预应力混凝土工程

第五章预应力混凝土工程概述一、主要内容：(1)先张法施工工艺，机具设备和施工方法；(2)后张法的施工工艺，机具设备和施工方法；(3)电热张法、无粘结预应力混凝土施工原理、特点及应用。二、学习要求：·了解预应力混凝土的概念，及其在工程应用中的优点；·熟悉预应力混凝土的材料品种、规格及要求；·熟悉先张法、后张法的施工工艺；·掌握先张法预应力筋的控制应力、张拉程序和放张顺序的确定和注意事项；·掌握后张法孔道留设、锚具选择、预应力筋的张拉顺序、孔道灌浆等施工方法及注意要点；·了解电热张法、无粘结预应力混凝土施工原理及应用；·熟悉预应力混凝土质量保证措施及安全技术。三、学习重点、难点：预应力混凝土工程的先张法、后张法的施工工艺，机具设备和施工方法。电热张法、无粘结预应力混凝土施工原理、特点及应用。四、学习方法：在理论教学同时，结合图形、图片等形式体会和理解预应力混凝土先张法和后张法的施工工艺，从而掌握：（1）先张法、预应力筋的控制应力、张拉程序和放张顺序的确定和注意事项；（2）后张法孔道留设、锚具选择、预应力筋的张拉顺序、孔道灌浆等施工方法及注意要点。五、预应力混凝土的概念这种利用钢筋对受拉区混凝土施加预压应力的钢筋混凝土，叫做预应力混凝土。（1）预应力混凝土能充分发挥高强度钢材的作用，即在外荷载作用于构件之前，利用钢筋张拉后的弹性回缩，对构件受拉区的混凝土预先施加压力，产生预压应力，使混凝土结构在作用状态下充分发挥钢筋抗拉强度高和混凝土抗压能力强的特点，可以提高构件的承载能力。（2）当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先抵消预应力，然后随着荷载不断增加，受拉区混凝土才受拉开裂，从而延迟了构件裂缝的出现和限制了裂缝的开展，提高了构件的抗裂度和刚度。六、预应力混凝土的产生由于混凝土抗拉性能很差，使钢筋混凝土存在两个不能解决的问题：一、是需要带裂缝工作，裂缝的存在，不仅使构件刚度下降很多，而且不能应用于不允许开裂的结构中；二、是从保证结构耐久性出发，必须限制裂缝开展宽度，这使高强度钢筋无法在钢筋混凝土结构中充分发挥其作用，相应地也不可能充分发挥高标高混凝土的作用。这样，当荷载增加时，只有靠钢筋混凝土构件中的截面尺寸或增加钢筋用量方法来控制构件的裂缝和变形了。这样做既不经济又必然使构件自重增加。采用预应力混凝土是解决这一矛盾的有效办法。七、预应力混凝土的基本原理事先人为地在混凝土或钢筋混凝土中引入内部应力，且其值和分布，能将使用荷载产生的应力抵消到一个合适的程度的混凝土。这就是说，它是预先对混凝土或构件施工加压应力，使之建立一种人为的应力状态，这种应力的大小和分布规律，能有利抵消使用荷载作用下产生的拉应力。因而使构件在使用荷载作用下不致开裂，或推迟开裂，或者减小裂缝开展的宽度，以提高构件抗裂度及刚度。。八、预应力混凝土的发展1、19世纪末提出但早期的试验并不成功，主要是因为对混凝土收缩与徐变的影响认识不清，预应力筋没有采用高强钢筋，因为只有高强钢筋才有足够的应变能力来抵抗混凝土的非弹性缩短。2、直到1925年高强钢筋用于预应力结构由法国学者弗来西奈将高强钢材引入预应力混凝土结构，并且建成了一些重要的预应力结构，预应力的愿望才得以实现。3、我国从1956年推广应用预应力混凝土现在无论在数量以及结构类型方面均得到迅速发展。九、预应力混凝土的分类1、按预加应力的方法分：先张法、后张法。2、按张拉方法分：机械张拉(液压或电动螺杆)、电热张拉。3、按预应力筋粘结状态分：有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。第一节先张法先张法是在浇筑混凝土之前，先张拉预应力钢筋，并将预应力筋临时固定在台座或钢模上，待混凝土达到一定强度(一般不低于混凝土设计强度标准值的75%)，混凝土与预应力筋具有一定的粘结力时，放松预应力筋，使混凝土在预应力的反弹力作用下，使构件受拉区的混凝土承受预压应力。