第六章 预应力混凝土工程

第六章预应力混凝土工程普通钢筋砼构件的抗拉极限应变只有0.1--0.15×10-3。构件砼受拉开裂时，受拉钢筋的应力仅达1/4--1/3，钢筋的抗拉强度未能充分发挥。预应力砼是在构件承受外荷载前，预先在构件的受拉区对砼施加预压应力。使用阶段的构件在外荷载作用下产生拉应力时，先要抵消预压应力，这就推迟了砼裂缝的出现并限制了裂缝的开展，从而提高构件的抗裂度和刚度。6.1概述6.1.1预应力混凝土的材料6.1.2预应力混凝土的特点6.1.3预应力混凝土的分类6.1.1预应力混凝土的材料1.预应力筋（1）高强度。钢材强度越高，损失率越小，经济效益越好。（2）具有较好的塑性。（3）与混凝土有较好的粘结度。（4）有良好的加工性能，如可焊性。通常的预应力钢筋由单根或成束的钢丝、钢绞线或钢筋组成。2.混凝土一般要求混凝土强度等级一般不低于C30。当采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。6.1.2预应力砼的优缺点⑴有效利用高强钢材；⑵减小结构构件的截面尺寸、自重，节省材料，同时还能增大结构构件跨度；⑶提高使用荷载下结构的抗裂性和刚度；⑷质量好、降低工程造价、结构耐久性好；⑸技术含量高、操作要求严，需要增添专用设备。6.1.3预应力混凝土的分类（1）先张法先张法是先张拉预应力钢筋，后浇筑混凝土的预应力混凝土生产方法。这种方法需要专用的生产台座和夹具，以便张拉和临时锚固预应力钢筋，待混凝土达到设计强度后．放松预应力钢筋。先张法适用于预制厂生产中小型预应力混凝土构件，预应力是通过预应钢力筋与混凝土之间的粘结力传递给混凝土的。（2）后张法后张法是先浇筑混凝土，后张拉预应力筋的预应力混凝土生产方法。这种方法需要预留孔道和专用的锚具，张拉锚固预应力筋后要求进行孔道灌浆。在后张法的预应力混凝土中，预应力可分为有粘结和无粘结两种。后张法适用于施工现场生产大型预应力混凝土构件与结构，预应力是通过锚具传递给混凝土的。6.2先张法先张法是在砼构件浇筑前先张拉预应力筋，并用夹具将其临时锚固在台座或钢模上，再浇筑构件砼，待其达到一定强度后(约75%)放松并切断预应力筋，预应力筋产生弹性回缩，借助砼与预应力筋间的粘结，对砼产生预压应力。先张法施工工艺示意图6.1.1先张法的施工设备先张法的施工设备主要有台座、夹具和张拉设备。

