预应力混凝土工程课件

預應力混凝土工程

預應力混凝土的概念

預應力混凝土能充分發揮高強度鋼材的作用，即在外荷載作用於構件之前，利用鋼筋張拉後的彈性回縮，對構件受拉區的混凝土預先施加壓力，產生預壓應力，使混凝土結構在作用狀態下充分發揮鋼筋抗拉強度高和混凝土抗壓能力強的特點，可以提高構件的承載能力。當構件在荷載作用下產生拉應力時，首先抵消預應力，然後隨著荷載不斷增加，受拉區混凝土才受拉開裂，從而延遲了構件裂縫的出現和限制了裂縫的開展，提高了構件的抗裂度和剛度。這種利用鋼筋對受拉區混凝土施加預壓應力的鋼筋混凝土，叫做預應力混凝土。預應力混凝土的產生

由於混凝土抗拉性能很差，使鋼筋混凝土存在兩個不能解決的問題：一是需要帶裂縫工作，裂縫的存在，不僅使構件剛度下降很多，而且不能應用於不允許開裂的結構中；二是從保證結構耐久性出發，必須限制裂縫開展寬度，這使高強度鋼筋無法在鋼筋混凝土結構中充分發揮其作用，相應地也不可能充分發揮高標高混凝土的作用。這樣，當荷載增加時，只有靠鋼筋混凝土構件中的截面尺寸或增加鋼筋用量方法來控制構件的裂縫和變形了。這樣做既不經濟又必然使構件自重增加。採用預應力混凝土是解決這一矛盾的有效辦法。

預應力混凝土的基本原理

事先人為地在混凝土或鋼筋混凝土中引入內部應力，且其值和分佈，能將使用荷載產生的應力抵消到一個合適的程度的混凝土。這就是說，它是預先對混凝土或鉿構件施工加壓應力，使之建立一種人為的應力狀態，這種應力的大小和分佈規律，能有利抵消使用荷載作用下產生的拉應力。因而使構件在使用荷載作用下不致開裂，或推遲開裂，或者減小裂縫開展的寬度，以提高構件抗裂度及剛度。預應力混凝土的發展

1、預應力混凝土的概念在19世紀末提出，但早期的試驗並不成功，主要是因為對混凝土收縮與徐變的影響認識不清，預應力筋沒有採用高強鋼筋，因為只有高強鋼筋才有足夠的應變能力來抵抗混凝土的非彈性縮短。

2、直到1925年高強鋼筋用於預應力結構，由法國學者弗來西奈將高強鋼材引入預應力混凝土結構，並且建成了一些重要的預應力結構，預應力的願望才得以實現。

3、我國從1956年推廣應用預應力混凝土，現在無論在數量以及結構類型方面均得到迅速發展。

預應力混凝土的分類：

1、按預加應力的方法分：先張法、後張法。

2、按張拉方法分：機械張拉(液壓或電動螺杆)、電熱張拉。

3、按預應力筋粘結狀態分：有粘結預應力混凝土和無粘結預應力混凝土。第一節

先張法

先張法是在澆築混凝土之前，先張拉預應力鋼筋，並將預應力筋臨時固定在臺座或鋼模上，待混凝土達到一定強度(一般不低於混凝土設計強度標準值的75%)，混凝土與預應力筋具有一定的粘結力時，放鬆預應力筋，使混凝土在預應力的反彈力作用下，使構件受拉區的混凝土承受預壓應力。

工藝過程：張拉固定鋼筋→澆混凝土→養護(至75%強度)→放張鋼筋

適用於：構件廠生產中、小型構件(樓板、屋面板、吊車梁、薄腹梁……)

先張法施工工藝如圖6-1所示。圖6-1

先張法施工工藝

二、先張法的施工設備

(一)臺座

1、要求：有足夠的強度、剛度和穩定性；滿足生產工藝的要求。

2、形式：

①墩式(傳力墩、臺面、橫樑)

