1、第5章 预应力混凝土工程,土木工程施工多媒体,5.1 概述,5.1.1 预应力混凝土的特点 预应力钢筋混凝土结构构件，较普通钢筋混凝土结构改善了受拉区混凝土的受力性能，充分发挥了高强钢材的受拉性能，从而提高了钢筋混凝土结构刚度、抗裂度和耐久性，减轻了结构自重；但要增加预应力工序与增添专用设备，技术含量高，操作要求严，相应的费用高。 将预应力作为一种拼装手段，纵横方向张拉预应力筋，将拼装好的预制构件形成装配整体的预应力结构等。预应力混凝土在大柱网和大跨度结构中具有较大的发展前景与推广价值。,5.1.2 材料和机具要求 根据现行国家标准，用于预应力混凝土结构中的预应力钢筋有以下几种（图5-1）：1
2、. 热处理钢筋热处理钢筋是由特定强度的热轧钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后，钢筋强度能得到较大幅度提高，而塑性降低并不多。,图 5-1,2. 高强度钢丝预应力混凝土结构常用的高强钢丝按交货状态分为冷拉和矫直回火两种，按外形分为光面并经消除应力的高强度圆形钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝等。 3.钢绞线 预应力混凝土用钢绞线用冷拔钢丝制造而成，方法是在绞线机上以一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理即可。钢绞线规格有2股、3股、7股、19股等，常用的是3股、7股钢绞线。,混凝土强度等级不宜低于C40。 不能掺用对钢筋有侵蚀作用的氯盐、氯化钠等， 采
3、用机械方法进行张拉的先张法与后张法，预应力钢筋张拉和固定均需用夹具或锚具。 通常把永久锚固在构件钢筋端部的称作锚具，主要用于后张法；将用于临时夹持预应力筋，在浇筑混凝土达到强度后可以取下的称为夹具。有些锚具与夹具可以互换使用。,5.2 先张法,先张法是在浇筑混凝土前张拉预应力筋，然后浇筑混凝土，待混凝土养护达到不低于混凝土设计强度值的75，放松预应力筋，借助于混凝土与预应力筋的粘结，对混凝土施加预应力的施工工艺，如图5-2所示。,图 5-2,5.2.1 施工设备 1台座 （1）墩式台座。墩式台座是由传力墩、台面和横梁组成的（图5-3）。,图 5-3,（2）槽式台座。槽式台座由钢筋混凝土传力柱、
4、下横梁、台面和砖墙组成（图5-4）。传力柱是台座的主要承力结构，抵抗张拉和倾覆力矩能力大。砖墙起挡土作用，并作为蒸汽养护时的侧壁，与传力柱、台面共同组成养护坑槽。,图 5-4,2夹具 （1）锥形夹具。锥形夹具是用于预应力钢丝的锚具，由锥形孔套筒和刻齿锥形板（或销）组成。它又分为圆锥齿板式夹具和圆锥三槽式夹具（图5-5）。,图 5-5,（2）镦头锚具。它是利用预应力钢筋末端缴粗加以固定的，墩头卡在锚固垫板上。这种镦头锚具用于预应力筋的固定端。如图5-6所示。,图 5-6,（3）圆套筒三片式夹具。由圆锥孔形套筒和三个夹片组成（图5-7）。套筒和夹片均由45号钢制作。它是利用挤压摩擦阻力自锁固定的。
5、,图 5-7,3张拉机械 （1）YC20型穿心式千斤顶。该机由偏心式夹具。油缸和弹性顶压头三部分组成（图5-8）。其最大张拉力为200kN，张拉行程为200mm，可用来张拉1220mm直径的预应力钢筋。,图 5-8,（2）电动螺杆张拉机。电动螺杆张拉机由电动机、变速箱、测力装置、张拉螺杆、承力架和夹具组成（图5-9）。,图 5-9,5.2.2 施工工艺 1预应力钢筋的张拉 预应力筋的就位，在固定在台座横梁上时，钢筋的定位板必须安装准确，定位板的挠度不应大于lmm，横梁挠度不大于2mm，以免影响预应力筋的内力。预应力筋的张拉应按设计要求进行。 （1）张拉控制应力的确定。预应力筋的张拉控制应力，应
