结构设计原理课件 模块8 预应力混凝土结构及其材料

模块8

预应力混凝土结构及其材料学习目标明白预应力混凝土结构构件设计分类的规定。掌握施加预应力的先张法、后张法施工流程,熟悉建立构件预应力的机理和预应力钢筋张拉程序等技术要求。明白预应力混凝土结构中的混凝土和预应力钢筋材料性能规定。知道用于钢绞线、预应力螺纹钢筋的后张法构件锚具产品和使用要求。任务目录8.1预应力混凝土结构的概念8.2施加预应力的方法8.3预应力混凝土结构的材料模块8预应力混凝土结构及其材料与钢筋混凝土结构相比，主要优点是：在使用荷载作用下混凝土结构构件可以不出现裂缝或推迟出现裂缝，提高了结构刚度和耐久性；有效使用了高强混凝土和高强钢筋，大大减轻了结构自重，增大了混凝土梁使用的跨度。预应力混凝土结构优点8.1预应力混凝土结构的概念8.1.1预应力混凝土结构8.1.2预应力混凝土结构分类8.1预应力混凝土结构的概念预应力混凝土结构是指在外荷载作用之前，先对混凝土结构构件预加压力，造成人为的截面应力状态，其预压应力能部分或全部抵消外荷载所引起的截面拉应力的混凝土结构。8.1.1预应力混凝土结构8.1.1预应力混凝土结构从工程角度，把这种配置预应力钢筋再通过张拉或其它方法建立预加应力的混凝土结构,称为预应力混凝土结构。在构件被施加预应力阶段和使用阶段，预应力钢筋和混凝土要分别承受很大的拉应力和压应力，因此必须使用高强度钢筋和高强度混凝土。8.1.2预应力混凝土结构分类根据行业标准《公路桥规》JTG3362—2018对预应力混凝土构件设计的分类规定，现列表总结见表8-1。分类名称分类要求全预应力混凝土构件此类构件在作用频遇组合下控制的正截面受拉边缘不允许出现拉应力部分预应力混凝土构件A类预应力混凝土构件此类构件在作用频遇组合下控制的正截面受拉边缘可出现拉应力，但拉应力不超过规定限值B类预应力混凝土构件此类构件在作用频遇组合下控制的正截面受拉边缘可出现拉应力，拉应力超过规定限值、出现不超过限值宽度的裂缝预应力混凝土构件的设计分类表8-18.1.2预应力混凝土结构分类表8-1是对预应力混凝土构件设计的分类，不是分级，因此没有高低级之分。全预应力混凝土构件，要求在作用频遇组合下控制的正截面受拉边缘不允许出现拉应力，类似图8-1c)所示σc=σl和σc>σl时情况。而部分预应力混凝土构件，意味着构件在作用频遇组合下控制的正截面受拉边缘已出现拉应力[类似图8-1c)所示σc<σl时情况]或开裂。

设计上应根据桥梁使用和环境条件的要求来选择预应力混凝土构件设计的分类类别。8.2施加预应力的方法8.2.1先张法8.2.2后张法8.2施加预应力的方法

在构件上建立预应力，目前一般是通过张拉钢筋来实现的，也就是将张拉钢筋锚固在混凝土构件上，由于钢筋弹性回缩，就使混凝土受到压力。根据张拉钢筋与构件混凝土浇筑的先后关系，可将建立预应力的方法分为先张法后张法8.2.1先张法施工工艺流程定义-先张法是在张拉台座上张拉预应力筋后浇筑构件混凝土并通过粘结力传递而建立预加应力的方法，简单讲就是先张拉钢筋,后浇筑构件混凝土的方法。把按先张法建立预加应力的混凝土构件称为先张法预应力混凝土构件。先张法构件施工流程18.2.1先张法先张法建立构件预应力的机理是：当预应力钢筋受拉伸时，由于钢筋的泊松比效应其截面缩小。放张后构件端面外拉应力为零的预应力钢筋恢复其原来截面大小（图8-4所示A端面外），而在构件端部内的预应力钢筋的回缩受到周围混凝土的阻拦，造成径向压应力并在钢筋和混凝土间产生粘结应力。