现代预应力混凝土结构理论1.1~1.3第二部分

预应力混凝土的概念
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3）混凝土的配制要求与措施
为强度高、收缩、徐变小，一般可采用如下措施: (1)使用干硬性混凝土 (2)注意选用水泥的标号和品种，高标号水泥 (3)合适的掺加剂，硅粉F矿粉 (4)加强振捣与养护
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1.3.2预应力钢材
预应力钢筋 (高强钢筋 ) P.C构件钢筋 非应力钢筋 (普通钢筋 )
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(3)依靠粘结力锚固的锚具，如先张法构件的钢筋 锚固，以及后张自锚等。后张法固定端的钢绞线压花 锚具。利用预应力钢筋和混凝土之间的粘结力进行锚 固 按材料不同
钢 制 锚 具 钢 筋 混 凝 土 锚 具
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3）目前桥梁结构施工中的几种常用的锚具:
(1)锥形锚（弗氏锚）(如下图所示)
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4）制孔器 （1）抽拔橡胶管 （2）螺旋金属、 PVC波纹管（见右 图）
5）水泥浆 水灰比：0.4～0.45 标号：≥42.5号
金属波纹管
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图1-4 镦头锚具
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图1-5 夹片式锚具
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§1.3
0.5
(2)徐变变形 计算方法 σc≤0.5fck，线性徐变 εc=φεe 式中 εc—徐变变形值 εe—加载时的弹性变形值 φ—徐变系数与加载龄期t0，计算龄期t有关
（t,t0） 0 c (t t0 )
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其中:
0 RH ( fcm ) (t0 )
1.3.1混凝土
预应力混凝土的材料
1）强度要求 (1)高标号≥40号（采用碳丝、绞线、热处理筋作 预筋时） 原因： ①充分发挥高钢抗拉性能，减尺寸，减自重 ②先张法St与混凝土之间的粘结力来锚固，而粘 结力的大小与标号有关 (2)其它方面：快硬、早强，加快施工进度
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2）收缩、徐变的影响及其计算 P.C构件
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（2）配筋混凝土构件的分类(参见图1-20) 全预应力混凝土构件 λ≥1 部分预应力混凝土构件 1＞λ＞0 钢筋混凝土构件 λ＝0 （3）部分预应力混凝土构件的分类： A类：当对构件控制截面受拉边缘的拉应力加以限制 时，为A类； B类：当构件控制截面受拉边缘拉应力超过限值或出 现不超过宽度限值的裂缝时，为B类
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预应力S.B一览表：
注：现用预应力钢筋(冷拉钢筋、钢丝和钢绞线高精度 精轧螺纹钢筋)性能（见附表2-1～2－4）
f cm 6 s f cm 160 10 sc 9 10 f cm 0
名义收缩系数εcs0对于强度等级C20～C50混凝土， 可按下表所列数值采用。
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注：（1）本表适用于一般硅酸盐水泥或快硬水泥配置而成的的混凝土；oC （2）本表适用于季节性变化的平均温度-20 oC ～+40 oC （3）本表数值系按C40混凝土计算所得，对强度等级为C50及以上的混凝土，表列数值应乘 以 32.4 / fck ，式中fck为混凝土轴心抗压强度标准值（MPa）； （4）计算时，表中年平均相对湿度40%≤RH≤70%，取R=50%，70%≤RH≤90%，取RH=80%
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图1-2（a） 先张法工艺流程示意图
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(2)设备:
• • •