台座承受全部预应力筋的拉力，故台座应具有足够的强度、刚度和稳定性，以免因台座变形、倾覆和滑移而引起预应力的损失。

台座由台面、横梁和承力结构组成。按构造形式不同，可分为墩式台座、槽形台座等。台座可成批生产预应力构件。1.台座墩式台座

墩式台座由现浇钢筋砼做成，台座应具有足够的强度、刚度和稳定性，台座设计应进行抗倾覆验算与抗滑移验算。槽式台座

由端柱、传力柱、柱垫、横梁和台面组成，既可承受张拉力和倾覆力矩,加盖后又可作为蒸汽养护槽。适用于张拉吨位较大的吊车梁、屋架、箱梁等大型预应力砼构件。槽式台座构造示意图2.夹具和张拉设备(1)夹具在先张法构件施工时，用于保持预应力筋的拉力并将其固定在生产台座(或设备)上的临时性锚固装置。按用途分为将预应力固定在台座上的锚固夹具和张拉时夹持预应力筋用的张拉夹具。锚固夹具：钢质锥形、墩头、夹片式GZ型钢质锥形锚具张拉好的钢质锥形锚具锚圈套筒锚塞圆锥销子砼构件锥形锚具高强钢丝束钢质锥形锚具：单根钢丝（直径3-5mm）锚具，由套筒和圆锥销子组成。固定端镦头夹具单根镦头钢筋螺杆夹具镦头锚具适用于具有镦粗头的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级螺纹钢筋，也可用于预应力钢丝固定端的锚固。夹片式夹具：由夹片和套筒组成。张拉夹具：将预应力筋与张拉机械连接起来，进行预应力张拉的工具。(a)钳式(b)偏心式(c)楔形1－钢丝；2－钳齿；3－拉钩；4－偏心齿条；5－拉环；6－锚板；7－楔块（2）张拉设备1.穿心式千斤顶2.电动螺杆张拉机3.电动卷扬机拉杆式千斤顶张拉钩连接套筒承力架电动螺杆张拉机的工作原理图单根钢丝张拉：台座法多进行单根张拉，由于张拉力较小，一般可采用10～20kN电动螺杆张拉机或电动卷扬机单根张拉，弹簧测力计测力，优质锥销式夹具锚固。数控式预应力钢丝张拉机单根钢绞线张拉前卡式千斤顶逐根张拉粗钢筋的张拉钢筋预应力张拉机1钢筋预应力张拉机26.2.3先张法

施工工艺1.预应力筋的铺设台座台面涂隔离剂；对遭受污染的钢筋，应先加以清洗；

防雨水冲刷隔离剂；钢丝用牵引车铺设；钢丝接长：可用钢丝拼接器用20～22号铁丝密排绑扎2.预应力筋的张拉（1）张拉方法一般预制场常用成组张拉方法，施工现场常用单根张拉方法。（2）预应力筋的张拉1）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。为了抵消预应力损失，施工中采用超张拉工艺，使超张拉应力比控制应力提高5%。预应力筋种类先张法后张法碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线 0.80fptk0.75fptk热处理钢筋、冷拔低碳钢丝 0.75fptk0.7fptk冷拉钢筋 0.95fpyk0.9fpyk

fptk：极限抗拉强度标准值

fpyk：屈服强度标准值

超张拉可比设计要求提高5%，但最大张拉控制应力不得超过下列规定：2）张拉程序张拉程序可按下列之一进行：

或其中σcon为预应力筋的张拉控制应力为了减少应力松弛损失，预应力钢筋宜采用的张力程序。预应力钢丝张拉工作量大时，宜采用一次张拉程序0→103%σcon。3）张拉力N－预应力筋张拉力； m—超张拉系数，1.03或1.05；—预应力筋张拉控制应力；—预应力筋的截面积4）预应力值的校核

预应力钢筋的张拉力，一般用伸长值校核。若实际伸长值与计算伸长值从偏差超过±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。预应力筋理论伸长值ΔL按下式计算：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。（3）砼的浇筑与养护（1）预应力筋张拉完成后，应尽快进行钢筋绑扎、模板拼装和砼浇筑等工作。砼浇筑时，振动器不得碰撞预应力筋。砼未达到强度前，也不允许碰撞或踩动预应力筋。（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）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7.5-10MPa后按正常速度升温)。（4）预应力筋的放张砼强度达到设计规定的数值（不小于标准强度的75%）后，才可放松预应力筋。1）放张顺序①轴心受预压构件，所有预应力筋应同时放张；②偏心受预压构件，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；③不能满足上述要求时，应分阶段、对称、交错地放张，防止构件在放张过程中产生弯曲、裂纹或预应力筋断裂。2）放张方法①当预应力筋采用钢丝时，配筋不多的中小型钢筋砼构件，钢丝可用砂轮锯或切断机切断等方法放松。 配筋多的钢筋砼构件，钢丝应同时放松，如逐根放松，则最后几根钢丝将由于承受过大的拉力而突然断裂，易使构件端部开裂。