当A端面至构件端部内B截面处预应力钢筋段全部粘结力能平衡钢筋的预拉力Npe时，自B截面后起才能建立起稳定的预拉应力σpe，同时相应的混凝土截面受到预压力。先张法建立构件预应力的机理与放张技术要求28.2.1先张法先张法构件是通过构件端部自锚区内预应力钢筋与混凝土间的粘结力,将预应力钢筋的回缩力传递给混凝土,使混凝土获得预压应力,同时也依靠端部自锚区来保持预加力,因此对先张法构件而言,端部混凝土自锚区施工质量是至关重要的。8.2.1先张法钢筋放张的时机和技术要求：一般情况下,当混凝土强度达到设计强度的75%以上时,钢筋和混凝土之间才存在可靠的粘结作用。行业推荐性标准《公路桥规》JTG/T3650—2020要求预应力筋放张时构件混凝土的强度和弹性模量（或龄期）应符合设计规定，设计未规定时，混凝土的强度应不低于设计强度的80％；弹性模量应不低于混凝土28d弹性模量的80％，当采用混凝土龄期代替弹性模量控制时应不少于5d。先张法构件的预应力钢筋一般是沿构件截面高度方向布置一层且沿截面宽度方向多根平行布置,一般采用多根整批预应力筋的放张或单根预应力筋的放张方法。8.2.1先张法放张的主要技术要求是:预应力筋的放张顺序应符合设计规定。设计未规定时,应分阶段、均匀、对称、相互交错地放张。多根整批预应力筋的放张,当采用砂箱放张时,放砂速度应均匀一致;采用千斤顶放张时,放张宜分数次完成;单根钢筋采用拧松螺母的方法放张时,宜先两侧后中间,并不得一次将一根力筋松完。放张后,预应力筋在构件端部的内缩值宜不大于1.0mm。8.2.1先张法先张法预应力钢筋张拉的技术要求3预应力筋的张拉控制应力和张拉顺序应符合设计规定。为了保证预应力筋的张预应力钢筋张拉的应力控制与伸长量校核拉达到设计要求,现场进行预应力钢筋张拉施工时,对预应力筋采用应力(达到要求的张拉控制应力)控制方法张拉,同时以伸长值进行校核。预应力钢筋张拉的实际伸长值与理论计算伸长值的差值应符合设计规定的±6%。8.2.1先张法项次预应力筋种类张拉程序1钢丝、钢绞线夹片式等具有自锚性能的锚具低松驰预应力筋：0→初应力→σcon（持荷5min锚固）2其他锚具0→初应力→1.05σcon（持荷5min）→0→σcon（锚固）3预应力螺纹钢筋0→初应力→1.05σcon（持荷5min）→0.9σcon→σcon（锚固）

先张法预应力张拉程序表8-2先张法构件预应力张拉程序见表8-2。8.2.1先张法先张法先张法张拉台座4先张法构件施工的平台是专门建造的钢筋混凝土张拉台座，先张法构件从张拉预应力钢筋直至构件制成均在张拉台座上完成。张拉台座长度可达50～200m,称为长线台座，可以同时生产几根到十几根先张法构件。国内张拉台座形式主要有槽式台座和墩柱式台座。无论是哪种形式的台座,其两端一定要设置牛腿或类似结构(图8-5)以承受张拉预应力钢筋时传来的偏心力。8.2.1先张法设计槽式台座时，应保证在全部张拉力作用下牛腿和传力柱都不能破坏，同时变形又很小；设计墩柱式台座时，则在全部张拉力作用下，还应保证张拉台座不滑移、不倾覆。8.2.2后张法后张法构件施工流程1定义-后张法是先浇筑构件混凝土，待混凝土设计规定要求强度后再张拉预应力钢筋并锚固的方法。8.2.2后张法后张法构件混凝土的预压应力是由张拉预应力钢筋并通过锚具对构件端部混凝土施加压力来建立和维持的。这与先张法构件依靠钢筋和混凝土之间的粘结力传递预应力,使混凝土受压的机理不同。后张法构件主要通过锚具对混凝土构件施加预加力,因此构件端部混凝土承受着局部的巨大压力。