中华人民共和国行业标准无粘结预应力混凝土结构技术规程JGJ 92-2004条文说明
前言
《无粘结预应力混凝土结构技术规程》JGJ 92-2004,经建设部2005年1月13日以公告306号批准,业已发布。
为便于广大设计、施工、科研、学校等单位的有关人员在使用本规程时能正确理解和执行条文规定,规程编制组按章、节、条的顺序,编制了本规程的条文说明,供使用者参考。在使用过程中,如发现本规程条文说明有不妥之处,请将意见函寄中国建筑科学研究院《无粘结预应力混凝土结构技术规程》管理组(邮政编码:100013,地址:北京市北三环东路30号)。
1 总则
1.0.1 目前国内无粘结预应力混凝土新技术发展较快,科研成果不断积累,设计与施工水平逐步提高,建筑面积正在迅速增加。制定本规程,是为了在确保工程质量前提下,大力发展该项新技术,获得更好的综合经济效益与社会效益,以利于加快建设速度。
1.0.2 本规程中的各项要求是在总结我国已建成的各种类型无粘结预应力混凝土结构,如单向板、双向板、简支梁、交叉梁、框架梁、板柱结构、筏板基础、储仓和消化池,以及体外预应力梁等的设计与施工经验的基础上制定的。本规程的条款也适用于后张预应力仅用于控制裂缝或挠度的情况。
本次修订结合我国建筑结构发展的需要,根据实践经验总结,并借鉴国外最新技术,增加编写配置无粘结预应力体外束梁的设计与施工条款。此外,在符合现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010有关耐久性规定的基础上,对处于二、三类环境类别下的无粘结预应力混凝土结构,规定了锚固系统应采用全封闭防腐蚀体系的分类要求。
在设计下列结构时,尚应符合专门标准的有关规定:
1 修建在湿陷性黄土、膨胀土地区或地下采掘区等的结构;
2 结构表面温度高于100℃,或有生产热源且结构表面温度经常高于60℃的结构;
3 需作振动计算的结构。
1.0.3 本条着重指出了无粘结预应力混凝土结构设计与施工中采用合理的方案,以及质量控制与验收制度的重要性。
1.0.4 本规程按现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068的规定,取用无粘结预应力混凝土结构的设计使用年限,与其相应的结构重要性系数、荷载设计值及耐久性措施。若建设单位提出更高要求,也可按建设单位的要求确定。体外束及其锚固区的防腐蚀保护亦应满足设计使用年限的要求,在二类、三类环境类别下,体外束应按可更换的条件进行设计。
凡我国现行规范中已有明确条文规定的,本规程原则上不再重复。因此,在设计与施工中除符合本规程的要求外,还应满足我国现行强制性规范和规程的有关规定。无粘结预应力混凝土结构的抗震设计,应按现行行业标准《预应力混凝土结构抗震设计规程》JGJ 140执行。
2 术语、符号
术语、符号主要根据现行国家标准《建筑结构设计术语和符号标准》GB/T 50083、《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068及《混凝土结构设计规范》GB 50010等给出的。有些符号因术语改动而作了相应的修改,如本规程将短期效应组合、长期效应组合分别改称为标准组合、准永久组合,并将原规程符号Ms、Ml相应地改为本规程符号Mk、Mq。
3 材料及锚具系统
3.1 混凝土及钢筋
3.1.1 由于无粘预应力筋用的钢绞线强度很高,故要求混凝土结构的混凝土强度等级亦应相应地提高,这样才能达到更经济的目的。所以,规定无粘结预应力梁类构件的混凝土强度等级不应低于C40。因板中平均预压应力一般不高,并参考国内的应用经验,故将其混凝土强度等级规定为不应低于C30。
3.1.2~3.1.4 常用钢绞线的主要力学性能系参考现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224中有关条文制定的。在表3.1.2中,钢绞线的抗拉强度设计值是按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定,取用0.85σb(σb为上述钢绞线国家标准的极限抗拉强度)作为条件屈服点,钢绞线材料分项系数γs取用1.2得出的。为方便施工和保证后张无粘结预应力混凝土的工程质量,本次修订不再列入由7根钢丝制作的无粘结预应力筋。当经过专门研究和试验取得可靠依据时,也可采用Φ15.2mm模拔型钢绞线、或Φ17.8mm等大直径预应力钢绞线制作无粘结预应力筋。
无粘结预应力筋用的钢绞线中的钢丝系采用高碳钢经多次拉拔而成,并经消除应力热处理,以提高其塑性、韧性。在以后形成的死弯处,由于变形程度大,有较高的残余应力,将使材料脆化,在张拉过程中易在该处发生脆断,故应将它切除。此外,由于高碳钢的可焊性差,在生产过程拉拔中及拉拔后的焊接接头质量不能保证,而采用机械连接接头体积又太大,不能满足张拉要求,故要求成型中的每根钢丝应该是通长的,只允许保留生产工艺拉拔前的焊接接头,接头距离应满足GB/T 5224有关条文的规定。
3.1.5 在无粘结预应力混凝土构件中,建议非预应力钢筋采用HRB335级或HRB400级热轧钢筋,是为了保证非预应力钢筋在构件达到破坏时能够屈服,且钢筋的抗拉强度设计值又不至于太低。国外规定非预应力钢筋的设计屈服强度不应大于400N/mm2。非预应力钢筋采用热轧钢筋,也有利于提高构件的延性,从抗裂的角度来说,非预应力钢筋采用变形钢筋比采用光面钢筋好,故宜采用HRB335级、HRB400级热轧带肋钢筋。
3.2 无粘结预应力筋
3.2.1~3.2.3 根据国内外使用经验,本规程规定无粘结预应力筋外包层材料应采用高密度聚乙烯。由于聚氯乙烯在长期的使用过程中氯离子将析出,对周围的材料有腐蚀作用,故严禁使用。无粘结预应力筋的外包层材料及防腐蚀涂料层应具有的性能要求,是根据我国的气候及使用条件提出的,他们的成分和性能尚应符合第3.2.1条所指专门标准的规定。
3.3 锚具系统
3.3.1 无粘结预应力筋-锚具组装件的静载和疲劳锚固性能,是根据现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T 14370对锚具的锚固性能要求制定的。
3.3.2 本条综合了国内外近些年来的使用经验,提供了选用无粘结预应力筋锚具的一般原则、方法及常用锚具的品种。参照现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010中耐久性规定对环境类别的划分,本规程提出锚具系统的选用应考虑不同环境类别的防腐要求,并在第4.2节对防腐蚀要求作出具体规定,以便锚具生产厂家提供不同等级的锚固体系以满足不同环境条件下对防腐蚀的需求。
3.3.3、3.3.4 根据不同的建筑结构类型,提供了选用张拉端与固定端锚固系统的构造要求。在图中区分了张拉前的组装状态和拆除模板并完成张拉之后的状态,从而进一步明确了组装工艺与张拉施工工艺过程。