工艺过程：张拉固定钢筋→浇混凝土→养护(至75%强度)→放张钢筋适用于：构件厂生产中、小型构件(楼板、屋面板、吊车梁、薄腹梁……)先张法施工工艺如图5-1所示。图5-1先张法施工工艺二、先张法的施工设备(一)台座1、要求：有足够的强度、刚度和稳定性；满足生产工艺的要求。2、形式：①墩式(传力墩、台面、横梁)长度100～150m，适于中、小型构件。墩式台座的几种形式如图5-2所示。②槽式(传力柱、上下横梁、砖墙)–长45～76m，适于双向预应力构件,易于蒸汽养护。槽式台座如图5-3所示。图5-2墩式台座的几种形式槽式台座图5-3图5-4(１)钢质锥形夹具二、先张法的施工设备(二)夹具：夹具是先张法构件施工时保持预应力筋拉力，并将其固定在张拉台座(或设备)上的临时性锚固装置。按其工作用途不同分为锚固夹具和张拉夹具。1、钢丝锚固夹具：如图5-4(1)所示锥形夹具锥形夹具可分为圆锥齿板式夹具和圆锥槽式夹具，如图5-4(2)所示。镦头夹具:如图5-5所示，采用镦头夹具时，将预应力筋端部热镦或冷镦，通过承力分孔板锚固。2、钢筋锚固夹具·钢筋锚固常用圆套筒三片式夹具，由套筒和夹片组成(图5-6)。·其型号有YJ12、YJ14，适用于先张法；用YC-18型千斤顶张拉时，适用于锚固直径为12mm、14mm的单根冷拉HRB335、HRB400、RRB400级钢筋。3、张拉夹具张拉夹具是夹持住预应力筋后，与张拉机械连接起来进行预应力筋张拉的机具。常用的张拉夹具有月牙形夹具、偏心式夹具、楔形夹具等，如图5-7所示，适用于张拉钢丝和直径16mm以下的钢筋。二、先张法的施工设备(三)张拉设备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不小于预应力筋伸长值的1.1～1.3倍。1、钢丝张拉设备·钢丝张拉分单根张拉和成组张拉。·用钢模以机组流水法或传送带法生产构件时，常采用成组钢丝张拉。·在台座上生产构件一般采用单根钢丝张拉，可采用电动卷扬机、电动螺杆张拉机进行张拉。①电动卷扬机张拉、杠杆测力装置如图5-8所示。②电动螺杆张拉机如图5-9所示，电动螺杆张拉机由螺杆、顶杆、张拉夹具、弹簧测力器及电动机组成。2、钢筋张拉设备穿心式千斤顶用于直径12～20mm的单根钢筋、钢绞线或钢丝束的张拉。用YC－20型穿心式千斤顶(图5-10)张拉时，高压油泵启动，从后油嘴进油，前油嘴回油，被偏心夹具夹紧的钢筋随液压缸的伸出而被拉伸。YC－20型穿心式千斤顶的最大张拉力为20kN，最大行程为200mm。适用于用圆套筒三片式夹具张拉锚固12～20mm单根冷拉HRB335、HRB400和RRB400钢筋。钢筋成组张拉见图5-11所示。图5-10图5-11三、先张法施工工艺先张法的工艺流程如下图所示，其中关键是预应力筋的张拉与固定，混凝土浇筑以及预应力筋的放张。(一)张拉预应力筋：1、张拉程序可按下列之一进行：0→1.05σcon(持荷2分钟)→σcon或0→1.03σcon其中σcon为预应力筋的张拉控制应力.为了减少应力松弛损失，预应力钢筋宜采用0→1.05σcon(持荷2分钟)→σcon的张拉程序。预应力钢丝张拉工作量大时，宜采用一次张拉程序0→1.03σcon超张拉——减少由于钢筋松弛变形造成的预应力损失。持荷两分钟——加速钢筋松驰的早期发展。(第1分钟内完成损失总值的50%)应力松驰：钢材在常温、高应力状态下，具有不断产生塑性变形的特点，导致钢筋应力下降。2、控制应力及最大应力：张拉控制应力是指在张拉预应力筋时所达到的规定应力，应按设计规定采用。控制应力的数值直接影响预应力的效果。施工中采用超张拉工艺，使超张拉应力比控制应力提高3%～5%。预应力筋的张拉控制应力，应符合设计要求。施工中预应力筋需要超张拉时，可比设计要求提高3%～5%，但其最大张拉控制应力不得超过表5-1的规定。表5-13、预应力值的校核预应力钢筋的张拉力，一般用伸长值校核。