在局部压力作用下,端部锚具下的混凝土处于高应力状态的三向受力情况,不仅在纵向存在较大的压应力,而且在径向、环向还存在拉应力(图8-7为锚具布置在构件端面中心线位置时锚下应力迹线分布图)。后张法建立构件预应力的机理28.2.2后张法由图8-7可见,在构件的B-B截面后,预加压力作用下构件截面的正应力分布就均匀了,工程上把后张法构件端部A-A截面到B-B截面部分称为端部锚固区,其范围是由锚固面起沿构件长度方向取(1.0~1.2)h与b(b为截面宽度)中的较大值,横向取构件端部混凝土截面宽度。8.2.2后张法后张法预应力张拉的技术要求3后张法构件的预应力筋张拉仍应采用预应力筋应力(达到要求的张拉控制应力)控制方法张拉,同时以伸长值进行校核的“双控方法”。预应力筋张拉的主要技术要求如下:张拉时,结构或构件混凝土的强度、弹性模量(或龄期)应符合设计规定。设计未规定时,混凝土的强度应不低于设计强度的80%,弹性模量应不低于混凝土28d弹性模量的80%,当采用混凝土龄期代替弹性模量控制时应不少于5d。8.2.2后张法行业推荐性标准《公路桥规》(JTG/T3650—2020)规定的后张法构件预应力张拉程序见表8-3,表中的初应力σ0意义及要求与表8-2相同。8.2.2后张法图8-8所示的多束预应力钢束，工程上一般不采用N1、N2和N3钢束一批次同时张拉方法，而是采用单束的逐束分批张拉，当设计图纸上提供各预应力钢束的张拉顺序，施工时就必须按设计规定执行；当设计未规定时，宜采取分批、分阶段的方式对称张拉。与先张法构件预应力钢筋的布置形式不同,后张法构件预应力钢筋可以按照受力要求在构件长度方向上相应区段上设计成曲线形(竖向弯起或平面弯曲),在构件端面高度方向可多层布置锚具及相应的预应力钢束(钢筋),见图8-8的实例示意图。8.2.2后张法预留孔道与孔道压浆4在后张法混凝土构件施工工艺流程中,预留孔道和孔道压浆属于不同的工序,前者是保证后者施工质量的基础(图8-9)。8.2.2后张法在后张法预应力混凝土构件中“孔道”是为穿入预应力钢筋而在构件混凝土中预先留出的管状空间。通常有两种孔道成型方法:一种是预埋管道,一般有金属波纹管(采用镀锌钢带制作,且壁厚不小于0.3mm)或高密度聚乙烯半刚性塑料波纹管道,也有采用平滑钢管的刚性管道;另一种是用钢管抽芯或充压胶管抽芯形成的孔道。目前,工程上较多采用的是金属波纹管或高密度聚乙烯塑料波纹管。(1)预留孔道8.2.2后张法管道应按设计规定的坐标位置进行安装，并应采用定位钢筋固定，使其能牢固地置于模板内的设计位置，且在混凝土浇筑期间不产生位移。管道与普通钢筋重叠时，应移动普通钢筋，不得改变管道的设计坐标位置。管道接头处的连接管宜采用大一级直径同类管道，其长度宜为被连接管道内径的5~7倍。连接时不应使接头处产生角度变化且在混凝土浇筑期间不应发生管道的转动或移位，并应缠裹紧密防止水泥浆的渗入。塑料波纹管应采用专用焊接机进行热熔焊接或采用具有密封性能的塑料结构连接器连接。所有管道均应在每个顶点设排气孔，需要时在每个低点设排水孔、在每个顶点和两端设检查孔。压浆管（用于将浆液注入管道内）、排气管（用于排出管道空气、水、浆液和泌水）和排水管（防止管道内水的积存）应是最小内径为20mm的标准管或适宜的塑性管，与管道之间的连接应采用金属或塑料结构扣件，长度应足以从管道引出结构物以外。预埋管道现场安装施工的技术要求8.2.2后张法后张法构件孔道压浆的主要目的是:使预应力钢筋处于孔道内水泥浆弱碱环境之中以防止钢筋锈蚀;使预应力钢筋与构件混凝土之间形成整体;填充孔道的空间防止积水和冻冰。在工程上后张法构件孔道压浆一般采用常规压浆工艺或真空辅助压浆技术。