为保证锚具的防腐蚀性能,圆套筒锚具一般应采用凹进混凝土表面布置;当圆套筒锚具张拉端面布置于混凝土结构后浇带或室内一类环境条件时,也可采用凸出混凝土表面做法。
固定端的做法为一次组装成型,在组装合格后,应绑扎定位并浇筑在混凝土中,其系统构造图可参见第4.2.4条锚固区保护措施图。
3.3.5 向设计单位提供了夹片锚具系统的锚固性能及构件端面上的构造要求。在结构构件中,当采用多根无粘结预应力筋呈集团束或多根平行带状布筋及单根锚固工艺时,在构件张拉端可采用多根无粘结预应力筋共用的整体承压板,根据情况可采用整束或单根张拉无粘结预应力筋的工艺。
3.3.6 对锚具系统的锚固性能和外观质量检验,以及进场验收,提出了应符合的国家现行标准。
4 设计与施工的基本规定
4.1 一般规定
4.1.1 无粘结预应力混凝土结构构件在承载能力极限状态下的荷载效应基本组合及在正常使用极限状态下荷载效应的标准组合和准永久组合,是根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009的有关规定,并加入了预应力效应项而确定的。预应力效应包括预加力产生的次弯矩、次剪力。本规程采用国内外有关规范的设计经验,规定在承载能力极限状态下,预应力作用分项系数应按预应力作用的有利或不利,分别取1.0或1.2。当不利时,如无粘结预应力混凝土构件锚头局压区的张拉控制力,预应力作用分项系数应取1.2。在正常使用极限状态下,预应力作用分项系数通常取1.0。预应力效应设计值除了在本规程中有规定外,应按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010有关章节计算公式执行。
对承载能力极限状态,当预应力效应列为公式左端项参与荷载效应组合时,根据工程经验,对参与组合的预应力效应项,通常取结构重要性系数γ0=1.0。
4.1.2 对无粘结预应力混凝土结构的裂缝控制,原则上按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的规定分为三级,并根据结构功能要求、环境条件对钢筋腐蚀的影响及荷载作用的时间等因素,对各类构件的裂缝控制等级及构件受拉边缘混凝土的拉应力限值作出了具体规定。在一类室内正常环境条件下,对无粘结预应力混凝土连续梁和框架梁等,根据国内外科研成果和设计经验,本次修订从二级裂缝控制等级放松为三级(楼板、预制屋面梁等仍为二级);对原规程未涉及的三类环境下的构件,本规程规定为一级裂缝控制等级。由于缺少实践经验,托梁、托架未列入表4.1.2。
4.1.3、4.1.4 当无粘结预应力筋的长度超过60m时,为了减少支承构件的约束影响,宜将无粘结预应力筋分段张拉和锚固。由于爆炸或强烈地震产生的灾害荷载,如使无粘结预应力混凝土梁或单向板一跨破坏,可能引起多跨结构中其他各跨连续破坏,避免这种连续破坏的有效措施之一,亦是将无粘结预应力筋分段锚固。
在国内工程经验的基础上,本条将无粘结预应力筋宜采用两端张拉的限制长度由25m放宽到了30m。
4.1.5 对无粘结预应力混凝土结构的疲劳性能,国内外均缺乏深入的研究。因此,对直接承受动力荷载并需进行疲劳验算的无粘结预应力混凝土结构,应结合工程实际进行专门试验,并在此基础上确定必须采取的技术措施。已有的试验表明,对承受疲劳作用的无粘结预应力混凝土受弯构件,应特别重视受拉区混凝土应力限制值的选择及锚具的疲劳强度。
4.2 防火及防腐蚀
4.2.1 在不同耐火极限下,无粘结预应力筋的混凝土保护层最小厚度的规定,是参考国外经验确定的。国外经验表明,当结构有约束时,其耐火能力能得到改善,故根据耐火要求确定的混凝土保护层最小厚度,按结构有无约束作了不同的规定。一般连续梁、板结构均可认为是有约束的。
4.2.2 锚固区的耐火极限主要决定于无粘结预应力筋在锚固处的保护措施和对锚具的保护措施。国外试验表明,无粘结预应力筋在锚固处的混凝土保护层最小厚度,应比其在锚固区以外的保护层厚度适当加厚,增加的厚度不宜小于7mm;承压板的最小保护层厚度在梁中最小为25mm,在板中最小为20mm。
4.2.3 混凝土氯化物含量过高,会引起无粘结预应力筋的锈蚀,将严重影响结构构件的受力性能和耐久性,故应严格控制。本条对预应力混凝土中氯离子总含量的限值是按现行国家标准《混凝土质量控制标准》GB 50164及美国ACI318规范等作出具体规定的。
4.2.4~4.2.6 国外在房屋建筑的楼、屋盖结构中使用无粘结预应力混凝土已有40余年历史,研究和工程实践均表明只要采取了可靠措施,无粘结预应力混凝土的耐久性是可以保证的。至今为止,尚未发生过由于无粘结预应力筋的腐蚀而造成房屋倒塌的事故。但是近些年来在国外对无粘结预应力筋防腐蚀措施的规定,例如对防腐油脂和外包材料的材质要求、涂刷和包裹方式等,以及改进无粘结后张预应力系统防腐性能的对策都更趋于严格和具体化。可见国外对无粘结预应力结构的防腐蚀问题是很重视的。
为了检验无粘结预应力筋的耐久性,北京市建筑工程研究院曾对使用了9年的一幢采用无粘结预应力混凝土楼板的实验小楼进行了凿开检验。该楼的无粘结预应力筋采用7Φ5钢丝束,防腐油脂采用长沙石油厂生产的"无粘结预应力筋用润滑防锈脂",外包层用聚乙烯挤塑成型,采用镦头锚具,并用突出外墙面的后浇钢筋混凝土圈梁封闭保护。检查发现锚具无锈蚀,钢丝及其镦头擦去表面油脂后呈青亮金属光泽,无锈蚀,锚具内侧塑料保护套内油脂色状如新,锚杯内油脂则因水泥浆浸入呈灰黑色胶泥状;外包圈梁因施工时混凝土振捣不够密实,圈梁内箍筋锈蚀严重。
此后,在拆除使用11年的三层汽车库时,曾对该建筑无粘结预应力混凝土无梁楼盖平板进行了耐久性检验,同样得到了较好的结果,并进一步证实使用11年后油脂的性能保持良好,技术指标基本满足要求。
从这二实验得到如下的经验:
1 所采用的无粘结预应力筋专用防锈润滑脂具有良好的性能;
2 要保证防锈润滑脂对无粘结预应力筋及锚具的永久保护作用,外包材料应沿无粘结预应力筋全长及与锚具等连接处连续封闭,严防水泥浆、水及潮气进入,锚杯内填充油脂后应加盖帽封严;
3 应保证锚固区后浇混凝土或砂浆的浇筑质量和新、老混凝土或砂浆的结合,避免收缩裂缝,尽量减少封埋混凝土或砂浆的外露面。
在制定第4.2.4条~第4.2.6条中,吸取了国内外在施工过程及在室内正常环境下关于保证无粘结预应力筋及其锚具耐久性的经验。在实施这些条款时,应注意加强施工质量监督,并特别注意对锚固区的施工质量检查。鉴于现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010对混凝土结构的环境类别已作出规定,锚具系统的选用亦应适应不同环境类别的防腐要求。国内外工程经验表明,应从无粘结预应力筋与锚具系统的张拉端及固定端组成的整体来考虑防腐蚀做法,故在图4.2.4中,按使用环境类别分为二种做法,即在一类室内正常环境条件下,主要以微膨胀混凝土或专用密封砂浆防护为主,并允许将挤压锚具完全埋入混凝土中的做法;在二类、三类易受腐蚀环境条件下,则采用二道防腐措施,即无粘结预应力锚固系统自身沿全长连续封闭,然后再以微膨胀混凝土或专用密封砂浆防护。
