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1、第 12章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料第二篇预应力混凝土结构第12章 预应力混凝土结构的基本概念及其材料1 2.1 概 述钢筋混凝土构件由于混凝土的抗拉强度低，而采用钢筋来代替混凝土承受拉力。但是，混凝土的极限拉应变也很小，每米仅能伸长（0.100.15）m m,若混凝土伸长值超过该极限值就要出现裂缝。如果要求构件在使用时混凝土不开裂，则钢筋的拉应力只能达到（2030）MPa；即使允许开裂，为了保证构件的耐久性，常需将裂缝宽度限制在（0.20.25）mm以内，此时钢筋拉应力也只能达到（150250）M Pa,可见高强度钢筋是无法在钢筋混凝土结构中充分发挥其抗拉强度的。由上可知，钢筋混凝
2、土结构在使用中存在如下两个问题：一是需要带裂缝工作，由于裂缝的存在，不仅使构件刚度下降，而且使得钢筋混凝土构件不能应用于不允许开裂的场合；二是无法充分利用高强材料。当荷载增加时.，靠增加钢筋混凝土构件的截面尺寸或增加钢筋用量的方法来控制构件的裂缝和变形是不经济的，因为这必然使构件自重（恒载）增加，特别是对于桥梁结构，随着跨度的增大，自重作用所占的比例也增大。这使得钢筋混凝土结构在桥梁工程中的使用范围受到很大限制。要使钢筋混凝土结构得到进一步的发展，就必须克服混凝土抗拉强度低这一缺点，于是人们在长期的工程实践及研究中，创造出了预应力混凝土结构。12.1.1 预应力混凝土结构的基本原理所谓预应力混
3、凝土，就是事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其数值和分布恰好能将使用荷载产生的应力抵消到一个合适程度的配筋混凝土。例如，对混凝土或钢筋混凝土梁的受拉区预先施加压应力，使之建立一种人为的应力状态，这种应力的大小和分布规律，能有利于抵消使用荷载作用下产生的拉应力，因而使混凝土构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者使裂缝宽度减小。这种由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的结构，就称为预应力混凝土结构。现以图12-1所示的简支梁为例，进一步说明预应力混凝土结构的基本原理。设混凝土梁跨径为L,截面为b X h,承受均布荷载q（含自重在内）,其跨中最大弯矩为M=qL2/8,
4、此时跨中截面上、下缘的应力 图 12-lc）为上缘：？cu?6M2（压应力）下缘：?cb?6M（拉应力）2假如预先在离该梁下缘h/3（即偏心距e=h/6）处，设置高强钢丝束，并在梁的两端对拉锚固 图 12-la）,使钢束中产生拉力N p,其弹性回缩的压力将作用于梁端混凝土截面与钢束同高的水平处 图12-lb）,回缩力的大小亦为Np,。如令Np=3M/h,则同样可求得Np作用下，梁上、下缘所产生的应力 图12-ld）为上缘：？cpu?下缘：？cpb3Ml3Mh?Obhbh2bh2bh2h6 NpNp?e6M?bhbh2bh2?NpNp?e12-1a)b)qNpc)N图1 2-1预应力混凝土结构基
5、本原理图a)简支梁受均布荷载q作 用b)预加力Np作用于梁上c)荷 载q作用下的跨中截面应力分布图d)预加力Np作用下的跨中截面应力分布图e)梁 在q和Np共同作用下的跨中截面应力分布图现将上述两项应力叠加，即可求得梁在q和Np共同作用下，跨中截面上、下缘的总应力 图12-le)为上缘：？u?cu?cpu?O?下缘：?b?cb?cpb6M6M?bh2bh2 6M6M?2?2?0bhbh由于预先给混凝土梁施加了预压应力，使混凝土梁在均布荷载q作用时在下边缘所产生的拉应力全部被抵消，因而可避免混凝土出现裂缝，混凝土梁可以全截面参加工作。这就相当于改善了梁中混凝土的抗拉性能，而且可以达到充分利用高强
6、钢材的目的。上述概念就是预应力混凝土结构的基本原理。其实，预应力原理的应用早就有了，而且在日常事物中的例子也很多。例如在建筑工地用砖钳装卸砖块，被钳住的一叠水平砖块不会掉落；用铁箍紧箍木桶，木桶盛水而不漏等，这些都是运用预应力原理的浅显事例。从 图12-1还可看出，预压力Np必须针对外荷载作用下可能产生的应力状态有计划地施加。因为要有效地抵消外荷载作用所产生的拉应力，这不仅与Np的大小有关，而且也与Np所施加的位置（即偏心距e的大小）有关。预加力Np所产生的反弯矩与偏心距e成正比例，为了节省预应力钢筋的用量，设计中常常尽量减小Np值，因此在弯矩最大的跨中截面就必须尽量加大偏心距e值。如果沿全梁