6、按设计规定数值选用。施工时为克服应力损失需要超张拉时，钢丝、钢绞线及热处理钢筋最大张拉应力为其抗拉强度的75。,（2）张拉程序的确定。 01.05con（持荷2分钟）con 或 01.03con,表5-1 张拉控制应力限值,（3）预应力筋的检查。应严格控制多根钢筋之间内应力的一致性，避免产生因内力大小不均而导致应力集中现象。 多根钢丝同时进行张拉完毕后，应抽查钢丝的内应力值，一根钢丝的预应力值的偏差，不得大于或小于按一个构件全部钢丝预应力总值的5，避免各钢丝受力的不均衡性。 预应力筋张拉后，对设计位置的偏差不得超过5mm，同时也不得大于构件截面最短边尺寸的4%。否则，将会影响设计的受力状况。
7、应合理确定截面内预应力筋的张拉顺序，原则上应尽量避免使台座承受过大的偏心压力，故宜先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋，防止台座产生弯曲变形。,2混凝土的浇筑 预应力混凝土构件的混凝土浇筑，应一次连续浇筑完成，不允许留设施工缝。 尽可能采用低水灰比，控制水泥用量，选用级配优良的骨料。 浇筑时应充分捣实，尤其要注意靠近端部混凝土的密实度。 这些都是为了减少混凝土在预加应力作用下的收缩和徐变值，从而减小应力损失。,3预应力筋的放张 放张时混凝土的强度不得低于设计强度标准值的75。具体放张时间要通过同条件养护的混凝土试块试压结果决定。 按照以下原则进行放张： 1）对于轴心受压构件，所有预应力筋应同时放
8、张，避免产生偏心受压现象； 2）对于偏心受压构件，应先同时放张预压力较小区域内的预应力筋，然后再同时放张压力较大区域内的预应力筋，否则，容易产生弯曲或裂缝。 3）如果按上述二原则放张有困难时，则应分阶段、对称、相互交错地进行放张，这样可以防止在放张过程中构件翘曲或裂缝。,对预应力筋配置较多的构件，不允许采用剪断或割断等方式突然放张，应采用千斤顶或在台座与横梁之间设置砂箱（图5-11）或楔块（图5-12）进行缓慢放张。,图 5-11,图 5-12,表5-1 张拉控制应力限值,5.3 后张法,5.3.1锚具和预应力筋制作 1.常用锚具 (1)螺纹端杆锚具。螺纹端杆锚具它由螺纹端杆、螺母和垫板组成，
9、如图5-13所示，是单根预应力粗钢筋张拉端常用的锚具。,图 5-13,(2)帮条锚具。帮条锚具（图5-14）由帮条和衬板组成。帮条筋采用与预应力筋同级钢筋，而衬板则可用普通低碳钢钢板，焊条应选用E5003。焊接帮条时，三根帮条与衬板相接触面应在同一垂直平面上，防止受力后产生扭曲。,图5-14,（3）钢质锥形锚具。钢质锥形锚具（图5-15）由锚塞和锚环组成。一般适用于锚固碳素钢丝束，可锚固1224根钢丝。锚塞和锚环均用45号钢制作。锚塞和锚环的锥度应严格保持一致，保证对钢丝的挤压力均匀，不致影响摩擦阻力。,图 5-15,（4）镦头锚具。镦头锚具由锚环、锚板和螺母组成（图5-16）。镦头锚具适用锚
10、固1224根碳素钢丝。,图 5-16,（5）锥形螺杆锚具。锥形螺杆锚具是由锥形螺杆、套筒、螺母和垫板组成（图5-17）。该锚具适用于1428根碳素钢丝的锚固。,图 5-17,（6）JM12型锚具。JM12锚具由锚环和夹片组成（图5-18）。多用于钢绞线束的锚固。JM12锚具有良好的锚固性能，预应力筋滑移量比较小，施工方便，但是加工量大且成本高。,图 5-18,（7）多孔夹片锚具。它也称群锚，由多孔的锚板与夹片组成（图5-19）。在每个锥形孔内装一副夹片，夹持一根钢绞线。这种锚具的优点是每束钢绞线的根数不受限制；任何一根钢绞线锚固失效，都不会引起整束锚固失效。,图 5-19,2预应力筋的制作 （
11、1）单根粗钢筋下料长度。 1）当预应力筋两端采用螺杆锚具（图5-20a）时，其成品全长L1（包括螺杆全长）为L1=l2l2 式中 l构件孔道长度；l2螺杆伸出构件外的长度，按下式计算张拉端 l22Hh5mm锚固端 l2Hh10mm式中 H、h螺母高度和垫板厚度。 预应力筋钢筋部分的成品长度L0为L0=L12l1 式中 l1螺杆长度。,预应力筋钢筋部分的下料长度为式中 l0每个对焊接头的压缩长度，根据 焊时所需要的闪光留量和顶锻留量而定；n对焊接头的数量。,图 5-20,2）当预应力筋一端用螺丝端杆，另一端用帮条（或镦头）锚具（图5-20b）时式中 l3镦头或帮条锚具长度（包括垫板厚度h）。,（