4.2.7 国外的应用经验表明,对处于二类、三类环境条件下的无粘结预应力锚固系统应采用全封闭体系。按我国在二类、三类易受腐蚀环境下应用无粘结预应力混凝土的需要,本次修订增加第4.2.7条,该条采纳国内工程应用经验,并参考美国ACI和PTI有关标准要求,对全封闭体系的技术要点及指标作出了规定。全封闭体系连接部位在10kPa静水压力下保持不透水的试验,要求该体系安装后在10kPa气压下,保持5min压力损失不大于10%;具体漏气位置可用涂肥皂水等方法进行测试。
在二类、三类环境条件下,无粘结预应力锚固系统应形成连续封闭整体,但密封盖、锚具或垫板等金属组件均可与混凝土直接接触。当有特别需要,要求无粘结预应力锚固系统电绝缘时,各金属组件外表必须采取塑料覆盖等表面电绝缘处理,以形成电绝缘体系。
5 设计计算与构造
5.1 一般规定
5.1.1 对一般民用建筑,本条所规定的跨高比是根据国内已有工程的经验,并参考了国外采用无粘结预应力混凝土楼盖的设计规定,对原条文作了一些补充和归纳,并用表格形式表示以便于使用。对于工业建筑或活荷载较大的建筑,表中所列跨高比值应按实际情况予以调整。
5.1.2 国内外工程设计经验表明,当平衡荷载取全部恒载再加一半活荷载时,受弯构件在活荷载的一半作用下不受弯,也没有挠度。当全部活荷载移去时,可按活荷载的一半向上作用进行设计;当全部活荷载作用于结构时,则按活荷载的另一半向下作用考虑设计。当活荷载是持续性的,例如仓库、货栈等,上述取平衡荷载的原则是合理的。
对一般结构,由于规范规定的设计活荷载值会比实际值高而留有一定的裕度,所以平衡荷载除了取全部恒载外,只需平衡设计活荷载的一部分。另一方面,当采用混合配筋时,在满足裂缝控制等级要求下,平衡荷载也可略降,如仅平衡结构自重,以配置附加的非预应力钢筋来满足受弯承载力要求,这将有利于发挥构件的延性性能。
5.1.3~5.1.9 无粘结预应力筋预应力损失值的计算原则和公式按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定执行。
无粘结预应力筋与塑料外包层之间的摩擦系数μ,及考虑塑料外包层每米长度局部偏差对摩擦影响的系数κ,是根据中国建筑科学研究院结构所和北京市建筑工程研究院等单位的试验结果及工程实测数据,并参考了国外的试验数据而确定的,本次修订适当减小了摩擦系数μ值。
由于现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224已取消普通松弛级的预应力钢绞线,故本规程仅列出低松弛级预应力钢绞线的应力松弛计算公式。
5.1.10 板的平均预压应力是指完成全部预应力损失后的总有效预加力除以混凝土总截面面积。规定下限值是为了避免在混凝土中产生过大的拉应力和裂缝,同时有利于增强板的抗剪能力;规定上限值是为了避免过大的弹性压缩和徐变。
5.1.11 影响无粘结预应力混凝土构件抗弯能力的因素较多,如无粘结预应力筋有效预应力的大小、无粘结预应力筋与非预应力钢筋的配筋率、受弯构件的跨高比、荷载种类、无粘结预应力筋与管壁之间的摩擦力、束的形状和材料性能等。因此,受弯破坏状态下无粘结预应力筋的极限应力必须通过试验来求得。中国建筑科学研究院自1978年以来做过5批无粘结预应力梁(板)试验,预应力钢材为Φ5碳素钢丝,得出无粘结预应力筋于梁破坏瞬间的极限应力,主要与配筋率、有效预应力、非预应力钢筋设计强度、混凝土的立方体抗压强度、跨高比以及荷载形式有关。湖南大学土木系和大连理工大学土木系等单位也对无粘结部分预应力梁的极限应力做了试验研究,积累了宝贵的数据。
本次修订结合近些年来国内的研究成果,表达式仍以综合配筋指标ξ0为主要参数,提出了无粘结预应力筋应力考虑跨高比变化影响的关系式,公式是经与本规程原公式及美、英等国规范的相关公式比较后而提出的。公式克服了本规程原公式对跨高比这一影响因素不能连续变化的缺点,并调整了无粘结预应力筋应力设计值随ξ0的变化梯度和取值。在设计框架梁时,无粘结预应力筋外形布置宜与弯矩包络图相接近,以防在框架梁顶部反弯点附近出现裂缝。
5.1.12 当预加力对超静定梁引起的结构变形受到支座约束时,会产生支座反力,并由该反力产生弯矩。通常对预加力引起的内弯矩Npepn称为主弯矩M1,由主弯矩对连续梁引起的支座反力称为次反力,由次反力对梁引起的弯矩称为次弯矩M2。在预应力超静定梁中,由预加力对任一截面引起的总弯矩Mr将为主弯矩M1与次弯矩M2之和,即Mr=M1+M2。
国内外学者对预应力混凝土连续梁的试验研究表明,对塑性内力重分布能力较差的预应力混凝土超静定结构,在抗裂验算及承载力计算时均应包括次弯矩。次剪力宜根据结构构件各截面次弯矩分布按结构力学方法计算。预应力次弯矩、次剪力参与组合时,对于预应力作用分项系数取值按本规程第4.1.1条的有关规定执行。
5.1.13 除了对张拉阶段构件中的锚头局压区进行局部受压承载力计算外,考虑到无粘结预应力筋在混凝土中是可以滑动的,故制定本条以避免无粘结预应力混凝土构件在使用过程中,发生锚头局压区过早破坏的现象。
本次修订对施工阶段的纵向压力值,仍取为1.2σcon未变,但补充考虑在正常使用状态下预应力束的应力达到条件屈服的可能,当进一步考虑承载能力极限状态下取大于1.0的分项系数,本规程取用fptkAp作为验算局部荷载代表值,并应取上述两个荷载代表值中的较大值进行计算,以确保锚头局部受压区的安全。
5.1.14、5.1.15 根据无粘结预应力筋与周围混凝土无, 粘结可互相滑动的特点,可将无粘结筋对混凝土的预压力作为截面上的纵向压力,其与弯矩一起作用于截面上,这样无粘结预应力混凝土受弯构件就可等同于钢筋混凝土偏心受压构件,计算其裂缝宽度。为求得无粘结预应力混凝土构件受拉区纵向钢筋等效应力σsk,本条根据无粘结预应力筋与周围混凝土存在相互滑移而无变形协调的特点,将无粘结预应力筋的截面面积Ap折算为虚拟的有粘结预应力筋截面面积η0Ap,此处,η0为无粘结预应力筋换算为虚拟有粘结钢筋的换算系数。这样,可采用与有粘结部分预应力混凝土梁相类似的方法进行裂缝宽度计算。在计算中,裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ值,仍按1989年《混凝土结构设计规范》取值:当ψ<0.4时,取0.4;当ψ>1时,取ψ=1。
根据中国建筑科学研究院和大连理工大学等国内的科研成果,对σsk计算公式采取的简化方法为:①鉴于国内试验多采用简支梁三分点加载的方案,故将无粘结预应力筋的截面面积Ap作折减时,进一步考虑无粘结预应力混凝土受弯构件弯矩图形的丰满度,取折减系数为0.3;②为考虑预应力混凝土截面为消压状态,近似取Mk扣除0.75Mcr,以方便计算;③对无粘结预应力混凝土超静定结构构件,需考虑次弯矩M2。
