11.3 预应力混凝土构造设计及特殊问题处理

11.3.1 预应力构件截面尺寸的确定除考虑结构方案、荷载等条件外，还应考虑预应力束及锚具的布置要求。

11.3.2 预应力筋张拉锚固端的设置
    1 后张法预应力筋的锚固通常采用设置于构件端部或构件中间部位(凸起锚固或凹槽锚固)的锚具实现机械锚固；此外，也有完全埋入混凝土中锚固预应力筋的方法，此时锚具称为埋入端锚具或固定端锚具。
    2 当预应力筋锚固于梁的跨间时，因局部集中力，在锚具附近混凝土中将产生拉应力，梁中易出现裂缝，此时锚具宜布置在活荷载作用下内力变化不大的截面处，锚具在截面中的位置宜尽量位于截面形心处。
    3 无粘结预应力筋束长不大于40m时可一端张拉、一端固定，大于40m时宜两端张拉。有粘结预应力筋长度不大于20m时可一端张拉，大于20m时宜两端张拉；当预应力筋为直线束时，一端张拉的长度可延长至35m。
    4 超长结构中预应力筋宜分段张拉锚固，必要时应设置后浇带，防止因通长张拉预应力筋，导致预应力摩擦损失过大，轴向预加力被竖向结构吸收过多，对结构造成不利影响。
    5 对多跨预应力连续板，应考虑任一跨预应力筋由于地震等作用失效时，可能引起其它各跨连续破坏。宜将无粘结预应力筋分段锚固，或增设中间锚固点。
    6 预应力筋在张拉与锚固位置宜分散错开锚固，避免局部应力过于集中。如果不得已将大量预应力筋集中锚固时，应进行局部构造加强设计。

11.3.3 锚具的排布
    锚固区的设计应考虑上述构造及有关建筑和抗震等要求。具体设计中除应参考各张拉锚固体系对设计的有关建议外，尚应注意下列事项：
    1 锚具的布置应遵守生产厂家提出的最小排布尺寸；
    2 应考虑锚具的形状及尺寸，注意锚具与柱、梁钢筋不应发生矛盾；
    3 应考虑张拉操作的方便和可行性。

 
图11.3.3 锚具与钢筋的位置关系

11.3.4 预应力筋管道间距及保护层厚度
    1 预应力梁中，预留孔道在竖直方向的净距不应小于孔道外径，水平方向净距不宜小于1.5倍孔道外径且不应小于粗骨料直径的1.25倍；必要时，两个孔道可并排布置；
    2 保护层厚度
    从孔壁算起的混凝土保护层厚度，梁底不宜小于50mm，梁侧不宜小于40mm；裂缝控制等级为三级的梁，梁底、梁侧分别不宜小于60mm和50mm。孔道至构件边缘的净距不宜小于孔道直径的一半，同时应满足对不同耐火等级的要求。锚固区的净混凝土保护层最小厚度应比相应构件所取保护层厚度值增加7mm。

图11.3.4 预应力束布置

11.3.5 预应力混凝土锚固区构造
    1 端部锚固区的局部加强
    一般各种张拉锚固体系中都有满足局部承压安全度所需的最小排布尺寸和相应的加强钢筋。满足张拉锚固体系中的有关规定时，局部承压强度就可满足安全要求；工程实际条件不能满足张拉锚固体系的有关规定时，应对锚固区局部承压构造进行专门设计，也可根据实际设计条件按《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ 85-2010附录A进行锚固区传力性能试验验证。设计中尚应注意局部压力作用下局压区混凝土各部位的应力情况，做出合理的配筋，防止张拉阶段混凝土出现裂缝。
    对后张预应力混凝土构件的端部锚固区，应按下列规定配置间接钢筋：
        1)当采用普通钢垫板时，应按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010第6.6节的规定进行局部受压承载力的计算，并配置间接钢筋，其体积配筋率不应小于0.5％；
        2)当采用整体铸造垫板时，其局部受压区的设计应符合现行行业标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ 85-2010的有关规定。
        3)在局部荷载作用下构件端部常出现沿荷载方向的劈裂裂缝(图11.3.5-1(a)中的裂缝A)。为控制劈裂裂缝，在局部受压间接钢筋配置区以外，在构件端部长度l不小于3e(e为截面重心线上部或下部预应力筋的合力点至临近边缘的距离)但不大于1.2h(h为构件端部截面高度)、高度为2e的附加配筋区范围内，应均匀配置附加箍筋或网片。配筋面积可按下列公式计算：

