结构设计原理- 课件 模块8-15 预应力混凝土结构及其材料-钢结构的连接

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,带动夹片将预应力钢绞线楔紧于锥孔中而锚固的。用于钢绞线、预应力螺纹钢筋的锚具1张拉端的圆形(也有方形的)夹片锚具由带有多个锥孔的锚板、钢夹片和专门的铸铁喇叭形锚垫板组成,构造示意见图8-16a)。8.3.3后张法构件锚具简介扁形夹片锚具是为适应扁薄截面构件(如桥面板梁等)预应力钢绞线锚固的需要而制造的专门锚具,简称扁锚[图8-16b)]。其工作原理与圆形夹片锚具体系相同,只是锚板、锚下钢垫板和喇叭管以及金属波纹管等均为扁形而已,每个扁锚一般锚固2~5根钢绞线,采用单根逐一张拉。8.3.3后张法构件锚具简介(2)用于锚固预应力螺纹钢筋的锚具螺纹钢筋锚具是专门用于预应力螺纹钢筋固定的锚具。基本原理是借助于预应力螺纹钢筋两端的螺纹,在钢筋张拉达到设计要求后直接拧上螺母进行锚固,钢筋的回缩力由螺母经垫板承压传递给梁体而获得预应力(图8-17)。8.3.3后张法构件锚具简介(1)预应力筋用锚具、夹具、连接器、锚垫板和螺旋筋等产品,是生产厂通过锚固区荷载传递试验得到的能够保证其工作性能和安全性的匹配性组合,并能在工程应用中保证锚固区的性能,因此预应力筋用锚具产品应配套使用,同一结构或构件中应采用同一生产厂的产品。锚具使用要求2(2)采用夹片锚并使用穿心式千斤顶张拉钢绞线现场施工(图8-18)时,往往使用工作锚、工具锚和限位板。8.3.3后张法构件锚具简介工作锚就是图8-16a)所示的锚具,用于锚固钢绞线的永久锚具。工具锚是穿心式千斤顶通过其锚固并张拉钢绞线的锚具(图8-18),达到设计张拉应力和伸长量要求后,千斤顶回油退出工作,这时工作锚上各孔的夹片抱紧锚固钢绞线,工具锚就退出工作,因此工具锚是可重复使用的。限位板就是在千斤顶张拉钢绞线过程中限制工作锚夹片往张拉方向位移的板状装置。置限位板,可以在工具锚退出工作后减少锚具(工作锚)的夹片回缩量。现场使用时要求工作锚不得作为工具锚使用,同时要求夹片式锚具的限位板和工具锚宜采用与工作锚同一生产厂的配套产品。(3)锚具、夹具和连接器进场时,应按合同核对其型号、规格和数量,以及适用的预应力筋品种、规格和强度等级,且生产厂家应提供产品质保书、产品技术手册、锚固区传力性能型式检验报告,以及夹片式锚具的锚口摩阻损失测试报告或参数。产品按合同核对无误后,应按行业推荐性标准《公路桥规》(JTG/T3650—2020)的规定进行外观检验、尺寸检验、硬度检验和静载锚固性能试验的进场检验。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)也是变化的。在预应力混凝土梁的端部区段,布置的是编号⑥闭合式箍筋(C12)。箍筋的布置间距为100mm。编号⑥闭合式箍筋弯制形状与编号⑤的箍筋形状相近。对后张预应力混凝土T形、工字形截面梁和箱形截面梁的箍筋布置,行业标准《公路桥规》(JTG3362—2018)规定:应分别设置直径不小于10mm和12mm的箍筋,且应采用带肋钢筋,间距不宜大于200mm;自支座中心起长度不小于1倍梁高范围内,应采用闭合式箍筋,间距不大于120mm9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造②水平纵向钢筋。图9-14中编号③、和钢筋为梁肋部分的水平纵向钢筋。水平纵向钢筋为C12,沿梁肋高度方向上、以间距32mm(编号③、钢筋)或110mm(编号钢筋)布置。梁肋部分的水平纵向钢筋均沿梁跨径方向通长布置,为配合T梁梁肋截面宽度变化,梁肋部分的水平纵向钢筋采用直线+水平折线+直线形状,见图9-14中编号为③、和的钢筋布置图。注意,图9-14所示后张预应力混凝土T梁梁肋水平纵向钢筋是布置在箍筋内侧的。③箍筋长肢间的辅助钢筋(也称拉筋)。图9-14中编号钢筋为梁肋部分的箍筋长肢间的拉筋(C10),布置位置在立面图以实心黑点表示。9.2.2后张法混凝土T梁的钢筋构造因T梁梁肋箍筋长肢较长,设置拉筋以增强箍筋刚度和整体性,防止施工期间箍筋侧向变形并保证各道箍筋位置平整。注意拉筋两端通过90°弯钩绑扎在相应水平纵向钢筋上。(3)马蹄部分的钢筋布置马蹄部分的钢筋主要是箍筋和水平纵向钢筋。马蹄部分的箍筋是图9-14中编号⑦、⑧和⑨钢筋,C12。编号⑦箍筋用于梁跨中区段、编号⑧箍筋用于梁的截面变化过渡段和编号⑨箍筋用于梁端区段。应另设直径不小于8mm的闭合箍筋,间距不宜大于200mm。水平纵向钢筋是图9-14中编号②钢筋,C12,沿梁跨径方向直线通长布置。梁跨中区段,是马蹄部分的箍筋内折处构造钢筋(图9-14的A-A截面图);梁截面变化过渡段和梁端区段,是马蹄部分的水平纵向钢筋(图9-14B-B截面图)。模块10