長度100～150m，適於中、小型構件。

墩式臺座的幾種形式如圖6-2所示。

②槽式(傳力柱、上下橫樑、磚牆)

–長45～76m，適於雙向預應力構件,易於蒸汽養護。槽式臺座如圖6-3所示。圖6-2

墩式臺座的幾種形式槽式臺座圖6-3圖6-4(１)鋼質錐形夾具

二、先張法的施工設備

(二)夾具：

夾具是先張法構件施工時保持預應力筋拉力，並將其固定在張拉臺座(或設備)上的臨時性錨固裝置。

按其工作用途不同分為錨固夾具和張拉夾具。

1、鋼絲錨固夾具：如圖6-4(1)所示

錐形夾具錐形夾具可分為圓錐齒板式夾具和圓錐槽式夾具，如圖6-4(2)所示。

鐓頭夾具:如圖6-5所示，採用鐓頭夾具時，將預應力筋端部熱鐓或冷鐓，通過承力分孔板錨固。2、鋼筋錨固夾具

·鋼筋錨固常用圓套筒三片式夾具，由套筒和夾片組成(圖6-6)。

·其型號有YJ12、YJ14，適用於先張法；用YC-18型千斤頂張拉時，適用於錨固直徑為12mm、14mm的單根冷拉HRB335、HRB400、RRB400級鋼筋。3、張拉夾具

張拉夾具是夾持住預應力筋後，與張拉機械連接起來進行預應力筋張拉的機具。

常用的張拉夾具有月牙形夾具、偏心式夾具、楔形夾具等，如圖6-7所示，適用於張拉鋼絲和直徑16mm以下的鋼筋。

二、先張法的施工設備

(三)張拉設備

張拉機具的張拉力應不小於預應力筋張拉力的1.5倍；張拉機具的張拉行程不小於預應力筋伸長值的1.1～1.3倍。

1、鋼絲張拉設備

·鋼絲張拉分單根張拉和成組張拉。

·用鋼模以機組流水法或傳送帶法生產構件時，常採用成組鋼絲張拉。

·在臺座上生產構件一般採用單根鋼絲張拉，可採用電動捲揚機、電動螺杆張拉機進行張拉。

①電動捲揚機張拉、杠杆測力裝置

如圖6-8所示。

②電動螺杆張拉機

如圖6-9所示，電動螺杆張拉機由螺杆、頂杆、張拉夾具、彈簧測力器及電動機組成。2、鋼筋張拉設備

穿心式千斤頂用於直徑12～20mm的單根鋼筋、鋼絞線或鋼絲束的張拉。

用YC－20型穿心式千斤頂(圖6-10)張拉時，高壓油泵啟動，從後油嘴進油，前油嘴回油，被偏心夾具夾緊的鋼筋隨液壓缸的伸出而被拉伸。

YC－20型穿心式千斤頂的最大張拉力為20kN，最大行程為200mm。適用於用圓套筒三片式夾具張拉錨固12～20mm單根冷拉HRB335、HRB400和RRB400鋼筋。

鋼筋成組張拉見圖6-11所示。

圖6-10圖6-11

三、先張法施工工藝

先張法的工藝流程如下圖所示，其中關鍵是預應力筋的張拉與固定，混凝土澆築以及預應力筋的放張。(一)張拉預應力筋：

1、張拉程式

可按下列之一進行：0→1.05σcon(持荷2分鐘)→σcon或0→1.03σcon其中σcon為預應力筋的張拉控制應力為了減少應力鬆弛損失，預應力鋼筋宜採用0→1.05σcon(持荷2分鐘)→σcon的張拉程式。

預應力鋼絲張拉工作量大時，宜採用一次張拉程式0→1.03σcon

超張拉——減少由於鋼筋鬆弛變形造成的預應力損失。持荷兩分鐘——加速鋼筋鬆馳的早期發展。(第1分鐘內完成損失總值的50%)

