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建 筑 施 工 技 术
高等职业教育土建类专业规划教材
机 械 工 业 出 版 社
CHINA MACHINE PRESS
谢扬敬　黄明树 主编
预应力混凝土工程
05
CONTENTS
01
预应力混凝土的概念
02
先张法
03
后张法
04
无粘结预应力混凝土施工
目录
机 械 工 业 出 版 社
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第五章　预应力混凝土工程
传动系
转向系
第一节 预应力混凝土的概念
预制装配式结构是预先在预制构件厂(场)生产、制作结构构件,然后运至施工现场进行结构安装;或在施工现场就地制作结构构件并进行结构构件的安装。
装配整体式结构是结合预制装配式与整体现浇式两种施工方法的优点,结合现场施工条件和技术装备条件而形成的施工方式。
预应力混凝土结构在使用阶段产生的拉应力首先抵消预压应力,推迟了裂缝的出现和限制裂缝的开展,提高了结构的抗裂度和刚度,这种施加预应力的混凝土称为预应力混凝土。
与普通混凝土相比,预应力混凝土除了提高了构件的抗裂度和刚度外,还具有减轻自重、增加构件的耐久性、降低造价等优点。
预应力混凝土按施工方法的不同可分为先张法和后张法两大类;按钢筋张拉方式的不同可分为机械张拉、电热张拉与自应力张拉等。
第五章　预应力混凝土工程
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第五章　预应力混凝土工程
传动系
转向系
第二节　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,使混凝土在预应力筋反弹力的作用下,使构件受拉区的混凝土承受预压应力。预应力筋的张拉力,主要是由预应力筋与混凝土之间的粘结力传递给混凝土。
台座法是构件在台座上生产,即预应筋的张拉、固定,混凝土浇筑、养护,以及预应力筋的放松等工序均在台座上进行。采用机组流水法是利用钢模板作。
1.台座
台座是先张法施工张拉和临时固定预应力筋的支撑结构,它承受预应力筋的全部张拉力,因此要求台座具有足够的强度、刚度和稳定性。台座按构造型式分为墩式台座(图5-2)和槽式台座(图5-3)。槽式台座适用于张拉吨位较大的构件,如吊车梁、屋架、薄腹梁等。
第五章　预应力混凝土工程
第五章　预应力混凝土工程
第五章　预应力混凝土工程
第五章　预应力混凝土工程
2.夹具
夹具是预应力筋张拉和临时固定的锚固装置,用在先张法施工中。按其用途不同,可分为锚固夹具和张拉夹具。锚固夹具一般都可以重复使用,要求工作可靠、加工方便、成本低和能多次周转使用。
(1)锚固夹具
1)钢质锥形夹具。钢质锥形夹具主要用于锚固直径为3~5mm的单根钢丝夹具,如图5-4所示。
2)墩头夹具适用于预应力钢丝固定端的锚固,如图5-5所示。
第五章　预应力混凝土工程
第五章　预应力混凝土工程
　(2)张拉夹具　张拉夹具是将预应力筋与张拉机械连接起来进行预应力张拉的工具,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5-6所示。
第五章　预应力混凝土工程
3.张拉设备
张拉设备要求工作可靠,控制应力准确,能以稳定的速率加大拉力。常用的张拉设备有液压千斤顶、卷扬机、电动螺杆张拉机等(图5-7、图5-8)。
第五章　预应力混凝土工程
4.先张法施工工艺
先张法施工工艺流程如图5-9所示。
图5-9　先张法施工工艺流程
第五章　预应力混凝土工程
　(1)预应力筋的铺设与张拉　
预应力筋铺设前应先做好台面的隔离层,应选用非油类模板隔离剂,隔离剂不得使预应力筋玷污,以免影响预应力与混凝土的粘接。碳素钢丝绳强度高、表面光滑、与混凝土粘结力较差,因此必要时可采取表面刻痕和压波措施,以提高钢丝与混凝土的粘结力。钢丝接长可借助钢丝拼接器,如图5-10所示。
