预应力混凝土结构的基本概念及其材料

1、2022年5月5日16时53分回顾上节课中的重点内容v钢筋混凝土结构的缺点？v易开裂（需带裂缝工作）；钢筋效率低（限制了高强材料的使用）v预应力混凝土结构的定义？v预先给混凝土引入内部应力的结构v配筋混凝土结构的分类？v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）。2022年5月5日16时53分v全预应力混凝土结构的缺点？v反拱大；预加力过大易产生纵向裂缝。v按钢筋张拉的顺序对预应力混凝土结构分类v先张法；后张法。v先张法和后张法的施工工艺？v先张：张拉钢筋、浇筑混凝土、待混凝土结硬后释放预应力。v后张：浇筑混凝土、张拉钢筋、管道灌浆。2022年5月5日16时53分v预应力混凝

2、土结构的传力机理？v 先张：粘结；v 后张：锚具。2022年5月5日16时53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2022年5月5日16时53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v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：v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。2022年5月5日16时53分2）锚具的分类v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

3、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。2022年5月5日16时53分3）目前桥梁结构中几种常用的锚具 （1 1）依靠摩阻力锚固的锚具）依靠摩阻力锚固的锚具v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。 2022年5月5日16时53分锥形锚具实际产品2022年5月5日16时53分优点：v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：v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。 v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。

4、2022年5月5日16时53分v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。 2022年5月5日16时53分多孔式夹片锚具固定端夹片锚具张拉端夹片锚具2022年5月5日16时53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2022年5月5日16时53分v 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。2022年5月5日16

5、时53分（2）依靠承压锚固的锚具）依靠承压锚固的锚具v镦头锚 v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。 锚固钢丝束锚固钢丝束2022年5月5日16时53分v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 2022年5月5日16时53分（3）依靠粘结力锚固的锚具（固定端锚具）依靠粘结力锚固的锚具（固定端锚具） 1) 先张法预应力钢筋

6、； 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（56.5d）130150mm图12-8 挤压锚具的生产示意图 图12-9 压花锚具 2022年5月5日16时53分压花锚具挤压锚具2022年5月5日16时53分v锚具的设计应根据工程具体情况，综合考虑多种因素进行。v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。v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。2022年5月5日16时53分12.2 预加应力的方法与设备(续)v12.2.3 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

7、心式千斤顶2022年5月5日16时53分12.2 预加应力的方法与设备(续)v12.2.4 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。2022年5月5日16时53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

8、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。 2022年5月5日16时53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。2022年5月5日16时53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

9、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。 2022年5月5日16时53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影响混凝土徐变值大小的主要因素是荷载应力、持荷时荷载应力、持荷时间间、混凝土的品质与、混凝土的品质与加载龄期加载龄期、以及构件尺寸和工作的、以及构件尺寸和工作的环境等。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混凝土徐变试验的结果表明：当混凝土所承受的持续应力力c0.5fck时，其徐变应变值时，其徐变

10、应变值c与混凝土应力与混凝土应力c之间，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，如图变，如图1-15所示所示即即 ，或：，或：c所计算的徐变值；所计算的徐变值；e加载（作用）时的弹性应变（即急变）值；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）。数（亦称徐变特征值）。ecec2022年5月5日16时53分3) 在影响徐变值的众多因素中，时间是更主要的因素。徐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

11、，但又随加载龄期变是随时间延续而增加的，但又随加载龄期t0的增大而的增大而减小，故一般将其表示为减小，故一般将其表示为 (t,t0) 。即加载时混凝土龄期。即加载时混凝土龄期t0 ，计算所考虑时刻的混凝土龄期为，计算所考虑时刻的混凝土龄期为t的徐变系数。如的徐变系数。如图图1-16所示。所示。2022年5月5日16时53分名义徐变系数的计算名义徐变系数的计算ec,oocot ttt2022年5月5日16时53分2022年5月5日16时53分2022年5月5日16时53分v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C20C50混凝土的名义徐变系数，可按由公式（12-1）算得的