應力鬆馳：鋼材在常溫、高應力狀態下，具有不斷產生塑性變形的特點，導致鋼筋應力下降。2、控制應力及最大應力：

張拉控制應力是指在張拉預應力筋時所達到的規定應力，應按設計規定採用。

控制應力的數值直接影響預應力的效果。施工中採用超張拉工藝，使超張拉應力比控制應力提高3%～5%。

預應力筋的張拉控制應力，應符合設計要求。施工中預應力筋需要超張拉時，可比設計要求提高3%～5%，但其最大張拉控制應力不得超過表6-1的規定。

3、預應力值的校核

預應力鋼筋的張拉力，一般用伸長值校核。

預應力筋理論伸長值ΔL按下式計算：

式中：FP—預應力筋平均張拉力，kN；軸線張拉取張拉端的拉力；兩端張拉的曲線筋取張拉端的拉力與跨中扣除孔道摩阻損失後拉力的平均值；

L—預應力筋的長度，mm；

AP—預應力筋的截面面積，mm2；

ES—預應力筋的彈性模量，kN/mm2。

預應力筋的實際伸長值，宜在初應力約為10%σcon時測量，並加初應力以內的推算伸長值。4、張拉要點：

(1)張拉時應校核預應力筋的伸長值。實際伸長值與設計計算值的偏差不得超過±6%，否則應停拉；

(2)從臺座中間向兩側進行(防偏心損壞臺座)

(3)多根成組張拉，初應力應一致(測力計抽查)

(4)拉速平穩，錨固鬆緊一致，設備緩慢放鬆

(5)拉完的筋位置偏差≯5mm，且≯構件截面短邊的4%

(6)冬季張拉時，溫度≮－15℃

(7)注意安全：兩端嚴禁站人，敲擊楔塊不得過猛。(二)混凝土澆築與養護：1、混凝土一次澆完，混凝土≮C30。2、防止較大徐變和收縮：選收縮變形小的水泥，水灰比≯0.5，級配良好，振搗密實(特別是端部)。

·混凝土收縮：由於水泥漿在硬化過程中脫水密結和毛細孔壓縮的結果

·混凝土徐變：指混凝土在荷載長期作用下產生的塑性變形3、採用機械振搗密實時，要避免碰撞鋼絲。混凝土未達到一定強度前，不允許碰撞或踩踏鋼絲。4、減少應力損失：非鋼模臺座生產，採取二次升溫養護，(開始溫差≯20℃，達10MPa後按正常速度升溫)。三、先張法施工工藝(三)預應力筋放張：1、條件：混凝土達到設計規定且≮75%強度值後。2、放張順序:

(1)預應力筋放張時，應緩慢放鬆錨固裝置，使各根預應力筋緩慢放鬆。

(2)預應力筋放張順序應符合設計要求，當設計未規定時，可按下列要求進行：

承受軸心預應力構件的所有預應力筋應同時放張；承受偏心預壓力構件，應先同時放張預壓力較社區域的預應力筋，再同時放張預壓力較大區域的預應力筋。

長線臺座生產的鋼弦構件，剪斷鋼絲宜從臺座中部開始；疊層生產的預應力構件，宜按自上而下的順序進行放鬆；板類構件放鬆時，從兩邊逐漸對稱向中心進行。3、放張方法

(1)對於中小型預應力混凝土構件，預應力絲的放張宜從生產線中間處開始，以減少回彈量且有利於脫模；對於大構件應從外向內對稱、交錯逐根放張，以免構件扭轉、端部開裂或鋼絲斷裂。

