第5章 预应力混凝土1

第五章预应力混凝土工程本章要求：了解先张法与后张法的不同工艺特点及适用范围。理解后张法锚具的作用和对锚具的要求，掌握预应力筋、锚具与张拉千斤顶的配套使用。了解千斤顶的检验，理解孔道的留设，了解预应力筋的制作及下料长度的计算。掌握预应力的建立和校核方法，理解预应力的损失，掌握孔道灌浆。了解先张法张拉设备、台座、夹具和张拉工艺，掌握预应力筋的放张要求、放张顺序和放张方法。了解无粘结预应力的施工工艺及适用范围。第一节预应力混凝土的基本知识一、预应力混凝土的概念：1、预应力混凝土：在构件使用前，对结构构件受拉区的钢筋在弹性范围之内的拉伸，利用钢筋的弹性回缩，对受拉区的混凝土预先施加预压应力，以提高构件的刚度、抗裂性和耐久性。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20～30N/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150～200N/mm2。钢筋的抗拉强度未能充分发挥。预应力混凝土是解决这一问题的有效方法，即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。当构件在使用阶段时，外荷载作用下产生的拉应力，首先要抵消预压应力，这就推迟了混凝土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。对混凝上构件受拉区施加预压应力的方法，是张拉受拉区中的预应力钢筋，通过预应力钢筋和混凝土间的粘结力或锚具，将预应力钢筋的弹性收缩力传递到混凝土构件上，并产生预压应力。2、预应力混凝土的分类：（1）按施加预应力的方式不同可分为：1）先张法预应力混凝土2）后张法预应力混凝土（2）按混凝土施工方法不同可分为：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。（3）按预应力度大小可分为：全预应力混凝土和部分预应力混凝土。二、预应力混凝土的材料

1、混凝土材料（1）强度要求：一般不低于C30；当采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋作为预应力筋时，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（2）混凝土的配置：应尽可能采用高标号水泥（宜用硅酸盐水泥），减少水泥用量，降低水灰比（控制在0.5以下），选用优质坚硬的骨料在预应力混凝土构件生产中，不能掺用对钢筋有侵蚀作用的氯盐，如氯化钙、氯化钠等，否则会发生严重质量事故

2、钢筋

（1）强度高。预应力钢筋必须采用高强度钢材，以减少预应力构件在长期使用过程中，由于混凝土的收缩徐变等原因，而的造成预应力损失。（2）要有较好的焊接性能和塑性。（3）预应力筋的种类：单根粗钢筋，钢筋索，钢绞线索、钢丝索等。（4）预应力筋的冷加工：冷拉和冷拔（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～Ⅳ级热轧钢筋在常温下通过张拉到超过屈服点某一应力，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，可直接用作预应力筋（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。为了消除钢丝拉拔中产生的内应力，还需经过矫直回火处理。钢丝直径一般为3～8mm，最大为12mm，其中3～4mm直径钢丝主要用于先张法，5～8mm直径钢丝用于后张法。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具有可靠的粘结，钢丝的表面需经过刻痕处理（4）钢绞线钢绞线一般是由6根碳素钢丝围绕一根中心钢丝在绞丝机上绞成螺旋状，再经低温回火制成。图为预应力钢绞线截面图。钢绞线的直径较大，一般为9～15mm，比较柔软，施工方便，但价格比钢丝贵预应力钢绞线截面图D－钢绞线直径；d0－中心钢丝直径；d－外层钢丝直径（5）热处理钢筋热处理钢筋是由普通热轧中碳合金钢筋经淬火和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6～10mm。热处理钢筋的螺纹外形，有带纵肋和无纵肋两种（6）精轧螺纹钢筋精轧螺纹钢筋是用热轧方法在钢筋表面上轧出不带纵肋的螺纹外形，如图所示。钢筋的接长用连接螺纹套筒，端头锚固用螺母。这种高强度钢筋具有锚固简单、施工方便、无需焊接等优点。目前国内生产的精轧螺纹钢筋直径有25mm和32mm，其屈服点为750MPa和900MPa两种。(a)带纵肋(b)无纵肋热处理钢筋外形精轧螺纹钢筋外形

三、预加应力的方法：1、先张法——先张拉钢筋，后浇注混凝土。2、后张法——先浇注混凝土，预留孔道，后张拉钢筋3、无粘结预应力

4、电热法四、预应力张拉控制应力（con):钢种张拉方法先张法后张法碳素钢丝、钢绞线、刻痕钢丝0.75fptk0.75fptk冷拔低碳钢丝、热处理钢筋0.70fptk0.65fptk冷拉钢筋0.90fpyk0.85fpyk注：fptk——预应力筋极限抗拉强度标准值（N/mm2）

fpyk——预应力筋屈服强度标准值（N/mm2）五、预应力损失的概念：

预应力总损失值小于下列数值时，则按下列数值取用：先张法：100N/mm2后张法：80N/mm21、锚具变形和钢筋内缩损失：l1(先、后张法均有）式中：——张拉锚具变形和钢筋内缩值；长线台座先张法：=5mm

后张法螺丝端杆锚具（一条缝隙）=5mm

l

——张拉端至固定端之间的距离。ES——钢筋弹性模量。五、预应力损失的概念：2、孔道摩擦损失：l2(后张法有）当＜0.2时：式中：——从张拉端至计算截面的距离——从张拉端至计算截面曲线孔道倾角。——摩擦系数3、温度应力损失：l3