5.1.16~5.1.18 对不出现裂缝的无粘结预应力混凝土构件的短期刚度和长期刚度的计算,以及预应力反拱值计算,均按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定进行计算。
对使用阶段已出现裂缝的无粘结预应力混凝土受弯构件,仍假定弯矩与曲率(或弯矩与挠度)曲线由双折直线组成,双折线的交点位于开裂弯矩Mcr处,则可导得短期刚度的基本公式为:
5.1.19 无粘结预应力混凝土结构当在现场进行张拉时,预应力可能消耗在使柱和墙产生弯曲和位移,并对板的变形产生影响,柱和墙可能阻止板的缩短,从而在板和支承构件中产生裂缝。设计中可采用有限单元法计算或根据工程经验,采取适当配置构造钢筋的方法计及混凝土的收缩、徐变早期体积改变和弹性压缩对楼板及柱的影响,从而避免在板和支承构件中产生裂缝。在北京市劳保用品公司仓库、永安公寓、北京科技活动中心多功能报告厅、广东63层国际大厦等工程的无粘结预应力板柱-剪力墙结构、板墙结构、平面交叉梁结构,以及简体结构的设计与施工中,为防止张拉无粘结预应力筋引起支撑结构或板开裂,均采取了相应的技术措施,本条规定总结了上述工程实践及国内其他无粘结预应力混凝土结构的施工经验。
当板的长度较大时,应设临时施工缝或后浇带将结构分段施加预应力,分段的长度可根据工程实践经验确定,条文中的60m是根据一般施工经验确定的,不是定数。分段后预应力筋应截断,而非预应力钢筋是否截断,可根据具体情况确定。如截断发生在封闭施工缝或后浇带时,应按设计要求补上截断的钢筋。
5 设计计算与构造
5.1 一般规定
5.1.1 对一般民用建筑,本条所规定的跨高比是根据国内已有工程的经验,并参考了国外采用无粘结预应力混凝土楼盖的设计规定,对原条文作了一些补充和归纳,并用表格形式表示以便于使用。对于工业建筑或活荷载较大的建筑,表中所列跨高比值应按实际情况予以调整。
5.1.2 国内外工程设计经验表明,当平衡荷载取全部恒载再加一半活荷载时,受弯构件在活荷载的一半作用下不受弯,也没有挠度。当全部活荷载移去时,可按活荷载的一半向上作用进行设计;当全部活荷载作用于结构时,则按活荷载的另一半向下作用考虑设计。当活荷载是持续性的,例如仓库、货栈等,上述取平衡荷载的原则是合理的。
对一般结构,由于规范规定的设计活荷载值会比实际值高而留有一定的裕度,所以平衡荷载除了取全部恒载外,只需平衡设计活荷载的一部分。另一方面,当采用混合配筋时,在满足裂缝控制等级要求下,平衡荷载也可略降,如仅平衡结构自重,以配置附加的非预应力钢筋来满足受弯承载力要求,这将有利于发挥构件的延性性能。
5.1.3~5.1.9 无粘结预应力筋预应力损失值的计算原则和公式按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定执行。
无粘结预应力筋与塑料外包层之间的摩擦系数μ,及考虑塑料外包层每米长度局部偏差对摩擦影响的系数κ,是根据中国建筑科学研究院结构所和北京市建筑工程研究院等单位的试验结果及工程实测数据,并参考了国外的试验数据而确定的,本次修订适当减小了摩擦系数μ值。
由于现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224已取消普通松弛级的预应力钢绞线,故本规程仅列出低松弛级预应力钢绞线的应力松弛计算公式。
5.1.10 板的平均预压应力是指完成全部预应力损失后的总有效预加力除以混凝土总截面面积。规定下限值是为了避免在混凝土中产生过大的拉应力和裂缝,同时有利于增强板的抗剪能力;规定上限值是为了避免过大的弹性压缩和徐变。
5.1.11 影响无粘结预应力混凝土构件抗弯能力的因素较多,如无粘结预应力筋有效预应力的大小、无粘结预应力筋与非预应力钢筋的配筋率、受弯构件的跨高比、荷载种类、无粘结预应力筋与管壁之间的摩擦力、束的形状和材料性能等。因此,受弯破坏状态下无粘结预应力筋的极限应力必须通过试验来求得。中国建筑科学研究院自1978年以来做过5批无粘结预应力梁(板)试验,预应力钢材为Φ5碳素钢丝,得出无粘结预应力筋于梁破坏瞬间的极限应力,主要与配筋率、有效预应力、非预应力钢筋设计强度、混凝土的立方体抗压强度、跨高比以及荷载形式有关。湖南大学土木系和大连理工大学土木系等单位也对无粘结部分预应力梁的极限应力做了试验研究,积累了宝贵的数据。
本次修订结合近些年来国内的研究成果,表达式仍以综合配筋指标ξ0为主要参数,提出了无粘结预应力筋应力考虑跨高比变化影响的关系式,公式是经与本规程原公式及美、英等国规范的相关公式比较后而提出的。公式克服了本规程原公式对跨高比这一影响因素不能连续变化的缺点,并调整了无粘结预应力筋应力设计值随ξ0的变化梯度和取值。在设计框架梁时,无粘结预应力筋外形布置宜与弯矩包络图相接近,以防在框架梁顶部反弯点附近出现裂缝。
5.1.12 当预加力对超静定梁引起的结构变形受到支座约束时,会产生支座反力,并由该反力产生弯矩。通常对预加力引起的内弯矩Npepn称为主弯矩M1,由主弯矩对连续梁引起的支座反力称为次反力,由次反力对梁引起的弯矩称为次弯矩M2。在预应力超静定梁中,由预加力对任一截面引起的总弯矩Mr将为主弯矩M1与次弯矩M2之和,即Mr=M1+M2。
国内外学者对预应力混凝土连续梁的试验研究表明,对塑性内力重分布能力较差的预应力混凝土超静定结构,在抗裂验算及承载力计算时均应包括次弯矩。次剪力宜根据结构构件各截面次弯矩分布按结构力学方法计算。预应力次弯矩、次剪力参与组合时,对于预应力作用分项系数取值按本规程第4.1.1条的有关规定执行。
5.1.13 除了对张拉阶段构件中的锚头局压区进行局部受压承载力计算外,考虑到无粘结预应力筋在混凝土中是可以滑动的,故制定本条以避免无粘结预应力混凝土构件在使用过程中,发生锚头局压区过早破坏的现象。
本次修订对施工阶段的纵向压力值,仍取为1.2σcon未变,但补充考虑在正常使用状态下预应力束的应力达到条件屈服的可能,当进一步考虑承载能力极限状态下取大于1.0的分项系数,本规程取用fptkAp作为验算局部荷载代表值,并应取上述两个荷载代表值中的较大值进行计算,以确保锚头局部受压区的安全。
5.1.14、5.1.15 根据无粘结预应力筋与周围混凝土无粘结可互相滑动的特点,可将无粘结筋对混凝土的预压力作为截面上的纵向压力,其与弯矩一起作用于截面上,这样无粘结预应力混凝土受弯构件就可等同于钢筋混凝土偏心受压构件,计算其裂缝宽度。为求得无粘结预应力混凝土构件受拉区纵向钢筋等效应力σsk,本条根据无粘结预应力筋与周围混凝土存在相互滑移而无变形协调的特点,将无粘结预应力筋的截面面积Ap折算为虚拟的有粘结预应力筋截面面积η0Ap,此处,η0为无粘结预应力筋换算为虚拟有粘结钢筋的换算系数。这样,可采用与有粘结部分预应力混凝土梁相类似的方法进行裂缝宽度计算。在计算中,裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数ψ值,仍按1989年《混凝土结构设计规范》取值:当ψ<0.4时,取0.4;当ψ>1时,取ψ=1。