(2)放張單根預應力筋，一般採用千斤頂放張，如圖6-12(a)所示。

(3)構件預應力筋較多時，整批同時放張可採用砂箱、楔塊等放鬆裝置。

砂箱裝置如圖6-12(b)所示。

楔塊放張裝置如圖6-12(c)所示。注：可用鋸斷，剪斷，熔斷(僅限於Ⅰ～Ⅲ級冷拉筋)方法放張，但對鋼絲、熱處理鋼筋不得用電弧切割。第二節

後張法

一、後張法的概念

先製作混凝土構件，並在預應力筋的位置預留出相應道，待混凝土強度達到設計規定的數值後，穿入預應力筋進行張拉，並利用錨具把預應力筋錨固，最後進行孔道灌漿。

工藝過程：澆築混凝土結構或構件(留孔)→養護拆模→(達75%強度後)穿筋張拉→固定→孔道灌漿→(漿達15N/mm2,混凝土達100%後)移動、吊裝。

適用於：大構件及結構的現場施工——預製拼裝，結構張拉。

特點：不需臺座；但工序多、工藝複雜，錨具不能重複利用。後張法施工工藝如圖6-13所示

二、預應力筋、錨具和張拉機具

(一)單根粗筋(直徑18～36mm)：

1、錨具：

單根粗鋼筋的預應力筋，如果採用一端張拉，則在張拉端用螺絲端杆錨具，固定端用幫條錨具或鐓頭錨具；如果採用兩端張拉，則兩端均用螺絲端杆錨具。

(1)螺絲端杆錨具如圖6-14(1)及圖6-14(2)所示。

(2)幫條錨具如圖6-15所示。

(3)鐓頭錨具由鐓頭和墊板組成圖6-14(1)

螺絲端杆錨圖6-14(2)

LM型螺絲端杆錨

用於預應力鋼筋的張拉錨固，依靠對焊與預應力鋼筋連接。

圖6-15

2、預應力筋製作：

工序：下料→對焊→冷拉。

下料長度計算：

①當兩端用螺絲端杆錨具時——鋼筋下料長度：

②當一端用螺杆、一端用幫條時:鋼筋下料長度：3、張拉設備：

拉杆式千斤頂(YL－60)，如圖6-16所示；穿心式千斤頂(YC－60、YC－20、YC－18),如圖6-17(1)及圖6-17(2)所示,配置撐腳和拉杆等附件後,可作為拉杆式千斤頂使用。

圖6-16

圖6-17(1)

(二)鋼筋束、鋼絞線1、錨具

鋼筋束、鋼絞線採用的錨具有JM型、KT-Z型、XM型、QM型和鐓頭錨具等。其中鐓頭錨具用於非張拉端。

·JM型錨具

JM型錨具由錨環與夾片組成(圖6-18)，錨環分甲型和乙型兩種。

JM型錨具與YL60型千斤頂配套使用，適用於錨固3～6根直徑為12mm光面或螺紋鋼筋束，也可用於錨固5～6根直徑為12mm或15mm的鋼絞線束。

·KT-Z型錨具

KT-Z型錨具由錨環和錨塞組成(圖6-19)，，分為A型和B型兩種。當預應力筋的最大張拉力超過450KN時採用A型，不超過450KN時，採用B型。

KT-Z型錨具適用錨固3～6根直徑為12mm的鋼筋束或鋼絞線束。

·XM型錨具

XM型和QM型錨具是一種新型錨具，由錨環和夾片組成(圖6-20)。利用楔形夾片，將每根鋼絞線獨立地錨固在帶有錐形的錨環上，形成一個獨立的錨固單元。

XM型錨具的夾片為斜開縫。

XM型錨具既可作為工作錨，又可兼作工具錨。圖6-18圖6-19圖6-20

·QM型錨具

QM型錨具與XM型錨具相似，它也是由錨板和夾片組成(圖6-21)。但錨孔是直的，錨板頂面是平的，夾片垂直開縫。此外，備有配套喇叭形鑄鐵墊板與彈簧等。

鐓頭錨具用於固定端(圖6-22(1)、圖6-22(2))，它由錨固板和帶鐓頭的預應力筋組成。2、預應力筋的製作：

工序：冷拉→下料→編束。

下料長度L：

兩端張拉：L

＝L0＋2a

一端張拉：L＝L0＋a＋b

a－－張拉端留量(600～850mm，由機具定)

b－－非張拉端外露長度(80～100mm)3、張拉設備：

錐錨式千斤頂(YZ60、YZ85)

