第5章预应力混凝土工程

第五章预应力混凝土工程本章主要内容☆概述☆先张法施工☆后张法施工☆无粘结预应力混凝土结构施工学习要求：了解预应力混凝土的概念和特点；熟悉超张拉工艺；掌握预应力混凝土与普通混凝土的区别。第一节概述一、预应力混凝土的基本概念1．什么叫预应力预应力是预加应力的简称，人们对预加应力原理的应用由来已久，在日常生活中稍加注意是不难找到一些熟悉例子。如用竹箍的木桶、木锯、搬运书籍等。工程中预应力混凝土应用范围更广。图5-1预应力原理在木桶上的应用图5-2预应力原理在木锯上的应用图5-3搬运书籍（块体拼装式预应力梁示意图）2.混凝土为什么要预加应力混凝土是抗压强度高而抗拉强度低。抗拉强度不仅很低，只有抗压强度的1/10~1/15，而且很不可靠。它的抗拉变形能力也很小，如同玻璃一样是脆性的，破坏前没有明显预兆。因此素混凝土只能用于柱墩、重力式挡土墙、地坪、路面等以受压为主的场合，而不能用梁、板等受弯结构。为弥补混凝土抗拉强度太低的缺点，人们首先想到的是对混凝土预期出现拉应力的部位用钢筋来加强，即用钢筋来代替混凝土承担拉力。这种用混凝土受压、用钢筋受拉的钢筋混凝土用途很广、优点很多，但也存在着一个难以克服的本质上的缺陷—开裂。所有钢筋混凝土受弯、受拉构件，不管配筋少还是配筋多，在使用状态下几乎无不开裂，以致影响它的应用范围与发展前途。3.什么叫预应力混凝土“预应力混凝土是根据需要，人为地引入某一数值与分布的内应力，用以部分或全部抵消外荷载应力的一种加筋混凝土”。实际上预应力筋对结构所起的作用，既可以理解为产生与使用荷载应力方向相反的预加应力，也可以理解为产生与使用荷载方向相反的预加反向荷载或反向力。如果我们从荷载的概念出发，预应力混凝土可以定义为：“预应力混凝土是根据需要，人为地引入某一数值的反向荷载，用以部分或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土”。图示预应力混凝土（以梁为例）普通梁的受力简图素混凝土梁受力开裂普通钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁受拉区配置钢筋，但还会产生裂缝配置预应力筋，施加预压应力二、预应力混凝土的种类预应力混凝土按预应力的大小分为：全预应力砼和部分预应力砼；按施加方式分为：先张法预应力砼和后张法预应力砼；按预应力筋粘结状态分为：有粘结预应力砼和无粘结预应力砼；按施工方法分为：预制预应力砼和现浇预应力砼等。三、预应力混凝土的材料预应力混凝土抗裂性的高低，取决于钢筋的预拉应力值。钢筋预拉力愈高，混凝土预压力愈大，构件的抗裂性就愈好。要建立较高的预应力，就必须具有高强度的钢筋和高强度混凝土。所以，高强材料的提供，促使产生预应力混凝土，预应力混凝土的发展又对材料提出更高的要求。1.对钢材的要求1.高强度。钢材强度越高，损失率越小，经济效果也越高，因此当具备条件时，应尽量采用强度高的钢材作预应力筋。2.具有一定的塑性。就是要求钢筋切断时具有一定的延伸率，当构件处于低温荷载下，更应注意塑性要求，否则可能发生脆性破坏。3.与混凝土有较好的粘结度。先张法构件（后张自锚构件在使用时）的预应力是靠钢筋和混凝土的粘结力来完成的。因此钢筋和混凝土的粘结度必须足够。4.有良好的加工性能。国内预应力混凝土结构常用的钢材目前国内预应力混凝土结构常用的钢材可分为两类：钢丝和钢筋。钢筋可用冷拉Ⅱ、Ⅲ级热轧钢筋或热处理钢筋，钢丝可用高强碳素钢丝或冷拔低碳钢丝制成的钢绞线。2.对混凝土的要求1.高强度。因为只有高强混凝土充分利用高强钢材，共同承受外力，从而可以减小构件的截面尺寸，减轻构件自重并节约原材料用量。2.收缩、徐变小，弹性模量高，有利于减少预应力损失。混凝土强度高了，抗拉、抗剪、粘结强度也都高，从而提高抗裂能力。3.尽可能做到快硬、早强。因为只有快硬，早强才能尽早施加预应力，加快施工进度，提高台座或锚具的使用率。当前国内预应力钢筋构件中所用混凝土的强度等级常为C40~C50，个别达到C60~C80，一般不低于C30。