长线台座上放松后预应力筋的切断顺序，一般由放松端开始，逐次切向另一端。长线法生产预应力空心板②预应力筋为钢筋时，对热处理钢筋及冷拉IV级钢筋不得用电弧切割，宜用砂轮锯或切断机切断。数量较多时，也应同时放松。多根钢丝或钢筋的同时放松，可用油压千斤顶放张、砂箱放张、楔块放张等方法。楔块放张砂箱放张③采用湿热养护的预应力砼构件，宜热态放松预应力筋，而不宜降温后再放松。（5）先张法施工注意事项1）台座法张拉预应力筋时，应先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋，避免台座承受过大的偏心压力。张拉宜分批、对称进行。2）采用应力控制法张拉时，应校核预应力筋的伸长值。当实际伸长值与计算伸长值的偏差大于±6%时，应暂停张拉，查明原因并采取措施调整后，方可继续张拉。3）多根预应力筋同时张拉时，须事先调整初应力，使相互间的应力一致。预应力筋张拉锚固后的实际预应力值与设计规定检验值的相对允许偏差为±5%。4）先张法中的预应力筋不允许出现断裂或滑脱。在浇筑砼前发生断裂或滑脱的预应力筋必须予以更换。5）锚固时，张拉端预应力筋的回缩量应符合设计要求，设计无要求时不得大于施工规范规定。

6）张拉锚固后，预应力筋对设计位置的偏差不得大于5mm，且不得大于构件截面短边尺寸的4%。

7）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。预应力筋张拉的安全防护6.3后张法施工 后张法是先制作构件并预留孔道，待构件砼达到规定强度后，在孔道内穿入预应力筋，张拉并锚固，然后孔道灌浆。

后张法不需台座，广泛应用于现场生产的大型预应力构件和现浇砼结构中。但工序较多，锚具耗钢量较大。T梁预应力张拉有粘结预应力混凝土工艺流程铺底模，钢筋及侧模埋管制孔调整初应力浇筑砼制作砼试块锚具制作抽管，养护拆模预应力筋制作张拉预应力筋孔道灌浆构件起吊、运输穿筋压试块制作砂浆试块压砂浆试块张拉机具准备灌浆机具准备6.3.1预应力筋制作、锚具和张拉机具在后张法中，预应力筋、锚具和张拉机具是配套的。常用的预应力筋有单根粗钢筋、钢筋束（或钢绞线束）和钢丝束等。1.单根粗钢筋

（1）锚具1）螺丝端杆锚具：由螺丝端杆、螺母和垫板组成，将预应力筋与螺丝端杆对焊，张拉设备张拉螺丝端杆，用螺母锚固预应力钢筋。螺丝端杆锚具构造图2）帮条锚具由一块方板和三根帮条组成，一般用在单根粗钢筋作预应力筋的固定端。3）墩头锚具（2）预应力筋制作1）单根预应力筋制作(1)制作工序：配料、对焊、冷拉(2)下料长度计算：与使用的锚具有关系2）钢筋束及钢绞线束制作(1)制作工序：开盘冷拉、下料和编束(2)下料长度计算：与张拉方式有关系3）钢丝束制作(1)制作工序：调直、下料、编束和安装锚具(2)下料长度计算：与使用的锚具有关系(3)编束：保证钢丝不发生扭结

（1）锚具常用的锚具有JM型、XM型、QM型、墩头锚具。2.钢筋束或钢绞线束JM型锚具JM型锚具由锚环和夹片组成(a)预应力筋与锚具连接图(b)JM型锚具的夹片(c)JM型锚具的锚环1－混凝土构件；2－孔道；3－钢筋束；4－JM型锚具的夹片；5－镦头锚具；6－甲型锚环；7－乙型锚环

JM锚具由锚环和六片夹片组成。主要用于锚固3～6根直径12mm的光圆或螺纹钢筋束，也可锚固5～6根直径为12mm或15mm的钢绞线束。可作为张拉端或固定端锚具。XM型锚具一种新型锚具，由锚环与三块夹片组成，适用于锚固钢绞线束、钢丝束；既可锚固单根预应力筋，又可锚固多根预应力筋。当用于锚固多根预应力筋时，既可单根张拉、逐根锚固，又可成组张拉、成组锚固；可用作工作锚具，也可用作工具锚具（重复使用）。QM型锚具3.钢丝束锚具：锥形螺杆锚具、钢质锥形锚具和钢丝束墩头锚具4.张拉机具设备拉杆式千斤顶

