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第四章 混凝土工程
模板工程
钢筋工程
混凝土工程
预应力混凝土工程
第四节 预应力混凝土工程
一、概述
由于预应力混凝土结构的截面小、刚度大、抗裂性和耐久性好，在世界各国的土木工程领域中得到广泛应用。
普通钢筋混凝土构件的抗拉极限应变只有0.0001~0.00015。构件混凝土受拉不开裂时，构件中受拉钢筋的应力只有20~30 N/mm2；即使允许出现裂缝的构件，因受裂缝宽度限制，受拉钢筋的应力也仅达150~200 N/mm2，钢筋的抗拉强度未能充分发挥。
预应力混凝土的特点 ：
预应力混凝土是在构件承受外荷载前，预先在构件的受拉区对混凝土施加预压应力。当构件在使用阶段的外荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消预压应力，推迟了裂缝的出现并限制了裂缝的开展，从而提高了构件的抗裂度和刚度。
预应力混凝土的施工工艺：
常用的有先张法、后张法和电张法。此外，还有自张法，即用膨胀水泥伴制的混凝土来浇筑构件，利用混凝土硬化时的膨胀力使钢筋伸长而获得预应力。
预应力砼的分类
按预应力度大小：全预应力混凝土和部分预应力混凝土。
全预应力混凝土是在全部使用荷载下受拉边缘不允许出现拉应力的预应力混凝土，适用于要求混凝土不开裂的结构。
部分预应力混凝土是在全部作用荷载下受拉边缘允许出现一定的拉应力或裂缝的混凝土，其综合性能较好，费用较低，适用面广。
按施工方式：预制预应力混凝土、现浇预应力混凝土和叠合预应力混凝土等。
按预加应力方法：
先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土
按是否粘结：分为无粘结预应力及有粘结预应力。
对混凝土构件受拉区施加预压应力的方法：
张拉受拉区中的预应力钢筋，通过预应力钢筋或锚具，将预应力钢筋的弹性收缩力传递到混凝土构件上，产生预应力。
钢筋：一般在钢筋车间或工地的钢筋加工棚加工，然后运至现场安装或绑扎。
钢筋加工过程：一般的加工过程有冷拉、冷拔、调直、剪切、镦头、弯曲、焊接、绑扎等。
预应力筋：
冷拔低碳钢丝 冷拉钢丝 碳素钢丝 钢绞线
热处理钢筋 热扎螺纹钢筋
1、冷拔低碳钢丝
冷拔低碳钢丝是由直径6~10mm的I级钢筋在常温下通过拔丝模冷拔而成，一般拔至直径3~5mm。冷拔钢丝强度比原材料屈服强度显著提高，但塑性降低，是适用于小型构件的预应力筋。
2、冷拉钢筋
冷拉钢筋是将Ⅱ~Ⅲ级热轧钢筋在常温下通过张拉到超过屈服点的某一应力，使其产生一定的塑性变形后卸荷，再经时效处理而成。这样钢筋的塑性和弹性模量有所降低而屈服强度和硬度有所提高，可直接用做预应力筋。
3、碳素钢丝
碳素钢丝是由高碳钢盘条经淬火、酸洗、拉拔制成。
钢丝直径：一般3~8mm，最大12 mm
3~4 mm直径钢丝主要用于先张法，5~8 mm用于后张法。
钢丝强度高，表面光滑，用作先张法预应力筋时，为了保证高强钢丝与混凝土有可靠粘结，钢丝的表面需经过刻痕处理。
4、热处理钢筋
由普通热轧中碳合金钢筋经淬火、回火调质热处理制成。具有高强度、高韧性和高粘结力等优点，直径为6~10 mm。成品钢筋为直径2m的弹性盘卷，开盘后自行伸直，每盘长度为l00~120 m。热处理钢筋螺纹外形，带纵肋、无纵肋。
预应力构件（结构）对混凝土的要求
在预应力混凝土结构中，一般要求混凝土的强度等级不低于C30。当采用碳素钢丝、钢绞线、Ⅴ级钢筋（热处理）作预应力钢筋时，混凝土的强度等级不低于C40。目前，在一些重要的预应力混凝土结构中，已开始采用C50~C60的高强混凝土，并逐步向更高强度等级的混凝土发展。
二、先张法
（一）台座
用台座法生产预应力混凝土构件时，预应力筋锚固在台座横梁上，台座承受全部预应力的拉力，故台座应有足够的强度、刚度和稳定性，以避免台座变形、倾覆和滑移而引起的预应力的损失。
