第五章预应力混凝土结构

1第五章预应力混凝土结构第一节预应力混凝土的基本原理所谓预应力混凝土，指在混凝土结构承受外荷载前预先引入内部应力，并使其应力大小和分布能抵消使用荷载产生的应力至期望程度的混凝土。现以图5-1所示的预应力混凝土简支梁为例，说明预应力混凝土结构的基本原理。该梁在荷载作用之前，通过张拉高强度钢筋的方法，预先在梁的受拉区施加偏心压力pN，使梁的下边缘产生预压应力1c，上边缘产生预拉应力1t（如图5-1（a）），当荷载q（包括梁自重）作用时，在梁跨中截面下边缘将产生拉应力2t，梁上边缘产生压应力2c（如图5-1（b））。这样，在预压力pN和荷载q共同作用下，梁下边缘拉应力将减至12ct，梁上边缘一般为压应力，但也可能为有限的拉应力（如图5-1（c））。由此可见，由于预先给混凝土梁施加了预压力pN，使混凝土梁在荷载q作用下，其下边缘产生的拉应力被预压应力完全或大部分抵消，因而可以避免混凝土出现裂缝（或将裂缝宽度控制在容许范围之内），这就改善了钢筋混凝土梁的抗裂性能，并能充分发挥高强度材料的作用。(拉)(压)σ(压)(拉)σσ(压或拉)σσ-(拉)σσ-σ图5-1预应力的作用第二节预加应力的方法与设备5.2.1预加应力的方法常用的预加应力方法主要有先张法和后张法两类。1、先张法即先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土。工序如图5-2所示。先在台座上按设计规定的拉力张拉钢筋，并用锚具临时固定；再浇筑构件混凝土；待混凝土达到规定强度后，放松钢筋，2混凝土构件借助钢筋的弹性恢复获得预压应力。先张法预应力混凝土构件是通过预应力筋和混凝土之间的粘结力来保持和传递预应力。先张法通常适用在长线台座(50～200m)上成批生产直线预应力布筋的中小型构件，如屋面板、空心板梁、桩等。先张法的主要优点是生产效率高、施工工艺简单、锚夹具可多次重复使用。临时固定钢筋伸长台座固定端横梁张拉图5-2先张法工序示意（a）钢筋就位；（b）张拉钢筋：（c）临时固定钢筋，浇筑梁体混凝土并进行混凝土养护；（d）放松钢筋，钢筋回缩，混凝土受预压而上拱。2、后张法后张法即先浇筑构件混凝土，后张拉预应力钢筋的方法。工序如图5-3所示。先浇筑构件混凝土，并在混凝土构件中预留孔道；待混凝土达到规定强度后，将钢筋穿过预留孔道；以混凝土构件本身作为支承件，通过张拉钢筋使混凝土构件获得预应力；然后用专用锚具将钢筋锚固于构件端面上；在预留孔内压注水泥浆，以使预应力钢筋与梁体粘结为整体；最后浇筑封端混凝土以保护锚具不致锈蚀。灌浆灌浆钢筋伸长混凝土压缩图5-3后张法工序示意（a）制作构件，预留孔道，穿入预应力钢筋；（b）安装千斤顶；（c）张拉钢筋；（d）锚住钢筋，拆除千斤顶，孔道压力灌浆。后张法预应力混凝土构件主要通过锚具来保持和传递预压应力。后张法不需要专门台座，适用于在现场制作大型结构构件，可配置直线或曲线预应力钢筋，但施工工艺较复杂，锚具消耗量较大，成本较高。5.2.2预加应力的设备31、锚具（1）对锚具的要求无论是先张法所用的临时锚具，还是后张法所用的永久性工作锚具，都是保证预应力混凝土施工安全、结构可靠的技术关键性设备。因此，在设计、制造或选择锚具时，应注意满足下列要求：受力安全可靠；刚度大，预应力损失小；构造简单、紧凑，制作方便，用钢量少；张拉锚固方便迅速，设备简单。（2）锚具的分类及类型锚具的形式繁多，按其传力锚固的受力原理，可分为：ａ、依靠摩阻力锚固的锚具。如楔形锚、锥形锚和用于锚固钢绞线的JM锚与夹片式群锚等，都是借张拉筋束的回缩或千斤顶的顶压，带动锥销或夹片将筋束楔紧于锥孔中而锚固的。ｂ、依靠承压锚固的锚具。如墩头锚、钢筋螺纹锚等，是利用钢丝的墩粗头或钢筋螺纹承压达到锚固的。ｃ、依靠粘结力锚固的锚具。如先张法的筋束锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等，都是利用筋束与混凝土之间的粘结力进行锚固的。