桥梁预应力技术讲座

1、桥梁预应力技术讲座1、预应力技术的基本概念2、高强高性能混凝土 3、预弯预应力技术4、预拉预压预应力技术5、体外预应力技术 6、节段预应力施工技术预应力技术的基本概念力学原理材料设备施工工艺高强高性能混凝土高强高性能混凝土的设计一般原则；高强混凝土的一般配合比；关于混凝土的添加剂； 预弯预应力技术 预弯组合梁的设计、施工 基本概念 设计及制作工艺 相关讨论预拉预压预应力混凝土梁基本概念施工工艺预应力的广泛应用 预应力技术的基本概念 一、概念及力学原理 二、材料设备 三、 施工工艺第一讲 基本概念及力学原理1、关于桥梁规范-极限状态设计承载能力极限状态：（达到最大承载能力，不适于继续承载的变形）

2、以塑性理论为依据-结构抗力计算；考虑材料、荷载、结构工作条件安全系数；预加力作为抗力的一部分； 正常使用极限状态：（达到正常使用或耐久性的某项限值）以弹性理论或弹塑性理论为基础；考虑：应力限制、短期荷载变形、裂缝宽度；预加力作为荷载考虑；2、关于素混凝土、钢筋混凝土：、带裂缝工作（导致刚度下降、自重加大、材料潜力不能发挥）、从保证结构耐久性的要求出发，必须限制混凝土裂缝开展的宽度如何解决以上两个问题？由此提出了预应力的原理。钢筋混凝土3、预应力、预应力混凝土的概念1）预应力是预加应力的简称。在预应力原理和技术运用最广泛的预应力混凝土结构中，通常是以预拉的高强钢筋的弹性回缩力对混凝土结构施加一个

3、预压应力，从而克服混凝土抗拉强度太低的弱点，充分发挥材料强度，达到结构轻型、大跨、高强、耐久的目的。预应力混凝土的概念：ACI: 预应力混凝土是根据需要人为引入某一分布与数值的内应力，用以全部或部分抵消外荷载应力的一种加筋混凝土。 结构承载有被动转变为主动1）素混凝土梁 2）轴向预应力梁 3）偏心预应力梁 4）变化的偏心距预应力梁将预加力施加在靠近梁底，能更有效地抵消拉应力。如，对于矩形梁，预加力作用于距混凝土截面型形心h/6处，产生的压应力分量，从顶面的零至底面的最大值，其值正好是轴向预加应力的两倍。此时，竖向荷载就可以比以前大一倍，即2Q。2）预应力混凝土原理的三种概念（1）第一种概念预加

4、应力能使混凝土在使用状态下成为弹性材料这一概念把经过预压混凝土从原先抗拉弱、抗压强的脆性材料变为一种既能抗压又能抗拉的弹性材料。混凝土构件的应力、应变及变形均可按材料力学公式计算，并采用叠加原理。（2）第二种概念预加应力能使高强钢材和混凝 土共同工作并发挥两者的潜力。在混凝土构件中采用高强钢筋，必须使其有很大的伸长变形。预应力混凝土构件中的高强钢筋只有在与混凝土结合之前预先张拉，才能使在使用荷载作用下受拉的混凝土预压、储备抗拉能力，受拉的高强钢筋的强度进一步发挥。因此，预加应力是一种充分利用高强钢材的能力、改变混凝土工作状态的有效手段。（3）第三种概念预加应力实现荷载平衡 T.Y Lin预加应

5、力的作用可以认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载（外力）方向相反的荷载，用以抵消部分和全部使用荷载效应的一种方法。 预应力混凝土三个不同的概念，是从不同 的角度来解释预应力混凝土的设计原理。第一种概念是预应力混凝土弹性分析的依据，指出了预应力混凝土的主要工作状态；第二种概念反映了预加应力对发挥高强钢材和混凝土潜力的必要性；第三种概念则在揭示预加力和外荷载效应相互关系的同时，也为预应力混凝土结构设计与分析提供了一个简洁的方法。4、预应力混凝土的等级 1）国外对加筋混凝土的分类（1）I 级全预应力 在全部荷载最不利组合作用下，混凝土不出现拉应力；（2）II级有限预应力 在全部荷载最不利组合作用下，

