结构设计原理课件 模块9 预应力混凝土受弯构件的设计构造

模块9

预应力混凝土受弯构件的设计构造学习目标知道先张法预应力混凝土空心板和后张法预应力混凝土T梁的钢筋布置。理解预应力钢筋布置构造和技术要求规定。能初步看懂预应力混凝土梁板的配筋设计构造图。任务目录9.1先张法预应力混凝土空心板截面与钢筋构造9.2后张法预应力混凝土T梁截面与钢筋构造9.1先张法预应力混凝土空心板截面与钢筋构造9.1.1先张法混凝土空心板的截面与技术要求9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求9.1先张法预应力混凝土空心板截面与钢筋构造图9-1为桥梁标准跨径为13m预应力混凝土空心板上部结构及空心板的一般构造图。简支空心板计算跨径l0=12.5m，预制板长L=12.96m，板高h=0.6m，C50混凝土。公路装配式预应力混凝土空心板桥上部结构由预制预应力混凝土空心板、现浇混凝土铰缝和整体化现浇混凝土层组成[图9-1a)]。装配式预应力混凝土空心板上部结构的预制预应力混凝土空心板分为边板[图9-1c)]和中板[图9-1b)],边板外侧带有悬臂,与中板的截面外廓形状与尺寸有所不同。相邻空心板之间留有10mm的底缝以便施工安装,因此中板的预制宽度为990mm,成桥后宽度为1000mm。9.1.1先张法混凝土空心板的截面与技术要求9.1.1先张法混凝土空心板的截面与技术要求预制预应力混凝土空心板的截面挖空,设计上考虑采用充气橡胶芯模成孔,对13m跨径空心板为双管加外套成孔,圆管直径D=350mm,圆心位于空心板截面半高处[图9-1b)]。当板体混凝土振捣浇筑完成并达到设计要求后,抽出充气橡胶芯模,最后浇筑预制预应力混凝土空心板两端的混凝土封头[图9-1d)]。图9-1所示空心板现浇混凝土铰缝槽深度为500mm,超过了预制板高度的2/3,工程上称之为深铰。空心板现浇混凝土铰缝是上部结构的薄弱环节之一,特别是铰缝现浇混凝土与预制板混凝土的交界面质量,因此在工程上一般要求:①预制板混凝土凿毛。预制空心板铰缝面应凿毛成凹凸不小于6mm的粗糙面,在浇筑铰缝混凝土时湿润表面并坐浆,以保证新(指铰缝现浇混凝土)老(指预制空心板混凝土)混凝土的良好结合。9.1.1先张法混凝土空心板的截面与技术要求②填底缝。采用M15砂浆填底缝,待底缝砂浆达到80%设计强度以上后再浇筑铰缝混凝土。③铰缝混凝土浇筑后,静置1~2h带模浇水养护。在常温下一般养护采用干净的无纺土工布覆盖洒水养生,时间不少于7d。冬季气温低于5℃时不得浇水,养护时间增长,并采取保温措施。对于铰缝混凝土和整体化现浇混凝土层,图9-1的示例中设计要求均使用C50混凝土,并且使用厚100mm的整体化现浇混凝土层考虑其中70mm厚度参与空心板结构受力。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求先张法预制预应力混凝土空心板设置的钢筋主要有:①纵向受拉钢筋(纵向预应力钢筋和非预应力钢筋);②箍筋;③架立钢筋及预拉区纵向钢筋;④芯模定位钢筋;⑤铰缝预埋钢筋。采用钢筋绑扎成骨架。图9-2为标准跨径13m预应力混凝土空心板(中板)的主要钢筋布置图。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求纵向预应力钢筋和非预应力钢筋布置构造1图9-2的13m先张法预应力混凝土空心板的设计准则是A类预应力混凝土构件。对部分预应力混凝土受弯构件的设计,纵向受拉钢筋应采用混合配筋方式。纵向受拉钢筋的混合配筋方式，指梁、板截面受拉区同时配置纵向受拉的预应力钢筋与非预应力(普通)钢筋方式,在空心板截面下边缘附近按一层布置[图9-2b)]。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求(1)纵向预应力钢筋布置构造在图9-2b)中,编号为N1、N3、N4、N6、N7和N9钢筋为空心板的纵向预应力钢筋,共11根1×7钢绞线AS15.2。空心板截面纵向预应力钢筋布置的重要构造及要求是纵向预应力钢筋的保护层厚度和钢筋之间的净距要求。