12、2）预应力钢丝束下料长度。 1）采用钢质锥形锚具，以锥锚式千斤顶张拉（图5-21）时，钢丝的下料长度L为式中 l4锚环厚度；l5千斤顶分丝头至卡盘外端距离。,图 5-21,2）采用镦头锚具，以拉杆式或穿心式千斤顶在构件上张拉（图5-22）时，钢丝的下料长度L为,图 5-22,3）采用锥形螺杆锚具，以拉杆式千斤顶在构件上张拉（图5-23）时，钢丝的下料长度L为L=l+2l2-2l1+2(l6+a) 式中 l6锥形螺杆锚具的套筒长度；a钢丝伸出套筒长度，取a=20mm。,图 5-23,（3）钢筋束或钢绞线束的下料长度。当采用夹片式锚具，以穿心式千斤顶在构件上张拉（图5-24）时，钢筋束钢绞线束的下
13、料长度L为,图 5-24,（4）下料。钢筋束、热处理钢筋和钢绞线是成盘状供应的，长度较长，不需对焊接长。其制作工序是：开盘、下料和编束。 矫直回火钢丝放开后是直的，可直接下料。 钢绞线在出厂前经过低温回火处理，因此在进场后无须预拉。 钢丝、钢绞线、热处理钢筋宜采用砂轮锯或切断机切断，不得采用电弧切割。,5.3.2 张拉机械 （1）拉杆式千斤顶。 拉杆式千斤顶由主缸、主缸活塞、副缸、副缸活塞、拉杆、连接器和传力架等组成（图5-25）。拉杆式千斤顶主要用于张拉螺纹端杆锚具的粗钢筋、带螺杆式锚具或镦头式锚具的钢丝束。,图 5-25,（2） YC60型穿心式千斤顶。YC60型穿心式千斤顶广泛地用于预应
14、力筋的张拉。它适用于张拉各种形式的预应力筋。它主要由张拉油缸、顶压油缸、顶压活塞和弹簧组成（图5-26）。,图 5-26,（3）锥锚式双作用千斤顶。锥锚式双作用千斤顶用于张拉锥形锚具锚固的预应力钢丝束。它是由主缸、主缸活塞、副缸、副缸活塞、顶压头、卡环和销片等主要部件所组成，其构造和张拉工作过程如图5-27所示。,图 5-27,5.3.3 施工工艺 1孔道的预留 （1）钢管抽芯法（录像）。在浇灌混凝土前，先将钢管敷设在模板内的孔道位置上并加以固定，钢管每隔1m用钢筋井字架子以固定。一般钢管的长度不超过15m，以便于钢管的转动和抽出，长度较大的构件可用两根钢管组合使用，中间用套管连接，混凝土浇筑
15、后，每隔一定时间转动一次钢管，防止其与混凝土粘结。待混凝土初凝以后，于终凝之前抽出钢管，形成稳定的孔道。选用的钢管应平直、表面光洁。,抽管的关键是抽管的时间： 时间与混凝土的性质、气温和养护条件有关。 常温下可在浇筑混凝土后36h即可抽管。 在同一构件截面上的钢管抽出顺序宜先上后下、先曲后直。抽管时要平稳、速度均匀和边转边抽。 严禁导致孔道边缘的混凝土松动。,（2）胶管抽芯法。注意事项： 1）使用前宜先在管内充入压强为0.60.8N/mm2的压缩空气或压力水，套管直径扩大约34mm。 2）每隔500mm用井字形钢筋支架将胶管固定在预应力筋的设计位置上。然后浇筑混凝土。 (录像） 3）待混凝土硬
16、化并具有一定的强度后，即可释放管内的压缩空气或压力水，胶管回缩后抽出比较容易。,（3）预埋波纹管法。对波纹管的基本要求：一是在外荷载的作用下，有抵抗变形的能力；二是在浇筑混凝土过程中，水泥浆不得渗入管内。 波纹管的安装，应根据预应力筋的曲线坐标在侧模或钢筋上划线，以波纹管底为准，波纹管的固定，可采用钢筋托架，间距为600mm。 在混凝土浇筑过程中，为了防止波纹管偶尔漏浆引起孔道堵塞，应采用通孔器通孔，通孔器由长6080mm的圆钢制成，其直径小于孔10mm，用尼龙绳牵引。（录像）,2预应力筋的张拉（录像） 后张法预应力筋的张拉应在构件混凝土达到设计要求的强度后进行。如果需要提前张拉时混凝土强度不
17、得低于设计强度标准值的75。对于块体拼装的混凝土构件，除应符合上述规定外，其拼接立缝混凝土或砂浆强度不应低于块体混凝土设计强度等级的40，并且不得低于15N/mm2。上述规定的目的是为防止因混凝土强度不足在张拉时引起裂缝，以及因较大的压缩变形引起过大的应力损失，以确保预应力混凝土构件的质量。,配有多根预应力筋的混凝土构件，需要分批并按一定顺序进行张拉，避免构件在张拉过程中承受过大的偏心压力，引起构件弯曲裂缝现象。通常是分批、分阶段、对称地进行张拉。在分批张拉时，要考虑后批张拉的钢筋对混凝土产生的弹性压缩，导致前批已张拉的钢筋内应力降低。因此，应设法补足前批钢筋的应力损失，或预先计算出预应力损失
