第五章：预应力混凝土

第五章预应力混凝土工程5.1概述

一、预应力混凝土的特点

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。故在正常使用条件下受拉区混凝土易开裂，构件的刚度小、挠度大。

二、预应力混凝土的概念

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。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先抵消预压应力，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。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。

三、预应力混凝土的优点

能提高钢筋混凝土构件的刚度、抗裂性和耐久性，可有效地利用高强度钢筋和高强度等级的混凝土。与普通混凝土相比，在同样条件下具有截面小、自重轻、质量好、材料省（要节约钢材20％～40％），并能扩大预制装配化程度。在较大跨度结构中，综合经济效益好。四、预加应力的方法可以分为先张法和后张法两类。第二节先张法

先张法是先张拉预应力筋，并将张拉的预应力筋临时固定在台座（或钢模上），然后浇筑混凝土，待混凝土的达到一定强度（一般不低于设计强度的75%），预应力筋和混凝土之间有足够的粘结力时，放松预应力筋，借助粘结力，对混凝土施加预压应力的施工方法。（动画演示）先张法生产可采用台座法和机组流水法。其中，台座法应用较广。

工艺过程：张拉、固定预应力筋→浇混凝土→养护（至75%强度）→放松预应力筋。

适用：构件厂生产中、小型预应力构件（楼板、屋面板、吊车梁、薄腹梁……）。先张法施工顺序图

（a）张拉预应力筋

（b）浇筑混凝土；

（c）放松预应力筋

1-台座；2-预应力筋

3-夹具；4-构件

4231（a）（b）（c）先张法张拉钢筋先张法施工工艺一、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）墩式台座

(由台墩、台面、横梁组成)。长度100～150m，适于中、小型构件。如空心板、平板等

台墩的几种形式如图所示。台墩的形式①台墩台墩是承力结构，由钢筋混凝土浇筑而成。②台面台面是预应力构件成型的胎模，要求地基坚实平整，它是在厚150mm夯实碎石垫层上，浇筑60～80mm厚C20混凝土面层，原浆压实抹光而成。台面要求坚硬、平整、光滑，沿其纵向有3%的排水坡度。③横梁横梁以墩座牛腿为支承点安装其上，是锚固夹具临时固定预应力筋的支承点，也是张拉机械张拉预应力筋的支座。横梁常采用型钢或钢筋混凝土制作。（2）槽式台座(由钢筋混凝土压杆、上下横梁、砖墙组成)

–长45～76m，适于双向预应力构件,易于蒸汽养护。适用于张拉较高的大型构件，如吊车梁、屋架等。槽式台座如图所示。槽式台座（二）先张法的张拉设备与夹具

(1)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。锚固夹具，其作用是将预应力筋固定在台座上；张拉夹具，其作用是张拉时夹持预应力筋。1、钢丝锚固夹具：如图所示

预应力筋类型不同，采用的夹具形式也不同。先张法中常采用的预应力筋有钢丝和钢筋，夹具也分为钢筋夹具和钢丝夹具。

锥形夹具

镦头夹具:如右图所示，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。也用于钢筋。2、钢丝张拉夹具：偏心式、钳式、楔形。

3、钢筋锚固夹具

①锚固夹具：工具式螺杆－螺丝端杆锚具；穿心式夹具－自锚；镦头锚固：d<12mm冷镦

d<22mm热镦

d>22mm加热锻打螺丝端杆锚具

钢筋锚固常用圆套筒三片式夹具，由套筒和夹片组成。圆套筒二片式夹具圆套筒三片式夹具②钢筋张拉夹具：压销式、穿心式。1、钢丝张拉设备

钢丝张拉分单根张拉和成组张拉。①电动螺杆张拉机

如图所示，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）张拉机具四横梁油压千斤顶成组张拉

1—台座；2、3—前后横梁；4—钢筋；5、6—拉力架横梁；

7—大螺丝杆；8—油压千斤顶；9—放松装置

②油压千斤顶成组张拉

2、钢筋张拉机具油压千斤顶、拉伸机、穿心式千斤顶、电动螺杆张拉机。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型穿心式千斤顶张拉时，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。二、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。（动画）

1、张拉程序

01.05（超张拉法）

01.03（一次张拉法）持荷2分钟

预应力筋进行超张拉（1.03～1.05张拉控制应力），主要是为了减少松驰引起的应力损失值。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%)

所谓应力松弛是指钢材在常温高应力作用下，由于塑性变形而使应力随时间延续而降低的现象。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

（一）预应力筋的张拉2、张拉方法多根同时张拉：预应力筋数量较多且张拉设备拉力较大时采用；单根张拉：预应力筋数量不多且张拉设备拉力较小时采用。3、张拉控制应力预应力筋张拉控制应力的大小直接影响预应力效果，影响到构件的抗裂度和刚度，因而控制应力不能过低。但是，控制应力也不能过高，不允许超过其屈服强度。因此，预应力筋的张拉控制应力应符合设计要求。当施工中预应力筋需要超张拉时，可比设计要求提高