7、Np值保持不变，对于外弯矩较小的截面，则需将e值相应地减小，以免由于预加力弯矩过大，使梁的上缘出现拉应力，甚至出现裂缝。预加力Np在各截面的偏心距e值的调整工作，在设计时通常是通过曲线配筋的形式来实现的，这在后面的受弯构件设计中将作进一步介绍。12.1.2配筋混凝土结构的分类国内通常把全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土结构总称为配筋混凝土结构系列。1）国外配筋混凝土结构的分类1970年国际预应力混凝土协会（FIP）欧洲混凝土委员会（CEB）建议，将配筋混凝土按预加应力的大小划分为如下四级：I级：全预应力一在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土不出现拉应力；II级：有限预应力一在全
8、部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土允许出现拉应力，但不超过其抗拉强度（即不出现裂缝）；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力；III级：部分预应力一在全部荷载最不利组合作用下，构件正截面上混凝土允许出现裂缝，但裂缝宽度不超过规定容许值；12-2IV级：普通钢筋混凝土结构。这一分类方法，由于对部分预应力混凝土结构的优越性强调不够，容易给人们造成误解，认为这是质量的分等，似 乎I级 比II级好，II级 比III级好等，形成盲目去追求I级的不正确倾向。事实上应根据结构使用的要求，区别情况选用不同的预应力度。针对这种分类方法存在的缺点，国际上已逐步改用按结构功能要求合理选用预应力度的分类方法。2
9、）国内配筋混凝土结构的分类根据国内工程习惯，我国对以钢材为配筋的配筋混凝土结构系列，采用按其预应力度分成全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土等三种结构的分类方法。（1）预应力度的定义 公路桥规将受弯构件的预应力度（入）定义为由预加应力大小确定的消压弯矩M 0与外荷载产生的弯矩M s的比值，即?MOMs式 中M0消压弯矩，也就是构件抗裂边缘预压应力抵消到零时的弯矩；Ms按 作 用（或荷载）短期效应组合计算的弯矩值；?预应力混凝土构件的预应力度。（2）配筋混凝土构件的分类全预应力混凝土构件一一在 作 用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘不允许出现拉应力（不得消压），即？1;部分预应
10、力混凝土构件一一在 作 用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝，即1?0；钢筋混凝土构件一一不预加应力的混凝土构件，即?=0。（3）部分预应力混凝土构件的分类由上可知，部分预应力混凝土构件就是指其预应力度介于以全预应力混凝土构件和钢筋混凝土构件为两个界限的中间广阔领域内的预应力混凝土构件。这一定义是采用了包括CEB/FIP规范中的有限预应力和部分预应力这两部分的广义定义。可以看出，对于部分预应力混凝土构件，如何根据结构使用要求，合理地确定构件的预应力度（？）是一个非常重要的问题。为了设计的方便，公路桥规又将在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边
11、缘允许出现拉应力的部分预应力混凝土构件分为以下两类：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类预应力混凝土构件；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类预应力混凝土构件。3）配筋混凝土结构的其他分类方法配筋混凝土结构的分类，除以上方法外，在国内外尚有建议按照配筋情况来分类的。即认为结构构件中同时配有一部分预应力钢筋和另一部分非预应力钢筋的混合配筋混凝土结构，才是部分预应力混凝土结构。当构件中全部配置预应力钢筋，而没有按受力配置的非预应力钢筋时，则为全预应力混凝土结构；当构件中的预应力钢筋为零，而仅有非预应力钢筋时，则为普通钢筋混凝土结构等。但
12、上述这种分类方法，因为没有明确规定预应力钢筋中的预拉应力值,构件实际预加力的大小很不明确，也无法定义构件在使用阶段的受力性能（如拉应力大小和裂缝宽度等），所以国内一般不采用这种分类方法。12-312.1.3预应力混凝土结构的优缺点预应力混凝土结构具有下列主要优点：（1）提高了构件的抗裂度和刚度。对构件施加预应力后，使构件在使用荷载作用下可不出现裂缝，或可使裂缝大大推迟出现，有效地改善了构件的使用性能，提高了构件的刚度，增加了结构的耐久性。（2）可以节省材料，减少自重。预应力混凝土由于采用高强材料，因而可减少构件截面尺寸，节省钢材与混凝土用量，降低结构物的自重。这对自重比例很大的大跨径桥梁来说，