四、预应力混凝土与钢筋混凝土的比较预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，具有如下优点：1．提高了混凝土的抗裂度和刚度。2．增加构件的耐久性。3．节约材料。4．减轻构件自重。5．扩大了高、大、重型结构的预制装配化程度。6．抗疲劳性能优于钢筋混凝土。预应力混凝土存在的问题与不足尽管预应力混凝土有上述优点，但也带来了另一方面的问题，就是制作构件时增加了张拉工序、灌浆机具以及锚固装置等专用设备，同时制作技术也比钢筋混凝土复杂得多，相应的费用也较高。所以跨度较小的梁和板，不承受拉力的拱与柱子等就不适宜采用预应力结构。因此，不是在任何场合都可以用预应力混凝土来代替普通钢筋混凝土的，而是两者各有合理应用范围。第二节先张法施工先张法是在浇筑混凝土之前，在台座或模板上先张拉预应力钢筋，用夹具临时固定，然后浇筑混凝土。待混凝土达到规定强度（一般不低于混凝土设计强度标准值的75%），保证预应力筋与混凝土有足够的粘结力时，放张或切断预应力筋，借助于混凝土与预应力筋之间的粘结，对混凝土产生预压应力，如图5-8所示。图5-8先张法生产示意图先张法施工工艺流程先张法采用台座法生产时，预应力筋的张拉、锚固，混凝土构件的浇筑、养护和预应力筋放张等工序皆在台座上进行，预应力筋的张拉力由台座承受。先张法适用于生产定型的中小型构件，如空心板、屋面板、吊车梁、檩条等，需要在固定的预制厂生产。图5-9先张法施工工艺流程图一、先张法施工设备（一）台座台座是先张法生产的主要设备之一，它承受预应力筋的全部张拉力。因此，台座应具有足够的强度、刚度和稳定性。台座构造型式有墩式台座、槽式台座等。选用时根据构件种类、张拉力的大小和施工条件而定。1.墩式台座生产空心板、平板等平面布筋的混凝土构件时，由于张拉力不大，可利用简易墩式台座。如图5-10所示。生产中型构件或多层叠浇构件，如图5-11所示的墩式台座，台座局部加厚，以承受部分张拉力。台座的长度和宽度由场地大小、构件类型和产量而定，一般长度为100~150m，宽度为2m。在台座的端部应留出张拉操作用地和通道，两侧要有构件运输和堆放的场地。墩式台座是由承力台墩、台面、横梁组成。目前常用的是用现浇钢筋混凝土制成的、由承力台墩与台面共同受力的台座。墩式台座示意图2.槽式台座槽式台座由端柱、传力柱、柱垫、横梁和台面等组成，既可承受张拉力，又可作蒸汽养护槽，适用于张拉力较大的大型构件，如吊车梁、屋架等。槽式台座构造，如图5-13所示。（二）夹具先张法中采用的夹具按其用途不同可分为将预应力筋固定在台座上的锚固夹具和张拉时夹持预应力筋用的张拉夹具。1．钢丝锚固夹具（1）钢质锥形夹具。钢质锥形夹具是常用的单根钢丝夹具，适用于锚固直径3～5mm的冷拔低碳钢丝和碳素（刻痕）钢丝。它由套筒和销子组成，如图5-14所示。套筒为圆柱形，中间开圆锥形孔。（2）镦头夹具。如图5—15所示。将钢丝端部冷镦或热镦形成粗头，通过承力板或梳筋板锚固。镦头夹具用于预应力钢丝固定端的锚固。钢丝锚固夹具2.钢筋锚固夹具圆套筒三片式夹具是由夹片与套筒组成，如图5—16所示。套筒的内孔成圆锥形，三个夹片互成120°，钢筋平持在三夹片中心，夹片内槽上有齿纹，以保证钢筋的锚固。这种夹具适用于夹持直径为12mm、14mm的单根冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋。3.张拉夹具常用的张拉夹具有月牙形夹具、偏心式夹具和楔形夹具等，如图5-17所示。单根粗钢筋之间的连接或粗钢筋与螺杆的连接可采用钢筋连接器，如图5-18所示，是套筒双拼式连接器。套筒双拼式钢筋连接器4．夹具的要求应具有良好的自锚与松锚性能。（三）张拉设备张拉设备要求简易可靠，控制应力准确，能以稳定的速率增大拉力。近年来由于预应力混凝土施工工艺的完善，创造了多种简易机具，如手动螺杆张拉器、电动螺杆张拉机、卷杨机（包括电动和手动）和液压千斤顶等张拉机具。在测力方面有弹簧测力计、杠杆测力器、荷重控制及油压表等不同方法。