第7章预应力工程

第7章预应力工程定义预应力混凝土——在外荷载作用前，预先建立起有内应力的混凝土，其内应力的大小与分布应能抵消或减少给定外荷载所产生的应力。（注：混凝土中的预应力一般通过张拉预应力筋来实现。）预应力钢结构——在设计、制造、安装、施工期间和使用过程中，采用人为方法引入预应力以提高结构承载力、刚度、稳定性的各类钢结构。预应力混凝土分类按预应力度大小——全预应力混凝土和部分预应力混凝土。按施加预应力方式——先张法、后张法和自应力。按预应力筋粘结状态——有粘结、无粘结和缓粘结。按施工方法——预制、现浇和叠合。优点利用高强钢材和混凝土，提高抗裂度和刚度，减少构件截面，节省材料，耐久性好，适用于大跨度结构等。内容包含：预应力钢材、锚（夹）具、张拉设备、预应力施工工艺等。油泵千斤顶油压表预应力筋预应力混凝土构件2）锚（夹）具预应力筋用锚具——预应力结构或构件中为保持预应力筋的拉力并将其传递到结构或构件上所用的永久性锚固装置。预应力筋用夹具——预应力结构或构件施工时为保持预应力筋拉力并将其固定在张拉台座（设备）上的临时锚固装置。按锚固原理分类：支承式——螺母锚具，镦头锚具；楔紧式——锥销锚具，夹片式锚具等。基本要求：可靠的锚固能力，并不超过预期的滑移值；构造简单、加工方便、体形小、价格低、全部零件互换性好；夹具和工具锚应具有多次重复使用的性能。7.1预应力钢材和锚（夹）具1）预应力筋预应力筋是使结构或构件产生预压应力的受力材料。钢筋——精轧螺纹钢筋；钢丝——高强低合金钢丝、碳素钢丝;钢绞线要求：高强、低松弛、耐腐蚀。精轧螺纹钢筋外形为无纵肋而横肋不相连的螺扣，螺母与连接器的内螺纹应与之匹配，防止钢筋从中拉脱。螺母分为平面和锥形两种。锥形螺母可通过锥体与锥孔的配合，保证预应力筋的正确对中；开缝的作用是增强螺母对预应力筋的夹持作用。螺母材料采用45号钢，调质热处理。垫板也相应分为平面垫板和锥形垫板。7.1.1精轧螺纹钢筋体系包括：精轧螺纹钢筋、锚具（螺母）和连接器。精轧螺纹钢筋锚具与连接器图(a)精轧螺纹钢筋外形；(b)连接器；(c)锥形螺母与垫板精轧螺纹钢筋体系螺母精轧螺纹钢筋1）碳素钢丝碳素钢丝又称高强钢丝，采用优质高碳钢盘条制成。主要品种有：矫直回火钢丝和低松弛钢丝。常用直径为5mm，最大达7mm。5mm钢丝的力学性能指标为：抗拉强度常为1670、1770和1860N/mm2；伸长率不小于4%；反复弯曲次数不小于4次。其比例极限不小于抗拉强度的75%，屈服强度不小于抗拉强度的85%。低松弛钢丝是冷拉钢丝在张力状态下（抗拉强度的30%～50%）经回火处理而成。在先张法预应力混凝土构件中，为了增强钢丝与混凝土的握裹力，高强度钢丝的表面加工成螺旋肋。7.1.3钢丝体系钢丝的锚（夹）具：单根锥销夹具、钢质锥形锚具和镦头锚具。2）单根锥销夹具——用于先张法预应力混凝土单根锥销夹具由套筒与锥销组成。套筒采用45号钢，调质热处理。适用于夹持直径为3～5mm的各类钢丝。单根锥销夹具图1一定位板；2一套筒；3一锥销；4一钢丝3）钢质锥形锚具由锚环和锚塞组成。锚环和锚塞采用45号钢，调质热处理，锚塞表面有细齿。钢质锥形锚具图(a)组装图；(b)锚环；(c)锚塞1一锚环；2一锚塞；3一钢丝束为防止钢丝在锚具内卡伤或卡断，锚环两端出口处必须有倒角，锚塞小头还应有5mm无齿段。适用于锚固12～24φ5钢丝束。使用时应保证锚环孔中心、预留孔道中心和千斤顶轴线三者同心，以防压伤钢丝或断丝。锚塞的预压力宜为张拉力的50％～60％。自锁和自锚•自锁——就是使锚塞在顶压后不致弹回脱出。自锁条件：Nsinαμ1Ncosα，即tgα≤μ1。钢质锥形锚具受力分析图(a)锚具自锁；(b)锚具自锚P一钢丝拉力；N一正压力；α一锥角；μ1一锚塞与钢丝间的摩擦系数；μ2一钢丝与锚环间的摩擦系数•自锚——就是使钢丝在拉力作用下带着锚塞楔紧而又不发生滑移。