①先张法混凝土构件预应力钢筋的保护层厚度。行业标准《公路桥规》(JTG3362—2018)规定取钢筋外缘至混凝土表面的距离,不应小于钢筋公称直径。同时最外侧钢筋的混凝土保护层厚度应不小于最小厚度规定值cmin(表4-2)。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求图9-3是从图9-2b)中截取的、与纵向预应力钢筋布置相关的构造图。由图9-3可见,空心板的钢绞线重心距板底边缘为45mm,钢绞线公称直径d=15.2mm,则钢绞线的底面保护层厚度(钢绞线外缘至空心板截面底边缘距离)c1=45-d/2=45-15.2/2=37.4(mm)>d。再以其底侧的钢筋(编号N11普通钢筋,A10)、参照模块4中介绍的方法,可进一步检查空心板底面保护层厚度是否满足最小厚度规定值cmin要求。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求②先张法混凝土构件预应力钢筋布置间距。行业标准《公路桥规》(JTG3362-2018)规定预应力钢绞线之间的净距不应小于其公称直径的1.25倍,对于1×7钢绞线间净距不应小于25mm;对于预应力钢丝间净距不应小于15mm。在图9-3中钢绞线之间的中心间距。注意到图中表示钢绞线编号的方格有17个,方格内的数字表示设置钢绞线的编号,方格空白处表示该处不设预应力筋;再注意到图中尺寸标注中有“16×50”,其中“50”表示预应力筋的中心间距设计值均为50mm,设计上这样进行钢绞线的布置可以使张拉锚固板加工和钢绞线安装定位方便和准确。钢绞线之间最小净距sn=50-15.2=34.8(mm),>1.25d=1.25×15.2=19(mm),且>25mm,满足要求。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求③先张法预应力混凝土空心板的预应力钢筋有效长度问题。图9-4a)是图9-2所示先张法混凝土空心板预应力钢筋平面布置图,顺板长度方向所有钢绞线都是直线通长布置。设计上是用实线表示埋置板体内预应力钢筋与混凝土完全粘结区段(称有效长度),而用虚线表示预应力钢筋与混凝土不粘结区段(称失效长度)。图9-4b)中虚直线表示预应力钢筋局部失效段,使一部分通长布置的直线预应力钢筋局部失效，因为全部以直线通长布置的预应力钢筋,在预应力钢筋放张后先张法混凝土空心板某些区段的截面预拉区可能会产生较大混凝土拉应力进而导致开裂,也会使混凝土空心板上拱变形较大,故采用使一部分以直线通长布置预应力钢筋的局部失效措施,这样会降低混凝土空心板某些区段的截面预拉区混凝土拉应力。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求预应力钢筋失效工程上一般采用在预应力钢筋的端部区段设置硬塑料套管或硬塑料围裹形成失效长度。设计上通常是先通过空心板的设计计算确定预应力钢筋的有效长度,再得到其失效长度。设计图纸对图9-4的空心板钢绞线提供有效长度值,见表9-1,应当注意预应力筋的有效长度值中包括预应力筋的传递长度值ltr和锚固长度值la(详见“二维扫码·预应力钢筋锚固长度与传递长度”)在内。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求④预应力钢筋端头段的构造措施。行业标准《公路桥规》(JTG3362—2018)规定先张法预应力混凝土中,对单根预应力钢筋,其端部应设置长度不小于150mm的螺旋筋;对多根预应力钢筋,在构件端部10倍预应力钢筋直径范围内,应设置3~5片钢筋网。图9-4b)所示预应力钢筋N1失效段相连的端头段和预应力钢筋N2、N3的有效长度端头段的构造措施是设置螺旋筋,A6钢筋,螺旋筋设计圆直径D=60mm、螺距50mm,设置长度400mm(图9-5)。在预应力钢筋端头段和有效长度端头段设置螺旋筋或钢筋网的目的是,防止先张法构件的预应力钢筋放张时引起的冲击破坏端部混凝土,对钢筋端部周围混凝土起局部加强作用。