对于不同形式的锚具，往往需要有专门的张拉设备配套使用。因此，在设计施工中，锚具与张拉设备的选择，应同时考虑。目前国内在桥梁结构中几种常用的锚具有：锥形锚、墩头锚、高强精轧螺纹钢筋锚具、夹片锚具等等。2、千斤顶各种锚具都必须配置相应的张拉设备，才能顺利地进行张拉、锚固。与夹片锚具配套的张拉设备，是一种大直径的穿心千斤顶（如图5-4）,它常与夹片锚具配套研制。其他各种锚具也都具有各自适用的千斤顶。因此在设计施工需要时，应详细查阅各生产厂家的产品目录配套购置。工具锚夹片喇叭管工具锚夹片限位板活塞油缸工具锚锚板工具锚夹片钢绞线图5-4夹片锚张拉千斤顶安装示意图3、其他设备按照施工工艺的要求，预加应力尚需有以下一些设备或配件。ａ、制孔器预制后张法构件时，需预留筋束穿入的孔道。目前，国内桥梁构件预留孔道所用的制孔器主要有两种：波纹管和抽拔橡胶管。ｂ、穿索机当采用后张法时，一般都采用后穿法穿束。但当构件的筋束很长时，人工穿束十分困难，故采用穿索（束）机。穿索（束）机有两种类型：一是液压式；二是电动式。4ｃ、灌孔水泥浆及压浆机在后张法预应力混凝土构件中，筋束张拉锚固后必须给预留孔压注水泥浆，以免钢筋锈蚀，并使筋束与梁体混凝土结合为一整体。应严格控制水灰比并保证孔道内水泥浆密实。压浆机是孔道灌浆的主要设备，它主要由灰浆搅拌桶、存浆桶和压送灰浆的灰浆泵以及供水系统组成。ｄ、张拉台座采用先张法生产预应力混凝土构件时，需设置用作张拉和临时锚固筋束的张拉台座。张拉台座将承受张拉筋束巨大的回缩力，设计时应保证具有足够的强度、刚度和稳定性。第三节预应力损失与有效预应力5.3.1张拉控制应力张拉控制应力con是指张拉预应力钢筋锚固前，张拉千斤顶所指示的总拉力除以被张拉预应力钢筋截面积所求得的钢筋应力值。对于钢制锥形锚具等有锚圈口摩阻力的锚具，con应为扣除锚圈口损失的锚下拉应力值，故04年规范第6.1.3条特别指出，con对后张法构件为梁体内锚下应力，应符合下列规定：1、钢丝、钢绞线的张拉控制应力值：pkconf75.0（5.3-1）2、精轧螺纹钢筋的张拉控制应力值：pkconf90.0（5.3-2）当对构件进行超张拉或计入锚圈口摩擦损失时，钢筋中最大控制应力（千斤顶油泵上显示的值）对钢丝和钢绞线不应超过pkf80.0；对精轧螺纹钢筋不应超过pkf95.0。为充分发挥预应力的效果，预应力钢筋张拉控制应力宜取得高一些，以便混凝土获得较高的预压应力，从而提高构件的抗裂性和刚度。但张拉控制应力过高可能引起如下问题：①在施工阶段会使构件的某些部位受到较大的拉应力导致开裂；②可能造成后张法构件端部混凝土局部承压破坏；③使构件的开裂荷载与破坏荷载很接近，从而破坏前无明显的预兆，构件的延性较差；④可能使个别预应力钢筋应力过高，产生较大的塑性变形甚至拉断。5.3.2预应力损失在施工和使用过程中，由于张拉工艺和材料特性等原因，构件中预应力钢筋的应力将出现降低，这种现象称作预应力损失。了解产生预应力损失的原因，正确计算预应力损失值以及采用有效的措施减少这些损失，是预应力混凝土结构设计与施工的重要内容。下面分别讨论各种预应力损失。1、后张法构件张拉时，预应力钢筋与管道壁之间摩擦引起的预应力损失1l5θ2/θθ/2-2σσθ图5-5预应力钢筋的筋摩擦损失（a）直线筋摩擦损失；（b）曲线筋摩擦损失按现行规范第6.2.2条规定，1l的计算公式为：kxconle11（5.3-3）式中：k为管道每米局部偏差对摩擦的影响系数；为预应力钢筋与管道壁的摩擦系数；为从张拉端至计算截面曲线管道部分切线的夹角之和（rad）（如图5-6）；k、按规范表6.2.2取值。所求截面图5-6减少1l损失的措施有：①采用两端张拉，如图5-7(b)所示；②采用超张拉工艺，如图5-7(c)所示，其超张拉工艺为：并锚固持续两分钟concon05.10张拉端张拉端σ锚固端σ锚固端张拉端1.05σ锚固端图5-7一端张拉、两端张拉及超张拉时曲线预应力钢筋的摩擦损失（a）一端张拉；（b）两端张拉；（c）超张拉当采用一端张拉、两端张拉、超张拉时，预应力钢筋的摩擦损失和相应的有效预应力分布（阴影部分）如图5-7所示。