千斤顶（或卷扬机）用于张拉钢筋。（见照片） 台座：用于张拉和临时固定钢筋50m。 锚具：通常把锚固在构件端部，与构件连成一起共 同受力不再取下的称为锚具。 • 夹具：在张拉过程中夹持钢筋，以后可取下并重复 使用的称为夹具。 另外还有：弹簧称、电动机、张拉车、撑杆等 (3)特点：工序少，工艺简单，质量易保证，不设永 久性锚具，成本低，成批生产，适合中、小型构件
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(2)使用范围
大跨重荷载结构、不允许开裂结构。公路铁路桥 梁、各种屋架、道路立交建筑、工民建水工、海工、 港工等结构中。其形式主要有空心板、槽形梁、T梁、 T形刚构桥，连续梁、斜拉桥梁等。
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§1.2
预应力混凝土构件施加预应力的方 法与设备
1.2.1预加应力的主要方法：
t t0 / t1 c t t0 H t t0 / t1
0.3
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18 RH h H 150 1 1.2 250 1500 RH 0 h0
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cs t,ts cs 0 s t ts
式中 εcs(t,ts)—收缩开始是的龄期为ts，计算考虑的龄 期为t时的收缩应变 ts—收缩开始时混凝土龄期，可以假定为（3—7）d t—计算考虑时刻的混凝土龄期（d） εcs0—名义收缩系数 cs 0 s fcm RH
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1.2.2锚具
1）对锚具的要求 • 受力安全可靠（关键） • 预应力损失小 • 构造简单，制作方便，用钢量少、价格便宜、施工 设备简便，张拉锚固方便迅速。
2）分类 (1)依靠摩阻力锚固的锚具。楔形锚、锥形锚、环销 锚及JM-12锚、XM型锚。借张拉钢筋回缩带动锚楔或锥 销将钢筋楔紧而锚固的锚具. (2)依靠承压锚固的锚具。如镦头锚，钢筋螺纹锚， 利用钢筋的镦粗头或螺纹承压进行锚固。
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2）后张法
(1)概念及工艺流程 先浇筑构件混凝土，并养护结硬后，再在构件上 张拉钢筋的方法。 其过程是：先浇筑混凝土，并在混凝土构件中预 留孔道，待混凝土达到一定强度后，将St穿入预留孔 内，以构件本身作支承件张拉钢筋，使混凝土构件也 同时被压缩，待拉到设计拉力后，用特制的锚具将钢 筋锚固于构件上，使混凝土获得并保持其预压应力。 最后，在预留孔内压注水泥浆，以保持预应力St.不 致生锈，并使它与构件粘结成整体。工艺流程及图示 详见图1-2(b)
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1.1.3配筋混凝土结构的分类
1)国外配筋混凝土结构的分类： Ⅰ级：全预应力 Ⅱ级：有限预应力 Ⅲ级：部分预应力 Ⅳ级：普通钢筋混凝土构件
2)国内配筋混凝土结构的分类： （1）预应力度的定义： 《公路桥规》将受弯构件的预应力度（λ）为由 预加应力大小确定的消压弯矩（M0）与外荷载产生 的弯矩（Ms）的比值，即λ= M0/ Ms
βsc—依水泥种类而定的系数，对一般的硅酸盐 类水泥或快硬水泥，βsc=5.0 βRH—与年平均相对湿度相关系数；当 40% RH＜99% 3 RH 时， 1.55 1
RH

RH 0
βs—收缩随时间发展的系数
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t ts / t1 s t ts 2 350 h / h0 t ts / t1
结硬过程
收缩变形 构件缩短
预压应力 徐变变形 预应力钢筋中的预应力下降造成损失必须施工中 设法减少变形，计算中精确确定变形值。(参见表113)。 (1)收缩变形 先快后慢，一般7天完成εcs/4；2周（0.3～0.4） εcs；一个月0.5εcs；3个月（0.7～0.8） εcs《公桥规》中：εcs=200×10-6,
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fcm—强度等级C20～C50混凝土在28d龄期时的平均 立方体抗压强度（MPa），fcm=0.8fcu,k+8MPa fcu,k—混凝土立方体抗压强度标准值（MPa），即 混凝土强度等级 t0—加载时的混凝土龄期（d） t—计算考虑时刻的混凝土龄期（d） 根据《公路桥规》，式中取RH0=100%， h0=100mm,t1=1d,fcm0=10MPa βc(t-t0)—为加载后徐变随时间发展的系数。