第五章　预应力混凝土工程
(2)预应力筋张拉应力的确定　
预应力筋的张拉控制应力,应符合设计要求。施工如采用超张拉,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。
(3)预应力筋张拉力的计算　
预应力筋的张力P按下式计算
P=(1+m)σconAp(5-1)
式中　m——超张拉百分率(%);
σcon——张拉控制应力(kN);
Ap——预应力筋的截面面积。
第五章　预应力混凝土工程
(4)张拉程序　
预应力筋的张拉程序可按下列程序之一进行:
0 103%σcon;或0 105%σcon σcon
第一种张拉程序中,超张拉3%是为了弥补预应力筋的松弛引起的预应力损失,这种张拉程序施工简便,一般较多采用。
第二种张拉程序中,超张拉5%并持荷2min,其目的是为了减少预应力筋的松弛损失。钢筋松弛的数值与控制应力、延续时间有关,控制应力越高,松弛也就越大。
同时,还随着时间的延续继续增加,但在第一分钟内完成损失总值的50%左右,24h内则完成80%。上述程序中,超张拉5%σcon持荷2min,可以减少50%以上的松弛损失。
第五章　预应力混凝土工程
(5)预应力筋伸长值与应力的测定　
预应力筋张拉后,一般应校核预应力筋的伸长值。如实际伸长值与计算伸长值的偏差超过±6%时,应暂停张拉,查明原因并采取措施予以调整后,方可继续张拉。预应力筋的伸长值ΔL按下式计算
ΔL=FpL/(ApEs)(5-2)
式中　Fp——预应力筋的张拉力;
L——预应力筋的长度;
Ap——预应力筋的截面面积;
Es——预应力筋的弹性模量。
第五章　预应力混凝土工程
5.混凝土的浇筑与养护
为了减少预应力损失,在设计配合比时应考虑减少混凝土的收缩和徐变。应采用低水灰比,控制水泥用量,采用良好的级配并振捣密实。
振捣混凝土时,振动器不得碰撞预应力钢筋。混凝土未达到一定强度前不允许碰撞和踩动预应力筋,以保证预应力筋与混凝土有良好的粘结力。
预应力混凝土可采用自然养护和湿热养护。
第五章　预应力混凝土工程
6.预应力筋的放张
(1)放张要求　
放张预应力筋时,混凝土应达到设计要求的强度。如设计无要求时,应不得低于设计混凝土强度等级的75%。
(2)放张顺序　
预应力筋的放张顺序应满足设计要求,如设计无要求时应满足下列规定:
1)对轴心受预压构件(如压杆、桩等),所有预应力筋应同时放张。
2)对偏心受预压构件(如梁等),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。
3)如不能按上述规定放张时,应分阶段、对称、相互交错地放张,以防止在放张过程中构件发生翘曲、裂纹及预应力筋断裂等现象。
第五章　预应力混凝土工程
(3)放张方法　
配筋不多的中、小型构件,钢丝可用砂轮锯或切断机等方法放张。配筋多的钢筋混凝土构件,钢丝应同时放张,如逐根放张,最后几根钢丝将由于承受过大的拉力而突然断裂,导致构件端容易开裂。
对钢丝、热处理钢筋不得用电弧切割,宜用砂轮或切断机切断。预应力钢筋数量较多时,可用千斤顶、砂箱、楔块等装置同时放张,如图5-11所示。
第五章　预应力混凝土工程
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第五章　预应力混凝土工程
传动系
转向系
第三节　后张法
后张法是先制作构件,预留孔道,待构件混凝土强度达到设计规定的数值后,在孔道内穿入预应力筋进行张拉,并用锚具在构件端部将预应力筋锚固,最后进行孔道灌浆。预应力筋的张拉力主要是靠构件端部的锚具传递给混凝土,使混凝土产生预应力。如图5-12所示为后张法施工顺序。
后张法预应力施工又可分为有粘结预应力施工和无粘结预应力施工两类。
第五章　预应力混凝土工程
第五章　预应力混凝土工程
1.锚具及张拉设备