1221221maxtgNtgNNNPFK注：当α、μ2值减小，μ1值越大时，则K值越大，自锚性能越好。但α值也不宜过小，否则锚环承受的环向张力过大，易导致锚具失效。自锚条件：4）镦头锚具镦头锚具利用钢丝两端的镦粗头来锚固预应力钢丝。钢丝束镦头锚具图(a)张拉端锚环与螺母；(b)固定端锚板1一螺母；2一锚杯；3一锚板；4一排气孔；5一钢丝常用镦头锚具：锚杯与螺母(张拉端用)、锚板(固定端用)。加工简单，锚具材料采用45号钢，张拉方便，锚固可靠，成本较低，但对钢丝束的等长要求较严。调质热处理。钢丝镦头，可采用液压冷镦器。镦头要求：镦头尺寸要足，头型圆整，不偏歪，颈部母材不受损伤，钢丝的镦头强度不得低于钢丝强度标准值的98％。钢丝镦头图(a)液压冷镦器；(b)头型1一冷镦器；2一钢丝；3一镦头LD-10（20）型镦头器预应力钢绞线图(a)1×7钢绞线；(b)1×2钢绞线；(c)l×3钢绞线；d一钢绞线公称直径1）钢绞线钢绞线是用多根冷拔钢丝在绞线机上成螺旋形绞合，并经回火处理而成，捻距为钢绞线公称直径的12～16倍。按构造不同分为：1×7、1×3与l×2钢绞线。按直径不同分为：12.7mm、15.2mm和15.7mm。1×3与1×2钢绞线仅用于先张法预应力混凝土构件。1×7钢绞线是由6根外层钢丝围绕一根中心钢丝(直径加大2.5％)绞成。1×7φS15.2钢绞线的截面积为140mm2，线重1.101kg/m。常用钢绞线抗拉强度级别为1860MPa。7.1.4钢绞线体系钢绞线锚（夹）具：单孔夹片锚(夹)具、多孔夹片锚具和挤压锚具。2）单孔夹片锚(夹)具单孔夹片式锚具图(a)组装图；(b)三夹片；(c)二夹片1一钢绞线；2一锚环；3一夹片；4一弹性槽由锚环和夹片组成。锚环的锥角约为7°，45号钢，调质热处理。夹片有三片式与二片式两种。三片式夹片按120°铣分，二片式夹片的背面上有一条弹性槽，以提高锚固性能。主要用于无粘结预应力混凝土结构（后张法），也可用作先张法钢绞线夹具。夹片式锚具应具有连续反复张拉的功能，利用行程不大的千斤顶经倒缸后可张拉任意长度的预应力筋。夹片式锚具用于先张法夹具时，应在夹片与锚环之间垫塑料薄膜或涂石墨、石腊等，张拉后容易松开锚具重复使用。3）多孔夹片锚具多孔夹片锚具也称群锚，由多孔的锚板与夹片组成。在每个锥形孔内装一副夹片，夹持一根钢绞线。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。锚板的材料及锥形孔与单孔夹片锚具的锚环相同，且夹片通用。对于多孔夹片锚具，如采用大吨位千斤顶整束张拉有困难的情况下，也可采用小吨位千斤顶逐根张拉锚固。7孔夹片锚具图4）挤压锚挤压锚具是用液压挤压机将套筒挤紧在钢绞线端头上的一种锚具。(a)挤压锚具；(b)成型工艺1一挤压套筒；2一垫板；3一螺旋筋；4一钢绞线;5一硬钢丝衬圈；6一挤压机机架；7一活塞杆；8一挤压模套筒采用45号钢（调质），套筒内衬有硬钢丝螺旋圈。挤压锚具组装时，挤压机的活塞杆推动套筒通过喇叭形挤压模，使套筒变细，硬钢丝衬圈碎断，一半嵌入外钢套，一半压入钢绞线，从而增加钢套简与钢绞线之间的摩阻力，形成挤压头。挤压后预应力筋外端应露出挤压套筒1～5mm。宜用于内埋式固定端。5）扁锚扁锚张拉端部组装件扁锚锚板、夹片7.1.5预应力筋一锚具组装件的锚固性能检验1）锚固性能要求静载锚固性能——锚具效率系数ηa和总应变εapu。εapu≥2％式中：Fapu——预应力筋—锚具组装件的实测极限拉力；fptm——试验用预应力钢材的极限抗拉强度平均值；Ap——预应力筋—锚具组装件中各根预应力钢材总截面面积；ηp——预应力筋的效率系数，预应力筋-锚具组装件中钢绞线为1～5根时，预应力筋的效率系数，ηp=1；6～12根时，ηp=0.99；13～19根时，ηp=0.98；20根以上时，ηp=0.97。