13、更有着显著的优越性。大跨度和重荷载结构，采用预应力混凝土结构一般是经济合理的。（3）可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。预应力混凝土梁的曲线钢筋（束），可使梁中支座附近的竖向剪力减小；又由于混凝土截面上预压应力的存在，使荷载作用下的主拉应力也相应减小。这有利于减小梁的腹板厚度，使预应力混凝土梁的自重可以进一步减小。（4）结构质量安全可靠。施加预应力时，钢 筋（束）与混凝土都同时经受了一次强度检验。如果在张拉钢筋时构件质量表现良好，那么，在使用时也可以认为是安全可靠的。因此有人称预应力混凝土结构是经过预先检验的结构。（5）预应力可做为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。此
14、外，预应力还可以提高结构的耐疲劳性能。因为具有强大预应力的钢筋，在使用阶段由加荷或卸荷所引起的应力变化幅度相对较小，所以引起疲劳破坏的可能性也小。这对承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。预应力混凝土结构也存在着一些缺点：（1）工艺较复杂，对施工质量要求甚高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。（2）需要有专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。先张法需要有张拉台座；后张法还要耗用数量较多、质量可靠的锚具等。（3）预应力反拱度不易控制。它随混凝土徐变的增加而加大，如存梁时间过久再进行安装，就可能使反拱度很大，造成桥面不平顺。（4）预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高
15、。但是，以上缺点是可以设法克服的。例如应用于跨径较大的结构，或跨径虽不大，但构件数量很多时;采用预应力混凝土结构就比较经济了。总之，只要从实际出发，因地制宜地进行合理设计和妥善安排，预应力混凝土结构就能充分发挥其优越性。所以它在近数十年来得到了迅猛的发展，尤其对桥梁新体系的发展起了重要的推动作用。这是一种极有发展前途的工程结构。12.2预加应力的方法与设备12.2.1 预加应力的主要方法1）先张法先张法，即先张拉钢筋，后浇筑构件混凝土的方法，如 图12-2所示。先在张拉台座上，按设计规定的拉力张拉预应力钢筋，并进行临时锚固，再浇筑构件混凝土，待混凝土达到要求强度（一般不低于强度设计值的75%）
16、后，放 张（即将临时锚固松开，缓慢放松张拉力），让预应力钢筋的回缩，通过预应力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。这种在台座上张拉预应力筋后浇筑混凝土并通过粘结力传递而建立预加应力的混凝土构件就是先张法预应力混凝土构件。先张法所用的预应力钢筋，一般可用高强钢丝、钢绞线等。不专设永久锚具，借助与混凝土的粘结力，以获得较好的自锚性能。12-4a）b）Pc）图1 2-2先张法工艺流程示意图a）预应力钢筋就位，准 备 张 拉b）张拉并锚固，浇筑构件混凝土c）松锚，预应力钢筋回缩，制成预应力混凝土构件先张法施工工序简单，预应力钢筋靠粘结力自锚，临时固定所用的锚具（一般称为工具式
17、锚具或夹具）可以重复使用，因此大批量生产先张法构件比较经济，质量也比较稳定。目前，先张法在我国一般仅用于生产直线配筋的中小型构件。大型构件因需配合弯矩与剪力沿梁长度的分布而采用曲线配筋，这将使施工设备和工艺复杂化，且需配备庞大的张拉台座，因而很少采用先张法。2）后张法后张法是先浇筑构件混凝土，待混凝土结硬后，再张拉预应力钢筋并锚固的方法，如 图12-3所示。先浇筑构件混凝土，并在其中预留孔道（或设套管），待混凝土达到要求强度后，将预应力钢筋穿入预留的孔道内，将千斤顶支承于混凝土构件端部，张拉预应力钢筋，使构件也同时受到反力压缩。待张拉到控制拉力后，即用特制的锚具将预应力钢筋锚固于混凝土构件上，
18、使混凝土获得并保持其预压应力。最后，在预留孔道内压注水泥浆，以保护预应力钢筋不致锈蚀，并使预应力钢筋与混凝土粘结成为整体。这种在混凝土硬结后通过张拉预应力筋并锚固而建立预加应力的构件称为后张法预应力混凝土构件。由上可知，施工工艺不同，建立预应力的方法也不同。后张法是靠工作锚具来传递和保持预加应力的；先张法则是靠粘结力来传递并保持预加应力的。a）预 留 孔（或套管）预应力筋束锚具b）pc）图1 2-3后张法工艺流程示意图a）浇筑构件混凝土，预留孔道，穿入预应力钢筋b）千斤顶支于混凝土构件上，张拉预应力钢筋c）用锚具将预应力钢筋锚固后进行孔道压浆12-512.2.2锚具1）对锚具的要求临时夹具（在