6、混凝土允许出现拉应力，但不超过其强度容许值；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力；（4）IV 级普通钢筋混凝土。（3）III 级部分预应力 在全部荷载最不利组合作用下，混凝土允许出现裂缝，但裂缝的宽度不超过规定值； 2）中国对加筋混凝土的分类全预应力部分预应力：A类和B类钢筋混凝土（1）全预应力混凝土结构 指沿预应力筋方向正截面，在全部荷载最不利组合作用下，混凝土不出现拉应力。（2）部分预应力混凝土结构 指沿预应力筋方向正截面，在全部荷载最不利组合作用下，混凝土出现拉应力或出现不超出规定宽度的裂缝。我国又将部分预应力混凝土结构分为A类和B类。5、预应力混凝土结构的类型 预应力混凝土结构，根

7、据其工艺、预应力度、体系及构造特点等可划分为如下几种类型。1)按预应力工艺分类预应力混凝土结构根据其预应力施加工艺可分为：先张法、后张法。（1）先张法 指采用永久和临时台座在构件混凝土浇筑之前施张预应力筋，待混凝土达到设计强度和龄期后，将施加在预应力筋上的拉力逐渐释放，在预应力筋回缩过程中利用其与混凝土之间的粘结握裹力，对混凝土施加预应力。 （2）后张法 指在混凝土构件浇筑、养护和强度达到设计值后，利用预设在混凝土构件内的孔道穿入预应力筋，以混凝土构件本身为支承采用千斤顶张拉预应力筋，然后用特制锚具将预应力筋锚固形成永久预加力，最后在预应力筋孔道内压注水泥浆防锈、并使预应力筋和混凝土粘结成整体

8、。（3）自应力-特殊的先张法 结构材料本身产生的预应力，如膨胀混凝土、利用温度、预弯工艺等；2）按预应力体系分类 根据预应力体系的特点，预应力混凝土结构可分为体内预应力、体外预应力、有粘结和无粘结预应力、预拉预压应力及预弯预应力等几类：（1）体内预应力混凝土结构 指预应力筋布置在混凝土构件体内的预应力结构。先张预应力结构和预设孔道穿筋的后张预应力结构等均属此类。（2）体外预应力混凝土结构 指预应力筋布置在混凝土构件体外的预应力结构。混凝土斜拉桥属此类结构的特例。（3）有粘结预应力混凝土结构 指沿预应力筋全长预应力筋周围完全与混凝土粘结、握裹在一起的预应力混凝土结构。先张预应力结构和预设孔道穿筋

9、压浆的后张预应力结构均属此类。（4）无粘结预应力混凝土结构 指预应力筋伸缩变形自由、不与混凝土粘结的预应力混凝土结构。 这种结构采用的预应力筋全长涂有特制的防锈材料、外套防老化的塑料（PE）管，无粘结预应力混凝土结构通常与后张预应力工艺相结合。（5）预拉预压应力混凝土结构 指在混凝土受压区采用预压的预应力筋（件）或其它施力措施，使混凝土产生预拉应力的预应力混凝土结构。 这种预应力方式和通常的预应力方式相结合，将形成混凝土受拉区预压、受压区预拉的双向预应力体系，从而提高了构件的抗弯能力，构件的截面尺寸、自重荷载将可能减小。（6）预弯预应力混凝土结构 ： 指在加荷预弯的劲性钢梁上浇筑混凝土，待混凝

10、土与钢梁结合为整体并达到设计强度后卸荷，利用钢梁反弹随之对混凝土施加预应力的预应力混凝土结构。第二讲 预应力混凝土材料、设备一、混凝土材料1、混凝土的强度要求配制高标号、低收缩的混凝土的措施：干硬性混凝土，但难以浇筑掺加高效减水剂注意水泥品种和标号加强养护要求：高强、早强、收缩和徐变小。 混凝土的典型应力应变过程 用公式可表示成： 式中：e初始瞬时弹性应变； v滞后弹性应变，属可恢复应变； a初始瞬时流塑应变，主要不可恢复；f,g基本徐变应变，不可恢复；f,tr干燥徐变应变，部分可能恢复； s收缩应变。 混凝土的收缩是由于所含水份的蒸发及其它物理化学原因产生的体积的缩小 混凝土徐变是在荷载长期