2、由锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩引起的预应力损失2l6对直线预应力钢筋，该项预应力损失按下式计算：plEll2（5.3-4）式中：l为张拉端锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值（mm），按规范表6.2.3采用；l为张拉端至锚固端之间的距离（mm）。对曲线或折线预应力钢筋的后张法构件，当将预应力钢筋张拉至con并锚固在构件端部时，由于受到预应力钢筋与管道壁间反向摩擦的影响，2l只在一定长度fl内发生，该长度称为反向摩擦影响长度。计算时需考虑这种反向摩擦的影响。具体计算可按照规范第6.2.3条和规范附录D进行。2l只考虑发生在张拉端，至于锚固端因在张拉过程中锚具变形和钢筋回缩已经完成，故不应考虑。减小2l损失的措施有：①选择锚具变形和钢筋回缩值较小的锚具，并尽量少用垫板；②对先张法，宜增大台座长度。3、先张法预应力混凝土构件，当采用加热方法养护时，由钢筋与台座之间的温差引起的预应力损失3l设张拉钢筋与台座之间的温差为12tt（℃），钢筋的线膨胀系数/00001.0℃，则《公桥规》（JTGD62－2004）第6.2.4条规定12125123210200001.0ttttttEsl（5.3-5）减小3l损失的措施有：①采用分阶段养护措施，例如第一阶段用低温养护，温差控制在20℃左右，然后恒温养护，待混凝土达到一定强度预应力钢筋与混凝土结成整体时，再进行第二阶段的升温养护。此时3l仅计入第一阶温差引起的预应力损失。②采用钢模生产预应力构件，钢模与构件一起整体入池养护。4、由混凝土弹性压缩引起的预应力损失4l①后张法预应力混凝土构件当采用分批张拉时，先张拉的钢筋由后批张拉钢筋的混凝土弹性压缩所引起的预应力损失，计算公式为：pcEPl4（5.3-6）式中：pc为在计算截面先张拉的钢筋重心处，由后张拉各批钢筋产生的混凝土法向应力；EP为预应力钢筋弹性模量与混凝土弹性模量的比值。②先张法预应力混凝土构件，放松钢筋时由混凝土弹性压缩引起的预应力损失，计算公7式为：pcEPl4（5.3-7）式中：pc为在计算截面重心处，由全部钢筋预加力产生的混凝土法向应力。5、预应力钢筋由于钢筋松弛引起的预应力损失终极值5l钢筋在持续荷载下，其应变不变，应力随时间增长而降低的现象称作钢筋的应力松弛。钢筋的应力松弛与下列因素有关：①应力松弛先快后慢直至稳定，张拉后第一小时可完成全部应力松弛损失值的50%左右，24小时可达约80%，1000小时趋于稳定；②初始应力越高，松弛损失越大；③热处理钢筋的应力松弛较小，钢丝、钢绞线应力松弛较大，但低松弛钢绞线应力松弛明显小于普通钢绞线。现行规范第6.2.6条规定，预应力钢筋由于应力松弛引起的预应力损失终极值5l计算公式为：①预应力钢丝、钢绞线pepkpelf26.052.05（5.3-8）式中：为张拉系数，一次张拉时，0.1；超张拉时，9.0；为钢筋松弛系数，I级松弛（普通松弛），0.1；II级松弛（低松弛），3.0；pe为传力锚固时的钢筋应力，对后张拉构件，421lllconpe；对先张拉构件，2lconpe。②精轧螺纹钢筋一次张拉conl05.05（5.3-9）超张拉conl035.05（5.3-10）通过超张拉可减小钢筋应力松弛引起的预应力损失。因为钢筋在高应力短时间所产生的松弛损失可达到较低应力下需经过较长时间才能完成的应力松弛值。6、由混凝土收缩、徐变引起预应力钢筋的预应力损失6l、'6l混凝土具有收缩和徐变的特性。收缩：混凝土在凝结硬化过程中产生体积缩小的现象。徐变：混凝土在持续应力作用下，应变随时间而增大的现象。若加载龄期越小，应力水平越高，荷载持续时间越长，则混凝土的徐变越大；另外，水