后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁及其设计、施工方法与流程

本发明涉及土木工程设计
技术领域：
，尤其涉及大跨重载结构中一种采用缓粘结后张拉的分次张拉预应力混凝土叠合梁以其施工方法。
背景技术：
：近年来，随着我国建造技术的提升，相应的建设水平也越来越高。建筑美观、建筑质量、建设效率、建筑的绿色低碳节能等各个方面均有新的概念和要求。但随之上升的还有人力的劳动成本以及建设过程中的环境影响控制要求等，这对建设水平的提高有着不小的考验。建筑工业化，因为其设计施工一体化的生产方式能够满足以上的对建筑物以及施工制造的要求而受到越来越多人的关注。预应力混凝土的施工工艺包括先张法和后张法。其中先张法施工工艺能够保证预应力筋与混凝土之间的有效粘结力，施工简单，但是其仅适用于中小型构件的工业化生产。对于大型构件的工业化生产，通常采用后张法施工工艺，后张预应力混凝土可分为有粘结预应力混凝土和缓粘结预应力混凝土，有粘结预应力混凝土结构较为可靠，承载力较高，但施工较为复杂，需要预留孔道和灌浆，由于尚没有保证灌浆完全密实的施工技术以及有效的检测手段，后张有粘结预应力混凝土的施工质量很难进行把控；缓粘结预应力混凝土预应力筋不与周围混凝土粘结，预应力筋可以自由变形，其施工相比有粘结预应力混凝土简单，无需预留孔道和灌浆，并且还可以降低摩擦损失，在其截面破坏时，预应力筋强度能充分发挥，承载力较有粘结相当。技术实现要素：本发明旨在提供一种后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁及其施工方法，其是一种采用缓粘结预应筋的一种新型预应力构件。其结合了叠合结构和缓粘结预应力结构这两种传统结构，并引入了预应力这一创新特殊设计和施工技术，将叠合结构和缓粘结预应力结构的良好施工性能完全继承下来，同时又能弥补叠合结构承载能力低以及纯缓粘结结构的力学性能不足的缺点。为达到上述目的，本发明采用了以下方案：一种后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁，在所述叠合梁的顶部设置有一层顶部纵筋1，在所述叠合梁的底部设置有一层底部纵筋5；还具有若干箍筋6，所述箍筋6设置于所述叠合梁内部并包裹所述顶部纵筋1和底部纵筋5，在所述叠合梁的中部设置有拉结筋7，紧挨着所述拉结筋7的下端设置有腰筋3，其特征在于：在所述叠合梁下部还设有若干后张缓粘结预应力筋4，所述后张缓粘结预应力筋4的两端伸出所述叠合梁之外，其两端分别固定设置有锚具9和夹具8。进一步的，在所述叠合梁的上部设置有叠合层2，在所述叠合层2的下部为混凝土预制构件。进一步的，所述混凝土预制构件中设置有预留孔道，所述后张缓粘结预应力筋4设置在所述预留孔道内。进一步的，所述后张缓粘结预应力筋4为曲线或直线布置，并穿过叠合层2。进一步的，所述后张缓粘结预应力筋4的两端从所述叠合梁的叠合层2中伸出，所述叠合层2的端部还设有后浇区10。进一步的，所述后张缓粘结预应力筋4穿过叠合层的位置处两侧两倍梁高范围内的箍筋6需要加倍密集设置。进一步的，所述后张缓粘结预应力筋4的预留孔道竖向净距不小于50mm，且不小于粗骨料粒径的1.25倍，孔道至叠合梁构件边缘的净间距不小于30mm，且不小于孔道直径的一半。进一步的，所述后张缓粘结预应力筋4设置为2-5根，安装在拉结筋7的下方和底部纵筋5的上方之间。本发明还提供了该后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁的设计方法，根据后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁的施工和使用的受力状况分为以下阶段：(a)确定截面尺寸b，h1，h2(b)预估后张缓粘结筋的面积ap2(c)确定按有粘结设计的非预应力筋的面积as(d)计算后张缓粘结预应力损失σl1和σl2(e)后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁的配筋界限值验算(f)计算预应力预制梁一次受力(g)计算后张法对叠合梁施加预应力(h)计算后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁整体受力。