：预应力混凝土用纲丝（ GB/T5223-2002 ）规定，冷拉钢丝在塑性变形下（轴应变）进行的短时热处理的钢丝，

26、是低松弛钢丝消除钢丝高强钢丝按其外形分为有光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝 。图12-12 几种常见的预应力高强钢丝a）光面钢丝b）螺旋肋钢丝c）三面刻痕钢丝d）无粘结钢丝束我国生产的冷拉钢丝公称直径为3mm8mm，消除应力光圆及螺旋肋钢筋公称直径为4mm12mm。45（2）钢绞线钢绞线是由2、3或7根高强钢丝扭结而成并经消除内应力后的盘卷状钢丝束。图12-13 几种常见的预应力钢绞线a）三股钢绞线 b）七股钢绞线 c）七股拔模钢绞线 d）钢绞线名义直径D46最常用的是由6根钢丝围绕一根芯丝顺一个方向扭结而成钢丝直径大5%7%，以的七股钢绞线。芯丝直径使各根钢丝紧密接触，钢丝扭距一般为钢绞线公称直径的1216倍。GB/T 52242003生产的钢绞线有两根根据钢丝、三根钢丝和七根钢丝捻制的钢绞线三种规格，其代号分 别 为 12 、 13 和 17 ， 其 抗 拉 强 度 标 准 值 为（14701960）MPa，并依松弛性能不同分成普通钢绞线和低松弛钢绞线两种。4747预应力钢绞线的产品标记由预应力钢绞线、结构代号、公称直径、强度级别和标准号