预应力混凝土结构的基本概念及其材料

2020年1月17日6时54分回顾上节课中的重点内容钢筋混凝土结构的缺点？易开裂（需带裂缝工作）；钢筋效率低（限制了高强材料的使用）预应力混凝土结构的定义？预先给混凝土引入内部应力的结构配筋混凝土结构的分类？按预应力度进行分类（全预应力；部分预应力A、B；钢筋混凝土）。2020年1月17日6时54分全预应力混凝土结构的缺点？反拱大；预加力过大易产生纵向裂缝。按钢筋张拉的顺序对预应力混凝土结构分类先张法；后张法。先张法和后张法的施工工艺？先张：张拉钢筋、浇筑混凝土、待混凝土结硬后释放预应力。后张：浇筑混凝土、张拉钢筋、管道灌浆。2020年1月17日6时54分预应力混凝土结构的传力机理？先张：粘结；后张：锚具。2020年1月17日6时54分12.2预加应力的方法与设备公路桥梁工程常见预应力钢筋种类1.高强钢丝2.钢绞线3.精轧螺纹钢筋2020年1月17日6时54分12.2预加应力的方法与设备12.2.2锚具1）对锚具的要求无论是先张法所用的临时夹具，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、结构可靠的关键设备。要求如下：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；张拉锚固方便迅速，设备简单。2020年1月17日6时54分2）锚具的分类锚具的型式繁多，按其传力锚固的受力原理，可分为：（1）依靠摩阻力锚固的锚具；（2）依靠承压锚固的锚具；（3）依靠粘结力锚固的锚具。2020年1月17日6时54分3）目前桥梁结构中几种常用的锚具（1）依靠摩阻力锚固的锚具锥形锚压浆孔锚塞锚圈锚下垫板波纹管预留孔道钢丝束梁体a)锚圈锚塞压浆孔钢丝束Npb)锥形锚（又称为弗式锚），主要用于钢丝束的锚固。2020年1月17日6时54分锥形锚具实际产品2020年1月17日6时54分优点：钢制锥形锚锚固方便，锚具面积小，便于在梁体上分散布置。缺点：锚固时钢丝的回缩量较大，一端锚头的回缩量可达6mm，即引起的预应力损失较大。不能重复张拉和接长，钢丝束的设计长度受到千斤顶行程的限制。2020年1月17日6时54分夹片锚具夹片锚具体系主要作为锚固钢绞线之用。1)中国建筑科学研究院先后研制出了XM锚具和QM锚具系列；2)中交公路规划设计院研制出了YM锚具系列；3)柳州建筑机械总厂与同济大学合作，在QM锚具系列的基础上又研制出了OVM锚具系列等。2020年1月17日6时54分多孔式夹片锚具固定端夹片锚具张拉端夹片锚具2020年1月17日6时54分扁锚锚具张拉端扁锚锚具固定端扁锚锚具扁锚锚具连接器2020年1月17日6时54分夹片锚固体系的特点是各根钢绞线独立工作，即使单根锥孔的钢绞线锚固失效，也不会影响全锚，只需对失效孔的钢绞线进行补拉。2020年1月17日6时54分（2）依靠承压锚固的锚具镦头锚镦头锚主要用于锚固钢丝束，也可锚固直径在14mm以下的预应力螺纹钢筋。锚固钢丝束2020年1月17日6时54分钢筋螺纹锚具粗钢筋锚固螺母圆垫圈钢垫板螺旋筋预留孔道排气槽螺帽锚固板灌浆排气波纹套管钢筋梁体a）b）图螺丝端杆锚具当采用高强粗钢筋作为预应力钢筋时，可采用螺纹锚具固定。即借粗钢筋两端的螺纹，在钢筋张拉后直接拧上螺帽进行锚固，钢筋的回缩力由螺帽经支承垫板承压传递给梁体而获得预应力2020年1月17日6时54分（3）依靠粘结力锚固的锚具（固定端锚具）1)先张法预应力钢筋；2)后张法构件中的固定端锚具(分为挤压锚具和压花锚具)。活塞缸机架钢绞线模具硬钢丝螺旋圈软钢套圈d（5～6.5d）130～150mm图12-8挤压锚具的生产示意图图12-9压花锚具2020年1月17日6时54分压花锚具挤压锚具2020年1月17日6时54分锚具的设计应根据工程具体情况，综合考虑多种因素进行。