11、作用下产生的随时间增长的变形。 混凝土的收缩和徐变，将引起预应力损失,是不利因素。 2、混凝土的收缩、徐变影响混凝土徐变的因素主要有：混凝土应力的大小；混凝土的加载龄期；混凝土的级配；混凝土的水灰比；构件所处的环境等。二、预应钢材 1、预应力筋的要求高强度较好的塑性和焊接性能较好的粘结性能 例如先张法预应力构件，需可靠的粘结力。宜选用刻痕钢丝或把钢丝扭绞而成的钢绞线，以增加钢丝与混凝土之间的粘结力。2、预应力筋的种类预应力筋可分为：高强度钢筋高强度钢丝钢绞线复合材料预应力筋高强度钢筋 高强度钢筋分： 冷拉热轧低合金钢筋 热处理低合金钢筋。（1）冷拉热轧低合金钢筋 冷拉钢筋是指经过冷拉工艺提高了

12、屈服强度的热轧低合金钢筋。 目前国内有：冷拉级、冷拉级、冷拉级钢 筋和冷拉5号钢钢筋。（2）热处理低合金钢筋 热处理低合金钢筋由级钢经过调质热处理而成的热处理钢筋，这种钢筋叫做级钢筋。（3）含碳量高的高强钢筋其焊接性能不稳定 解决方法是用热轧方法直接生产一种无纵肋的精轧螺纹钢筋，在端部用螺纹套筒连接接长。 精轧螺纹钢筋我国有25mm和32mm直径两种规格，其力学和机械性能见表2-4。 高强度钢丝 高强钢丝系采用冷拔及热处理工艺以提高强度，再经过 “稳定化” 的特殊工艺处理以达到低松弛的要求。钢绞线 钢绞线是在绞线机上以一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理即可。

13、 钢绞线规格有2股、3股、7股、19股等，常用的是7股钢绞线。表2-6给出了国内外常用的7股钢绞线的物理力学性能。a）7股钢绞线b）7股模拔钢绞线环氧喷涂钢绞线环氧喷涂钢绞线是具有优异防腐性能的一种全新的钢绞线，它采用日本高环保无污染高压静电喷涂技术，将环氧树脂粉末喷射于钢绞线上，然后加热熔融、固化、冷却，从而在钢丝表面形成一层致密的环氧涂膜。 环氧喷涂钢绞线 环氧喷涂无粘结筋 普通光面钢绞线 镀锌钢绞线 环氧喷涂钢绞线 复合材料预应力筋 复合材料预应力筋主要是指纤维加劲塑料（简称FRP）制成的预应力筋。 其特点是轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、非磁性等，且应力-应变关系直至材料断裂仍几乎是线性关

14、系。 但由于价格昂贵，在一定时期内无法与预应力钢筋竞争。然而，可以断言其应用前景是广阔的。松弛指在持续高应力的作用下，如长度和温度保持不变，钢材的应力随时间增长而降低的现象；蠕变指如应力与温度维持不变，钢材的应变随时间而增加的现象。 在一般预应力混凝土结构中，由于预应力筋张拉后长度基本保持不变，所以应力松弛是预应力筋性能中的一个主要问题。 3、钢材的松弛根据试验，松弛的特点为：（1）松弛随时间增长而增大。（2）初始应力越大，松弛也越大。（3） 温度越高，松弛越大。（4）与钢筋品种有关。低合金钢热轧粗钢筋热处理钢筋高强度钢丝钢绞线三、锚固体系 预应力锚固体系是预应力混凝土结构成套技术的重要组成部

15、分，完善的锚固体系通常包括：锚具、夹具、连接器及锚下支承系统等。锚具和夹具是预应力混凝土构件锚固与夹持预应力筋的装置。连接器是预应力筋的连接装置，可将多段预应力筋连接成一条完整的长束。锚下支承系统包括与锚具相配套的锚垫板、螺旋筋或钢筋网片等。根据我国国家标准（GB/T14370-93），按照使用要求，锚具的锚固性能分为两类：类锚具适用于承受动、静荷载的预应力混凝土结构；类锚具仅适用于有粘结预应力混凝土结构中预应力筋应力变化不大的部位。 1锥形锚具锥形锚具是由锚圈和锚塞两部分组成。锚圈锚塞工作原理：通过顶压锥形的锚塞，将预应力钢丝卡在锚圈与锚塞之间，预应力钢丝通过摩擦力将预拉力传到锚圈，然后由锚