本发明还提供了该后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁的施工方法，包括以下步骤：在预制构件浇筑前预排布置好普通钢筋以及预应力筋；浇筑、养护成型、运输、现场吊装到位、浇筑叠合层；待叠合层养护达标，并且达到张拉二次预应力的要求时，张拉预埋的后张预应力筋；张拉满足要求后，形成后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁。相对与传统的预应力叠合梁而言，后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁有以下优点：(1)提升构件的抗裂和抗弯能力若预制梁由于自重和作为施工模板而承受上部结构的重量而开裂，施加二次预应力可以令原裂缝闭合或者减少原裂缝宽度。若预制梁未开裂，则二次预应力可以提升试件的开裂荷载。因为预应力能推迟裂缝的出现和限制裂缝的宽度，所以构件的刚度能有所提升。(2)能够提升构件的耐候性一般的预应力设计若非采用全预应力的设计方法，构件在使用初期会有一定程度上的微裂，而随着时间的推移裂纹会不停的扩展，混凝土的碳化程度也会上升。传统预应力筋也不可避免地会在高应力状态下与腐蚀介质相互作用，导致应力腐蚀的情况发生。而若后张的预应力筋采用缓粘结预应力筋的形式则可以很大程度上依靠筋的外护套以及填充的缓粘结材料与腐蚀介质相隔开，并且一般情况下护套和缓粘结材料的变形能力较好，能够满足高应变下依旧保证不发生破裂，从而保证构件的耐候性。(3)增强节点的连接和结构的整体性二次预应力可以不仅是增强构件的强度，同时其还可以作为一种结构构件之间联系的一种方式。通过预应力筋将梁柱串联成一体，预应力所产生的梁柱之间的正应力能够增大节点处构件之间的摩擦力以及咬合力。在抗震方面，预应力能够提供节点处的构件间相对位移的自复位能力。附图说明图1是后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁截面示意图；图2是后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁正视图(不设后浇区)；图3是后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁正视图(设后浇区)；图4是后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁节点示意图(设后浇区)；图5是计算流程图；图6是后张缓粘结预应力筋示意图；图7是超筋界限配筋应变分析图；图8预应力预制梁受力计算简图；图9预应力预制梁一次受力且混凝土处于弹性状态计算简图；图10预制梁开裂时计算简图；图11对一次受力未开裂叠合梁施加后张预应力计算简图；图12预制梁受压区混凝土部分消压时应变分析图；图13预制梁受压区混凝土无消压时应变分析图；图14预制梁受压区混凝土部分消压时受力分析图；图15裂缝闭合截面的裂缝再张开受力分析图；图16叠合梁在极限承载力状态受力分析图；图中附图标记：1-顶部纵筋，2-叠合层，3-腰筋，4-后张缓粘结预应力筋，5-底部纵筋，6-箍筋，7-拉结筋，8-夹具，9-锚具，10后浇区，11柱；12-混凝土，13-芯丝，14-边丝，15-缓粘结材料，16-护套。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。参见图1—图4为本发明提供的一种后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁，所述叠合梁是采用后张法对叠合梁施加缓粘结预应力，在所述叠合梁的顶部设置有一层顶部纵筋1，在所述叠合梁的底部设置有一层底部纵筋5，在所述叠合梁的上部设置有叠合层2，在所述叠合梁的中部设置有两层拉结筋7，在每层所述拉结筋7的下端均设置有腰筋3，在所述叠合梁的下部设置有若干缓粘结预应力筋4，在所述叠合梁的外围设置有箍筋6，所述后张缓粘结预应力筋4的两端伸出叠合梁构件之外，其两端分别固定设置有锚具9和夹具8，根据需求可在叠合层端部设有后浇区10。