穿心式千斤顶

椎锚式千斤顶

供油用高压油泵

外接油泵

是一种利用双液压缸张拉预应力筋和顶压锚具的双作用千斤顶。既可用于需要顶压的夹片锚的整体张拉，配上撑脚与拉杆后，还可张拉镦头锚和冷铸锚。广泛用于先张、后张法的预应力施工。穿心式千斤顶YDC型穿心式千斤顶构造示意图千斤顶张拉中YDC型穿心式千斤顶

拉杆式千斤顶为空心拉杆式千斤顶，选用不同的配件可组成几种不同的张拉形式。可张拉DM型螺丝端杆锚、JLM精轧螺丝钢锚具，LZM冷铸锚等。拉杆式千斤顶拉杆式千斤顶构造示意图YCL拉杆式千斤顶

是一种具有张拉、顶锚和退楔功能的三作用千斤顶，专用于张拉及顶压锚固带钢质锥形(弗氏)锚的钢丝束。锥锚式千斤顶张拉GZ型锚具实例

YDZ850型千斤顶构造示意图高压油泵高压油泵向液压千斤顶的油缸高压供油。油泵的额定压力应等于或大于千斤顶的额定压力。高压油泵的额定压力为40～80MPa。千斤顶张拉时，张拉力的大小是通过油泵上的油压的读数来控制的。油压表的读数表示千斤顶张拉油缸活塞单位面积的油压力。在理论上如已知张拉力N，活塞面积

A，则可求出张拉时油表的相应读数P

。ZB型油泵YBZ型高压泵站铺底模支侧模、绑扎钢筋埋管制孔浇混凝土抽管养护拆模穿预应力筋预应力筋张拉孔道灌浆起吊运输6.3.2后张法施工工艺

粗钢筋的孔道直径应比对焊接头外径或需穿过孔道的锚具、连接器外径大10～15mm，钢丝、钢铰线的孔道直径应比预应力束外径或锚具外径大5～10mm，且孔道面积宜为预应力筋净面积的3～4倍。孔道至构件边缘的净距不小于40mm，孔道之间的净距不小于50mm；端部的预埋钢板应垂直于孔道中心线；凡需起拱的构件，预留孔道应随构件同时起拱。1.孔道留设孔道成型有钢管抽芯法、胶管抽芯法和埋管法。孔道成型的要求是：孔道的尺寸与位置正确，孔道平顺，接头不漏浆。（1）钢管抽芯法——用于直线孔道。

钢管要求：平直、表面光滑，每根不超过15m，超过15m用两根钢管，中间套管连接；

构件中固定：用钢筋井字架，间距不大于1m；两根钢管的套管连接钢管固定井字架防止粘结措施：浇筑后，每隔10～15min时间转动钢管（两根钢管时，旋转方向要相反）；抽管时机：初凝后、终凝前，以手指按压砼，无明显压痕又不沾浆即可用卷扬机匀速拔出；常温下一般在砼浇筑后3～5h；抽管顺序：先上后下；先中间，后周边；抽管时边抽边转、速度均匀、与孔道成一直线。质量控制：抽管后，及时检查孔道并做好孔道清理工作，以防止穿筋困难。（2）胶管抽芯法——可用于直线或曲线孔道。胶管要求：胶管有夹布胶管或钢丝网胶管两种。使用前，一端封堵，另一端与阀门连接，充水(气)加压至0.5～0.8MPa，使胶皮管直径增大约3mm。构件中固定：用钢筋井字架，间距不大于0.5m；防止粘结措施：浇筑后不需转动胶管，只需在抽管前放水(气)降压，待管径缩小与砼脱离即可抽管；抽管时机：待混凝土初凝后、终凝前，将胶管阀门打开放水(或放气)降压，胶管回缩与混凝土自行脱落。抽管时间比钢管略迟；抽管顺序：先上后下；先曲后直。一端封堵，另一端与阀门连接胶管的封端处理胶管与阀门连接（3）预埋管法——预埋管法可采用薄钢管、镀锌钢管和金属螺旋管、塑料波纹管，埋入后不再抽出，可用于各类形状的孔道，是目前大力推广的孔道留设方法。波纹管要求：在1KN径向力作用下不变形，使用前进行灌水试验，检查有无渗漏，防止水泥浆流入管内堵塞孔道；安装就位过程中避免反复弯曲，以防管壁开裂。预应力塑料波纹管预应力金属螺旋管（4）灌浆孔、排气孔在孔道留设的同时应留设灌浆孔和排气孔。灌浆孔：一般在构件两端和中间每隔12m设置一个灌浆孔，孔径20～25mm（与灌浆机输浆管嘴外径相适应），用木塞或白铁皮管留设。排气孔：构件的两端留设排气孔，曲线孔道的峰顶处应留设排气兼泌水孔，必要时可在最低点设置排水孔。