19、制作先张法或后张法预应力混凝土构件时，为保持预应力筋拉力的临时性锚固装置）和锚具（在后张法预应力混凝土构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上所用的永久性锚固装置）都是保证预应力混凝土施工安全、结构可靠的关键设备。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；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。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。如楔形锚、锥形锚和用于锚固钢绞线的 J M 锚与夹片式群锚等，都是借张拉预应力钢筋的回缩或千斤顶压，带动锥销或夹片将预应力钢筋楔紧于锥孔中而锚固
20、的。（2）依靠承压锚固的锚具。如徽头锚、钢筋螺纹锚等，是利用钢丝的徽粗头或钢筋螺纹承压进行锚固。（3）依靠粘结力锚固的锚具。如先张法的预应力钢筋锚固，以及后张法固定端的钢绞线压花锚具等，都是利用预应力钢筋与混凝土之间的粘结力进行锚固的。对于不同形式的锚具，往往需要配套使用专门的张拉设备。因此，在设计施工中，锚具与张拉设备的选择，应同时考虑。3）目前桥梁结构中几种常用的锚具（1）锥形锚锥 形 锚（又称为弗式锚），主要用于钢丝束的锚固。它由锚圈和锚塞（又称锥销）两部分组成。锥形锚是通过张拉钢束时顶压锚塞，把预应力钢丝楔紧在锚圈与锚塞之间，借助摩阻力锚固的（图12-4）。在锚固时，利用钢丝的回缩力带
21、动锚塞向锚圈内滑进，使钢丝被进一步楔紧。此时，锚圈承受着很大的横向（径向）张 力（一般约等于钢丝束张拉力的4倍），故对锚圈的设计、制造应足够的重视。锚具的承载力，一般不应低于钢丝束的极限拉力，或不低于钢丝束控制张拉力的1.5倍，可在压力机上试验确定。此外，对锚具的材质、几何尺寸，加工质量，均必须作严格的检验，以保证安全。a）锚圈锚塞压浆孔锚下垫板波纹管预留孔道钢丝束b）锚圈梁体图1 2-4锥形锚具a）锥形锚具工作示意图b）锥形锚具剖面图在桥梁中使用的锥形锚有锚固18?5mm和锚固24?5mm的钢丝束等两种，并配用600kN双作用千斤顶或YZ85型三作用千斤顶张拉。锚塞用45号优质碳素结构钢经热
22、处理制成，其硬度一般要求为洛氏硬度HRC55-58单位，以便顶塞后，锚塞齿纹能稍微压入钢丝表面，而获得可靠的锚固。锚圈用5号或45号钢冷作旋制而成，不作淬火处理。锥形锚的优点是锚固方便，锚具面积小，便于在梁体上分散布置。但锚固时钢丝的回缩ww12-6量较大，应力损失较其他锚具大。同时.，它不能重复张拉和接长，使预应力钢筋设计长度受到千斤顶行程的限制。为防止受震松动，必须及时给预留孔道压浆。国外同类型的弗式锚具，已有较大改进和发展，不仅能用于锚固钢丝束，而且也能锚固钢绞线束，其最大锚固能力已达到lOOOOkN。（2）徽头锚徽头锚主要用于锚固钢丝束，也可锚固直径在14m m以下的预应力粗钢筋。钢丝
23、的根数和锚具的尺寸依设计张拉力的大小选定。钢丝束徽头锚具 是1949年由瑞士 4名工程师研制而成的，并以他们名字的头一个字母命名为BBRV体系锚具。国内徽头锚有锚固12133根?w5m m和1284根?w7m m两种锚具系列，配套的锁头机有LD 10型 和LD 2 0型两种型式。徽头锚的工作原理如图12-5所示。先以钢丝逐一穿过锚杯的蜂窝眼,然后用徽头机将钢丝端头锻粗如蘑菇形，借徽头直接承压将钢丝锚固于锚杯上。锚杯的外圆车有螺纹，穿束后，在固定端将锚圈（大螺帽）拧上,即可将钢丝束锚固于梁端。在张拉端，先将与千斤顶连接的拉杆旋入锚杯内，用千斤顶支承于梁体上进行张拉，待达到设计张拉力时.，将 锚
24、圈（螺帽）拧紧，再慢慢放松千斤顶，退出拉杆，于是钢丝束的回缩力就通过锚圈、垫板，传递到梁体混凝土而获得锚固。张拉端图1 2-5徽头锚锚具工作示意图徽头锚锚固可靠，不会出现锥形锚那样的“滑丝”问题；锚固时的应力损失很小；徽头工艺操作简便迅速。但预应力钢筋张拉吨位过大，钢丝数很多，施工亦显麻烦，故大吨位锁头锚宜加大钢丝直径，由?5mm改为用?7m m,或改用钢绞线夹片锚具。止 匕 外，徽头锚对钢丝的下料长度要求很精确，误差不得超过1/300。误差过大，张拉时可能由于受力不均匀发生断丝现象。徽头锚适于锚固直线式配束，对于较缓和的曲线预应力钢筋也可采用。目前斜拉桥中锚固斜拉索的高振幅锚具一HiAm式冷