5%,但其最大张拉控制应力不得超过下表的规定。

钢筋种类张

拉

方

法先张法后张法碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线0.80fptk0.75fptk冷拔低碳钢丝、热处理钢筋0.75fptk0.70fptk冷拉热轧钢筋0.95fpyk0.90fpyk注：fptk为预应力筋极限抗拉强度标准值；

fpyk为预应力筋屈服强度标准值。4、张拉要点①预应力筋张拉应根据设计要求进行。当进行多根成组张拉时，应先调整各预应力筋的初应力，使其长度和松紧一致，以保证张拉后各预应力筋的应力一致。②台座法张拉中，为避免台座承受过大的偏心压力，应先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋。张拉顺序③施工中必须注意安全，严禁正对钢筋张拉的两端站立人员，防止断筋回弹伤人。冬季张拉预应力筋，环境温度不宜低于15℃。④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。(二)混凝土浇筑与养护：1、混凝土一次浇完，混凝土强度等级≮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）预应力筋的放张先张法施工的预应力筋放张时，预应力混凝土构件的强度必须符合设计要求。设计无要求时，其强度不低于设计的混凝土强度标准值的75％。预应力筋的放张顺序应符合设计要求。设计无要求时，应符合下列规定：

①轴心受预压构件（如压杆、桩等），所有预应力筋应同时放张；②偏心受预压构件（如梁等），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；③如不能按①、②两项放张时，应分阶段、对称、相互交错地放张。以防构件产生弯曲、裂纹及预应力筋断裂。

放张前，应拆除侧模，使放张时构件能自由压缩，否则将损坏模板或使构件开裂，预应力筋的放张工作，应缓慢进行，防止冲击。对预应力筋为钢丝或细钢筋的板类构件，放张时可直接用钢丝钳或氧炔焰切割，并宜从生产线中间处切断，以减少回弹量，且有利于脱模；对每一块板，应从外向内对称放张，以免构件扭转两端部开裂。对配筋不多的预应力钢丝混凝土构件，预应力钢丝放张可采用剪切、割断和熔断的方法逐根放张，并应自中间向两侧进行。但对钢丝、热处理钢筋不得用电弧切割。对配筋较多的预应力钢丝混凝土构件，预应力钢丝放张应同时进行，不得采用逐根放张的方法。

放张方法：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。（动画演示）

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。

第三节

后张法二、预应力筋锚具和张拉机具

(一)单根粗筋锚具(直径18～36mm)：

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)螺丝端杆锚具如图所示。

用于预应力钢筋的张拉锚固，依靠对焊与预应力钢筋连接。

LM型螺丝端杆锚(3)镦头锚具由镦头和垫板组成，用于单根粗钢筋的镦头锚具一般直接在预应力筋端部热镦、冷镦或锻打成型。

(2)帮条锚具如图所示。由衬板和三根帮条焊接而成，是单根预应力粗钢筋非张拉端用锚具。帮条采用与预应力钢筋同级别的钢筋，三根帮条应互成120，衬板采用3号钢。三根帮条应垂直于衬板。帮条的焊接宜在预应力钢筋冷拉前进行。帮条锚具1—衬板；2—帮条；3一预应力筋

(二)钢筋束、钢绞线锚具

钢筋束、钢绞线采用的锚具有JM型、KT-Z型、XM型、QM型和镦头锚具等。其中镦头锚具用于非张拉端。

·JM型锚具

JM型锚具由锚环与夹片组成，锚环分甲型和乙型两种。

JM型锚具与YL60型千斤顶配套使用，适用于锚固3～6根直径为12mm光面或螺纹钢筋束，也可用于锚固5～6根直径为12mm或15mm的钢绞线束。（动画演示）

·XM型锚具

XM型和QM型锚具是一种新型锚具，由锚环和夹片组成。利用楔形夹片，将每根钢绞线独立地锚固在带有锥形的锚环上，形成一个独立的锚固单元。

XM型锚具的夹片为斜开缝。

XM型锚具既可作为工作锚，又可兼作工具锚。XM型QM型XM型锚具

·QM型锚具

QM型锚具与XM型锚具相似，它也是由锚板和夹片组成。但锚孔是直的，锚板顶面是平的，夹片垂直开缝。此外，备有配套喇叭形铸铁垫板与弹簧等。

（三）钢丝束预应力筋的锚具（1）钢质锥形锚具（又称弗氏锚具）由锚环和锚塞组成。

适用于6、12、18、24根直径5mm碳素钢丝束。（2）钢丝束镦头锚具常用镦头锚具分为A型与B型。A型由锚杯与螺母组成，用于张拉端。B型为锚板，用于固定端。用于锚具12～54根直径5mm碳素钢丝的钢丝束。（3）锥形螺杆锚具由锥形螺杆、套筒、螺母、垫板组成。适用于14、16、20、24、28根直径5mm的钢丝束。二．张拉机具和设备张拉设备由液压千斤顶、供油用的高压油泵和外接油管三部分组成。