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求在图9-2b)中与钢绞线布置在同一层的N18钢筋(8C16)为先张法预应力混凝土空心板的纵向非预应力钢筋,也属于受力钢筋。空心板截面上N18钢筋(8C16)与钢绞线横向交错布置,并且与N11钢筋(A10)绑扎。对于部分预应力混凝土受弯构件截面非预应力钢筋的配置构造,行业标准《公路桥规》(JTG3362—2018)规定:①位于受拉区边缘的非预应力钢筋宜采用直径较小的带肋钢筋,以较密的间距布置。②部分预应力混凝土受弯构件中普通受拉钢筋的截面面积,不应小于0.003bh0,其中b为截面宽度,h0为截面有效高度。（2）纵向非预应力钢筋布置构造9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求(1)箍筋箍筋在图9-2b)中,N12(A10)和N11(A10)钢筋组成了空心板的一道闭合式箍筋。N12箍筋竖向肢下端直弯钩钩住N18的纵向非预应力钢筋并且与N11钢筋绑扎;同时,N12箍筋竖向肢与N11钢筋斜直线末端以及交叉处N18钢筋绑扎形成稳定的双肢箍筋。N12与N11钢筋设计大样图见图9-6。箍筋、水平纵向钢筋和截面预拉区纵向钢筋布置构造29.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求(2)水平纵向钢筋在图9-2b)中,在N12钢筋外侧且沿N12箍筋竖向肢放置的N20钢筋(A10)是空心板的水平纵向钢筋,间距150mm,水平纵向钢筋沿空心板通长直线布置。(3)截面预拉区纵向钢筋预应力混凝土构件截面预拉区是指施加预应力时构件截面形成的拉应力区,即在预加力和受弯构件自重等作用下构件截面形成的拉应力区,当拉应力较大时可能会产生预拉区混凝土裂缝(预应力混凝土空心板往往是板顶表面出现横向混凝土裂缝)。因此必须通过设计计算配置截面预拉区纵向钢筋,其配筋率应满足规定要求且宜采用带肋钢筋,其直径不宜大于14mm,沿预拉区的外边缘均匀布置。图9-2b)中N19为13m先张法预应力混凝土空心板截面预拉区纵向钢筋,7C12,布置间距为120mm。位于箍筋上弯折处的N19钢筋同时也起到架立钢筋作用。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求(1)空心板芯模定位钢筋我国公路桥梁先张法预应力混凝土空心板截面挖空部分的施工芯模,工程上多采用专门制作的充气橡胶胶囊或成型泡沫塑料外包薄铁皮。这种芯模在空心板浇筑混凝土施工时很容易上浮,造成空心板顶板厚度难以达到设计要求,因此必须设置限制芯模上浮的钢筋。图9-2b)中N17钢筋(A8)为限制芯模上浮的钢筋。沿空心板长度方向按每300mm间距布置一道,N17钢筋下端弯钩钩到N11钢筋上并绑扎。空心板芯模定位钢筋、铰缝钢筋预埋布置构造39.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求(2)铰缝钢筋预埋铰缝钢筋需要预埋的是N14及N16钢筋、N13及N15钢筋[图9-2b)]。N14钢筋(用于空心板箍筋间距150mm区段)及N16钢筋(用于空心板箍筋间距100mm区段)为铰缝下部的板预埋钢筋,A8,门字形钢筋,N14钢筋布置间距300mm,N16钢筋布置间距200mm[图9-2a)]。N13(用于空心板箍筋间距150mm区段)及N15钢筋(用于空心板箍筋间距100mm区段)是垂直于空心板顶面的板预埋钢筋,A8,门字形钢筋。9.1.2先张法混凝土空心板钢筋构造与要求在钢筋绑扎骨架成型后,将N14及N16钢筋外露段向上扳折至空心板侧面线,混凝土达到设计强度拆除模板后再将相邻空心板的N14及N16钢筋扳平,相互搭接绑扎并且与铰缝交叉钢筋骨架[由N20交叉钢筋(A8)和N21直线钢筋(C12)事先绑扎的骨架]下部绑扎(图9-7)。同样将相邻空心板已扳平的N13及N15钢筋相互搭接绑扎并且与铰缝交叉钢筋骨架上部绑扎,再进行铰缝底缝砂浆和混凝土浇筑施工。