疲劳性能——须满足循环次数为200万次的疲劳性能试验；抗震结构中，还应满足循环次数为50次的低周荷载试验。95.0pmpapnaFF2）锚固性能试验试件应由锚具的全部零件和预应力钢材组成，锚具各零件应合格。组装时不得在锚固零件上添加影响锚固性能的物质。1－张拉端试验锚具或夹具；2－加载用千斤顶；3－承力台座；4－预应力筋；5－测量总应变的量具；6－荷载传感器；7－固定端试验锚具或夹具各根预应力钢材应等长平行，其受力长度不应小于3m。试验工作应在无粘结状态下将试件置于专门的试验台上进行。试验时先用张拉设备分四级（每级20％）等速(每分钟约100MPa)张拉至预应力钢材强度标准值的80％，锚固持荷1h后，再用试验设备逐步加载至破坏。对支承式锚具，也可先安装锚具，直接用试验设备加载。试验过程中应观察和测量：预应力钢材与锚具之间以及锚具各零件之间的相对位移；预应力筋破坏时的伸长和荷载以及破坏部位和形态等。全部（一组为3束）试验结果均应做出记录，并据此计算锚具的效率系数ηa和预应力筋极限应变εapu。7.2预应力张拉设备张拉设备：电动张拉机——先张法单根钢丝张拉液压张拉机——先张法和后张法各类预应力筋张拉重点7.2.1电动张拉机按传动方式可分为：电动螺杆张拉机和电动卷筒张拉机。电动螺杆张拉机图1一电动机；2一皮带；3一齿轮；4一齿轮螺母；5一螺杆；6一顶杆；7一台座横梁；8一钢丝；9一锚固夹具；10一张拉夹具；11一弹簧测力计；12一滑动架7.2.2液压张拉机液压张拉机包括：液压千斤顶、油泵与压力表等。液压千斤顶常用的有：穿心式和锥锚式千斤顶二类。（注：选用千斤顶型号与吨位时，应根据预应力筋的张拉力和所用的锚具形式确定。）YC--60型千斤顶构造图1一大缸缸体；2一穿心套；3一顶压活塞；4一护套；5一回程弹簧；6一连接套；7一顶压套；8一撑套；9一堵头；10一密封圈；11一二缸缸体；12一油嘴；13一撑脚；14一拉杆；15一连接套1）双作用穿心式千斤顶双作用：张拉和顶压。由张拉油缸、顶压油缸(即张拉活塞)、顶压活塞回程弹簧等组成，常用型号YC一60，公称张拉力为600kN，张拉行程为150mm，顶压力为300kN，顶压行程为50mm。适用于张拉带夹片锚具的钢筋束或钢绞线束；配上撑脚、拉杆等也可作为拉杆式千斤顶使用。2）锥锚式千斤顶三作用千斤顶：张拉、顶压与退楔。由主缸、副缸、退楔块、锥形卡环、退楔翼片、楔块等组成。常用型号为YZ一85，公称张拉力为850kN，张拉行程为250mm，顶压行程为60mm，顶压力为415kN，额定油压为51.5MPa。专门用于张拉带锥形锚具的钢丝束。YZ--85型千斤顶构造简图1一主缸；2一副缸；3一楔块；4一锥形卡环；5一退楔翼片；6一钢丝；7一锥形锚头YCQ型千斤顶构造简图1一工具锚；2一千斤顶活塞；3一千斤顶缸体；4一限位板；5一工作锚；6一钢绞线3）大孔径穿心式千斤顶——群锚千斤顶具有大孔径的单液缸千斤顶。千斤顶的前端安装顶压器(液压、弹簧)或限位板，尾部安装工具锚。•位限板——在钢绞线束张拉过程中限制工作锚夹片的外露长度，以保证在锚固时夹片内缩一致，并不大于预期值。•工具锚——专用的，锚固后退夹片方便。张拉力大(1000～10000kN)、构造简单、不顶锚、操作方便，但要求锚具有良好的自锚性能。广泛用于张拉大吨位钢绞线束。工具锚千斤顶工具锚工作锚钢绞线工具锚工作锚4）前卡式千斤顶前置内卡式千斤顶是一种小型千斤顶，由外缸、内缸、活塞、前后端盖、顶压器、工具锚组成。张拉力为180～250kN，张拉行程为160mm，预应力筋的外露长度短(250mm)。适用于张拉单根钢绞线和7φ5钢丝束。前置内卡式千斤顶构造简图A一进油；B--回油1一工具锚；2一外缸；4一活塞；5一拉杆7.2.3液压千斤顶标定由于活塞与油缸之间存在摩擦力，使得实际张拉力比理论计算（千斤顶油缸活塞面积×油压）的张拉力要小。标定—