(一)、千斤顶在后张法中，目前常用的千斤顶有拉杆式千斤顶（代号为YL)、穿心式千斤顶(代号为YC)和锥锚式千斤顶（代号为YZ)。千斤顶的选择主要依据锚具型式和总张拉力的大小。1．拉杆式千斤顶拉杆式千斤顶由主油缸、主缸活塞、回油缸、回油活塞、连接器、传力架、活塞拉杆等组成。目前常用的一种千斤顶是YL60型拉杆式千斤顶。适用于张拉采用螺丝端杆锚具的粗钢筋、锥形螺杆锚具的钢丝束及镦头锚具的钢筋束。

2．穿心式千斤顶穿心式千斤顶是一种适应性较强的千斤顶，穿心式千斤顶是利用双液压缸张拉预应力筋和顶压锚具的双作用千斤顶。穿心式千斤顶适用于张拉带JM型锚具、XM型和KT-Z型锚具的钢筋束、钢丝束或钢绞线束，配上撑脚与拉杆后，也可作为拉杆式千斤顶张拉带螺丝端杆锚具和镦头锚具的预应力筋。

YC60型千斤顶，主要由张拉油缸、顶压油缸、顶压活塞、穿心套、保护套、端盖堵头、连接套、撑套、回弹弹簧和动、静密封圈等组成。该千斤顶具有双作用，即张拉与顶锚两个作用。故称YC60型为穿心式双作用千斤顶。（动画演示）3．锥锚式千斤顶锥锚式千斤顶是具有张拉、顶锚和退楔功能三作用的千斤顶，用于张拉带钢质锥形锚具的钢丝束。系列产品有：YZ38，YZ60和YZ85型千斤顶。锥锚式千斤顶由张拉油缸、顶压油缸、退楔装置、楔形卡环、退楔翼片等组成。三．后张法施工工艺（视频）清理孔道穿筋张拉预应力筋孔道灌浆起吊运输

安装底模安装钢筋骨架、支模埋管制孔浇筑混凝土抽管养护、拆模制混凝土试块压混凝土试块制作水泥浆试块预应力筋制作张拉机具标定灌浆机具准备

后张法施工工艺与预应力施工有关的是孔道留设、预应力筋张拉和孔道灌浆三部分。

(一)孔道留设

1、孔道留设的基本要求

构件中留设孔道主要为穿预应力钢筋(束)及张拉锚固后灌浆用。孔道留设的基本要求：

①孔道直径应保证预应力筋(束)能顺利穿过。

②孔道应按设计要求的位置、尺寸埋设准确、牢固，浇筑混凝土时不应出现移位和变形。

③在设计规定位置上留设灌浆孔。

④在曲线孔道的曲线波峰部位应设置排气兼泌水管，必要时可在最低点设置排水管。

⑤灌浆孔及泌水管的孔径应能保证浆液畅通。

2、孔道留设的方法

（1）钢管抽芯法预先将钢管埋设在模板内孔道位置处，在混凝土浇筑过程中和浇筑之后，每间隔一定时间慢慢转动钢管，使之不与混凝土粘结，待混凝土初凝后、终凝前抽出钢管，即形成孔道。该法只可留设直线孔道。钢管一般用间距不大于1m的钢筋井字架固定钢管位置。一般在初凝后、终凝前，以手指按压混凝土不粘浆又无明显印痕时则可抽管。常温下，一般3～6小时即可抽管。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）胶管抽芯法胶管有夹布胶管和钢丝网胶管两种。前者用间距不大于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，待浇筑的混凝土初凝后，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。

抽管顺序：先上后下，先曲后直。钢管的连接胶管的封端处理胶管与阀门连接（3）预埋管法

预埋管法是用钢筋井字架将黑铁皮管、薄钢管或金属螺旋管固定在设计位置上，在混凝土构件中埋管成型的一种施工方法。

适用于预应力筋密集或曲线预应力筋的孔道埋设，但电热后张法施工中，不得采用波纹管或其他金属管埋设的管道。波纹管或其他金属管预埋在构件中，浇筑混凝土后不再抽出。螺旋管上留灌浆孔螺旋管的连接视频录像（二）预应力筋张拉1．混凝土的张拉强度张拉时构件或结构的混凝土强度应符合设计要求，当设计无具体要求时，不应低于设计强度标准值的75%

。2．张拉控制应力及张拉程序预应力张拉控制应力应符合设计要求，最大张拉控制应力不能超过下表的规定。为了减少预应力筋的松弛损失等，与先张法一样采用超张拉法，其张拉程序为：

01.05（超张拉法）

01.03（一次张拉法）持荷2分钟控制应力和超张拉最大应力限值注：表中fptk、fpyk分别为预应力筋的抗拉强度标准值和屈服强度标准值。3．张拉方法张拉方法有一端张拉和两端张拉。两端张拉，宜先在一端张拉，再在另一端补足张拉力。如有多根可一端张拉