长线台座生产时，采用蒸汽养护时存在。4、钢筋应力松弛损失：l4(先、后张法均有）5、混凝土收缩徐变应力损失：l5(先、后张法均有）预应力损失的组合张拉方法先张法后张法第一批预应力损失（混凝土预压前的预应力损失）lⅠ=l1+l4lⅠ=l1+l2第二批预应力损失（混凝土预压后的预应力损失）lⅡ=l5lⅡ=l4+l5六、先、后张法构件设计施工对比：1、先张法构件需要台座，故在预制厂生产中小型构件。后张法不需要台座，故在现场生产大型构件。2、设计中：先张法采用：换算截面——A0

后张法采用：净面积——Aj3、预应力损失不同。4、预应力传递不同：先张法是依靠混凝土和钢筋之间的粘结力来传递。后张法是通过锚具来传递预应力。5、预应力筋张拉控制应力不同：先张法con＞后张法con，但最终效果一致。第二节先张法施工一、施工工艺台座准备刷隔离剂铺放预应力筋等张拉并锚固安侧模、安预埋件浇混凝土养护放张脱模、堆放起拱二、台座：（略）1、墩式台座：2、槽式台座：三、张拉机具与夹具：（一）张拉设备：1、钢丝的夹具和张拉机具（1）张拉机具：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。

还有卷扬机。（2）夹具：先张法中钢丝的夹具分两类：一类是将预应力筋锚固在台座或钢模上的锚固夹具；另一类是张拉时夹持预应力筋用的张拉夹具。锚固夹具与张拉夹具都是重复使用的工具。夹具的种类繁多，此处仅介绍常用的一些钢丝夹具。(a)钳式(b)偏心式(c)楔形钢丝的张拉夹具1－钢丝；2－钳齿；3－拉钩；4－偏心齿条；5－拉环；6－锚板；7－楔块(a)圆锥齿板式(b)圆锥槽式(c)楔形钢丝用锚固夹具1－套筒；2－齿板；3－钢丝；4－锥塞；5－锚板；6－楔块2、钢筋的夹具和张拉机具1）钢筋夹具钢筋锚固多用螺丝端杆锚具、镦头锚和销片夹具等。张拉时可用连接器与螺丝端杆锚具连接，或用销片夹具等。钢筋镦头，直径22mm以下的钢筋用对焊机热镦或冷镦，大直径钢筋可用压模加热锻打成型。镦过的钢筋需经过冷拉，以检验镦头处的强度。销片式夹具由圆套筒和圆锥形销片组成(图)，套筒内壁呈圆锥形，与销片锥度吻合，销片有两片式和三片式，钢筋就夹紧在销片的凹槽内。两片式销片夹具1－销片；2－套筒；3－预应力筋夹具还应具备下列性能：①在预应力夹具组装件达到实际破断拉力时，全部零件均不得出现裂缝和破坏；②应有良好的自锚性能；③应有良好的放松性能。需大力敲击才能松开的夹具，必须证明其对预应力筋的锚固无影响，且对操作人员安全不造成危险。夹具进入施工现场时必须检查其出厂质量证明书，以及其中所列的各项性能指标，并进行必要的静载试验，符合质量要求后方可使用。2）钢筋的张拉机具先张法粗钢筋的张拉，分单根张拉和多根成组张拉。由于在长线台座上预应力筋的张拉伸长值较大，一般千斤顶行程多不能满足要求，故张拉较小直径钢筋可用卷扬机。此外，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(图)。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油缸的伸出而被拉伸。如油缸行程已接近最大行程而钢筋尚未达到控制应力时，可使千斤顶卸载、油缸复位，然后继续张拉。此外，YC－18型穿心式千斤顶(张拉力18t，张拉行程250mm)亦可用于张拉单根钢筋和钢丝束。(a)暂时锚固、回油使油缸复位(b)张拉用YC－20型穿心式千斤顶张拉预应力筋1－偏心夹具；2－后油嘴；3－前油嘴；4－弹性顶压头；5－销片夹具；6－台座横梁；7－预应力筋三.先张法施工工艺（一）预应力筋的铺设为了便于脱模，在预应力筋的铺设前，对台面及模板应先刷隔离剂，为避免铺设预应力筋时因其自重下垂破坏隔离剂，沾污预应力筋，影响预应力筋与混凝土的粘结,应在预应力筋设计位置下面先放置好垫块或定位钢筋后铺设。预应力钢丝宜用牵引车铺设。

（二）预应力筋张拉1、超张拉制度：0105%concon2、一次张拉制度：0103%con采用超张拉工艺的目的是为了减少预应力筋的松弛应力损失所谓“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性。松弛的数值与张拉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％，24h内则可完成80％。所以采用超张拉工艺。先超张拉5％再持荷2min，则可减少50％以上的松弛应力损失。而采用一次张拉锚固工艺，因松弛损失大，故张拉力应比原设计控制应力提高3％。

持荷2分钟（三）、预应力筋的放张：1、放张的要求：

放张预应力筋放张时，混凝土强度必须符合设计要求，如无设计要求时，混凝土强度不低于设计强度标准值的75%。

2.放张的顺序预应力筋的放张顺序，应符合设计要求；当设计无具体要求时，应符合下列规