16、圈传到混凝土构件上。适用预应力筋：5、7高强钢丝。要求锚塞的硬度稍大于钢丝，锚圈的硬度却要略低于钢丝。优点尺寸较小，便于分散布置。缺点钢丝回缩量大，引起的应力损失大；无法重复张拉；无法接长。国外同类型的弗莱西奈（Freyssinet）后张预应力锚固体系，已由锚固钢丝发展为锚固钢绞线。 2.镦头锚具镦头锚具由锚杯、锚圈、冷镦头三部分组成。a）张拉端锚具钢丝锚杯螺母锚板b）固定端锚具工作原理：将预应力筋穿过锚杯的蜂窝眼后，用专门的镦头机将钢筋或钢丝的端头镦粗，直接锚固在锚杯上，张拉后用锚圈旋紧，于是锚圈通过支承垫板将预压力传到混凝土体上。适用预应力筋： 直径5mm、 7mm的高强度钢丝,钢丝强度有

17、1570MPa和1670MPa两种。优点操作简便迅速，不会 “滑丝”；预应力回缩小，即预应力损失小。缺点下料长度要求很精确，否则会因受力不均而发生断丝现象。 国外同类型的锚具是BBRV后张预应力锚固体系。 3. 轧丝锚具轧丝锚具是一种较简单的螺杆锚具。张拉端锚具张拉端锚板波纹形管道精轧螺纹钢筋工作原理：在预应力筋端部有螺纹段（或沿钢筋全长均有精轧螺纹），待张拉完毕后，旋紧螺帽，预拉力则通过螺帽和垫板传力到混凝土体上。适用预应力筋：粗钢筋优点制作简单，用钢量最省；张拉操作方便，锚固作用明确可靠；锚具的预应力损失小，适用短小预应力混凝土构件；能用简单的套筒加以接长；能多次重复张拉与放松。缺点冷轧螺

18、纹受热容易失效，严禁电焊、气割；刚度大，通常只能作直线束适用。国外同类型的锚具有迪维达克（DYWIDAG）体系。 4. 夹片锚 夹片式锚具，是一种由夹片、锚板及锚垫板等部分组成的锚具。喇叭形铸铁垫板三分式夹片锚具锚板两分式夹片钢绞线夹片锚板锚板锚板夹片工作原理：两分式或三分式夹片构成一副锚塞，放在锚板的锥形的孔洞内，通过楔块作用的原理锚固钢绞线。适用预应力筋：钢绞线。优点夹片式锚具的锚固性能稳定；锚固钢绞线的范围较大。缺点预应力筋回缩量较大，即预应力损失较大。国内目前常用的夹片式锚具有：OVM、QM、STM、XM、XYM、YM等，品种很多但构造原理基本一致。国外同类型的有VSL锚固体系。四、减

19、少预应力损失的措施 1减少预应力筋与孔道间摩擦引起的应力损失的措施（1）采用两端张拉。 这样，曲线的切线夹角以及管道计算长度即可减少一半；（2）进行超张拉。 这时端部应力最大，传到跨中截面的预应力也较大。但当张拉端回到控制应力后，由于受到反向摩擦力的影响，这个回松的应力并没有传到跨中截面，仍保持较大的超拉应力。 综上所述，尽可能避免使用连续弯束及超长度束，同时采用超张拉方法克服此项应力损失。 2减少锚具变形、钢筋回缩和接缝压密引起的应力损失的措施（1）选择变形量较小的锚具及尽可能少用锚垫板；（2）采用超张拉施工方法。 3减少预应力筋与台座间温差引起的应力损失 先张法构件在养护时可采用两次升温的

20、措施。 其中，初次升温应在混凝土尚未结硬、未与预应力筋粘结时进行，初次升温的温差一般可控制在200C以内；第二次升温则在混凝土构件具备一定强度后进行。采取两次升温的措施后，计算公式中的系指混凝土构件尚无强度，预应力筋未与混凝土粘结时的初次升温温度与自然温度的温差。4减少混凝土弹性压缩引起的应力损失的措施 对于后张法构件可尽量采用较少的分批张拉次数。 5减少预应力筋松弛引起的应力损失的措施（1）采用低松弛预应力筋；（2）采用超张拉方法及增加持荷时间。 6减少混凝土收缩和徐变引起的应力损失的措施（1）采用一般普通硅酸盐水泥，控制水泥用量及混凝土的水灰比（2）采用延长混凝土的受力时间，即控制混凝土的