孔道压浆是后张法构件生产流程中最重要技术环节之一,它的质量取决于可靠的技术和正确的操作。(2)孔道压浆8.2.2后张法①预应力筋张拉锚固后,孔道应尽早压浆,且在48h内完成,否则应采取避免预应力筋锈蚀的措施。②应采用由工厂化制造生产且专门用于后张预应力孔道压浆的专用压浆料(指由水泥、高效减水剂或高性能减水剂、膨胀剂和矿物掺合料等多种材料干拌而成的混合料,在施工现场按一定比例加水并搅拌均匀后用于充填后张预应力孔道的压浆材料)或专用压浆剂配制的浆液进行压浆。采用压浆材料配制的浆液,其性能应符合行业标准《公路桥规》(JTG/T3650—2020)规定的性能指标。③用于后张孔道压浆的搅拌机的转速应不低于1000r/min,搅拌叶的形状应与转速相匹配,其叶片的线速度宜不小于10m/s,最高线速度宜限制在20m/s以内,且应能满足在规定的时间内搅拌均匀的要求。8.2.2后张法④压浆时,对曲线孔道和竖向孔道应从最低点的压浆孔压入;对水平直线孔道可从任意一端的压浆孔压入;对结构或构件中上下分层设置的孔道,应按先下层后上层的顺序进行压浆。同一孔道的压浆应连续进行,一次完成。压浆应缓慢、均匀地进行,不得中断,并应将所有最高点的排气孔依次打开和关闭,使孔道内排气通畅。压浆应达到孔道另一端饱满且排气孔排出规定流动度的水泥浆为止。关闭出浆口后,宜保持一个不小于0.5MPa的稳压期。该稳压期的保持时间宜为3~5min。⑤压浆过程中及压浆后48h内,结构或构件混凝土的温度及环境温度不得低于5℃,否则应采取保温措施,并应按冬期施工的要求处理。8.3预应力混凝土结构的材料8.3.1混凝土8.3.2预应力钢筋8.3.3后张法构件锚具简介8.3预应力混凝土结构的材料

在预应力混凝土结构构件的材料是混凝土、预应力钢筋及普通钢筋，其中混凝土要承受很高的压应力而预应力钢筋要承受很高的拉应力，因此高强度是预应力混凝土结构构件采用材料的主要特征，这是与钢筋混凝土结构构件采用材料的不同之处。8.3.1混凝土混凝土强度等级1对预应力混凝土结构构件,行业标准《公路桥规》(JTG3362—2018)规定其混凝土强度等级应不低于C40。为了配制高强度混凝土,特别是C50以上高强度混凝土,除了采用高强度水泥外还需要尽量减少拌和时的用水量,亦即采用较小的水灰比。为了满足和易性及其他的性能,需加入外加剂、掺合料等。现场施工中应对混凝土施工的原材料选择、配制、拌制、运输、浇筑和养护等环节加强技术管理。C40以上的混凝土轴心抗压强度标准值fck和混凝土轴心抗压强度设计值fcd见表3-2,混凝土轴心抗拉强度标准值ftk和混凝土轴心抗拉强度设计值ftd见表3-3,混凝土弹性模量设计值见表3-4。8.3.1混凝土混凝土在持久作用下,所受应力不变而变形随着时间的增长而持续增长,这种现象称为混凝土的徐变。图8-10a)所示为几何长度为L的混凝土构件。当构件混凝土达到设计强度后施加轴向压力N,在构件截面产生的混凝土应力值为σ0,同时构件产生初始轴向弹性压缩变形ε0[图8-10b)],把施加轴向压力时混凝土的龄期称为加载龄期,记为符号t0。忽略构件自重影响,维持轴向压力N值和混凝土应力值σ0不变,一段时间(记为符号t)以后(例如1~3年),混凝土构件的轴向压缩变形成为εt(εt>ε0)[图8-10c)]。这就是混凝土徐变现象,是混凝土受持久作用下随时间增长的变形特性,主要与加载龄期、加载时应力和环境湿度有关。混凝土徐变28.3.1混凝土为混凝土的徐变对预应力混凝土构件的有效预应力有影响。