9.2后张法预应力混凝土T梁截面与钢筋构造9.2.1后张法混凝土T梁截面布置和技术要求9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造9.2后张法预应力混凝土T梁截面与钢筋构造后张法预应力混凝土梁桥上部结构广泛采用装配式预应力混凝土T梁[图9-8a)]、装配式预应力混凝土组合箱梁[图9-8b)]和整体现浇或节段施工的预应力混凝土箱梁[图9-8c)]等,其中最基本和常用的是装配式预应力混凝土T梁。9.2.1后张法混凝土T梁截面布置和技术要求图9-9为标准跨径为25m的后张法预应力混凝土T形梁的一般构造图,简支梁计算跨径l0=24m,T形截面梁的梁高h=1.7m,C50混凝土。9.2.1后张法混凝土T梁截面布置和技术要求(1)由图9-9c)、d)看到后张法混凝土T梁的跨中和支座截面均由受压翼缘板和竖向肋板(肋梁)组成,但与钢筋混凝土T梁外廓形状不同的是肋板下部宽度增大,形状类似马蹄,工程上称其为“马蹄部分”。肋板下部马蹄部分起作用：在梁跨中区段主要是满足布置预应力钢束及相应预留孔道所需空间并且要承受较大的截面预压应力;在梁端部是用于满足锚具布置所需空间和承受锚下巨大局部预压力,非常重要。甚至有的后张法混凝土T形梁设计端部肋板全宽度均等于马蹄宽度,成为“宽腹”形式的T形截面。(2)后张法混凝土T梁的跨中截面肋板宽200mm、马蹄高度400mm[图9-9d)],而支座截面肋板宽400mm、马蹄高度800mm[图9-9c)],因此在图9-9a)所示A截面(尺寸与跨中截面相同)和B截面(尺寸与支座截面相同)之间设置了长度2700mm的直线过渡段,实现沿梁跨径方向的不同截面尺寸的过渡。(3)后张法混凝土T梁之间横向是依靠预制梁的翼缘板、横梁之间的现浇混凝土段连接,见图9-9b)、c)、d)所示斜阴影线部分,形成梁桥上部结构。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造后张法混凝土T梁钢筋主要由三部分组成:预应力纵向钢筋、非预应力纵向钢筋和普通钢筋骨架。预应力纵向钢筋布置构造1预应力纵向钢筋采用抗拉强度标准值fpk=1860MPa、公称直径d=15.2mm的低松弛高强度钢绞线。全梁5束(孔)钢绞线束,其中预应力钢筋编号N1和N4钢绞线束均为5根钢绞线/每束(AS15.2-5),采用预埋圆形金属波纹管(直径为55mm);预应力钢筋编号N2和N3钢绞线束均为6根钢绞线/每束(AS15.2-6)、采用预埋圆形金属波纹管直径70mm,见图9-10c)、d)。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造(1)由图9-10a)可以看到钢绞线束由简支梁跨中截面向支座方向是由直线段+竖向圆曲线段(竖向弯起段)+斜直线段组成。图9-10b)所示的1/2N1和1/2N2钢束大样图(因篇幅所限,本教材没有列出其他钢束大样图)清楚显示了竖向圆曲线段的起点、终点及竖向圆曲线段几何参数,例如N1钢束圆曲线段的起点距梁跨中截面距离为2172.3mm、曲率半径R=50m、圆弧中心转角θ=8°、圆弧切线长度T=3.4967m。在设计上,钢绞线束竖向圆曲线段应给出钢束位置坐标以便施工放样。以预制梁底为坐标横轴,跨中截面为坐标原点,图9-10a)用带圆圈的阿拉伯数字表示钢束位置坐标点,坐标点之间距离为800mm。同时在图9-10b)中给出了钢束每个位置坐标点上钢束重心到预制梁底距离,即竖轴坐标设计值,例如N1钢束位置坐标点①的竖轴坐标设计值为375mm。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造在现场施工中钢束(也是管道)的位置应按设计规定的坐标位置进行安装。重要的措施是采用专门的多层井字架定位钢筋固定,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。图9-11为图9-10a)所示⓪~②号位置设计的定位钢筋网(C12钢筋),而图9-11所示钢筋编号①~③为定位钢筋网的钢筋,与梁肋钢筋点焊固定。