钢丝张拉分单根张拉和多根张拉。用钢模以机组流水法或传送带法生产构件多用多根张拉，此时钢丝以镦头锚固在锚固板上，用油压千斤顶进行张拉；在台座上生产构件多为单根进行张拉，可采用电动卷扬机、电动螺杆张拉机等进行张拉。1.卷扬机张拉、杠杆测力的张拉装置张拉机由电动卷扬机、杠杆测力装置及张拉夹具等组成，装在窄轨小车上，如图5-19示。使用时根据钢丝的拉力，先挂好砝码，用张拉夹具夹紧钢丝后，开动卷扬机，即可张拉。2．电动螺杆张拉机由螺杆、顶杆、张拉夹具、弹簧测力计等组成，如图5-20所示。使用时，先用张拉夹具夹紧钢丝，然后开动电动机，通过皮带、齿轮，使齿轮和螺母（外有齿、内有螺纹）转动，由于齿轮螺母只能旋转，不能移动，故迫使螺杆作直线运动而张拉钢丝。3.穿心式千斤顶张拉直径12~20mm的单根钢筋、钢绞线或小型钢丝束，可用YC－20型穿心式千斤顶，如图5-21所示。张拉时，前油嘴回油、后油嘴进油，被偏心夹具夹紧的钢筋随着液压缸的伸出而被拉伸。张拉机具选择的要求选择张拉机具时，为了保证设备、人身安全和张拉力准确，张拉机具的张拉力应不小于预应力筋张拉力的1.5倍；张拉机具的张拉行程应不小于预应力筋张拉伸长值的1.1~1.3倍。二、先张法施工工艺（一）预应力筋的铺设预应力钢丝宜用牵引车铺设。如遇钢丝需要接长，可借助于钢丝拼接器用20~22号铁丝密排绑扎，如图5-22所示。绑扎长度；对冷拔低碳钢丝不得小于40倍钢丝直径；对高强刻痕钢丝不得小于80倍钢丝直径。（二）预应力筋的张拉张拉控制应力的数值直接影响预应力的效果，控制应力越高，建立的预应力值则越大。但控制应力过高，预应力筋处于高应力状态，使构件出现裂缝时的荷载与破坏荷载接近，破坏前无明显的预兆，这是不允许的。因此预应力筋的张拉控制应力（σcon）应符合设计规定；为了部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力筋与张拉台座之间的温差因素产生的预应力损失，施工中预应力筋需超张拉时，可比设计要求提高5%，但其最大张拉控制应力不得超过表5-1的规定。表5-1最大张拉控制应力允许值预应力筋的松弛与滑丝所谓“松弛”，即钢材在常温、高应力状态下具有不断产生塑性变形的特点。松弛的数值与控制应力和延续时间有关，控制应力高松弛也大，所以钢丝、钢绞线的松弛损失比冷拉热轧钢筋大；松弛损失还随着时间的延续而增加，但在第一分钟内可完成损失总值的50%左右，24h内则可完成80%。上述张拉程序，如先超张拉5%σcon再持荷2min，则可减少50%以上的松弛损失。超张拉3%σcon，亦是为了弥补预应力钢筋的松弛等原因所造成的预应力损失。多根钢丝同时张拉时，断裂和滑脱的钢丝数量，不得超过结构同一截面钢材总根数的5%，且严禁相临两根预应力钢丝断裂和滑脱。构件在浇筑混凝土前发生断裂或滑脱的预应力钢丝必须予以更换。（三）混凝土的浇筑与养护确定预应力混凝土的配合比时，应尽量减少混凝土的收缩和徐变，以减少预应力损失。预应力筋张拉、绑扎和立模工作完成之后，即应浇筑混凝土，每条生产线应一次浇筑完毕。为保证钢丝与混凝土有良好的粘结，浇筑时振动器不应碰撞钢丝，混凝土未达到一定强度前也不允许碰撞或踩动钢丝。预应力混凝土可采用自然养护或湿热养护。当预应力混凝土进行湿热养护时，应采取正确养护制度以减少由于温差引起的预应力损失。（四）预应力筋放张放张预应力筋时，混凝土强度必须符合设计要求。如设计无要求时，不得低于设计混凝土强度标准值的75%。放张过早会由于预应力筋回缩而引起较大的预应力损失。1.放张方法配筋不多的中小型钢弦混凝土构件，钢丝可用砂轮锯或切断机切断等方法放张。配筋多的钢弦混凝土构件，钢丝应同时放张，如逐根放张，则最后几根钢丝将由于承受过大的拉力而突然断裂，易使构件端部开裂。放张后预应力筋的切断顺序，一般由放张端开始，逐次切向另一端。预应力筋为热处理钢筋及冷拉Ⅳ级钢筋，不得用电弧切割，宜用砂轮锯或切断机切断。数量较多时，应同时放张，可用油压千斤顶、砂箱、楔块等装置。2.放张顺序对承受轴心预压力的构件（压杆