预应力混凝土受弯构件受力阶段与截面承载力计算学习目标知道适筋配置的预应力混凝土受弯构件三个主要受力阶段,理解各受力阶段构件截面正应力变化。知道全预应力混凝土构件和A类预应力混凝土构件各受力阶段的基本计算项目与对应的设计状况。会进行简支预应力混凝土梁板的正截面和斜截面承载力复核计算。任务目录10.1预应力混凝土受弯构件的受力阶段与设计计算方法10.2正截面抗弯承载力与斜截面抗剪承载力计算10.1预应力混凝土受弯构件的受力阶段与设计计算方法10.1.1预应力混凝土受弯构件受力及工作阶段10.1.2预应力混凝土受弯构件的设计计算方法10.1.1预应力混凝土受弯构件受力及工作阶段适筋配置的预应力混凝土受弯构件(仅配置受拉区预应力钢筋)从预加应力到承受外荷载,直至最后破坏,可分为三个主要受力阶段：施工阶段、使用阶段和破坏阶段。三个阶段又各包括若干不同的子阶段或不同受力状态。10.1.1预应力混凝土受弯构件受力及工作阶段在预加应力阶段,预应力混凝土梁所承受的作用主要是偏心预压力(即扣除相应预应力损失后预加应力的合力)Np。Np