如图4所示为后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁节点示意图(设后浇区)，可以看到两个所述叠合梁与柱11的结合的节点示意。后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁是采用后张法对叠合梁施加缓粘结预应力，令构件满足各阶段的承载力与使用性能的需求。后张缓粘结预应力筋4，根据实际的构件受力情况以及施工要求，可采用直线或者曲线布置的方式。直线或曲线布置选择建议如下：若构件为简支支承条件，且主要受均布力为主，或者构件无需精细化设计，采用直线布置的方式即可；为另预应力筋在结构中发挥更大的承力作用，在设计中应尽量提高预应力筋线形的失高。故可在设计过程中有效利用梁高度，允许后张缓粘结预应力筋4可跨越叠合面，伸入到叠合层2中。如图6所示是后张缓粘结预应力筋示意图，芯丝13外布置有若干根边丝14，在其外包覆缓粘结材料15，最外层设置为护套16。为方便节点组装、后张缓粘结预应力筋4的张拉等空间布置，叠合层2可与预制梁非等长布置，在叠合层的端部位置设有后浇区10。该设计能够增加构件几何的多样性，方便节点设计以及安装施工。对于曲线布置且穿越叠合层的后张缓粘结预应力筋4，为防止穿越叠合层处混凝土因为复杂应力作用而发生破坏，穿越点处左右两侧各一倍梁高范围内的箍筋需要加密一倍，但不超过规范的要求。若该加密范围处于在梁端抗剪切破坏的箍筋加密区中，且箍筋的加密程度相同或低于原本的加密设计，则可不必额外增加箍筋的布置。根据构件受力的弯矩图，按照一定比例对失高方向进行缩放，并保证预应力筋线形能满足几何尺寸以及构造要求，能够得到最为经济的预应力线形布置。若不能按弯矩图形状来布置曲线线形，则应保证线形与弯矩图尽可能相似，以得到相对经济的设计效果。为满足保证预应力筋锚固处混凝土局部承压、混凝土浇筑密实、预应力筋张拉施工有足够空间等要求，对预应力筋的布置有以下要求：预留孔道竖向净距不宜小于50mm，且不宜小于粗骨料粒径的1.25倍，孔道至构件边缘的净间距不宜小于30mm，且不宜小于孔道直径的一半。后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁的施工方法：在预制构件浇筑前预排布置好普通钢筋以及预应力筋；在台座上张拉预应力筋；浇筑、养护成型、运输、现场吊装到位、浇筑叠合层；待叠合层养护达标，并且达到张拉二次预应力的要求时，张拉预埋的后张预应力筋；张拉满足要求后，形成后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁。若未在梁端部的整高设置端板或者设置整高的现浇网片设计，则在验算局部承压的验算时不能同时考虑预制梁和叠合层的共同承压作用。以下根据四个阶段以及界限配筋值对后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁展开设计计算方法的阐述。以下根据四个阶段以及界限配筋值对后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁展开设计计算方法的阐述。计算流程见图5。1、确定截面尺寸b，h1，h2对于后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁，其截面尺寸的考虑需要同时兼顾施工状态和正常使用状态下的受力情况。其在叠合前后的高度h1和h2，宽度b，高跨比h1/l和h2/l(h1为预制梁的高度，h2为叠合后高度，l为梁的跨度)，所受荷载等因素，选定的截面尺寸需要符合相应的规范要求。2、预估预制梁中后张缓粘结筋的面积ap2按照有粘结设计，根据正常使用极限状态的要求，按裂缝控制确定预应力筋总面积，预应力混凝土可按未开裂状态进行计算。