为改善结构局部受力和方便施工，应尽量避免使用大吨位锚具。锚具设计参数和相应配件尺寸，可参阅各生产厂家的产品介绍材料选用。2020年1月17日6时54分12.2预加应力的方法与设备(续)12.2.3千斤顶限位板工作锚夹片喇叭管工作锚锚板油缸活塞工作锚锚板工作锚夹片钢绞线穿心式千斤顶2020年1月17日6时54分12.2预加应力的方法与设备(续)12.2.4预加应力的其它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。1）制孔器目前，国内桥梁构件预留孔道所用的制孔器主要有两种：抽拔橡胶管与螺旋金属波纹管。2）穿索机在桥梁悬臂施工和尺寸较大的构件中，一般都采用后穿法穿束。对于大跨桥梁有的预应力钢筋很长，人工穿束十分吃力，故采用穿索（束）机。2020年1月17日6时54分3）灌孔水泥浆及压浆机（1）水泥浆后张法预应力混凝土构件，预应力钢筋张拉锚固后必须给预留孔道压注水泥浆，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。（2）压浆机是孔道灌浆的主要设备。4）张拉台座采用先张法生产预应力混凝土构件时，则需设置用作张拉和临时锚固预应力钢筋的张拉台座。2020年1月17日6时54分12.3预应力混凝土结构的材料12.3.1混凝土1)强度要求——预应力混凝土要求采用高强混凝土★可以施加较大的预压应力，提高预应力效率；★徐变较小，有利于减少徐变引起的预应力损失；★有利于提高局部承压能力，便于后张锚具的布置和减小锚具垫板的尺寸；★一般预应力混凝土构件的混凝土强度等级不低于C40，当前常用高强混凝土不低于C50。2020年1月17日6时54分2）收缩、徐变的影响及其计算混凝土的收缩和徐变，使预应力混凝土构件缩短，因而将引起预应力钢筋中的预拉应力的下降，通常称此为预应力损失。在预应力混凝土结构的设计、施工中，应尽量减少混凝土的收缩和徐变，并应尽量准确地确定混凝土的收缩变形与徐变变形值。以下介绍收缩、徐变的计算方法。2020年1月17日6时54分混凝土徐变变形的特点和计算1)影响混凝土徐变值大小的主要因素是荷载应力、持荷时间、混凝土的品质与加载龄期、以及构件尺寸和工作的环境等。2)混凝土徐变试验的结果表明：当混凝土所承受的持续应力σc≤0.5fck时，其徐变应变值εc与混凝土应力σc之间，存在着线性关系，在此范围内的徐变变形则称为线性徐变，如图1-15所示即，或：εc——所计算的徐变值；εe——加载（作用）时的弹性应变（即急变）值；——徐变应变与弹性应变的比例系数，一般称为徐变系数（亦称徐变特征值）。ecec2020年1月17日6时54分3)在影响徐变值的众多因素中，时间是更主要的因素。徐变是随时间延续而增加的，但又随加载龄期t0的增大而减小，故一般将其表示为φ(t,t0)。即加载时混凝土龄期t0，计算所考虑时刻的混凝土龄期为t的徐变系数。如图1-16所示。由式（12-1）可知，只要知道徐变系数ott,，就可以算出在混凝土应力c作用下的徐变应变值c。《公路桥规》建议的徐变系数计算式为：,oocotttt（12-2）式中的ott,称为加载龄期为ot，计算考虑龄期为t时的混凝土徐变系数；o为混凝土名义徐变系数，按式（12-3）计算：ocmRHotf（12-3）其中3146.011ooRHhhRHRH（12-4）5.03.5cmocmcmfff（12-5）2.011.01tttoo（12-6）2020年1月17日6时54分由式（12-1）可知，只要知道徐变系数ott,，就可以算出在混凝土应力c作用下的徐变应变值c。