台座：台面、横梁、承力结构等组成。
台座分为：墩式台座、槽式台座、桩式台座等。
1、墩式台座
混凝土墩作承力结构 一般生产：中小型构件。
台座长度较长，张拉一次可生产多根构件，从而减少因钢筋滑动引起的预应力损失。
当生产空心板、平板等平面布筋的小型构件时，张拉力不大，可利用简易墩式台座，它将卧梁和台座浇筑成整体，充分利用台面受力。锚固钢丝的角钢用螺栓锚固在卧梁上。
筒易墩式台座
1一卧式 2一角钢 3 预埋螺栓
4 混凝土台面 5一预应力钢丝
墩式台座
（二）槽形台座
槽形台座由钢筋混凝土压杆、传力端柱、横梁组成。
主要用于大型预应力构件的制作，一般长45 ~75Ｍ，
能生产6 ~10根6Ｍ长的吊车梁，压杆分段制作，便于拆移
特点：张拉上下部钢筋的横梁产生的张拉力矩可相互抵销一部分，对抗倾覆有利；台座低于地面，便于蒸气养护和混凝土的运输，但应考虑地下水及排水的因素。
二 张拉机具和设备
先张法中常用的预应力筋有钢丝和钢筋，其机具也不同。
（一）钢丝张拉机具
１、钢丝夹具和钢丝拼接器
先张法中的夹具有两类：
一是：将预应力筋固定在台座上的锚固夹具；
二是：张拉时夹持预应力筋活动端的张拉夹具。
● 锚固夹具和张拉夹具均是重复使用工具。
要求：工作可靠（滑动少，刚度够，对预应力筋强度影响小），能多次使用，加工容易，成本低使用方便（容易夹紧、放松）。
１）、锚固夹具
楔形、锥形（齿板式、槽式），原理相同。
特点：借助钢丝的拉力锚固钢丝，称自锚。
自锚角度：不能过大，锥塞容易滑脱；
也不能过小，锥塞不易退出。
锥形夹具加工简单，尺寸小，用材省，应用广。
楔形夹具用材多，尺寸较大，不宜用于钢筋较密的构件。
２）、墩头锚具
除采用锚固夹具外，可用墩头锚具，钢丝的墩头应采用冷墩，否则影响钢丝的强度，它由内外缸、内外活塞、夹片、墩头模组成。
程序： 开启油泵→外缸进油→外活塞推夹片夹紧钢丝→顺序阀开启→内缸进油→内活塞推墩头→形成墩头。
３）、张拉夹具 钳式、月牙形、楔形
４）、钢丝拼接器
钢丝接长不允许采用焊接，通
常采用拼接器，将两根钢丝搭接长
度约50ｄ长，并将绑扎用铁丝（20
~22＃）插入两根钢丝的拼缝内，
然后以钢丝为轴，连续甩拼接器，
使铁丝紧密而均匀地缠绕在钢丝上，
长度约40ｄ。接头牢固可靠。
２、张拉机具
要求：简易可靠，能准确控制张拉力，增大拉力的速度稳定
张拉机具：电动螺杆、手动螺杆、卷扬机
测力装置：弹簧测力计、杠杆测力计
锚固钢丝的固定端，张拉端用张拉夹具通过钢绳与测力计相连，测力计与卷扬机钢绳相连。张拉达到要求后，用穿心式锚固夹具将钢丝锚固在横梁上，松动卷扬机、夹具。
（二）钢筋张拉机具设备
１、钢筋夹具及连接器
ａ、锚固夹具
穿心式锚固夹具 套筒和销片组成，销片用两片或三片
1 台座 2 放松装置 3 横架 4 钢丝
5 墩头锚固 6 垫块 7 穿心式夹具
8 压销式夹具 9 弹簧测力计
10 固定梁 11 滑轮组 12卷扬机
钢筋墩头
直径12mm的钢筋可采用液压冷墩机冷墩，直径22mm以上的钢筋可采用电焊机热墩，对焊机热墩时，一端用紫铜棒，另一端用钢筋，进行脉冲式加热后加压。
B、张拉夹具（同钢丝）
钢筋连接器
钢筋连接器可用作单根粗钢筋之间的连接或粗钢筋与螺丝端杆的连接。
下图为套筒双拼式钢筋连接器，它由两个圆套筒(每个套简是由两瓣半圆筒管外箍钢圈组成)中间焊接连接钢筋而成。
张拉设备
电动螺杆张拉机单根张拉
特点；运行稳定，螺杆有自锁
性能，恒载性能好，无卸载现
象，速度快，张拉行程大，能
满足长线台座的需要，自重大
穿心式千斤顶单根张拉
由于形成限制，只适用于48M以内的台座，较长时，需几次回油，降低工效。
1电动机 2 皮带 3 齿轮 4 齿轮螺母
5 螺杆 6 顶杆 7 台座横梁 8 钢筋
9 锚固夹具 10 张拉夹具
11 弹簧测力计 12一滑动架
三 先张法施工工艺

特点：预应力筋张拉后浇筑混凝土，靠预应力筋与混凝土的粘结传递预应力。