根据中国建筑科学研究院和大连理工大学等国内的科研成果,对σsk计算公式采取的简化方法为:①鉴于国内试验多采用简支梁三分点加载的方案,故将无粘结预应力筋的截面面积Ap作折减时,进一步考虑无粘结预应力混凝土受弯构件弯矩图形的丰满度,取折减系数为0.3;②为考虑预应力混凝土截面为消压状态,近似取Mk扣除0.75Mcr,以方便计算;③对无粘结预应力混凝土超静定结构构件,需考虑次弯矩M2。
5.1.16~5.1.18 对不出现裂缝的无粘结预应力混凝土构件的短期刚度和长期刚度的计算,以及预应力反拱值计算,均按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010的有关规定进行计算。
对使用阶段已出现裂缝的无粘结预应力混凝土受弯构件,仍假定弯矩与曲率(或弯矩与挠度)曲线由双折直线组成,双折线的交点位于开裂弯矩Mcr处,则可导得短期刚度的基本公式为:
5.1.19 无粘结预应力混凝土结构当在现场进行张拉时,预应力可能消耗在使柱和墙产生弯曲和位移,并对板的变形产生影响,柱和墙可能阻止板的缩短,从而在板和支承构件中产生裂缝。设计中可采用有限单元法计算或根据工程经验,采取适当配置构造钢筋的方法计及混凝土的收缩、徐变早期体积改变和弹性压缩对楼板及柱的影响,从而避免在板和支承构件中产生裂缝。在北京市劳保用品公司仓库、永安公寓、北京科技活动中心多功能报告厅、广东63层国际大厦等工程的无粘结预应力板柱-剪力墙结构、板墙结构、平面交叉梁结构,以及简体结构的设计与施工中,为防止张拉无粘结预应力筋引起支撑结构或板开裂,均采取了相应的技术措施,本条规定总结了上述工程实践及国内其他无粘结预应力混凝土结构的施工经验。
当板的长度较大时,应设临时施工缝或后浇带将结构分段施加预应力,分段的长度可根据工程实践经验确定,条文中的60m是根据一般施工经验确定的,不是定数。分段后预应力筋应截断,而非预应力钢筋是否截断,可根据具体情况确定。如截断发生在封闭施工缝或后浇带时,应按设计要求补上截断的钢筋。
5.2 单向体系
5.2.1 在无粘结预应力受弯构件的预压受拉区,配置一定数量的非预应力钢筋,可以避免该类构件在极限状态下呈双折线型的脆性破坏现象,并改善开裂状态下构件的裂缝性能和延性性能。
1 单向板的非预应力钢筋最小面积。在现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010中,对钢筋混凝土受弯构件,规定最小配筋率为0.2%和45ft/fy中的较大值。美国华盛顿大学Mattock教授通过试验认为,在无粘结预应力受弯构件的受拉区至少应配置从受拉边缘至毛截面重心之间面积0.4%的非预应力钢筋。综合上述两方面的规定和研究成果,并结合以往的设计经验,作出了本规程对无粘结预应力混凝土板受拉区普通钢筋最小配筋率的限制。
2 梁在正弯矩区非预应力钢筋的最小面积。无粘结预应力梁的试验表明,按全部配筋的极限内力考虑,非预应力钢筋的拉力占到总拉力的25%或更多时,可更有效地改善无粘结预应力梁的性能,如裂缝分布、间距和宽度,以及变形性能,从而接近有粘结预应力梁的性能。所以,对无粘结预应力梁,本规程考虑适当增加非预应力钢筋的用量,在经济上也是合理可行的。
5.2.2 为防止无粘结预应力受弯构件开裂后的突然脆断,要求设计极限弯矩不小于开裂弯矩。
5.2.3 无粘结预应力受弯构件斜截面受剪承载力按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010第7章第5节有关条款的公式进行计算,但对无粘结预应力弯起筋的应力设计值取有效预应力值,是在目前试验数据少的情况下采用的设计方法。
5.2.4 无粘结预应力筋间距的限值,对张拉吨位较小的单根无粘结预应力筋,通常是受最小平均预压应力要求控制;对成束的无粘结预应力筋,通常则控制最大的预应力筋间距。
5.2.5 配置一定数量的支撑钢筋,是为了使无粘结预应力筋满足设计轮廓线要求。本条是在国内无粘结预应力工程实践的基础上制定的。
5.3 双向体系
5.3.1~5.3.3 无粘结预应力板柱体系是一种板柱框架,可按照等代框架法进行分析。决定计算简图的关键问题,在于确定板作为横梁的有效宽度。在通常的梁柱框架中,梁与柱在节点刚接的条件下转角是一致的,但在板柱框架中,只有板与柱直接相交处或柱帽处,板与柱的转角才是一致的,柱轴线与其他部位的边梁和板的转角事实上是不同的。为了将边梁的转角变形反映到柱子的变形中去,应对柱子的抗弯转动刚度进行修正和适当降低,其等效柱的刚度计算列在本规程附录C中。
为了简化计算,在竖向荷载作用下,矩形柱网(长边尺寸和短边尺寸之比≤2时)的无粘结预应力混凝土平板和密肋板按等代框架法进行内力计算。等代框架梁的有效宽度均取板的全宽,即取板的中心线之间的距离lx或ly。
在板柱体系的板面上,设作用有面荷载q,荷载将由短跨l1方向的柱上板带和长跨l2方向的柱上板带共同承受。但是,长向柱上板带所承受的荷载又会传给区格板短向的柱上板带,这样,由长跨l2传来的荷载加上直接由短跨l1柱上板带承受的荷载,其总和为作用在板区格上的全部荷载;长跨l2方向亦然。故对于柱支承的双向平板、密肋板以及对于板和截面高度相对较小、较柔性的梁组成的柱支承结构,计算中每个方向都应取全部作用荷载。
在侧向力作用下,应用等代框架法进行内力计算时,板的有效刚度要比取全宽计算所得的刚度小。国内外试验表明,其有效宽度约为板跨度的25%~50%。第5.3.3条取上限值,即两向等距且无平托板时,等代框架梁的计算宽度只计算到柱轴线两侧各1/4跨度。
5.3.4
1 负弯矩区非预应力钢筋的配置。1973年在美国得克萨斯州大学,进行了一个1:3的九区格后张无粘结预应力平板的模型试验。结果表明,只要在柱宽及两侧各离柱边1.5~2倍的板厚范围内,配置占柱上板带横截面面积0.15%的非预应力钢筋,就能很好地控制和分散裂缝,并使柱带区域内的弯曲和剪切强度都能充分发挥出来。此外,这些钢筋应集中通过柱子和靠近柱子布置。钢筋的中到中间距应不超过300mm,而且每一方向应不少于4根钢筋。对通常的跨度,这些钢筋的总长度应等于跨度的1/3。中国建筑科学研究院结构所在1988年做的1:2无粘结部分预应力平板试验中,也证实在上述柱面积范围内配置的非预应力钢筋是适当的。本规范按式(5.3.4-1)对矩形板在长跨方向将布置较多的钢筋。