在施工和使用状态下，设计荷载以及预应力的作用下，根据受拉区混凝土边缘纤维的最大拉应力和名义拉应力不超过混凝土抗拉强度的准则，来预估缓粘结筋的面积ap2。根据结构类型以及正截面裂缝控制要求，后张缓粘结预应力筋的预应力，可按下式进行计算，并取结果的较大值。或其中，m1k为预制梁一阶段受力按荷载标准组合计算的弯矩设计值；m2k和m2q分别为叠合成型后梁按荷载标准组合和准永久组合计算的弯矩设计值；[σctk，lim]和[σctq，lim]分别为荷载标准组合与荷载准永久组合下的混凝土的抗拉限值，可参考规范取用；w2为叠合成型梁的构件截面受拉边缘的弹性抵抗矩；a2为扣除孔道后的叠合成型梁的构件截面面积；e02为预应力筋的中心相对叠合成型梁的偏心距；β为梁结构系数，如对简支结构，取β＝1.0，对连续结构的负弯矩截面，取β＝0.9，对连续结构的正弯矩截面，取β＝1.2。根据预应力筋的有效预加力npe2，估算后张缓粘结预应力筋的面积ap2，可按下式进行估算3、确定按有粘结设计的非预应力筋的面积as由预应力筋的面积ap2，预应力度λ，最小配筋率ρmin以及构造要求确定非预应力筋的面积as1.缓粘结预应力混凝土受弯构件中受拉区非预应力筋的配筋率不小于表1的规定以及预应力度λ的要求，预应力度λ根据构件的抗震等级确定，同时非预应力筋的配置应满足构造要求。表1缓粘结预应力混凝土受弯构件非预应力筋的最小配筋率钢筋种类hpb235级hrb335级hrb400级最小配筋率ρmin0.367％0.257％0.213％即有：as≥ρminbh2，且其中，λ为预应力度；fpy为后张缓粘结预应力筋的抗拉强度设计值；hp为纵向预应力筋合理作用点至叠合成型梁受压边缘的有效距离；fy为普通钢筋的抗拉强度设计值；hs2为纵向受拉非预应力筋合力作用点至叠合梁截面受压边缘的有效距离。4、后张缓粘结预应力损失σl2计算计算预应力损失均分为瞬时损失和长期损失两个部分。瞬时损失包括锚固损失、摩擦损失、弹性压缩损失，长期损失包括预应力筋的应力松弛和混凝土的收缩徐变。5、后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁的配筋界限值验算界限配筋可以分为“适筋”与“超筋”的界限配筋，以及“适筋”与“少筋”的界限配筋。由于叠合梁存在受拉钢筋应力超前和叠合层混凝土应变滞后的特点，其极限承载力和开裂状态的应力和应变均与一般的整浇梁不同，故其界限配筋值也不相同。(1)“适筋”与“超筋”的界限配筋计算简图见附图7。界限相对受压区高度可以分为两部分表示上式中δxn、ξb1和ξb2根据变形协调关系可以表达为式中，δεpc14根据变形协调条件得，联立以上各式即可得到适筋与超筋界限受压区高度ξb。(2)“适筋”与“少筋”的界限配筋叠合梁的最小配筋率的计算方法如下6、预应力预制梁一次受力(1)截面弹性状态下分析计算简图见附图9。当一次受力荷载较小时，受拉区边缘混凝土纤维未进入塑性状态，截面依旧处于弹性状态，此时可以按照材料力学的方法分析。在作用力m1作用下混凝土的应力改变量若则说明混凝土处于弹性状态。反之，则应该以受拉区混凝土为弹塑性状态或者开裂状态进行相关的计算(2)截面开裂荷载计算截面的开裂荷载可以采用规范的利用混凝土塑性影响系数的方法来做计算，也可以利用理论推导的方法做精确计算。为方便计算，可以采用较为保守的规范计算方法。为经济准确地计算得开裂荷载，可以采用理论推导的方法。以下给出理论计算方法预应力混凝土截面开裂弯矩理论推算的计算方法相比于规范采用的计算方法，本发明由于需要对后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁的开裂做精确的推算，故推荐采用理论推算方法来进行开裂荷载的预估计算简图见附图10根据下式计算受压区高度计算得混凝土受压区高度后可以对压力的作用点按照弯矩平衡条件∑m＝0，求得此时混凝土截面的弯矩mcr0＝mc2+ms2＝tc2la+ts2lb(5)式中，tc2、ts2分别表示受拉区混凝土、普通钢筋的合力，la、lb和lc分别表示受拉区混凝土、普通钢筋的合力作用点到受压区混凝土的距离，根据以下各式作分别计算(3)截面开裂后的验算若一阶段受力较大，且设计较为保守，预制梁在一阶段受力中可以开裂，但裂缝的宽度需要在限值之内。