1)对预应力钢筋的要求
(1)强度高。高强钢筋能够克服由于各种因素引起的 应力损失，能有效建立预应力 (2)要有较好的塑性和焊接性能 (3)要具有较好的粘结性能 (4)应力松驰损失要低
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2）P.St的种类
钢筋 钢丝 钢铰线
P.St
d≥6mm
d≤6mm
国内几种P.St： • 精轧螺纹钢筋 • 高强钢丝 • 钢绞线
同样地，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，其收缩应变终极值 εcs(tu,t0)可按表1-3取用。 σc>0.6fck，则徐变应变和σc不成正比，为非线性 徐变。 桥梁结构中，一般σc小于0.5fck。可按线性关系 计算。对于硅酸盐水泥配制的中等稠度的普通混凝土， 其徐变系数终值φ(tu,t0)和收缩应变极值ε(tu, t0)，可 按表1-3使用。
1
RH 1
RH RH 0
1 3
f cm
h 0.46 h0 5.3
f cm f cm 0
1
0.5
t0
式中:
பைடு நூலகம்
t 0.1 0 t1
0.2
RH—环境年平均相对湿度（%）
h—构件理论厚度（mm），h=2A/u(mm),A为构件 截面面积，u为构件与大气接触的周边长度。
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1.1.5发展概况及使用范围
(1)发展概况 始于法国。弗烈西奈（Fressinet）；前苏52年 美50年（现ACI有110+专门委员会）。中国解放后， 55年丰桥厂24m铁路桥梁。58年编第一个规范。66、 74修订、再修，78年交通部颁发《公路预应力混凝 土桥梁设计规范》，现行《公路钢筋混凝土及预应 力桥梁设计规范》（JTJ023-85）85.2颁发，85.8实 行，28个国家地区制定规范。有权威、影响大的是 国际混凝土结构标准规范由CEB/FIP邀集各国际组织 编制的。
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图1-2（b） 后张法工艺流程示意图
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• • •
(2)设备 锚具、夹具 千斤顶及张拉设备 高压泵灌水泥浆
(3)特点：可工厂预制，可现场施工，灵活，但对 构件施加预应力需逐个进行，操作较麻烦，锚具用钢 多，不能重复用，成本高。适用于大型预应力混凝土 构件。 其它：电热法、自张法等。
图1-3 锥塞式锚具
• • •
组成：锚圈和锚塞 用途：锚固18ΦS5mm和24ΦS5钢丝束 优点：锚固方便，锚具面积小，便于梁上布置，但 应力损失大
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(2)镦头锚(见示意图) • 组成：锚环、锚圈组成 • 锚固钢丝束，或d=14mm以下的钢丝束 • 优缺点：预应力损失小，镦头工艺，操作简便迅速， 施工方便。下料长度要求精确。 (3)钢筋螺纹锚具 • 高强粗钢筋、螺帽。（见图1-6） • 特点：受力明确，锚固可靠、构造简单、施工方便 (4)夹片锚具。GB/T14370-93《预应力筋用锚具、夹具 和连接器》（见图1-5、1-10） (5)环销锚、星形锚、XM型锚、后张自锚等。 (6)其它：千斤顶、制孔器、穿索机、灌孔水泥浆及压 浆机等。（参见图1-11）
1）先张法 (1)先张法的概念及工艺流程 即先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法。基本过 程：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，待混凝土达到一定 强度（不低于强度70%，以保证具有足够的粘结力和避 免徐变值过大）后放松。钢筋的回缩力，通过钢筋与 混凝土间的粘结作用，传递给混凝土，使混凝土获得 预压应力。工艺流程见图1-2(a)
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12.1.4 P.C结构的特点
相对于R.C结构： （1）提高了抗裂性，有助于耐久性 （2）可使用高强材料：fs↑预应力效果大，可达到： 钢筋节省30～50%（因ff↑）混凝土自重小5%（fck↑） 对抗裂尤其有用，造价降15～30%，可作大跨度。 （3）混凝土预压密实，抗渗 （4）刚度提高 （5）增强承受重复荷载能力，裂缝闭合，韧性好 （6）可做拼装手段，发展大跨结构 （7）其他如普通R.C所有者，如耐久性好 （8）制造施工要求一定技术设备、工序多、操作繁、 吊运机具。