《公路桥规》建议的徐变系数计算式为：,oocotttt（12-2）式中的ott,称为加载龄期为ot，计算考虑龄期为t时的混凝土徐变系数；o为混凝土名义徐变系数，按式（12-3）计算：ocmRHotf（12-3）其中3146.011ooRHhhRHRH（12-4）5.03.5cmocmcmfff（12-5）2.011.01tttoo（12-6）名义徐变系数的计算ec,oocotttt2020年1月17日6时54分式中：RH——环境年平均相对湿度（％）；RH0＝100％；h——构件理论厚度（mm），2chAu＝（mm），cA为构件截面面积，u为构件与大气接触的周边长度；取0h＝100mm；cmf——强度等级C20~C50混凝土在28天龄期时的平均立方体抗压强度（MPa），MPaffkcucm88.0,；取MPafcmo100；kcuf,——龄期为28天，具有95%保证率的混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；ot——加载时的混凝土龄期（天）；t——计算考虑时刻的混凝土龄期（天）；1t——1t＝1天；c为加载后徐变随时间发展的系数，按式（12-7）计算：0.311ocoHotttttttt（12-7）1500250)2.1(115018ooHhhRHRH（12-8）式（12-7）和式（12-8）的符合意义与式（12-4）～式（12-6）相同。由式（12-1）可知，只要知道徐变系数ott,，就可以算出在混凝土应力c作用下的徐变应变值c。《公路桥规》建议的徐变系数计算式为：,oocotttt（12-2）式中的ott,称为加载龄期为ot，计算考虑龄期为t时的混凝土徐变系数；o为混凝土名义徐变系数，按式（12-3）计算：ocmRHotf（12-3）其中3146.011ooRHhhRHRH（12-4）5.03.5cmocmcmfff（12-5）2.011.01tttoo（12-6）2020年1月17日6时54分式中：RH——环境年平均相对湿度（％）；RH0＝100％；h——构件理论厚度（mm），2chAu＝（mm），cA为构件截面面积，u为构件与大气接触的周边长度；取0h＝100mm；cmf——强度等级C20~C50混凝土在28天龄期时的平均立方体抗压强度（MPa），MPaffkcucm88.0,；取MPafcmo100；kcuf,——龄期为28天，具有95%保证率的混凝土立方体抗压强度标准值（MPa）；ot——加载时的混凝土龄期（天）；t——计算考虑时刻的混凝土龄期（天）；1t——1t＝1天；c为加载后徐变随时间发展的系数，按式（12-7）计算：0.311ocoHotttttttt（12-7）1500250)2.1(115018ooHhhRHRH（12-8）式（12-7）和式（12-8）的符合意义与式（12-4）～式（12-6）相同。2020年1月17日6时54分在实际桥梁设计中需考虑徐变影响或计算阶段预应力损失时，强度等级C20~C50混凝土的名义徐变系数，可按由公式（12-1）算得的表12-2值采用。混凝土名义徐变系数o表12-1加载龄期（天）40%≤RH＜70%70%≤RH＜90%理论厚度h(mm)理论厚度h(mm)100200300≥600100200300≥60033.903.503.313.032.832.652.562.4473.333.002.822.592.412.262.192.08142.922.622.482.272.121.991.921.83282.562.302.171.991.861.741.691.60602.211.991.881.721.611.511.461.39902.051.841.741.591.491.391.351.282020年1月17日6时54分（2）混凝土的收缩变形混凝土的硬化收缩应变是非受力变形。一般第一年的应变可达到（0.15~0.4）×10-3，收缩变形可延续至数年，其终值可达（0.2~0.6）×10-3。混凝土收缩应变可按下式计算：sscsoscstttt