图8-10所示混凝土构件,预应力钢筋对构件作用就相当于轴向压力N,但预应力钢筋又锚固在构件上,因此混凝土的徐变将导致预应力钢筋产生压应力,造成预应力损失。8.3.1混凝土混凝土在凝结和硬化的物理化学过程中体积随时间推移而减小的现象称为混凝土收缩。混凝土的收缩也是一种随时间而增长的变形εsh,结硬初期收缩变形较快,两周可完成全部收缩的25%,一个月约完成50%,三个月后增长缓慢,一般两年后趋于稳定,最终收缩值为(2~6)×10-4。图8-11所示为四周均自由且几何长度为L的混凝土构件。当混凝土收缩发生后构件长度和截面尺寸均减小,见图中实线,长度方向两个端面总缩短值以ΔL=εshL表示。因为预应力钢筋锚固在构件上,所以混凝土的收缩将导致预应力钢筋产生压应力,也会造成预应力损失。混凝土收缩变形38.3.1混凝土图8-11显示了构件混凝土收缩是在没有受到约束也不受力的情况下产生的自由变形。但是在实际工程中混凝土构件都会受到外部边界或内部约束而不能自由收缩,混凝土的收缩就会导致产生混凝土拉应力,甚至使混凝土开裂。混凝土收缩裂缝是工程中常见问题,影响因素较多。现场技术人员应对施工结构的混凝土配合比、施工工艺及施工程序等方面加以研究,以解决混凝土收缩裂缝问题。8.3.2预应力钢筋预应力钢筋种类1(1)消除应力钢丝预应力混凝土结构用消除应力钢丝是将钢筋拉拔后,经中温回火消除应力并进行稳定化处理的钢丝。消除应力钢丝按其表面形状分为光圆钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝(图8-12)。我国公路桥梁预应力混凝土结构一般使用光圆钢丝和螺旋肋钢丝。8.3.2预应力钢筋光圆钢丝和螺旋肋钢丝产品的公称直径一般为3~9mm,最粗的达12mm。我国公路桥梁预应力混凝土结构常用钢丝产品的公称直径为5mm、7mm和9mm。螺旋肋钢丝产品的截面积、每米理论质量与光圆钢丝相同,详见附表3。光圆钢丝和螺旋肋钢丝产品的分类及对应的设计用钢丝符号、抗拉强度标准值fpk见表8-4,抗拉强度标准值分为1470MPa、1570MPa、1770MPa和1860MPa等。8.3.2预应力钢筋(2)钢绞线钢绞线是由多根光圆钢丝或多根刻痕钢丝捻制在一起经低温回火处理清除内应力后而制成的(图8-13)。钢绞线分为两根光圆钢丝捻制(1×2)、三根光圆钢丝捻制(1×3)和七根光圆钢丝捻制(1×7),括号内数字“1”表示一根钢绞线,乘号后面数字表示捻制的光圆钢丝根数。我国公路桥梁预应力混凝土结构常用钢绞线产品是1×7,钢绞线公称直径用符号Dn(产品规格)或d(设计计算时)表示,其截面积、每米理论质量详见附表3。8.3.2预应力钢筋钢绞线(1×7)产品设计用符号、抗拉强度标准值fpk见表8-5,也分为1720MPa、1770MPa、1860MPa和1960MPa等。使用抗拉强度标准值为1960MPa的钢绞线时,应有可靠工程经验或经充分试验验证。8.3.2预应力钢筋(3)预应力螺纹钢筋预应力螺纹钢筋是一种热轧成沿钢筋纵向带有不连续外螺纹的直条钢筋(图8-14),钢筋在任意截面处均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固。因此,预应力螺纹钢筋连接或锚固时不需要再加工螺纹,也不需要焊接。按照我国国家标准《预应力混凝土用螺纹钢筋》(GB/T20065-2016),预应力螺纹钢筋的产品公称直径dh为18~50mm,这里的公称直径dh是不含螺纹高度a