现场施工中若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。固定各种成孔管道用的定位钢筋的间距,对钢管宜不大于1.0m;波纹管宜不大于0.8m;位于曲线上的管道和扁平波纹管道应适当加密。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造(2)图9-10b)所示N1钢束竖向曲线终点后为斜直线(长度3.1491m)布置,一直伸过预制梁端的锚具。应注意图9-10a)所示预制梁端外阴影部分称为封锚混凝土,用于保护锚具,是在孔道压浆完成后再进行现浇混凝土施工完成。预制梁端面为斜锯齿形,锚具端面设置同样斜角(8°),这样使斜直线钢束与锚垫板相垂直(图9-12),这符合行业推荐性标准《公路桥规》(JTG/T3650-2020),定位后的管道应平顺,其端部的中心线应与锚垫板相垂直的规定要求。图9-12中所示阴影部分即为图9-10a)所示的封锚混凝土(厚度221mm)。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造图9-10b)的“工作长度”是指为使用穿心式千斤顶张拉钢束时预留的钢束长度,一般取600mm,在孔道梁压浆完成后再将其切除。(3)图9-10c)、d)分别为后张法混凝土T梁支座截面和跨中截面钢绞线的布置图。布置构造应满足以下要求:①预应力钢筋的保护层厚度应满足规定值。注意,后张法构件中预应力钢筋的保护层厚度值是取预应力管道外缘至混凝土表面的距离,且不应小于其管道直径的1/2。对于最外侧预应力钢筋(管道)的保护层厚度应不小于规定值,详见表4-2。②预应力钢筋的直线管道的净距不应小于40mm,且不宜小于管道直径的0.6倍;对于预埋的金属或塑料波纹管和铁皮管,在直线管道的竖直方向可将两管叠置。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造图9-13为25m的后张法预应力混凝土T梁跨中截面混合配筋设计布置图,图中编号①钢筋为纵向受拉非预应力钢筋6C25。与先张法混凝土空心板的混合配筋布置不同,纵向受拉非预应力钢筋6C25布置在纵向受拉预应力钢筋的下方,钢筋重心至马蹄底面距离65mm。非预应力纵向钢筋布置构造29.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造后张法混凝土T梁的普通钢筋骨架一般采用绑扎骨架形式,也有采用部分焊接钢筋的骨架形式。图9-14为25m的后张预应力混凝土T梁梁肋的普通钢筋(绑扎骨架)构造图。梁肋的普通钢筋绑扎骨架主要由纵向受拉非预应力钢筋、闭合式箍筋、水平纵向钢筋和锚下钢筋网片等组成。(1)纵向受拉非预应力钢筋纵向受拉非预应力钢筋为图9-14中编号①钢筋,6C25,沿梁跨径方向通长直线布置;沿梁马蹄部分的宽度方向的布置尺寸58+2×100+84+2×100+58=600(mm)。普通钢筋骨架布置构造39.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造(2)梁肋部分的钢筋布置图9-14中所示梁肋部分的普通钢筋主要是闭合式箍筋、箍筋长肢间的拉筋和水平纵向钢筋。①闭合式箍筋。图9-14中编号④、、⑤、⑥钢筋均为梁肋部分的闭合式箍筋。由图中平剖面C-C图可知,距梁跨中截面6+2.3=8.3(m)范围内布置的是编号④闭合式箍筋(C12)。箍筋的布置间距分为100mm(梁2.3m区段范围内)和150mm(梁6m区段范围内)两种。在预应力混凝土梁截面变化区段,即图9-9a)所示A截面和B截面之间设置的长度2700mm直线过渡段布置的是编号和编号⑤的闭合式箍筋(C12),箍筋的布置间距为100mm。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造编号闭合式箍筋长肢长度与编号④闭合式箍筋相同,但下短肢长度由128mm变化到187mm,而编号⑤的闭合式箍筋形状发生变化:箍筋两长肢下部内折(交叉)并将末端弯钩钩在编号①钢筋上形成另类闭合箍筋;箍筋的长肢长度和短肢长度(195~321mm)也是