    式中：P——作用在构件端部截面重心线上部或下部预应力筋的合力设计值，可按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010的有关规定进行计算；
        l₁、l_b——沿构件高度方向A₁、A_b的边长或直径；
             f_yv——附加防劈裂钢筋的抗拉强度设计值。
    用于控制劈裂裂缝的附加钢筋的体积配筋率不应小于0.5％，同时附加钢筋在劈裂裂缝两侧应满足锚固要求。
        3)当构件端部预应力筋需集中布置在截面下部或集中布置在上部或下部时，构件端面常出现端面裂缝(图11.3.5-1(a)中的裂缝B)。故应在构件端部0.2h(h为构件端部截面高度)范围内设置附加竖向焊接钢筋网、封闭式箍筋或其他形式的构造钢筋来控制端面裂缝。附加竖向钢筋宜采用带肋钢筋，其截面面积应符合下列要求：

    式中：T_s——锚固端端面拉力；
         p——作用在构件端部截面重心线上部或下部预应力筋的合力设计值，此时，仅考虑混凝土预压前的预应力损失值；
         e——截面重心线上部或下部预应力筋的合力点至截面近边缘的距离；
         h——构件端部截面高度。
         f_yv——附加竖向钢筋的抗拉强度设计值，按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010采用；
    当端部截面上部和下部均有预应力钢筋时，附加竖向钢筋的总截面面积应按上部和下部的预应力合力分别计算的数值较大值采用。
    如果预应力筋在横向有偏心时，应按上述方法计算抗劈裂钢筋，并与上述竖向钢筋形成网片筋配置。
    端面裂缝的相对位置c可由e、h确定，即c/h=  (图11.3.5-1(a))。用于控制端面裂缝的附加竖向钢筋在端面裂缝两侧应满足锚固要求。用于控制端面裂缝的附加竖向钢筋与局部受压间接钢筋在构件端部0.2h范围内应叠加布置。

(注： Ⅰ区用于配置局部受压间接钢筋；Ⅱ区用于配置控制劈裂裂缝附加钢筋)
图11.3.5-1 端部锚固区

    2 一般局部加强钢筋有螺旋筋，网片筋，U形筋等，常用张拉锚固体系中给出的局压加强钢筋多为螺旋筋，但在实际工程中有时螺旋筋不易配置，此时可采用网片钢筋、U形筋等进行加强。不同部位的局部加强可参考下列配筋示例。附加钢筋应根据预应力筋张拉力的大小及延伸结构的约束情况计算确定，当张拉力较小时可不配置。
        1)端部锚固区局部加强配筋示意

图11.3.5-2 端部锚固区防劈裂加强

        2)跨间锚固区

 
图11.3.5-3 突起锚固局部加强

        3)跨间锚固区局部加强(凹槽锚固)

 A-单孔锚具时，不宜小于300mm；群锚时，不宜小于500mm
B-垫板宽度
图11.3.5-4 凹槽锚固局部加强

11.3.6 预应力筋曲率半径
    1 后张法预应力混凝土构件中，当采用曲线预应力布束时，其曲率半径r_P宜按下列公式确定：

    但不宜小于4m。
    式中 p——预应力筋束的合力设计值，可按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010的规定确定；
         rP——预应力束的曲率半径(m)；
         dP——预应力束孔道的外径；
         fc——混凝土轴心抗压强度设计值；当验算张拉阶段曲率半径时，可取与施工阶段混凝土立方体抗压强度f＇_cu对应的抗压强度设计值f＇_c，按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010表4.1.4-1以线性内插法确定。
    对于折线配筋的构件，在预应力束弯折处的曲率半径可适当减小。当曲率半径r_P不满足上述要求时，可在曲线预应力束弯折处内侧设置钢筋网片或螺旋筋。
    2 在板内被孔洞阻断的无粘结预应力筋可分两侧绕过洞口铺设，其离洞口的距离不宜小于150mm，水平偏移的曲率半径不宜小于6.5m。

图11.3.6 洞口无粘结预应力筋水平弯折要求

    注：1 洞口无粘结预应力筋布置宜满足：a≥150mm，b≥300mm，R≥6.5m；
        2 当c：d＞1：6时，需配置U形筋。

11.3.7 预应力筋弯曲处局部加强构造
    1 预应力筋弯曲处曲线预应力筋内侧混凝土局部挤压应力按式(11.3.7-1)计算，其压应力不应大于0.35fc，当局压应力大于0.35fc时，应配置局部加强钢筋。

    式中：σ_cj——混凝土局部挤压应力；
                P——预应力筋束的合力设计值，可按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010的规定确定；
                R——预应力筋曲率半径；
                d——预应力筋孔道的外径。