21、加载龄期。 五、施工过程中的问题1、关于保护层厚度与锚垫板布置； 确保净保护层距离；加强振捣与养护，防止保护层“垫块”移位引起保护层减薄、钢筋外露； 锚垫板的位置与布置合理，防止移位，引起崩塌；2、关于预应力保护管道3、灌浆时间及工艺4、预应力不足或过大(均有缺陷）5、张拉设备及时标定六、现场施工工艺预应力张拉控制（双控） 1、锚下张拉力控制； 2、钢筋伸长量控制； 3、张拉工艺。真空灌浆技术 1、锚下张拉力的控制体内预应力（0.75)体外预应力(0.45)斜拉索（斜拉桥(0.25)、部分斜拉桥(0.6)）吊杆索(0.30.6)2、钢筋伸长量控制 预应力钢材用应力控制方法张拉时，应以伸长值进行

22、校核，实际伸长值与理论伸长值差应控制在6%以内。否则应暂停张拉，待查明原因并采取措施加以调整后，方可继续张拉先张法：式中： P预应力钢筋的张拉力，N；L预应力钢筋的长度，m；Eg预应力钢筋的弹性模量，MPa；Ay预应力钢筋截面面积。理论伸长值的计算公式精确计算法公式 式中： P预应力钢筋张拉端的张拉力，N； L从张拉端至计算截面的孔道长度，m； 从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角之和，rad； k孔道每米局部偏差对摩擦的影响系数； 预应力钢筋与孔道壁的摩擦系数。当预应力筋和孔道为直线时，0 后张法：简化计算法式中： 预应力钢筋的平均张拉力，取张拉端的拉力与计算 截面处扣除孔道摩擦损失后的

23、拉力的平均值，即： 预应力钢筋张拉时的实际伸长值，应在建立初应力后方可开始量测，量得的伸长值，还应加上初应力以下的推算伸长值，对后张法尚应扣除混凝土构件在张拉过程中的弹性压缩值，即：式中： 从初应力到最大张拉应力间的实测伸长值，m； 初应力以下的推算伸长值，m； C 张拉过程中混凝土构件的弹性压缩值，一般情 况下可省略，m。关于初应力的取值，一般可取张拉控制应力的10%25%。实际伸长值的量测预应力钢筋的实际伸长值与理论计算伸长值之间有一定的误差，原因主要有：预应力钢筋的实际弹性模量与计算时的取值不一致；千斤顶的拉力不准确；孔道的摩擦损失计算与实际不符，量测误差等。 特别是弹性模量的取值是否正

24、确，对伸长值的计算影响较大。对重要的预应力混凝土结构，预应力钢筋的弹性模量应通过试验测定。美国和日本规范容许误差5%; 我国6%.先张法预应力空心板设计、施工工艺（1） 钢铰线参与受力计算长度应考虑锚固长度；（2）在长线式台座上生产的空心板梁应根据厂家的 实际生产工艺确定预应力钢绞线的下料长度， 采用的钢铰线隔离措施必须对对预应力的释放 有效；预应力钢绞线的二端的套管应能保证钢 绞线在其中自由伸缩。（3）预应力钢绞线张拉控制应力为k =0.75Rby每 根张拉控制力为195KN。 3、张拉工艺(4） 当采用多根钢束同时张拉时，必须在张拉前 调正初应力。初应力约为控制应力的10%。(5) 预应力

25、钢绞线张拉程序为： O初应力(0.10k)1.05k (持荷5min)锚固。(6) 必须保证橡胶芯囊的正确位置。(7) 当混凝土强度达到设计程序的80%时，方可放松预应 力束。(8) 存放和运输时，支点离梁端不得大于2米。 在张拉钢绞线预应力钢筋时，若采用自锚式千斤顶及低松弛钢绞线，一般可采用下面的张拉程序: 或 后张法压力灌浆效果观测：空洞、气泡较多4、真空灌浆技术压力灌浆效果观测：上端空洞呈月牙形压力灌浆效果观测：由于封锚不严实，灌浆时有漏浆现象。仅充满管道的2/3，浆体较脆，部分剥开即碎裂，从管壁或钢棒上脱落。预应力筋的防护 影响后张法预应力构件耐久性和安全性的主要因素：钢筋混凝土和预应力筋。 而预应力筋的防护核心有两个:（1） 成孔材料防护：预埋于混凝土中的波纹管，能为管道内的预应力筋提供一层保护作用。（2）浆体防护：浆体是预应力混凝土结构中预应力钢材的最后一道防护屏障。因此，要确实提高预应力筋的防护必须在