25、铸徽头锚，因锚杯内填入了环氧树脂、锌粉和钢球的混合料，具有较好的抗疲劳性能。（3）钢筋螺纹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。即借助于粗钢筋两端的螺纹，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（图12-6）o螺纹锚具的制造关键在于螺纹的加工。为了避免端部螺纹削弱钢筋截面，常采用特制的钢模冷轧而成，使其阴纹压入钢筋圆周之内，而阳纹则挤到钢筋原圆周之外，这样可使平均ss12-7直径与原钢筋直径相差无几（约 小2%）,而且冷轧还可以提高钢筋的强度。由于螺纹系冷轧而成，故又将这种锚具称为轧丝锚。目前国内生产的轧丝锚有两种规格，可分别
26、锚固?25mm和?32mm两 种IV级圆钢筋。70年代以来，国内外相继采用可以直接拧上螺帽和连接套筒（用于钢筋接长）的高强精轧螺纹钢筋，它沿通长都具有规则、但不连续的凸形螺纹，可在任何位置进行锚固和连接，故可不必再在施工时临时轧丝。国际上采用的迪维达格（Dywidag）锚 具（图12-6b）,就是采用特殊的锥形螺帽和钟式垫板来锚固这种钢筋的螺纹锚具。锚固螺母粗钢筋b）圆垫圈钢垫板螺旋筋预留孔道排气槽图1 2-6钢筋螺纹锚具a）轧丝锚具b）迪维达格锚具钢筋螺纹锚具的受力明确，锚固可靠；构造简单，施工方便；能重复张拉、放松或拆卸，并可以简便地采用套筒接长。（4）夹片锚具夹片锚具体系主要作为锚固钢绞
27、线之用。由于钢绞线与周围接触的面积小，且强度高、硬度大，故对其锚具的锚固性能要求很高，JM锚是我国60年代研制的钢绞线夹片锚具。随着钢绞线的大量使用和钢绞线强度的大幅度提高，仅 M锚具已难以满足要求。80年代，除进一步改进了 JM锚具的设计外，特别着重进行钢绞线群锚体系的研究与试制工作。中国建筑科学研究院先后研制出了 XM锚具和QM锚具系列；中交公路规划设计院研制出了 YM锚具系列；继之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。这些锚具体系都经过严格检测、鉴定后定型，锚固性能均达到国际预应力混凝土协会（FIP）标准，并已广泛地应用于桥梁、水利、房屋等各
28、种土建结构工程中。钢绞线夹片锚夹片锚具的工作原理如图12-7所示。夹片锚由带锥孔的锚板和夹片所组成。张拉时，铸铁喇叭管锚板锥孔peon图1 2-7夹片锚具配套示意图每个锥孔放置1根钢绞线，张拉后各自用夹片将孔中的该根钢绞线抱夹锚固，每个锥孔各自成为一个独立的锚固单元。每个夹片锚具一般是由多个独立锚固单元所组成，它能锚固由12-8ss（1-55）根不等的?15.2mm与？12.7mm钢绞线所组成的预应力钢束，其最大锚固吨位可达到llOOOkN,故夹片锚又称为大吨位钢绞线群锚体系。其特点是各根钢绞线均为单独工作，即1根钢绞线锚固失效也不会影响全锚，只需对失效锥孔的钢绞线进行补拉即可。但预留孔端部，
29、因锚板锥孔布置的需要，必须扩孔，故工作锚下的一段预留孔道一般需设置成喇叭形,或配套设置专门的铸铁喇叭形锚垫板。扁型夹片锚具扁型夹片锚具是为适应扁薄截面构件（如桥面板梁等）预应力钢筋锚固的需要而研制的，简称扁锚。其工作原理与一般夹片锚具体系相同，只是工作锚板、锚下钢垫板和喇叭管，以及形成预留孔道的波纹管等均为扁形而已。每个扁锚一般锚固25根钢绞线，采用单根逐一张拉，施工方便。其一般符号为BM锚。（5）固定端锚具采用一端张拉时，其固定端锚具，除可采用与张拉端相同的夹片锚具外，还可采用挤压锚具和压花锚具。挤压锚具是利用压头机，将套在钢绞线端头上的软钢（一般为4 5 号钢）套筒，与钢绞线一起，强行顶压
30、通过规定的模具孔挤压而成（图 12-8）。为增加套筒与钢绞线间的摩阻力，挤压前，在钢绞线与套筒之间衬置一硬钢丝螺旋圈，以便在挤压后使硬钢丝分别压入钢绞线与套筒内壁之内。压花锚具是用压花机将钢绞线端头压制成梨形花头的一种粘结型锚具（图 12-9）,张拉前预先埋入构件混凝土中。图1 2-8 压头机的工作原理 图12-9压花锚具（6）连接器连接器有两种：钢绞线束N1锚固后，用来再连接钢绞线束N 2的，叫锚头连接器（图 12-10a）；当两段未张拉的钢绞线束N 1,N 2需直接接长时，则可采用接长连接器（图 12-10b）。a）挤压锚具连接器件b）挤压锚具外罩钢绞线图 1 2-1 0 连接器构造a）锚
31、头连接器b）接长连接器以上锚具的设计参数和锚具、锚垫板、波纹管及螺旋筋等的配套尺寸,可参阅各生产厂12-9家 的“产品介绍”选用。应当特别指出，为保证施工与结构的安全，锚具必须按规定程序（见国 家 标准 预应力筋用锚具、夹具和连接器（GB/T14370 93）进行试验验收，验收合格者方可使用。工作锚具使用前，必须逐件擦洗干净，表面不得残留铁屑、泥砂、油垢及各种减摩剂，防止锚具回松和降低锚具的锚固效率。12.2.3 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单作用千斤顶（图1 2-ll）o它常与夹片锚具配套研制。其他各种锚具也都