 
图11.3.7-1 预应力束弯曲处构造要求

    2 当沿构件凹面布置的纵向曲线预应力束时(图11.3.7-2)，应进行防崩裂设计。当曲率半径rp满足下式要求时：

    可仅配置构造U形插筋。
    当不满足时，每单肢U形插筋的截面面积应按下列公式确定：

    U形插筋的锚固长度不应小于l_a；当实际锚固长度l_e小于l_a时，每单肢U形插筋的截面面积可按Asvl/k取值。其中，k取l_e/15d和l_e/200中的较小值，且k不大于1.0；
    当有平行的几个孔道，且中心距不大于2d_P时，预应力筋的合力设计值应按相邻全部孔道内的预应力筋确定。
    式中：p——预应力筋束的合力设计值，可按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010的规定确定；
              f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值；或与施工张拉阶段混凝土立方体抗压强度f＇_cu相应的抗拉强度设计值f＇_t，按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010表4.1.4-1以线性内插法确定；
            c_p——预应力筋束孔道净混凝土保护层厚度；
         A_svl——每单肢插筋截面面积；
            s_v——U形插筋间距；
            f_yv——U形插筋抗拉强度设计值，按《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010采用，当大于360N/mm²时取360N/mm²；
             l_e——实际锚固长度。

1-预应力筋束；2-措曲线预应力筋束均匀布置的插筋
图11.3.7-2 抗崩裂U形插筋构造示意

11.3.8 锚具封闭保护
    外露于结构端部的锚具应采取有效的防护措施进行永久保护，确保外露锚头不致受机械损伤和腐蚀的影响。对外露金属锚具，应采取可靠的防锈及耐火措施，可根据环境等级采取无收缩砂浆或混凝土封闭，且应与结构混凝土粘贴密实，不应出现裂缝。采用混凝土封闭时，混凝土其强度等级宜与构件混凝土强度等级一致，且不应低于C30，且宜配置1～2片钢筋网，钢筋网应与构件混凝土拉结。当无耐火要求时，可采用涂刷防锈漆的方式进行保护，但必须保证能够重新涂刷。当采用砂浆或混凝土封闭时，锚具及垫板的混凝土保护层厚度应根据环境等级采取不同的值，A、C应保证锚具及垫板的保护层厚度在一类环境中，不小于20mm；在二a、二b类环境时不小于50mm；在三a、三b类环境时不小于80mm。(图11.3.8-1及图11.3.8-2)。

 
图11.3.8-1 无粘结预应力筋锚具封闭

    1 无粘结预应力筋锚具
    无粘结预应力混凝土一般采用高强钢绞线作为预应力筋，锚具分为固定端锚具和张拉端锚具。固定端常采用挤压锚具，并直接埋入混凝土中，其防腐一般不成为问题。而张拉端常采用夹片锚具，无粘结预应力筋要求全长封闭，所以张拉端锚具应尽量含在结构混凝土内，并宜采用具有良好封闭性的球墨铸铁一体化锚具，对处于二b、三a、三b类环境条件下的无粘结预应力锚固系统，应采用全封闭的防腐蚀体系，其封锚端及各连接部位应能承受10kPa的静水压力而不透水，在封闭前，应在外露的锚具上涂刷环氧树脂。封闭前混凝土表面或凹槽内应清理干净，必要时应凿毛，涂刷粘接剂。砂浆或细石混凝土应密实并完全封裹锚具。封闭做法见图11.3.8-1。
    2 有粘结预应力筋锚具
    张拉并灌浆完毕后，一般用混凝土进行封闭保护，如果锚具外露于结构构件，封锚混凝土内宜有伸自结构构件的拉结钢筋，混凝土接口应清理干净，并冲水润湿。对处于二、三类环境中的锚具，在封闭前，还应在外露的锚具上涂刷环氧树脂。封闭保护大样见图11.3.8-2。

 
图11.3.8-2 有粘结预应力筋锚具封闭

11.3.9 连续结构跨度差异较大时，宜将大跨梁或板的预应力筋一部分或全部延伸至相邻小跨，或将大跨梁截面延伸至相邻短跨或在短跨连续截面处设计为加腋。

11.3.10 楼盖的局部设计为预应力混凝土时，应考虑与相邻钢筋混凝土结构构件的变形协调，在变形不协调处应配置额外钢筋进行加强，或留置后浇带，防止当施加的平均预压应力较大时在变形不协调区域出现因张拉造成的裂缝。

 
图11.3.10 变形不协调区域示意图

11.3.11 连续结构跨度差异较大时，如果预应力筋通长配置，应根据各跨的弯矩图调整预应力筋束形，或调整各跨预应力筋的配筋数量，防止短跨构件在张拉阶段混凝土出现裂缝，或使用阶段反拱过大。

 
图11.3.11 连续结构跨度差异较大时预应力束的调整

11.3.12 框架-剪力墙或框架-筒体结构当结构高度较大时(一般30层以上)，在设计中应考虑竖向构件变形差对预应力楼盖的不利影响。预应力筋应在沉降较大的支座处取较小的偏心距，同时增配梁或板的普通钢筋。