12、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%RH70%70%RH90%理论厚度h(mm)理论厚度h(mm)10020030060010020030060033.903.503.313.032.832.652.562.4473.333.002.822.592.412.262.192.08142.922.622.482.272.121.991.921.83282.562.302.171.991.861.741.691.60602.211.991.881.721.611.511.461.39902.051.841.741.591.491.391.351.282022年5月

13、5日16时53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（0.150.4）10-3，收缩变形可延续至数年，其终值可达（0.20.6）10-3。 对于用硅酸盐水泥配制的中等稠度的普通混凝土，在要求不十分精确时，其徐变系数终极值，可按表12-3取用。2022年5月5日16时53分Bonus Question 1v混凝土收缩徐变会导致预应力混凝土结构产生预应力损失，温度变化是否会产生预应力损失，为什么？2022年5月5日16时53分12.3.2 预应力钢材v1）对预应力钢筋的要求（1）强度高（2）塑性好变形能力强（3）粘结性能良好（4）应力松弛低v预应力钢材

14、今后发展的总要求就是高强度、低松弛和耐腐蚀。2022年5月5日16时53分2）预应力钢筋的种类v公路桥规推荐使用的几种预应力筋为高强度钢丝、钢绞线和精轧螺纹钢筋。v（1）高强度钢丝中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中高强钢丝是采用优质碳素钢盘条，经过几次冷拔后得到。中强钢丝的为中强钢丝的为8001200MPa，高强钢丝的强度为高强钢丝的强度为14701860MPa。钢丝直径为钢丝直径为39mm。为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用为增加与混凝土粘结强度，钢丝表面可采用刻痕刻痕或或压波压波，也可制成螺旋肋。，也可制成螺旋肋。b)a)c)d)dddd2022年5月5日16时53

15、分2022年5月5日16时53分2022年5月5日16时53分v（2）钢绞线a)b)d)c)dddd图12-13 几种常见的预应力钢绞线a）三丝钢绞线；b）七丝钢绞线；c）七丝拔模钢绞线；d）无粘结钢绞线无粘结预应力束无粘结预应力束2022年5月5日16时53分v（3）精轧螺纹钢筋通常将级热轧钢筋经冷拉后作为预应力筋，抗拉强度可达580MPa。为解决粗直径钢筋的连接问题，钢筋表面轧制成不带纵向肋的精制螺纹，可用套筒直接连接。主要用于箱梁结构的横向和竖向预应力钢筋。2022年5月5日16时53分2022年5月5日16时53分新的预应力钢筋v近年来，非金属材料制成的预应力筋，如玻璃纤维增强塑料（G

16、FRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）及碳纤维增强塑料（CFRP）等几种材料制成的预应力筋已开始在处于某些特殊环境和条件下的桥梁中使用。v这些材料的特点是：强度高、重量轻、抗腐蚀、抗磁性、耐疲劳、热膨胀系数与混凝土接近、弹性模量低、抗剪强度低等。v目前，FRP预应力筋以及FRP预应力混凝土结构的力学性能仍处于研究和试用阶段。但可以预言，FRP预应力筋在未来将具有广阔的应用前景。 FRP 纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP）现有CFRP、GFRP、AFRP、BFRP等。FRP复合材料是由纤维材料与基体材料（树脂）按一定的 比例混合后形成的高性能型材料。质轻而硬，不导电，机械强度高，回收利用少，耐腐蚀。2022年5月5日16时53分林同炎提出的3种概念1）预加应力的目的是将混凝土变成弹性材料；v有助于预计抗裂能力；2) 预加应力的目的是使高强度钢筋和混凝土能够共同工作。v评定抵抗破坏的安全性；3）预加应力的目的是实现荷载平衡v常常是计算挠度的最佳方法。12.4 预应力混凝土结构的三种概念相当于将其本构关系相当于将其本构关系的原点向受压侧移动的原点向受压侧移动2022年5月5日16时53分v上述三种概念表达了理解预