预应力筋理论伸长值ΔL按下式计算：式中：FP—预应力筋平均张拉力，kN；轴线张拉取张拉端的拉力；两端张拉的曲线筋取张拉端的拉力与跨中扣除孔道摩阻损失后拉力的平均值；L—预应力筋的长度，mm；AP—预应力筋的截面面积，mm2；ES—预应力筋的弹性模量，kN/mm2。预应力筋的实际伸长值，宜在初应力约为10%σcon时测量，并加初应力以内的推算伸长值。4、张拉要点：(1)张拉时应校核预应力筋的伸长值。实际伸长值与设计计算值的偏差不得超过±6%，否则应停拉；(2)从台座中间向两侧进行(防偏心损坏台座)(3)多根成组张拉，初应力应一致(测力计抽查)(4)拉速平稳，锚固松紧一致，设备缓慢放松(5)拉完的筋位置偏差≯5mm，且≯构件截面短边的4%(6)冬季张拉时，温度≮－15℃(7)注意安全：两端严禁站人，敲击楔块不得过猛。(二)混凝土浇筑与养护：1、混凝土一次浇完，混凝土≮C30。2、防止较大徐变和收缩：选收缩变形小的水泥，水灰比≯0.5，级配良好，振捣密实(特别是端部)。·混凝土收缩：由于水泥浆在硬化过程中脱水密结和毛细孔压缩的结果·混凝土徐变：指混凝土在荷载长期作用下产生的塑性变形3、采用机械振捣密实时，要避免碰撞钢丝。混凝土未达到一定强度前，不允许碰撞或踩踏钢丝。4、减少应力损失：非钢模台座生产，采取二次升温养护，(开始温差≯20℃，达10MPa后按正常速度升温)。三、先张法施工工艺(三)预应力筋放张：1、条件：混凝土达到设计规定且≮75%强度值后。2、放张顺序:(1)预应力筋放张时，应缓慢放松锚固装置，使各根预应力筋缓慢放松。(2)预应力筋放张顺序应符合设计要求，当设计未规定时，可按下列要求进行：（a）承受轴心预应力构件的所有预应力筋应同时放张；(b)承受偏心预压力构件，应先同时放张预压力较小区域的预应力筋，再同时放张预压力较大区域的预应力筋。(c)长线台座生产的钢弦构件，剪断钢丝宜从台座中部开始；叠层生产的预应力构件，宜按自上而下的顺序进行放松；板类构件放松时，从两边逐渐对称向中心进行。3、放张方法(1)对于中小型预应力混凝土构件，预应力丝的放张宜从生产线中间处开始，以减少回弹量且有利于脱模；对于大构件应从外向内对称、交错逐根放张，以免构件扭转、端部开裂或钢丝断裂。(2)放张单根预应力筋，一般采用千斤顶放张，如图5-12(a)所示。(3)构件预应力筋较多时，整批同时放张可采用砂箱、楔块等放松装置。砂箱装置如图5-12(b)所示。楔块放张装置如图5-12(c)所示。注：可用锯断，剪断，熔断(仅限于Ⅰ～Ⅲ级冷拉筋)方法放张，但对钢丝、热处理钢筋不得用电弧切割。第二节后张法一、后张法的概念先制作混凝土构件，并在预应力筋的位置预留出相应孔道，待混凝土强度达到设计规定的数值后，穿入预应力筋进行张拉，并利用锚具把预应力筋锚固，最后进行孔道灌浆。工艺过程：浇筑混凝土结构或构件(留孔)→养护拆模→(达75%强度后)穿筋张拉→固定→孔道灌浆→(浆达15N/mm2,混凝土达100%后)移动、吊装。适用于：大构件及结构的现场施工——预制拼装，结构张拉。特点：不需台座；但工序多、工艺复杂，锚具不能重复利用。后张法施工工艺如图5-13所示图5-13二、预应力筋、锚具和张拉机具(一)单根粗筋(直径18～36mm)：1、锚具：单根粗钢筋的预应力筋，如果采用一端张拉，则在张拉端用螺丝端杆锚具，固定端用帮条锚具或镦头锚具；如果采用两端张拉，则两端均用螺丝端杆锚具。(1)螺丝端杆锚具如图5-14(1)及图5-14(2)所示。(2)帮条锚具如图5-15所示。(3)镦头锚具由镦头和垫板组成图5-14(1)螺丝端杆锚具图5-14(2)LM型螺丝端杆锚用于预应力钢筋的张拉锚固，依靠对焊与预应力钢筋连接。图5-152、预应力筋制作：工序：下料→对焊→冷拉。下料长度计算：①当两端用螺丝端杆锚具时——钢筋下料长度：②当一端用螺杆、一端用帮条时:钢筋的冷拉率钢筋的弹性回缩率钢筋下料长度：3、张拉设备：拉杆式千斤顶(YL－60)，如图5-16所示；穿心式千斤顶(YC－60、YC－20、YC－18),如图5-17(1)及图5-17(2)所示,配置撑脚和拉杆等附件后,可作为拉杆式千斤顶使用。图5-16图5-17