结构构件的裂缝控制等级以及最大裂缝控制宽度限值ωlim如下表所示：裂缝控制等级ωlim(mm)三级0.2二级ii类0.1二级i类一般要求不出现裂缝一级不允许出现裂缝注：若次内力(次轴力、次弯矩)的影响不能忽略时，裂缝宽度计算式应考虑其影响，可参考相关规范计算。7、后张法对叠合梁施加预应力对于在一次受力中开裂的梁而言，采用后张法施加预应力能够使原来的开裂的裂缝宽度减小甚至能使裂缝重新闭合，对梁的耐久性有极大的帮助。故需要对一次受力梁是否开裂作分开讨论，其中一次受力开裂的梁需要对其进行裂缝闭合与否的验算。(1)一次受力未开裂若一次加载作用力未导致混凝土开裂，即m1＜mcr1，此时截面的应力水平较小，以弹性状态考虑截面的受力情况。计算简图见附图11。任一点处混凝土的应力变量式中，an2和in2分别为扣除后张孔道后叠合梁的换算截面的截面面积和惯性矩；e02为后张筋作用力中心至换算截面形心的距离；y为所求混凝土应力处至换算截面形心的距离。后张法对叠合梁施加二次预应力应保证整个截面的混凝土拉压应力均不超过相应的限值，验算叠合层边缘以及预制梁边缘混凝土纤维应力满足不大于抗拉压强度，即下两式：(2)一次受力开裂的截面受力根据预制梁的受压区混凝土是否消压，可以分为两种情况，相应的应变分析见附图12、13。为方便计算一次受力开裂截面是否能在二次预应力作用下使裂缝闭合，同一采用保守的计算方法进行估算以上两种情况，方法如下：计算换算截面的面积an2＝bh-dtxn2+αes(as+as′)(9)式中，dt为因混凝土开裂导致的混凝土受压损伤变量。计算形心轴相对梁底面的距离计算截面换算惯性矩计算底部边缘处混凝土平均应力变量当满足下式时可认为混凝土裂缝闭合式中，为在一次作用力下混凝土截面的平均应变。8、后张缓粘结的预应力混凝土叠合梁整体受力(1)一阶段受力未开裂构件的开裂荷载计算简图见附图14。对受拉区混凝土边缘取矩可求得开裂荷载，即mcr＝m1+m2＝mc1+mc2+ms2+mtc+ms1+mp2(14)上式的各作用力矩为ms2＝-cs2·(h-as′)(17)ms1＝ts1·as(19)mp1＝np2αp2(20)(2)一阶段受力开裂后张裂缝闭合构件的裂缝再张开荷载计算简图见附图15。计算换算截面的面积an2′＝dcbh-(dt-dc)xn2+αes(as+as′)+αepap2(21)式中，dc为预制梁顶混凝土纤维的损伤变量；dt为因混凝土开裂导致的混凝土受压损伤变量。计算形心轴相对梁底面的距离计算截面换算惯性矩计算底部边缘处混凝土的拉应力增量当满足下式时混凝土裂缝重新张开式中，为在二次张拉作用力下底部边缘处混凝土应变。(3)截面极限抗弯承载力计算简图见附图16。根据截面力的平衡条件∑x＝0，得fyas+σp14ap1+σp24ap2＝k1k3fcbxn+fyas′(26)根据弯矩平衡条件∑x＝0，得mu＝m1+m2＝σp24ap2(h-a21-k2xn)+fy(as-as′)(h0-k2xn)+fyas′(h0-as′)(27)其中变形协调关系为式中，δφ4为截面的转角曲率增量。根据变形协调关系式，可以得到预应力筋的应力，其应考虑预应力筋屈服与否两种情况未屈服：σp24＝σcon2-σu2+ep(δεpc24+εpc23)(30)屈服：若正常配筋则普通钢筋均能屈服，故可以将普通筋的应力以屈服应力fy考虑。将上各式的变形协调关系和预应力筋应力情况带入截面受力平衡条件∑x＝0中，可以计算得到δφ4。解得δφ4后即可得到截面所有材料的应力应变情况，此时应确认预应力筋屈服于否，若与之前假设代入的应力表达式不符则应重新代入计算。最后，根据弯矩平衡条件∑m＝0即可求得极限承载力作用下的截面弯矩。由此，即完成设计计算工作。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。当前第1页12