18、值，加在首批（或前批）钢筋张拉控制应力内，以补足损失值。也可采用相同的张拉力值逐根复拉补足的办法。,曲线预应力筋或长度大于24m的直线预应力筋的张拉，要考虑钢筋与孔道壁之间的摩擦对张拉控制应力的影响，应在构件的两端进行张拉，尽量减小摩擦阻力影响。对于长度等于或小于24m的直线预应力筋，可在一端进行张拉，但张拉端宜交替设置在构件两端。 当两端同时张拉一根（束）预应力筋时，为了减少预应力损失，在最后锚固时，宜先锚固一端，另一端则需在补足张拉力后再锚固。,平卧重叠浇筑的预应力混凝土构件，预应力筋的张拉应自上而下逐层进行，以减少上层构件重压和粘结力对下层构件张拉影响。为了减少上下层构件之间因摩擦阻力引
19、起的应力损失，可自上而下逐层加大张拉力，但底层构件的张拉力不宜比顶层构件的张拉力大5并且不得超过超张值的限制值。 预应力筋锚固后的外露长度不宜小于15mm，并应采取可靠的防锈措施，严防锚固端钢筋和锚具的锈蚀，以保证结构的安全性。(录像）,3孔道灌浆 预应力筋张拉完毕后，应尽快进行孔道灌浆，以防止预应力筋的锈蚀，并能增强预应力筋与构件混凝土之间的粘结力，这样有利于预应力混凝土结构的抗裂性能和耐久性。因此，孔道灌浆应符合强度和密实度的要求。 灌浆采用纯水泥浆时，应选用强度等级不低于42.5级的普通硅酸盐水泥进行搅制。当预应力筋周围的空隙较大时，可在水泥浆中掺入适量的细砂，以改善灰浆的密实性并减少收
20、缩。灰浆或细砂浆的强度不低于M20，以保证预应力筋和混凝土的良好结合。,水泥浆的水灰比为0.40.45，搅拌后三小时泌水率宜控制在2，最大不得超过3。为了增加孔道灌筑密实度，水泥浆内可加入无腐蚀作用的外加剂或膨胀剂。灌浆时要做试块，当灰浆强度达到15N/mm2以上时才能移动构件，强度达到100设计强度时才允许吊装。以免损害灰浆与钢筋和孔壁的粘结。,5.4 无粘结预应力混凝土 无粘结预应力混凝土施工是将预先加工好的无粘结预应力筋和普通钢筋一样直接放置在模板内，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计强度后，进行张拉锚固的一种施工工艺。这种施工工艺与普通后张法施工的区别在于不需要在放置预应力筋的部位预留孔
21、道和穿筋，预应力筋张拉完毕后，也不需进行孔道灌浆。广泛应用于各种结构的梁与连接梁、双向连续平板和密肋板中。,1无粘结预应力筋的铺设 无粘结预应力施使用前，应逐根进行检查外包层的完好程度。对有轻微破损者，可包塑料带补好，对破损严重者应予以报废。铺设双向配筋的无粘结预应力筋，应先铺设标高较低的钢丝束，再铺设标高较高的钢丝束，以避免两个方向的钢丝束相互穿插。钢丝束的曲率，可用铁马凳（或其他构造设施）控制，铁马凳间隔不宜大于2m。钢丝束就位后，标高及水平位置经调整、检查无误后，用铅丝与非预应力钢筋绑扎牢固，防止钢丝束在浇筑混凝土施工过程中位移。,2无粘结预应力筋的张拉 无粘结预应力筋的张拉与后张法有粘
22、结预应力钢丝束张拉相似。张拉程序一般采用0103con。由于无粘结预应力筋一般为曲线配筋，故应采用两端同时张拉。无粘结预应力筋的张拉顺序，应根据其铺设顺序，先铺设的先张拉，后铺设的后张拉。 无粘结筋张拉过程中，当有个别钢丝发生滑脱或断裂时，可相应降低张拉力。但滑脱或断裂的根数，不应超过结构同一截面钢丝总根数的2。对于多跨双向连续板，其同一截面应按每跨计算。,3锚头处理 锚头端部处理方法取决于无粘结筋与锚具种类。 在无粘结预应力筋采用钢丝束镦头锚具时，其张拉端头处理如图5-28a所示。,图 5-28,某工程预应力筋采用低松弛预应力钢绞线s15，直15.24mm，由七根钢丝拧成，预应力锚具采用BS锚具。,预应力筋的板内张拉端,楼板钢筋中预埋的预应力钢筋板边张拉端,