32、有各自适用的张拉千斤顶，需要时可查各生产厂家的产品目录。图1 2-1 1夹片锚张拉千斤顶安装示意图12.2.4 预加应力的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。1）制孔器预制后张法构件时，需预先留好待混凝土结硬后预应力钢筋穿入的孔道。目前，国内桥梁构件预留孔道所用的制孔器主要有抽拔橡胶管与螺旋金属波纹管。（1）抽拔橡胶管。在钢丝网胶管内事先穿入钢筋（称芯棒），再将胶管（连同芯棒一起）放入模板内，待浇筑混凝土达到一定强度后，抽去芯棒，再拔出胶管，则预留孔道形成。（2）螺旋金属波纹管（简称波纹管）。在浇筑混凝土之前，将波纹管按预应力钢筋设计位置，绑扎于与箍筋焊连的钢筋托架上
33、，再浇筑混凝土,结硬后即可形成穿束的孔道。使用波纹管制孔的穿束方法，有先穿法与后穿法两种。先穿法即在浇筑混凝土之前将预应力钢筋穿入波纹管中，绑扎就位后再浇筑混凝土；后穿法即是浇筑混凝土成孔之后再穿预应力钢筋。金属波纹管是用薄钢带经卷管机压波后卷成，其重量轻，纵向弯曲性能好,径向刚度较大，连接方便，与混凝土粘结良好，与预应力钢筋的摩阻系数也小，是后张法预应力混凝土构件一种较理想的制孔器。目前，在一些桥梁工程中已经开始采用塑料波纹管作为制孔器，这种波纹管由聚丙烯或高密度聚乙烯制成。使用时,，波纹管外表面的螺旋肋与周围的混凝土具有较高的粘结力。这种塑料波纹管具有耐腐蚀性能好、孔道摩擦损失小以及有利于
34、提高结构抗疲劳性能的优点。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。穿 索（束）机有两种类型：一是液压式；二是电动式，桥梁中多用前者。它一般采用单根钢绞线穿入，穿束时应在钢绞线前端套一子弹形帽子,以减小穿束阻力。穿索机由马达带12-10动用四个托轮支承的链板，钢绞线置于链板上，并用四个与托轮相对应的压紧轮压紧，则钢绞线就可借链板的转动向前穿入构件的预留孔中。最大推力为3 kN,最大水平传送距离可达150m。3）灌孔水泥浆及压浆机（1）水泥浆在后张法预应力混凝土构件中，预应力钢筋张拉锚固后必须给预留孔道
35、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。为保证孔道内水泥浆密实，应严格控制水灰比，一般以0.400.45为宜，如加入适量的减水剂，则水灰比可减小到0.35；水泥浆的泌水率最大不得超 过3%,拌和后3h泌水率宜控制在2%,泌水应在24h内重新全部被浆吸回；另外可在水泥浆中掺入适量膨胀剂，使水泥浆在硬化过程中膨胀，但其自由膨胀率应小于10%。所用水泥宜采用硅酸盐水泥或普通水泥，水泥强度等级不宜低于42.5号，水泥不得含有团块。拌和用的水不应含有对预应力筋或水泥有害的成分，每升水不得含500mg以上的氯化物离子或任何一种其他有机物，可采用清洁的饮用水。水泥浆的强度应符合设计规
36、定，无具体规定时应不低于30MPa（70X70X70mm立方体试件28d龄期抗压强度标准值）。（2）压浆机是孔道灌浆的主要设备。它主要由灰浆搅拌桶、贮浆桶和压送灰浆的灰浆泵以及供水系统组成。压浆机的最大工作压力可达到约1.50MPa（15个大气压），可压送的最大水平距离为150m,最大竖直高度为 40m。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。它因需要承受张拉预应力钢筋巨大的回缩力，设计时应保证它具有足够的强度、刚度和稳定性。批量生产时，有条件的尽量设计成长线式台座，以提高生产效率。张拉台座的台面（即预制构件的底模），为了提高产品质量，有的
37、构件厂已采用了预应力混凝土滑动台面，可防止在使用过程中台面开裂。1 2.3 预应力混凝土结构的材料1 2.3.1 混凝土1）强度要求用于预应力结构的混凝土，必须抗压强度高。公路桥规规定：预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C 4 0。而且，钢材强度越高，混凝土强度级别也相应要求提高。只有这样才能充分发挥高强钢材的抗拉强度，有效地减小构件截面尺寸，因而也可减轻结构自重。预应力混凝土结构的混凝土不仅要求高强度，而且还要求能快硬、早强，以便能及早施加预应力，加快施工进度，提高设备、模板等的利用率。混凝土的强度设计值和强度标准值见附表1-1；混凝土的弹性模量见附 表 1-2 o近年在预应力混凝土结