2 正弯矩区非预应力钢筋的配置。在正弯矩区,双向板在使用荷载下非预应力钢筋的最小面积,是参照现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010,对钢筋混凝土受弯构件最小配筋率的配置要求作出规定的。由于在使用荷载下,受拉区域不出现拉应力的情况较少出现,故不再列出其对非预应力钢筋最小量As的规定,克服温度、收缩应力的钢筋应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010执行。
3 在楼盖的边缘和拐角处,设置钢筋混凝土边梁,并考虑柱头剪切作用,将该梁的箍筋加密配置,可提高边柱和角柱节点的受冲切承载力。
5.3.5、5.3.6 在无粘结预应力双向平板的节点设计中,板柱节点受冲切承载力计算问题是很重要的,在工程中可采取配置箍筋或弯起钢筋,抗剪锚栓,工字钢、槽钢等抗冲切加强措施。本规程在制定冲切承载力计算条款时,对一些问题,如无粘结预应力筋在抵抗冲切荷载时的有利影响,板柱节点配置箍筋或弯起钢筋时受冲切承载力的计算等,是按下述考虑的:
在现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010中,已补充了预应力混凝土板受冲切承载力的计算。在计算中,对于预应力的有利影响与本规程93年版本中的规定是一致的,主要取预应力钢筋合力Np这一主要因素,而忽略曲线预应力配筋垂直分量所产生向上分力的有利影响,并考虑到冲切承载力试验值的离散性较大,目前国内外试验数据尚不够多,取值0.15σpc,m,σpc,m为混凝土截面上的平均有效预压应力。此外,上述国标还将原规范公式中混凝土项的系数0.6提高到0.7;对截面高度尺寸效应作了补充;给出了两个调整系数η1、η2,并对矩形形状的加载面积边长之比作了限制等。对配置或不配置箍筋和弯起钢筋无粘结预应力混凝土板的受冲切承载力计算,以及如将板柱节点附近板的厚度局部增大或加柱帽,以提高板的受冲切承载力,对板减薄处混凝土截面或对配置抗冲切的箍筋或弯起钢筋时冲切破坏锥体以外的截面,进行受冲切承载力验算的要求,本规程采用现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010有关规定计算。
无粘结预应力筋穿过板柱节点的数量应有限制。中国建筑科学研究院的试验表明,当轴心受压柱中无粘结预应力削弱的截面面积不超过30%时,对柱的承载力影响不大;对偏心受压柱,当被无粘结预应力筋削弱的截面面积不超过20%时,对柱的承载力也不会造成影响。
5.3.7 由于普通箍筋竖肢的上下端均呈圆弧,当竖肢受力较大接近屈服时会产生滑动,故箍筋在薄板中使用存在着锚固问题,其抗冲切的效果不是很好。因此,加拿大规范CSA-A23.3规定,仅当板厚(包括托板厚度)不小于300mm时,才允许使用箍筋。美国ACI318规范对厚度小于250mm采用箍筋的板,要求箍筋是封闭的,并在箍筋转角处配置较粗的纵向钢筋,以利固定箍筋竖肢。
锚栓是一种新型的抗冲切钢筋,加拿大Ghali教授等对配置锚栓混凝土板的抗冲切性能和设计方法进行了广泛的试验研究。国内湖南大学和中国建筑科学研究院等单位对配置锚栓的混凝土板柱节点进行了试验与分析研究。研究表明,锚栓在节点中有很好的锚固性能,可以使锚杆截面上的应力达到屈服强度,并有效地限制了剪切斜裂缝的扩展,能有效地改善板的延性,且施工也较方便。本条是在国内外科研成果的基础上作出规定的。
5.3.8 型钢剪力架的设计方法参考了美国Corley和Hawkins的型钢剪力架试验,以及美国混凝土规范ACI318有关条款规定,是按下述考虑的:
1 本规程图5.3.8中,板的受冲切计算截面应垂直于板的平面,并应通过自柱边朝剪力架每个伸臂端部距离为(la-bc/2)的3/4处,且冲切破坏截面的位置应使其周长um,de为最小,但离开柱子的距离不应小于h0/2。中国建筑科学研究院的试验研究表明,随冲跨比增加试件的受冲切承载力有下降的趋势。为了在抗冲切计算中适当考虑冲跨比对混凝土强度的影响,故本规程对配置抗冲切型钢剪力架的冲切破坏锥体以外的截面,在计算其冲切承载力时,取较低的混凝土强度值,按下列公式计算:
2 为避免所配置的抗冲切钢筋或型钢剪力架不能充分发挥作用,或使用阶段在局部集中荷载附近的斜裂缝过大,根据国内外规范和工程设计经验,在板中配筋后的允许抗冲切承载力比混凝土承担的抗冲切承载力提高50%,配型钢剪力架后允许提高的限值为75%。此外,还可以考虑平均有效预压应力约2.0N/mm2的有利影响,公式(5.3.8-7)的限制条件是这样作出的。
3 试验研究表明,当型钢剪力架用于边柱和角柱,以及板中存在不平衡弯矩作用的情况,由于扭转效应等原因,型钢剪力架应有足够的锚固,使每个伸臂能发挥其具有的抗弯强度,以抵抗沿臂长作用的剪力,并应验算焊缝长度和保证焊接质量。
北京市建筑设计院在设计北京市劳保用品公司仓库工程,商业部设计院在设计内蒙3000t果品冷藏库工程中,均采用过上述型钢剪力架的设计方法,该设计方法在我国的一些实际工程中已得到应用。
5.3.9 本次修订还补充了局部荷载或集中反力作用面邻近孔洞或自由边时临界截面周长的计算方法,是参考国内湖南大学研究成果及英国混凝土结构规范BS 8110作出规定的。
5.3.10、5.3.11 N.W.Hanson和N.M.Hawkins等人的钢筋混凝土板及无粘结预应力混凝土板柱节点试验表明,板与柱子之间,由于侧向荷载或楼面荷载不利组合引起的不平衡弯矩,一部分是通过弯曲来传递的,另一部分则通过剪切来传递。这些科研成果的结论和计算方法,已被美国混凝土规范ACI 318、新西兰标准NZS 3101等国家的设计规范所采用,其对侧向荷载在板支座处所产生弯矩的组合和配筋要求,板柱节点处临界截面剪应力计算以及不平衡弯矩在板与柱子之间传递的计算等均作出了规定。由于在现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010中,对板柱节点冲切承载力计算原则上采用了上述计算方法,并作出改进,故本规程不再重复列入。
美国混凝土规范ACI 318剪应力表达式概念较明确,但考虑到我国规范前后表达式的统一,故改为按总剪力计算的表达式,以达到前后一致和便于对照计算的目的。由于板柱节点冲切计算在国内是一项尚需要继续进行深入研究的课题,希望设计单位在使用中提出意见。
5.3.12、5.3.13 对板柱体系楼板开洞要求及板内无粘结预应力筋绕过洞口的布置要求,系根据国内外的工程经验作出规定的。
5.3.14 在后张平板中,无粘结预应力筋的布置方式,可采取划分柱上板带和跨中板带来设置;也可取一向集中布置,另一向均匀布置。美国华盛顿的水门公寓建筑是世界上按第二种配筋方式建造的第一座建筑。从此以后,在美国的后张平板的设计中,主要采用在柱上呈带状集中布置无粘结预应力筋的方式。美国得克萨斯州大学曾对两种布筋方式做过对比模型试验。中国建筑科学研究院也作了九柱四板模型试验,无粘结预应力筋采用一向集中布置,另一向均匀布置。试验结果表明,该布筋方式在使用阶段结构性能良好,极限承载力满足设计要求。此外,施工简便,可避免无粘结预应力筋的编网工序,在施工质量上,易于保证无粘结预应力筋的垂度,并对板上开洞提供方便。