锚具是预应力筋张拉和永久固定在预应力混凝土构件上的传递预应力的工具,按锚固性能不同,可分为Ⅰ类锚具和Ⅱ类锚具。Ⅰ类锚具适用于承受动载、静载的预应力混凝土结构。Ⅱ类锚具仅适用有粘接预应力混凝土结构,且锚具只能处于预应力筋应力变化不大的部位。
2.锚具的种类
后张法所用锚具根据其锚固原理和构造形式的不同分为螺杆锚具、夹片锚具、锥销式锚具和镦头锚具四种体系。
(1)单根粗钢筋锚具
1)螺栓端杆锚具。
2)帮条锚具。　
第五章　预应力混凝土工程
(2)钢筋束、钢绞线束锚具
　钢筋束和钢绞线束目前使用的锚具有JM型(图5-14)、KT—Z型(图5-15)、XM型、QM型(图5-16)和镦头锚具等。
(3)镦头锚具
　镦头锚具用于固定端,如图5-17所示,它由锚固板和带镦头的预应力筋组成。
第五章　预应力混凝土工程
图5-15　KT—Z型锚具
1—锚环　2—锚塞
第五章　预应力混凝土工程
图5-16　QM型锚具
图5-18　钢质锥形锚具
1—锚环　2—锚塞
图5-17　固定端用镦头锚具 1—锚固板　2—预应力筋　3—镦头
第五章　预应力混凝土工程
　　3.钢丝束锚具
钢丝束锚具常用的有钢质锥形锚具(图5-18)、锥形螺杆锚具(图5-19)、钢丝束镦头锚具(图5-20)、XM型锚具和QM型锚具。
图5-19　锥形螺杆锚具
1—钢丝　2—套筒　3—锥形螺杆　4—垫板
图5-20　钢丝束镦头锚具
1—型锚环　2—钢丝束　3—锚板
第五章　预应力混凝土工程
4.张拉设备
后张法主要的张拉设备有千斤顶和高压液压泵。
(1) 拉杆式千斤顶(YL型)　
拉杆式千斤顶主要用于张拉带有螺钉端杆锚具的粗钢筋、锥形螺杆锚具钢丝束及钢丝束镦头锚具。
图5-21　拉杆式千斤顶的构造
第五章　预应力混凝土工程
　(2) 锥锚式千斤顶(YZ型)
　锥锚式千斤顶主要用于张拉KT—Z型锚具锚固的钢筋束或钢绞线束,以及使用锥形锚具的预应力钢丝束。其张拉液压缸用于张拉预应力筋,顶压液压缸用于顶压锥塞,因此又称为双作用千斤顶,如图5-22所示。
第五章　预应力混凝土工程
(3)穿心式千斤顶(YC型)
　穿心式千斤顶适用性很强,它适用于张拉采用JM12型、QM型、XN型的预应力钢丝束、钢筋束和钢绞线束。穿心式千斤顶的特点是在千斤顶的中心有穿通的孔道,以便预应力筋或拉杆穿过后用工具锚临时固定在千斤顶的顶部进行张拉。根据张拉力和构造不同,有YC60、YC20D、YCD200和无顶压机构的YCQ型千斤顶。
(4) 千斤顶的校正
　采用千斤顶张拉预应力筋,预应力的大小是通过液压表的读数表达的,液压表的读数表示千斤顶活塞单位面积的液压力,如张拉力为N,活塞面积是F,则液压表的相应读数为P,即
P=N/F(5-3)
第五章　预应力混凝土工程
(5) 高压液压泵
　 高压液压泵与液压千斤顶配套使用,它的作用是向液压千斤顶各个液压缸供油,使其活塞按照一定速度伸出或回缩。
高压液压泵按驱动方式分为手动和电动两种,一般采用电动高压液压泵。液压泵型号有:ZB0.8/500、ZB0.6/630、ZB4/500和ZB10/500(分数线上表示每分钟的流量,分数线下数字表示工作液压kg/cm2)等。选用时,应使液压泵的额定压力等于或大于千斤顶的额定压力。
第五章　预应力混凝土工程
5.预应力筋的制作
1)单根预应力筋一般用热处理钢筋,其制作包括配料、对焊、冷拉等工序。钢筋对焊接长在钢筋冷拉前进行。钢筋的下料长度由计算确定。
当构件两端均采用螺钉端杆锚具时(图5-23),预应力筋的下料长度为
L=+nΔ(5-4)
当一端采用螺钉端杆锚具,另一端采用帮条锚具或镦头锚具时,预应力筋的下料长度为
L=+nΔ(5-5)
第五章　预应力混凝土工程
2)钢筋束由直径为10mm的热处理钢筋编束而成,钢绞线束由直径为12mm或15mm的钢绞线束编束而成。
预应力筋的制作一般包括开盘冷拉、下料和编束等工序。每束3~6根,一般不需对焊接长,下料是在钢筋冷拉后进行。钢绞线在下料前应在切割口两侧各50mm处用钢丝绑扎,切割后的对切割口应立即焊牢,以免松散。