38、构设计中，存在着采用高强混凝土的趋势，以使结构设计达到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的目的。目前所说的高强混凝土，一般系指采用水泥、砂石原料和常规工艺配制，依靠添加高效减水剂或掺加粉煤灰、磨细矿渣、F 矿粉或硅粉等活性矿物材料，使新拌混凝土具有良好的工作性能，并在硬化后具有高强度、高密实性的强度等级为C 5 0 及以上的混凝土。高强混凝土的抗渗性和抗冻性均优于普通混凝土，其力学性能与普通混凝土相比也有所不同。在使用高强混凝土材料时，所取的计算参数，应能反映高强混凝土比普通混凝土具有较小的塑性或更大的脆性等特点，以保证结构安全。2）收缩、徐变的影响及其计算预应力混凝土构件除了混凝土在结硬
39、过程中会产生收缩变形外，由于混凝土长期承受着预压应力，还要产生徐变变形。混凝土的收缩和徐变，使预应力混凝土构件缩短，因而将引12-11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。显然,预应力钢筋的预应力损失，也相应地使混凝土中的预压应力减小。混凝土的收缩、徐变值越大，则预应力损失值就越大，对预应力混凝土结构就越不利。因此，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。（1）混凝土徐变变形混凝土产生徐变变形的原因已于第1章述及，但目前的解释也不尽相同。因而其计算理论有多种，计算方法也不一。影响混凝土徐变值大小的主要因素是荷
40、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。混凝土徐变试验的结果表明，当混凝土所承受的持续应力?cW0.5fck时，其徐变应变值?c与混凝土应力?c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，即?c?e,或写成：?ce（12-1）式 中?c徐变应变值；?e加 载（？c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)徐变是随时间延续而增加的，但又随加载龄期to的增大而减小，故一般将其表示为?t,to?,其中to为加载时的混凝土龄期，t为计算所考虑时刻的混凝土龄期。由 式(1 2-1)可知，只要知道徐变系数
41、?t,to?,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?t,tO?O?c?t?tO?(12-2)式中的?t,to?称为加载龄期为t o,计算考虑龄期为t时的混凝土徐变系数；？0为混凝土名义徐变系数，按 式(1 2-3)计算，即?O?RH?fcm?tO?(12-3)其中?RH?1?1?RHRHO0.46?hh0?13(12-4)?fcm?fcm5.3(12-5)0.5fcm0?t0?l(12-6)0.20.1?t0112-12式 中RH 环境年平均相对湿度(%)；,h=2(m m),A为构件截面面积，u为构件与大h-构件理论厚度(m m)气接触的周边长度；
42、fem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(M P a),即混凝土强度等级;to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R H 0 =1 0 0%,h 0 =1 0 0 mm,tl=ld,f c m0?1 0 M P a o?c(t?t0)为加载后徐变随时间发展的系数，按 式(1 2-7)计算，即?t?t0?l?c?t?t0?t?t0 1?H?H?1 5 0?l?(1.2 0.3 (1 2-7)?R H1 8?h)?2 5 0?1 5 0 0
43、(1 2-8)R H0?h 0式(1 2-7)和 式(1 2-8)的符合意义同式(1 2-4)式(1 2-6)。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C 2 0-C 5 0混凝土的名义徐变系数?0可按表1 2-1值采用。混凝土的徐变系数值可按下列步骤计算：按 式(1 2-8)计算?H,计算时公式中的年平均相对湿度RH,当在4 0%W R H V 7 0%时，取 R H=5 5%；当在 7 0%W R H(9 0%时，取 R H=8 0%；根据计算徐变所考虑的龄期3加载龄期t0及已算得的?H,按式(1 2-7)计算徐变发展系数?c?t?tO?；根据?c?t?tO?和表1