无粘结预应力筋还可以在两个方向均集中穿过柱子截面布置。此种布筋方式沿柱轴线形成暗梁支承内平板,对在板中开洞处理非常方便,并有利于提高板柱节点的受冲切承载能力。若在使用中板的跨度很大,可将钢筋混凝土内平板做成下凹形状,以减小板厚。此外,工程设计中也有采用不同方法在平板中制孔或填充轻质材料,以减轻平板混凝土自重的结构方案。设计人员可根据工程具体情况和设计经验,确定采用此类方案,并积累设计经验。
5.3.15 为改善基础底板的受力,提高其抗裂性能和受弯承载能力,消除因收缩、徐变和温度产生的裂缝,减少板厚,降低用钢量,国内外在一些多层与高层建筑中,采用了预应力技术。一些文献指出,在软土地基、高压缩土地基或膨胀土地基上,采用预应力基础,可以降低地基压力使之满足地基承载力的要求,减少不均匀沉降,并避免上部结构产生的次应力。
预应力混凝土基础的设计,一般也采用荷载平衡法,遵守部分预应力的设计概念。由于基础设计比上部结构复杂,平衡荷载的大小受上部荷载分布、地基情况以及设计意图制约,难以统一规定。因此,本条文规定预应力筋的数量根据实际受力情况确定。且尚应配置适量的非预应力钢筋,其数量应符合控制基础板温度、收缩裂缝的构造要求。首都国际机场新航站楼工程,在筏板基础与地基界面间设置滑动层,用以减小摩擦,也有利于减少混凝土收缩裂缝。
此外,考虑到基础处于与水或土壤直接接触的环境,该环境比上部结构楼盖要恶劣得多,无粘结预应力筋及其锚具的防腐问题更为突出。本条文要求采取全封闭防腐蚀锚固系统等切实可靠的防腐措施。
5.4 体外预应力梁
5.4.1~5.4.4 无粘结预应力体外束多层防腐蚀体系,是将单根无粘结预应力筋平行穿人高密度聚乙烯管或镀锌钢管孔道内,张拉之前先完成灌浆工艺,由水泥浆体将单根无粘结筋定位或充填防腐油脂制成,两者均为可更换的体外束。体外束可通过设在两端锚具之间不同位置的转向块与混凝土构件相连接(如跨中,四分点或三分点),以达到设计要求的平衡荷载或调整内力的效果。且体外束的锚固点与弯折点之间或两个弯折点之间的自由段长度不宜太长,否则宜设置防振动装置,以避免微振磨损。如美国AASHTO规范规定,除非振动分析许可,体外预应力筋的自由段长度不应超过7.5m。对转向块的设置要求,主要使梁在受弯变形的各个阶段,特别是在极限状态下梁体的挠度大时,尽量保持体外束与混凝土截面重心之间的偏心距保持不变,从而不致于降低体外束的作用,这样在设计中一般可不考虑体外束的二阶效应,按通常的方法进行计算。但是当有必要时,尚应考虑构件在后张预应力及所施加荷载作用下产生变形时,体外束相对于混凝土截面重心偏移所引起的二阶效应。
梁体上的体外束是通过固定在转向块鞍座上的导管变换方向的,这样在鞍座上的导管与预应力钢材的接触区域,将存在摩擦和横向力的挤压作用,对预应力钢材亦容易产生局部硬化和增大摩阻损失。因此,转向块的设计必须做到设计合理和构造措施得当,且转向块应确保体外束在弯折点的位置,在高度上应符合设计要求,避免产生附加应力,导管在结构使用期间也不应对预应力钢材产生任何损害。
因为体外预应力与体内无粘结预应力在原理上基本相同,故对配置预应力体外束的混凝土结构,一般可按照现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010和本规程条款进行结构设计。预应力体外束的不同处在于仅通过锚具和弯折处转向块支撑装置作用于结构上,故体外束仅在锚固区及转向块处与结构有相同的变位,当梁体受弯变形产生挠度时除了会使体外束的有效偏心距减小,降低预应力体外束的作用;且在转向块与预应力筋的接触区域,由于横向挤压力的作用和预应力筋因弯曲后产生内应力,可能使预应力筋的强度下降。故对预应力钢绞线应按弯折转角为20°的偏斜拉伸试验确定其力学性能,该试验方法详现行国家标准《预应力混凝土用钢绞线》GB/T 5224附录B。有关体外束曲率半径和弯折转角的规定,体外束锚固区和转向块的构造做法等是借鉴欧洲规范有关无粘结和体外预应力束应用的规定及国内的实践经验编写的。
体外束除应用于体外预应力混凝土矩形、T形及箱形梁的设计,在既有混凝土结构上,设置体外束是提高混凝土结构构件承载力的有效方法,也可用于改善结构的使用性能,或两者兼顾之。所以,体外束也适用于既有结构的维修和翻新改造,并允许布置成各种束形。
5.4.5 体外束永久的防腐保护可以通过各种方法获得,所提供的防腐措施应当适用于体外束所处的环境条件。本规程吸收国内外的工程经验,采用单根无粘结预应力筋组成集团束,外套高密度聚乙烯管或镀锌钢管,并在管内采用水泥灌浆或防腐油脂保护的工艺,十分适用于室内正常环境的工程。根据国际结构混凝土协会fib的工程经验,这种具有双层套管保护的体外束在三类室外侵蚀性环境下,亦可提供10年以上的使用寿命。此外,如果设置体外束不仅为了改善结构使用功能时,所采取的防腐措施尚应满足防火要求。
6 施工及验收
6.1 无粘结预应力筋的制作、包装及运输
6.1.1 无粘结预应力筋外包层的制作,在发展过程中有缠绕水密性胶带、外套聚乙烯套管、热封塑料包裹层及挤塑成型工艺等方法。本规程中的无粘结预应力筋,系指采用先进的挤塑成型工艺,由专业化工厂制作而成的。
对无粘结预应力筋的制作及涂包质量的要求等应符合国家现行标准《无粘结预应力钢绞线》JG 161的规定。
6.1.2~6.1.4 无粘结预应力筋的包装、运输和保管,以及对下料和组装的要求,是根据国内工程实践经验制定的。
6.2 无粘结预应力筋的铺放和浇筑混凝土
6.2.1 试验表明,无粘结预应力筋的外包层出现局部轻微破损,经过修补后,其张拉伸长值与完好的无粘结预应力筋张拉伸长值相同。故对外包层局部轻微破损的无粘结预应力筋,允许修补后使用。
6.2.4 无粘结预应力筋束形在支座、跨中及反弯点等主要控制点的竖向位置由设计图纸确定,在施工铺放时的竖向位置允许偏差是根据现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204作出规定的。
在板中铺放无粘结预应力筋时,处理好与各种管线的位置关系,确保所设计无粘结预应力筋的束形,是施工现场常遇到的问题。一般要避开各种管线沿无粘结预应力筋关键位置处的垂直方向同标高铺设,采取与无粘结预应力筋铺放方向呈平行或调整标高的方法铺设。
如果在铺放多根成束无粘结预应力筋时,出现各根之间相互扭绞的现象,必将影响预应力张拉效果。工程经验表明,可采用逐根铺放,最后合并成束的方法。
对大跨度无粘结预应力平板、扁梁及筒仓结构,在施工中可采用平行带状布束,每束由3~5根无粘结预应力筋组成,这样可以减少定位支撑钢筋用量,简化施工工艺,也不影响结构的整体预应力效果。