预应力钢筋束或钢绞线束的下料长度L可按下式计算
一端张拉时:L=l+a+b(5-6)
两端张拉时:L=l+2a(5-7)
第五章　预应力混凝土工程
3)钢丝束制作。
钢丝束制作随锚具的不同而异,一般需经调直、下料、编束和安装锚具等工序。
当采用镦头锚具时,一端张拉,应考虑钢丝束张拉锚固后螺母位于锚环中部。钢丝下料长度L,可按如图5-24所示用下式计算
L=L0+2a+2δ-0.5(H-H1)-ΔL-C(5-8)
图5-24　用镦头锚具时钢丝下料长度计算简图
第五章　预应力混凝土工程
6.后张法施工工艺
后张法施工工艺与预应力施工有关的主要是孔道留设、预应力筋张拉和孔道灌浆三部分。
图5-26　后张法施工工艺流程
第五章　预应力混凝土工程
(1)孔道留设
　后张法构件中的孔道留设一般采用钢管抽芯法、胶管抽芯法和预埋管法。
(2)预应力筋张拉
　用后张法张拉预应力筋时,混凝土的强度应符合设计要求,如设计无规定时,不应低于设计强度等级的75%。
(3)孔道灌浆
　预应力筋张拉完毕后,应进行孔道灌浆。灌浆的目的是为了防止钢筋锈蚀,增加结构的整体性和耐久性,提高结构的抗裂性和承载力。
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传动系
转向系
　第四节　无粘结预应力混凝土施工
无粘结预应力是指在预应力构件中的预应力筋与混凝土没有粘结力,预应力筋的张拉力完全靠构件两端的锚具传递给构件。具体做法是预应力筋表面涂刷涂料并包塑料布(管)后,将其铺设在支好的构件模板内,并浇筑混凝土,待混凝土达到规定强度后进行张拉锚固。无粘结预应力混凝土施工属于后张法施工。
第五章　预应力混凝土工程
无粘结预应力不需要进行预留孔道、穿筋、灌浆等复杂工作,施工程序简单,加快了施工速度。同时,摩擦力小,且易弯成多跨曲线形,特别适用于大跨度的单、双向连续多跨曲线配筋梁板结构和屋盖。
1.无粘结预应力筋制作
(1)无粘结预应力筋的组成及要求　无粘结预应力筋主要由预应力钢材、涂料层、外包层和锚具组成,如图5-29所示。
第五章　预应力混凝土工程
(2)锚具
　无粘结预应力构件中,预应力筋的张拉力主要是靠锚具传递给混凝土的,因此无粘结预应力筋的锚具不仅受力比有粘结预应力筋的锚具大,而且承受的是重复荷载。无粘结预应力筋的锚具性能应符合Ⅰ类锚具的规定。
(3)成形工艺
1)涂包成形工艺。
2)挤压涂塑工艺。
第五章　预应力混凝土工程
2.无粘结预应力施工
无粘结预应力构件制作工艺中的几个主要问题:
(1)预应力筋的铺设　
无粘结预应力筋应严格按设计要求的曲线形状就位固定牢固。可用短钢筋或混凝土垫块等架起控制标高,再用钢丝绑扎在非预应力筋上。绑扎点的间距不大于1m,钢丝束的曲率控制可用铁马凳控制,马凳间距不宜大于2m。
(2)预应力筋的张拉　
预应力筋张拉时,混凝土的强度应符合设计要求;当设计无要求时,混凝土的强度应达到设计强度的75%方可开始张拉。
张拉程序一般采用0103%σcon,以减少无粘结预应力筋的松弛损失。
预应力筋的张拉长值应按设计要求进行控制。
第五章　预应力混凝土工程
(3)预应力筋的端部处理
1)张拉端部处理。
预应力筋的端部处理取决于无粘结筋和锚具的种类。
锚具的位置通常是混凝土的端面缩进一定的距离,前面做成一个凹槽,待预应力筋张拉锚固后,将外伸在锚具外的钢绞线切割到规定的长度(即要求露出夹片锚具外的长度不小于30mm);然后在槽内壁涂以环氧树脂类胶粘剂,以加强新老材料间的粘接;再用后浇膨胀混凝土或低收缩防水砂浆或环氧砂浆密封。
在对凹槽填浇砂浆或混凝土前,应预先对无粘结筋的端部和锚具夹持部分进行防潮、防腐封闭处理。
第五章　预应力混凝土工程
采用无粘结钢绞线夹片锚具时,张拉端头构造简单,无须另加设施。张拉端头钢绞线的预留长度不小于150mm,多余的应割掉;然后在锚具及承压板表面涂以防水涂料,再进行封闭。锚固区可以用后浇筑的钢筋混凝土圈梁封闭,将锚具外伸的钢绞线散开打弯,埋在圈梁内加强锚固,如图5-33所示。