波纹管上留设灌浆孔用木塞留设灌浆孔2.预应力筋穿入孔道

预应力筋穿入孔道按穿筋时机分有先穿束和后穿束。箱梁的人工后穿束预应力筋穿插入孔道的箱梁

先穿束：在砼浇筑前穿束，省力，但穿束占用工期，预应力筋保护不当易生锈；后穿束在砼浇筑后进行，不占用工期，穿筋后即进行张拉，但较费力。对于长度在50m以内的的二跨曲线束，还是多采用人工穿束；对于超长束、特重束、多波曲线束应采用卷扬机穿束；目前用穿束机穿束也在越来越多的工程中得到使用。构皮滩大坝中孔闸墩新式U型预应力锚索穿索试验2.预应力筋张拉（1）准备工作1）砼强度检验：砼强度应满足设计要求，设计无要求时应不低于设计强度的75%，分段制作的构件在张拉前完成拼装，块体拼装立缝处的砼或砂浆强度不低于砼强度的40%，且不得低于15N/mm2；2）构件端头清理；3）搭设张拉台，安装锚具与张拉设备。（2）张拉方法（1）对抽芯成形孔道：长度≤24m直孔——一端张拉（多根筋时，张拉端设在结构两端）；长度>24m直孔、曲线孔——两端张拉（一端锚固后，另一端补足再锚固）。（2）对预埋波纹管孔道：长度≤30m直孔——一端张拉；长度＞30m直孔、曲线孔——两端张拉。（3）张拉顺序①对配有多根预应力筋的预应力混凝土构件，由于不可能同时一次张拉完预应力筋，应分批、分阶段对称的进行张拉。分批张拉时，要考虑后批预应力筋张拉时对混凝土产生的弹性压缩，从而引起前批张拉的预应力筋应力值降低，所以对前批张拉的预应力筋的张拉应力应增加Δσ，也可以对先批预应力筋逐根复位补足的办法处理。使分批张拉完成后，每根预应力筋的张拉力基本相等。分批、分阶段对称张拉②现场平卧重叠制作的后张法预应力构件，其张拉顺序宜先上后下逐层进行，为减少上下层之间因磨擦力引起的预应力损失，应视预应力筋和隔离剂的类别逐层加大张拉力。3.孔道灌浆预应力筋张拉后，应尽快进行孔道灌浆，以防保护预应力筋以免锈蚀。（1）灌浆材料P209①水泥≮32.5级普硅；②水泥浆强度≮20MPa；③水灰比0.4左右；④泌水率：拌后三小时宜控制在2%，最大≯3%⑤可掺适量减水剂（2）灌浆工艺1）先灌下层孔道，后灌上层孔道，以免上层孔道漏浆把下层孔道堵塞、2）灌浆工作应缓慢均匀进行，不得中断，并应排气通顺，在出浆口冒出浓浆并封闭排气口后，继续加压至0.5～0.6N/mm2，再封闭灌浆孔，以确保孔道灌浆的密实性。3）对抽芯成孔的孔道采用压力水冲洗湿润。4）对较大直径孔道进行灌浆时，可采取“二次压浆法”，以增强孔道的充实率。

6.4无粘结预应力混凝土施工无粘结预应力混凝土施工是在预应力筋表面刷涂料并包塑料布(管)后，如同普通钢筋一样先铺设在安装好的模板内，然后浇筑混凝土，待混凝土达到设计要求强度后，进行预应力筋张拉锚固。这种工艺的优点是不需要预留孔道和灌浆，施工简单，张拉时摩阻力较小，预应力筋具