44、2-1所列名义徐变系数(必要时用内插求得)，按 式(1 2-2)计算徐变系数?t,t0?。当实际的加载龄期超过表1 2-1给出的9 0 d时，其混凝土名义徐变系数可按?O?(tO?)?(tO)求得，？)和?(t0)按式?0?(t0式中?0为表1 2-1所列名义徐变系数，(1 2-6)?为9 0 d以外计算所需的加载龄期。计算，其中t0为表列加载龄期,to1 2-1 3混凝土名义徐变系数?0表 12-1注：(1)本表适用于一般硅酸盐类水泥或快硬水泥配制而成的混凝土;(2)本表适用于季节性变化的平均温度-20+40；(3)本表数值系按C40混凝土计算所得，对强度等级C50及以上混凝土，表列数值应乘
45、以抗压强度标准值(MPa)；(4)计算时，表中年平均相对湿度40%W RH70%,取 RH=55%；70%WRH90%,取 RH=80%；(5)构件的实际理论厚度和加载龄期为表列中间值时，混凝土名义徐变系数可按直线内插法求得。32.4,式中fck为混凝土轴心fck一般当混凝土应力?c>0.6fck,则徐变应变不再与?c 成正比例关系，此时称为非线性徐变。在非线性徐变范围内，如果?c 过大，则徐变应变急剧增加，不再收敛，将导致混凝土破坏。铁道科学研究院曾作过这样一个试验，将混凝土试件加压至应力为0.8fck,持续6h后，试件突然爆裂破坏。这说明混凝土构件长期处于高压状态是很危险的，故一般取
46、(0.750.80)fck作为混凝土的长期极限强度(也称为徐变极限强度)。因此预应力混凝土构件的预压应力不是越高越好，压应力过高对结构安全不利。在桥梁结构中，混凝土的持续应力一般都小于0.5fck,不会因徐变造成破坏，且可按线性关系计算徐变应变。考虑到在露天环境下工作的桥梁结构，影响混凝土徐变的各项因素不易确定，因此，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?tu,to?可按表12-3取用。(2)混凝土的收缩变形混凝土的硬化收缩变形是非受力变形。它的变形规律和徐变相似，也是随时间延续而增加，初期硬化时收缩变形明显，以后逐渐变缓。一般第一年的应变可达到(0
47、.150.4)X 1 0-3,收缩变形可延续至数年，其终值可达(0.20.6)X10-3o混凝土收缩应变计算式为?cs?t,ts?csO?s?t?ts?(12-9)式 中?cs?t,ts?收缩开始时的龄期为t s,计算考虑的龄期为t 时的收缩应变；t计算考虑时刻的混凝土龄期(d);12-14ts收缩开始时的混凝土龄期(d),可假定为(37)d；?csO名义收缩系数；?csO?s?fcm?RH(12-10)?s?fcm?160?10?sc(9?fcm/fcm0)?10?6(12-11)?sc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,?sc=5.0；?RH与年平均相对湿度相关的系数；当
48、40%WRHV99%时，3?RH?1.5?5?l?RHRH/0?(12-12)?s 收缩随时间发展的系数;?t?ts?l?s?t?ts?2?350?hh0?t?ts?l?0.5(12-13)其余符号同徐变计算公式。在桥梁设计中，当需要考虑收缩影响或计算阶段预应力损失时，混凝土收缩应变值可按下列步骤计算：按 式(12-13)计算从ts到t、ts到t0的收缩应变发展系数？s?t?ts?、?s?to?ts?,当计算?s?to?ts?时，式中的t均改用to。其中t为计算收缩应变考虑时刻的混凝土龄期(d),to为桥梁结构开始受收缩影响时刻或预应力钢筋传力锚固时刻的混凝土龄期(d),ts为收缩开始时(养护
49、期结束时)的混凝土龄期，设计时可取37d,t?tO 2ts；按式(12-14)计算自t0至t时的收缩应变值?cs?t,t0?,即?cs?t,to?csO?s(t?ts)?s(tO?ts)(12-14)式中的名义收缩系数?csO对于强度等级C20-C50混凝土，可按表12-2所列数值采用。注：(1)本表适用于一般硅酸盐类水泥或快硬水泥配制而成的混凝土;(2)本表适用于季节性变化的平均温度-20+40；(3)本表数值系按C40混凝土计算所得，对强度等级为C50及以上混凝土，表列数值应乘以轴心抗压强度标准值(MPa)；32.4,式中fck为混凝土 fck12-15（4）计算时，表中年平均相对湿度40
50、%WRH70%,取 RH=50%；70%W RH90%,取 RH=80%。同样的，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?cs?tu,t0?可按表12-3取用。混凝土徐变系数终极值?（tu,t0）和收缩应变终极值?cs（tu,t0）表 12-3注：（1）表中RH代表桥梁所处环境的年平均相对湿度（）,表中数值按 40%WRHV70%取 55%,70%RH99%取 80%计算求得；（2）表中理论厚度h?2,A 为构件截面面积，u 为构件与大气接触的周边长度。当构件为变截面时，A 和 u 均可取其平均值；（3）本表适用于由一般的硅酸盐类水泥或快硬水泥配制而成