的偏心作用会使梁产生向上的反拱Δ[图10-1a)],形成以预制梁两端为支点的简支梁,因此在施加预加力Np的同时,梁的自重作用也一起参加作用。表10-1中的截面应力示意是指在预应力和弯矩作用下简支梁跨中截面正应力及分布示意:10.1.1预应力混凝土受弯构件受力及工作阶段在偏心预压力Np作用下梁截面下边缘混凝土承受压应力σpc[图10-1b)]在梁自重产生的截面弯矩MG1作用下梁截面下边缘混凝土承受拉应力σG1,l[图10-1c)]且小于σpc。截面应力图叠加后得到预加力Np和梁自重弯矩MG1共同作用下截面的正应力分布[图10-1d)],梁截面下边缘混凝土仍承受压应力。10.1.1预应力混凝土受弯构件受力及工作阶段在运输、安装阶段,预应力混凝土梁所承受的荷载仍是预加力Np和梁的自重力作用,以及施工荷载作用。但由于引起预应力损失的因素相继增加,运输、安装阶段的Np要比预加应力阶段小。使用阶段是指桥梁建成运营通车整个工作阶段。使用阶段预应力混凝土梁除承受偏心预加力Np和梁的自重G1外,还要承受桥面铺装、人行道、栏杆等后加的结构附加重力G2等永久作用和车辆、人群等可变作用Q。因与时间有关的因素引起的钢筋预应力损失,使用阶段的预加力Np要比施工阶段小,同时使用阶段的荷载作用组合产生的弯矩(在表10-1中用符号MH表示)增大,因此梁截面下边缘混凝土应力可能是较小的压应力,也可能是拉应力。10.1.1预应力混凝土受弯构件受力及工作阶段预应力混凝土梁在表10-1中“截面即将开裂”状态(MH=Mcr时)之前,梁体是没有混凝土弯曲裂缝的;“截面即将开裂”状态之后梁体出现混凝土弯曲裂缝(表10-1中的“截面开裂状态”,即MH>Mcr时),故“截面即将开裂”状态是预应力混凝土梁截面未裂和开裂的标志状态,把弯矩Mcr称为开裂弯矩。预应力混凝土梁在表10-1中“截面消压状态”(MH=M0时),表明预应力混凝土梁截面边缘混凝土预压应力被抵消,因此把弯矩M0称为消压弯矩。在截面消压状态之后预应力混凝土梁基本上像钢筋混凝土梁一样工作。工程试验研究和工程实践证明,在施工阶段和使用阶段预应力混凝土梁都可视为处于弹性工作状态。10.1.1预应力混凝土受弯构件受力及工作阶段对于只在受拉区配置预应力钢筋且配筋率适当的预应力混凝土梁(适筋梁),破坏时正截面受拉区预应力钢筋将先达到屈服强度,混凝土临界裂缝迅速向上延伸,而后截面受压区混凝土被压碎,预应力混凝土梁正截面即告破坏。破坏时,截面的应力状态与钢筋混凝土适筋梁相似。试验表明,在正常配筋的范围内,预应力混凝土梁的破坏弯矩主要与构件材料强度性能、预应力钢筋数量和截面布置有关,其破坏弯矩值与同条件下普通钢筋混凝土梁的破坏弯矩值几乎相同,而在受拉区钢筋中是否施加预拉应力对梁的破坏弯矩的影响很小,这说明预应力混凝土结构并不能创造出超越其本身材料强度能力之外的奇迹,只是大大改善了结构在正常使用阶段的工作性能。10.1.2预应力混凝土受弯构件的设计计算方法采用近似概率极限状态设计法：具体设计计算应满足规定的承载能力极限状态和正常使用极限状态设计计算的各项要求,以使桥梁预应力混凝土结构在正常施工过程和正常使用期间能安全地承受各种可能出现的作用,在偶然事件发生时,承重结构仍能保证正常的稳定和使用,或加以修补就能继续使用。预应力混凝土受弯构件设计计算需要特别考虑的问题之一是构件在受力全过程中会经历不同的受力阶段,其中某些受力阶段在钢筋混凝土受弯构件中也有发生,另外有些受力阶段仅是由于预加应力作用才存在。必须根据预应力混凝土结构构件采用的预加应力施工方法以及预应力钢筋布置,确定设计状况及相应的极限状态后进行设计计算,以反映结构构件的实际受力阶段和受力状况,这是至关重要的。10.1.2预应力混凝土受弯构件的设计计算方法按全预应力混凝土和A类预应力混凝土构件设计的预应力混凝土受弯构件的基本计算内容见表10-2。计算项目设计状况受力阶段承载能力极限状态正截面抗弯承载力计算持久状况破坏阶段斜截面抗剪承载力计算端部锚固区计算截面应力计算使用阶段截面应力验算持久状况使用阶段施工阶段截面应力验算短暂状况施工阶段正常使用极限状态抗裂验算持久状况使用阶段预应力混凝土受弯构件设计需计算的内容表10-210.2正截面抗弯承载力与斜截面抗剪承载力计算10.2.1正截面抗弯承载力计算10.2.2斜截面抗剪承载力计算10.2正截面抗弯承载力与斜截面抗剪承载力计算预应力混凝土受弯构件正截面适筋破坏特征,即截面配置的纵向受力钢筋先屈服,然后截面受压区边缘混凝土达到极限压应变破坏。预应力混凝土受弯构件正截面抗弯承载力计算的假定为:①预应力混凝土受弯构件正截面破坏时,截面变形规律符合平均应变平截面假定,平截面假定相关内容见材料力学教材。②忽略截面受拉区混凝土的抗拉作用。10.2.1正截面抗弯承载力计算正截面抗弯承载力计算假定与计算图式1(1)计算假定10.2.1正截面抗弯承载力计算③纵向受拉钢筋的应力应符合条件:σpi≤fpd(fpd为纵向预应力钢筋的抗拉强度设计值),σsi≤fsd(fsd为纵向非预应力钢筋的抗拉强度设计值)。(2)计算图式建立预应力混凝土受弯构件正截面抗弯承载力计算的计算图式应注意:①正截面受压区混凝土的压应力图形简化为等效的矩形应力图,矩形压应力图的压力强度取混凝土的轴心抗压强度设计值fcd。②对T形、工字形截面的受压翼缘板厚度取等效简化后的厚度、受压翼缘板宽度取其有效宽度,受压翼缘板等效截面和有效宽度计算方法参见本教材第5.1节。10.2.1正截面抗弯承载力计算对于纵向受拉钢筋采用混合配筋方式的T形、工字形截面的预应力混凝土受弯构件,正截面抗弯承载力计算的计算图式以T形截面为例进行说明,见图10-2。正截面抗弯承载力计算公式210.2.1正截面抗弯承载力计算(1)基本公式当为第一类T形截面(x≤h′f,h′f为受压翼缘板厚度)时[图10-2a)]:

(10-2)

(10-1)式中：Mu——截面抗弯承载力；Ap、As——分别为截面受拉区纵向预应力钢筋和纵向非预应力钢筋截面面积；

fpd、fsd

——分别为截面受拉区纵向预应力钢筋和纵向非预应力钢筋抗拉强度设计值；fcd

——混凝土轴心抗压强度设计值；x——按等效矩形应力图计算的截面受压区高度；

h′f——T形、工字形截面受压翼缘板有效宽度。h0——截面有效高度，h0=h-a，h为截面全高，a按下式计算：10.2.1正截面抗弯承载力计算当为第二类T形截面(x>h′f,h′f为受压翼缘板厚度)时[图10-2b)]:b为T形、工字形截面肋板宽度;其余符号与式(10-1)、式(10-2)相同。(2)适用条件①计算的截面受压区高度x

应满足:x<ξbh0(10-6)预应力混凝土受弯构件正截面相对界限受压区高度值,见表10-3。

(10-5)

(10-4)10.2.1正截面抗弯承载力计算②预应力混凝土受弯构件正截面最小配筋率应满足:Mu/Mcr≥1.0(10-7)Mu、Mcr分别为预应力混凝土受弯构件截面抗弯承载力和截面开裂弯矩值10.2.1正截面抗弯承载力计算

fpdAp+fsdAs≤fcdb′fh′f(10-8)(3)第一类T形截面和第二类T形截面的判别已知T形、工字形截面受压翼缘板的厚度h′f和有效宽度b′f,截面纵向受拉预应力钢筋截面积Ap及抗拉设计强度fpd、截面纵向受拉非预应力钢筋截面积As及抗拉设计强度fsd,混凝土抗压设计强度fcd时：若满足式(10-8)的关系时,属于第一类T形截面;反之属于第二类T形截面。正截面抗弯承载力复核方法3以先张法预应力混凝土空心板为例,对工字形、T形截面受弯构件的正截面抗弯承载力的验算步骤可按图10-3所示计算流程进行。例10-1计算跨径l0=12.50m的先张法预应力混凝土空心板，中板跨中截面几何尺寸和截面纵向受拉钢筋布置分别见图9-1b)和图9-2b)。纵向预应力钢筋为11As15.2钢绞线（抗拉强度标准值fpk=1860MPa)，纵向受拉非预应力钢筋为8C16，箍筋和水平纵向钢筋直径A10。设计上空心板、铰缝和整体化现浇混凝土层均采用C50混凝土，并且整体化现浇混凝土层（厚100mm)的70mm厚度考虑参与受力。Ⅰ类环境条件，设计使用年限100年，安全等级为二级，该截面是否能承受计算弯矩M=γ0Md=836.7kN·m的作用。10-1图9-1解：参照图10-3所示计算流程图的“计算准备”，进行截面纵向受力预应力和非预应力钢筋布置检查，符合要求。图9-1b)所示中板跨中截面的单个挖空部分是由矩形和两个直径D=350mm的半圆形组成，经计算得到等效工字形截面（图10-4）。

需要说明的是等效工字形截面受压翼缘板宽度b′f=1000mm为有效宽度，同时截面高度h=670mm中已考虑了整体化现浇混凝土层70mm厚度参与受力。11As15.2钢绞线（单根钢绞线面积值查附表3）的面积Ap=11×139=1529(mm2)，抗拉强度设计值fpd=1260MPa；8C16钢筋面积As=1608mm2，抗拉强度设计值fsd=330MPa。C50混凝土抗压强度设计值fcd=22.4MPa。等效工字形截面受压翼缘板有效宽

b′f=1000mm、厚度

h′f=209mm。代入式

(10－8)中得到

不等号左边

fpdAp+fsdAs=1260×1529+330×1608=2457.18（kN)

而不等号左边

fcd

b′fh′f=22.4