的基圆直径(图8-14)。8.3.2预应力钢筋在设计计算时也可采用符号d(表8-6)表示,其横截面积、每米理论重量详见附表3。预应力螺纹钢筋是以屈服强度划分级别,其代号用“PSB”加上规定屈服强度最小值表示。PSB为PrestressingScrewBars的英文首位字母,例如PSB830表示屈服强度最小值为830MPa的预应力螺纹钢筋。预应力螺纹钢筋设计时用符号、抗拉强度标准值fpk见表8-6。8.3.2预应力钢筋(1)预应力钢筋的应力-应变曲线预应力螺纹钢筋是采用热轧、轧后余热处理或热处理等工艺生产的螺纹钢筋,与普通热轧钢筋相近,其试件单向拉伸试验的应力-应变曲线具有明显的屈服点和流幅(但流幅比普通热轧钢筋的短),因此,预应力螺纹钢筋是以屈服强度来得到其抗拉强度标准值并划分相应强度等级的。高强度钢丝和钢绞线试件单向拉伸试验的典型应力-应变曲线(图8-15实线所示)与预应力螺纹钢筋拉伸试验的应力-应变曲线明显不同。预应力钢筋力学特性与设计取值28.3.2预应力钢筋由图8-15可以看到,高强度钢丝和钢绞线拉伸试件从受拉直到拉断,应力-应变曲线基本上不存在屈服阶段(流幅),高强度钢丝和钢绞线直接可测定的强度指标只有曲线上“b”点所对应的极限抗拉强度σb,因此高强度钢丝和钢绞线产品分级采用的抗拉强度标准值fpk都依极限抗拉强度σb而定。8.3.2预应力钢筋在设计计算上,对高强度钢丝和钢绞线一般采用“条件屈服强度”作为强度标准,用符号σ0.2表示,是指经过加载及卸载后尚存0.2%永久残余变形的应力(图8-15中所示虚斜线与实线相交点)。通常取条件屈服强度σ0.2=0.85σb=0.85fpk,因此以条件屈服强度σ0.2=0.85fpk除以材料性能分项系数就可以得到高强度钢丝和钢绞线抗拉设计强度。8.3.2预应力钢筋(2)预应力钢筋的抗拉设计强度值、弹性模量8.3.2预应力钢筋在预应力钢筋长度和温度保持不变的情况下,预应力钢筋中的拉应力随时间增长而降低的现象被称为预应力钢筋松弛。在预应力混凝土结构构件中,先张法张拉台座或后张法构件长度可以看作不变,则预应力钢筋张拉后长度基本保持不变,所以预应力钢筋是有条件产生应力松弛并且导致钢筋预应力值降低的。预应力钢筋的松弛与时间有关。在张拉初期发展很快,经过一段时间(大约1000h)后增长缓慢但仍有发展。目前工程上广泛使用的是低松弛钢丝和钢绞线,产品必须满足规定条件的应力松弛率r(%)限值,即当初始拉力分别为公称最大力(破坏力)的60%、70%和80%时,相应的应力松弛率r分别不大于1%、2.5%和4.5%。对预应力螺纹钢筋,初始拉应力为0.8ReL(ReL为钢筋屈服强度)时应力松弛率r应满足不大于3%。预应力钢筋的松弛38.3.3后张法构件锚具简介锚具和夹具是锚固及张拉预应力钢筋时所用的工具。在先张法构件中,张拉钢筋时要用张拉夹具夹持钢筋,张拉完毕后要用锚固夹具将预应力钢筋临时锚固在张拉台座上;后张法构件需要用锚具来专门锚固钢筋,通常把锚固在构件端部的永久性锚固装置称为锚具。工程上使用的锚具和夹具类型较多,按照传力锚固的受力机理分为:①支承式锚具,即依靠锚具的局部承压传力锚固,例如用于锚固钢丝的镦头锚、用于锚固预应力螺纹钢筋的螺纹锚等;②锥塞式和夹片式锚具,即依靠锚具与预应力钢筋间的摩阻力来锚固的锚具,例如用于锚固钢丝的锥式锚就是锥塞式锚具,用于锚固钢绞线的夹片锚是夹片式锚具;③握裹式锚具,即预先埋在混凝土内,混凝土达到设计强度后再张拉钢筋,利用混凝土握裹力(粘结力)传递预应力的锚具。8.3.3后张法构件锚具简介(1)用于锚固钢绞线的锚具工程中广泛使用的用于锚固钢绞线的锚具为夹片锚具,其原理是借助张拉预应力钢绞线放张的回缩,带动夹