第五章　预应力混凝土工程
　2)固定端处理。无粘结筋的固定端可设置在构件内。当采用无粘结钢丝束时,固定端可采用扩大的镦头锚板,并用螺旋筋加强,如图5-34a所示。施工中如端头无配筋时,需要配置构造钢筋,使固定端板与混凝土之间有可靠的锚固性能。当采用无粘结钢绞线时,锚固端可采用压花成形,如图5-34b所示,埋置在设计部位,这种做法的关键是张拉前锚固端的混凝土强度等级必须达到设计强度(≥C30)才能形成可靠的粘结式锚头。
工程项目9 某门式刚架无粘结预应力混凝土施工
该门式刚架由于常年湿度大,对结构的抗裂性能要求高,因而在刚架受拉区配置20根 12mm预应力钢绞线对混凝土预加应力。20根钢绞线分为4束,每束5根(图5-35)。
图5-35　刚架示意
工程项目9 某门式刚架无粘结预应力混凝土施工
由于在门式刚架梁柱交接处的弯道部分留孔穿筋比较困难,为便于施工,采用无粘结预应力工艺。无粘结钢绞线束可采用成品或自行加工。本工程为现场自行加工,其工艺如下:
(1) 钢绞线编束成形　
先用切割机将整盘钢绞线按需要长度割断放在成形架上,涂刷润滑防锈剂(建筑脂、工业凡士林掺石墨、沥青掺柴油矿渣棉三种均可,但前两种润滑效果较好),然后编束成形。门架中的钢束有一个半径为2500mm、圆心角约62°的弯道,成形架应根据弯道的实际尺寸搭设,成形后的钢束应达到设计的几何尺寸(图5-36)。
工程项目9 某门式刚架无粘结预应力混凝土施工
图5-36　成形架
图5-37　钢束
图5-38　无粘结束张拉顺序
第五章　预应力混凝土工程
成束后为防止钢绞线间发生位移、滑动,在5根钢绞线中间每隔300mm安放一根长200mm的 8短钢筋作芯(图5-37),用钢丝扎紧。每根钢绞线的两端应进行编号,用不同颜色油漆涂刷标志,如第1束5根编为1、5、9、13、17;第2束5根编为2、6、10、14、18;第3束5根编为3、7、11、15、19;第4束5根编为4、8、12、16、20。以后在进行单根张拉时,按号的顺序4束循环张拉(图5-38),这样两端混凝土局部承压时受力比较均匀。
　(2) 钢束包裹　包裹工序在成形架上进行。包裹前在钢束表面再涂刷两道润滑剂,尽量用润滑剂将钢束表面的低凹处填平,以减小混凝土对钢束的握裹力。
工程项目9 某门式刚架无粘结预应力混凝土施工
(3) 钢束绑扎　
钢束包裹后,将弯道部分临时加以固定抬入刚架的底模上,用由 8钢筋焊接的支架将4束钢绞线按设计要求分开固定。支架每隔2m左右设置一个,在弯道部分采用单支架。要严格检查放入支架中的钢束不能有任何的绞扭情况出现,然后再绑扎非预应力筋。
(4) 钢束张拉　
钢束端头锚固采用XM12型锚具(图5-39)。每束5根钢绞线,每个锚孔中配有三个楔形夹片将钢绞线夹紧。
为防止锚具因密封不良而受气、湿侵蚀,导致预应力损失,在每根钢绞线两端留有长800mm、直径为40~72mm的扩张口,待张拉锚固后进行喷浆自锚,以增加安全储备(图5-40)。
工程项目9 某门式刚架无粘结预应力混凝土施工
为防止锚具因密封不良而受气、湿侵蚀,导致预应力损失,在每根钢绞线两端留有长800mm、直径为40~72mm的扩张口,待张拉锚固后进行喷浆自锚,以增加安全储备(图5-40)。
预应力张拉采用YC18型千斤顶。每根钢绞线的张拉力设计值为98kN。实际施工时张拉力和伸长均达到了规定要求。
图5-39　XM12型锚具 图5-40 两端扩张口
复习思考题
1.什么是先张法 什么是后张法 试比较它们的异同点。
2.先张法所用的夹具有何要求
3.先张法的张拉程序如何
4.超张拉的作用是什么 有什么要求
5.后张法常用的锚具有哪些 对锚具有何要求
6.后张法孔道的留设有哪几种 各适用于什么情况
7.后张法的张拉顺序如何确定

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