6.2.6 本条是总结国内建造无粘结预应力混凝土结构的施工安装工艺,并参考国外的应用经验而制定的。施工中应按环境类别和设计图纸要求,重视采用可靠和完善的锚具体系及配套施工工艺,以确保无粘结预应力混凝土施工质量。
近些年来,在现浇无粘结预应力结构设计与施工中,已较普遍地采用钢绞线制作的无粘结预应力筋,其相应的锚固系统包括夹片锚具和挤压锚具。曲线配置的无粘结预应力筋,在曲线段的起始点至锚固点,有一段不小于300mm的直线段的要求,主要考虑当张拉锚固端由于无粘结预应力筋曲率过大时,会造成局部摩擦对张拉的有效性和伸长值起不利影响。一般工程实践中,直线段的取值为300~600mm,此值大时有利。
在实际工程中,整个无粘结预应力筋的铺放过程,都要配备专职人员,负责监督检查无粘结预应力筋束形是否符合设计要求,张拉端和固定端安装是否符合工艺要求。对不符合要求之处,应及时进行调整。
6.2.7 承压板后面混凝土的浇筑质量,直接关系到无粘结预应力筋的张拉效果。工程实践表明,在个别工程中,当混凝土成型并经正常养护后,在该处发生过裂缝或空鼓现象,只有在无粘结预应力筋张拉之前进行修补后,才允许进行张拉操作。
6.3 无粘结预应力筋的张拉
6.3.1~6.3.7 这几条主要是根据现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204有关条款制定的。
在无粘结预应力混凝土施工中,由于多采用夹片式锚具,采用从零应力开始张拉至1.05倍预应力筋的张拉控制应力σcon,持荷2min后卸荷至预应力筋张拉控制应力的张拉程序不易实现,也很少应用,故本次修订未列入。
在无粘结预应力筋张拉过程中,如发生断丝,应立即停止张拉,查明原因,以防止在单根无粘结预应力筋中发生连续断丝及相邻预应力筋出现断丝。
6.3.8 张拉时混凝土强度,指同条件养护下150mm立方体混凝土试件的抗压强度。
6.3.9 试验研究表明,无粘结预应力楼板在无顺序情况下张拉,对结构不会产生不利影响。但对梁式结构、预制构件及其他特种结构,无粘结预应力筋的张拉工艺顺序对结构受力是有影响的。
6.3.10 代替无粘结预应力筋两端同时张拉工艺,采取在一端张拉锚固,在另一端补足张拉力锚固工艺时,需观测另一端锚具夹片确有移动,经论证无误可以达到基本相同的预应力效果后,才可以使用。
6.3.12、6.3.13 这是总结国内建造无粘结预应力混凝土结构的施工张拉工艺,并参考国外的应用经验而制定的。
夹片锚具锚固时,目前有液压顶压、弹簧顶压以及限位三种形式,产生的锚具变形和钢筋内缩值各不相同。其值在事先测定后,并根据设计要求,选择其中一种。
必须指出,操作人员不得站在张拉设备的后面或建筑物边缘与张拉设备之间,因为在张拉过程中,有可能来不及躲避偶然发生的事故而造成伤亡。
6.3.14 电火花将损伤钢丝、钢绞线和锚具,为此不得采用电弧切断无粘结预应力筋。
6.4 体外预应力施工
6.4.1 无粘结预应力体外束多层防腐蚀体系由多根平行的无粘结预应力筋组成,外套高密度聚乙烯管或镀锌钢管,管内采用水泥灌浆或防腐油脂保护为双层套管防腐蚀的无粘结预应力体外束。其可以在工厂预制按成品束提供使用,也可以在施工现场进行穿束和灌浆制作成束。具有下述优点:第二层保护套不但能起防腐保护的作用,同时可抵御来自外界的损伤;采用多根平行的无粘结预应力筋组成集团束,可以提供大吨位预应力束,便于采用简单有效的转向块;抗疲劳荷载性能强;可以在一类室内正常环境,二类及三类易受腐蚀环境下使用;使用中除了可更换整根束,还可以更换单根无粘结预应力筋。
在一类室内正常环境下,国内也有采用体外无粘结预应力筋并在其塑料护套外浇筑混凝土保护层,或将多根平行裸钢绞线外套高密度聚乙烯管或镀锌钢管,采用在管道内灌水泥浆或防腐化合物加以保护的。若采用镀锌钢绞线或环氧涂层钢绞线则可使用于二类、三类环境类别,环氧涂层钢绞线防腐效果更好些。
6.4.2~6.4.12 体外束的制作要求、施工工艺及质量控制的规定,是根据工程经验总结,并借鉴欧洲规范有关无粘结和体外预应力束应用的规定编写的。
6.5 工程验收
6.5.1~6.5.3 混凝土结构工程验收应按现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB 50204的要求进行。无粘结预应力混凝土工程一般作为整个工程的分项工程,因此在工程施工过程中,可在这部分工程竣工后通过检查验收。验收时,应检查第6.5.1条中所规定的文件和记录是否符合本规程要求。对于外观应根据需要进行抽查。
附录A 无粘结预应力筋数量估算
设计经验表明,无粘结预应力筋的数量,常由结构构件的裂缝控制标准所决定,在附录A中,是按正截面裂缝控制验算要求进行估算的,并按均布荷载的标准组合或准永久组合计算的弯矩设计值,取所需有效预加力的较大值进行估算。此外,为了大致估计预应力对连续结构支座和跨中截面的有利和不利作用,对负弯矩截面和正弯矩截面的弯矩设计值,分别取系数0.9和1.2。
名义拉应力方法用于计算无粘结预应力混凝土受弯构件的裂缝宽度,是参考国内外规范及科研成果作出规定的。用于无粘结预应力混凝土,首先应满足本规程第5.2.1条非预应力钢筋最小截面面积的要求。
附录B 无粘结预应力筋常用束形的预应力损失σl1
现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB 50010有关锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失值σl1,是假设κx+μθ不大于0.2,摩擦损失按直线近似公式得出的。由于无粘结预应力筋的摩擦系数小,经过核算故将允许的圆心角放大为90°。此外,对无粘结预应力筋在端部为直线、初始长度等于l0而后由两条圆弧形曲线组成时及折线筋的预应力损失σl1的计算中,未计初始直线段l0中摩擦损失的影响。
附录C 等效柱的刚度计算及等代框架计算模型
在板柱框架中,柱子两侧抗扭构件(横向梁或板带)的边界可延伸至柱子两侧区格的中心线,其在水平板带与柱子间起传递弯矩的作用,但不如梁柱框架的柱子对梁的约束强,为反映该影响,采用等效柱的计算方法,是参考ACI318规范有关条文作出规定的。
上述板柱等代框架早先是为采用弯矩分配法设计的。为利用基于有限单元法的标准框架分析程序,根据国内外经验,在板柱等代框架中,板梁的杆件长度ls,b一般取等于柱中线之间的距离l1,在柱中线至柱边或柱帽边之间的截面惯性矩,宜取等于板梁在柱边或柱帽边处的截面惯性矩(若有平托板按T形截面计)除以(1-c2/l2)2,此处,c2和l2分别为垂直于等代框架方向的柱宽度和跨度。柱的杆件长度Hc取等于层高,其截面惯性矩Ic可按毛截面计算,但等效柱的截面惯性矩Iec应按上述等效柱的线刚度进行折减。在节点范围内(柱帽底至板顶)截面惯性矩可视为无穷大。
附录D 无粘结预应力筋张拉记录表
本表是在国内常用无粘结预应力筋张拉记录表的基础上,经适当补充修改后制订的。