为便于脱模，预应力钢筋铺放前，对台面和模板应刷隔离剂，但应采取措施防止隔离剂污染预应力钢筋，影响粘结。
先张法工艺
（一）张拉
预应力筋张拉应根据设计
要求采用合适的张拉方法、张
拉顺序和张拉程序进行并应有
可靠的质量保证措施和安全技
术措施。
预应力筋的张拉有单根张拉和多根成组张拉。
单根张拉：预应力筋数量不多，张拉设备拉力有限时采用
多根张拉：预应力筋数量较多，张拉设备拉力较大时采用
采用成组张拉时，为减少预应力筋应力不一致，对不大于6M的构件的的钢丝下料长度差值不大于2mm，同组下料的钢丝长度，应不大于钢丝长度的1/5000，且不大于5mm。为保证钢丝下料长度的准确性，先将钢丝拉到一定应力（300Mpa），量出钢丝长度（包括弹性伸长），作标记后，松弛截断。
在确定预应力筋张拉顺序时，应尽量考虑减少倾覆力和偏心力，先张拉台座截面重心处的预应力筋。
张拉方法有两种： 一次张拉法 超张拉法
一次张拉法：
设计时预应力筋松弛损失是按一次张拉计算的，张拉应力可以按0——σcon 张拉，称为一次张拉。
超张拉法：分两种
σ--------1.05σcon-------------σcon
超张拉5%，并持荷2分钟，目的是加速预应力筋松弛早期发展，以减少应力松弛引起的预应力损失。
σ--------1.03σcon
超张拉3%，弥补预应力筋松弛损失，该法简便，常用。
先张法的控制应力σ和超张拉时的最大应力见教材。
（三）预应力筋的放张
预应力筋的放张过程是预应力的传递过程，是决定先张
法施工质量的重要过程。
1、放张要求
预应力筋放张时混凝土强度应达到设计要求，设计无规
定时混凝土强度等级不得低于设计的 70%，重叠生产时需等
最后一层达到 70%时放张。 放张过早会引起预应力损失和钢丝滑动。
2、放张方法
a、 钢丝配筋，数量少 逐根剪切、割锯、熔断（钢筋）
从中间剪断 回弹小、有利于脱模
b、 数量多的钢丝，钢筋 同时放张，否则
放张装置 放张横梁、楔块或砂箱
楔块放张时张拉力以小于300KN为宜
张拉力较大时宜用砂箱，砂箱内装石英砂或铁砂
级配：通过50#和30#的砂的比例为6：4，可以保证砂不被压碎或流不出，又可减少砂的空隙率和预应力损失。
砂箱放张能控制放张速度，工作可靠。
三 后张法施工
在放置预应力筋的位置留设预留孔道，待混凝土达到设计强度等级时，将预应力筋穿入孔道内，用张拉机械张拉达到设计规定的控制应力，把预应力筋锚固在构件端部，最后孔道灌浆，这种预应力的施加方法称为后张法。
特点：直接在构件上施加预应力，构件在施加过程中完成弹性压缩，混凝土的弹性压缩不影响影响预应力筋有效预应力值的建立。
适用范围：施工现场制作大型构件，预制构件的拼装。
后张法预应力混凝土的预应力传递是通过两端的锚具，锚具作为预应力筋的组成部分永远留在构件上，不能重复使用，耗用较多的钢材而且锚具加工要求较高，费用较昂贵，加上后张法工艺本身要预留孔道、穿筋、灌浆等过程，故施工工艺较复杂，成本也较高。
后张法预应力施工生产分为两个阶段
第一阶段为构件的生产；
第二阶段预加应力阶段，锚具与预应力筋的制作、张拉、孔道灌浆等
一 锚具
I类锚具：适用于受动、静荷载的预应力混凝土结构；
II 类锚具：仅适用于有粘结预应力混凝土结构，且锚具处于预应力筋应力变化不大的部位。
I类锚具组装件，满足静载锚固性能外，尚须满足200万次循环的疲劳性能试验。抗震结构，还应满足50次的周期荷载试验。
锚具的种类
1. 螺丝端杆锚具 用于钢筋
组成：螺丝端杆、螺母、垫板
型号：有LMl8-LM36，
适用：直径18～36mm的
Ⅱ、Ⅲ级预应力钢筋。
锚具长度一般为320mm，当为一端张拉或预应力筋的长度较长时，螺杆的长度应增加30～50mm。
螺丝端杆与预应力筋在预应力筋冷拉之前用对焊连接。
2. 帮条锚具 用于钢筋
组成：帮条、衬板
衬板：采用普通低碳钢的钢板
帮条：采用与预应力筋同级别的钢筋，三根帮条成120 均匀布置，并垂直于衬板与预应力筋焊接牢固。
帮条焊接亦宜在钢筋冷拉前进行，焊接时需防止烧伤预应力筋。
3. 镦头锚具 用于钢筋
单根粗钢筋：直接在预应力筋端部热镦、冷镦、锻打成型。
形式：A型由锚环与螺母组成，可用于张拉端；
B型为锚板，用于固定端。
A型锚环的内外壁均有丝扣，内丝扣用于连接张拉螺丝杆，外丝扣用于拧紧螺母锚固钢丝束。
镦头锚具用YC-60千斤顶或拉杆式千斤顶张拉。
4. 锥形螺杆锚具
组成：锥形螺杆、套筒、螺母 。
范围：锚固14-28根直径5mm的钢丝束。
与YL-60，YL-90拉杆式千斤顶配套使用，YC-60，YC-90穿心式千斤顶亦可应用。
5. 钢质锥形锚具
组成：锚环、锚塞
范围：锚固以锥锚式双作用千斤顶张拉的钢丝束。锚环内孔的锥度应与锚塞的锥度一致。锚塞上刻有细齿槽，夹紧钢丝防止滑动。
缺点：钢丝直径误差较大时，易产生单根滑丝。
6. JMl2型锚具 教材图5-12
范围：锚固3～6根Ⅳ级直径为12mm的钢筋和5～6束直径为12mm 的钢绞线。
组成：锚环、夹片。
优点：性能好，锚固时钢筋束或钢绞线束被单根夹紧，不受直径误差的影响，且预应力筋是在呈直线状态下被张拉和锚固，受力性能好。
JMl2型锚具是一种利用楔块原理锚固多根预应力筋的锚具，它既可作为张拉端的锚具，又可作为固定端的锚具或作为重复使用的工具锚。
7. KT-Z型锚具
范围：锚固钢筋束和钢绞线束。
3～6根直径为12mm的Ⅲ级钢筋、直径为12mm的Ⅳ级钢筋束、3～6根Φj12(7Φ4)钢绞线束。
组成：锚塞、锚环。均用可锻铸铁成型。
该锚具为半埋式，使用时先将锚环小头嵌入承压钢板中，并用断续焊缝焊牢，然后共同预埋在构件端部。
使用该锚具时，预应力
筋在锚环小口处形成弯折，
因而产生摩擦损失，该损失
值，对钢筋束约为控制应力
σcon的4％；对钢绞线束则约
为控制应力σcon 的2％。
8. XM型多孔夹片锚具
在一块多孔锚板上，每个锥孔一副夹片夹持一根钢绞线。
优点：任何一根钢绞线锚固失效，都不会引起整束锚固失效，并且每束钢绞线的根数不受限制。
组成：锚板、三片夹片。
范围：钢绞线束、钢丝束、单根预应力筋、多根预应力筋、适用于锚固3～37Φ15钢绞线束或3～12根Φ5钢丝束。
可单根张拉、逐根锚固，又可成组张拉，成组锚固。
既可用作工作锚具，又可用作工具锚具。
三 张拉机械
拉杆式千斤顶、穿心式千斤顶、
后张法预应力构件的孔道留设
方法：钢管抽芯法、胶管抽芯法、预埋波纹管法。
灌浆孔：直径20mm，构件两端和中间每隔12m留，构件两端各设一个排气孔。
1．钢管抽芯法
钢管埋设在孔道位置，混凝土浇筑过程中和浇筑之后，每间隔一定时间转动钢管，初凝后、终凝前抽出钢管。
钢管要平直，表面要光滑，安放位置要准确。每根钢管长度不超过15m，较长构件则用两根钢管，中间用套管连接。钢管的旋转方向两端要相反。
抽管时间：以手指按压混凝土不粘浆又无明显印痕。
为保证顺利抽管，混凝土的浇筑顺序要密切配合。
抽管顺序宜先上后下，抽管可用人工或卷扬机，抽管要边抽边转，速度均匀，与孔道成一直线。
2．预埋波纹管法
波纹管为特制的带波纹的金属管，它与混凝土有良好的粘结力。波纹管预埋在构件中，浇筑混凝土后不再抽出，预埋时用间距不宜大于0.8m的钢筋井字架固定。
3．胶管抽芯法
胶管有布胶管和钢丝网胶管两种。
用间距不大于0.5m的钢筋井字架固定位置，浇筑混凝土前，胶管内充入压力为0.6～0.8N／mm2的压缩空气或压力水，此时胶管直径增大3mm左右，混凝土初凝后，放出压缩空气或压力水，管径缩小而与混凝土脱离，便于抽出。
后者质硬、具有一定弹性，留孔方法与钢管一样，只是浇筑混凝土后不需转动，由于其有一定弹性，抽管时在拉力作用下断面缩小易于拔出。
采用胶管抽芯留孔，不仅可留直线孔道，而且可留曲线孔道。

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