――用於KT－Z及鋼制錐形錨具，如圖6-23所示。

穿心式千斤頂(YC60、YC120)

――用於JM－12、QM、XM錨具，如圖6-17(1)所示。大孔徑穿心式千斤頂(YCD、YCQ、YCW型)

－－用於大噸位鋼絞線束（群錨)，如圖6-24(1)、圖6-24(2)所示圖6-236-17(1)

6-24(1)

(三)鋼絲束1、錨具

鋼絲束用做預應力筋時，由幾根到幾十根直徑3～5mm的平行碳素鋼絲組成。其固定端採用鋼絲束鐓頭錨具，張拉端錨具可採用鋼質錐形錨具、錐形螺杆錨具、XM型錨具及QM型錨具。

①錐形螺杆錨具(圖6-25)用於錨固14、16、20、24或28根直徑為5mm的碳素鋼絲。

②鋼絲束鐓頭錨具(圖6-26)適用於12～54根直徑為5mm的碳素鋼絲。常用鐓頭錨具分為A型與B型。A型由錨杯與螺母組成，用於張拉端。B型為錨板，用於固定端。

③鋼質錐形錨具鋼質錐形錨具(圖6-27)用於錨固以錐錨式雙作用千斤頂張拉的鋼絲束，適用於錨固6、12、18或24根直徑5mm的鋼絲束。2、張拉設備

錐形螺杆錨具、鋼絲束鐓頭錨具宜採用拉杆式千斤頂(YL60型)或穿心式千斤頂(YC60型)張拉錨固。鋼質錐形錨具應用錐錨式雙作用千斤頂(常用YZ60型)張拉錨固。

3、鋼絲束製作

·鋼絲束製作一般需經調直、下料、編束和安裝錨具等工序。

·當用鋼質錐形錨具、XM型錨具時，鋼絲束的製作和下料長度計算基本上與預應力鋼筋束相同。

·鋼絲束鐓頭錨固體系，如採用鐓頭錨具一端張拉時，應考慮鋼絲束張拉錨固後螺母位於錨環中部。

·編束是為了防止鋼筋扭結。如圖6-28所示。

三、後張法施工工藝

後張法施工工藝與預應力施工有關的是孔道留設、預應力筋張拉和孔道灌漿三部分。

(一)孔道留設

1、孔道留設的基本要求

構件中留設孔道主要為穿預應力鋼筋(束)及張拉錨固後灌漿用。孔道留設的基本要求：

①孔道直徑應保證預應力筋(束)能順利穿過。

②孔道應按設計要求的位置、尺寸埋設準確、牢固，澆築混凝土時不應出現移位和變形。

③在設計規定位置上留設灌漿孔。

④在曲線孔道的曲線波峰部位應設置排氣兼泌水管，必要時可在最低點設置排水管。

⑤灌漿孔及泌水管的孔徑應能保證漿液暢通。

2、孔道留設的方法

預留孔道形狀有直線、曲線和折線形，孔道留設方法：1)鋼管抽芯法(圖6-29)預先將平直、表面圓滑的鋼管埋設在範本內預應力筋孔道位置上。在開始澆築至澆築後拔管前，間隔一定時間(一般15min)要緩慢勻速地轉動鋼管；待混凝土初凝後至終凝之前，用捲揚機勻速拔出鋼管即在構件中形成孔道。鋼管抽芯法只用於留設直線孔道，鋼管長度不宜超過15m，鋼管兩端各伸出構件500mm左右，以便轉動和抽管。構件較長時，可採用兩根鋼管，中間用套管連接(圖6-30)。抽管時間與水泥品種、澆築氣溫和養護條件有關。採用鋼筋束鐓頭錨具和錐形螺杆錨具留設孔道時，張拉端的擴大孔也可用鋼管成型，留孔時應注意端部擴孔應與中間孔道同心。(2)膠管抽芯法膠管採用5～7層帆布夾層，壁厚6～7mm的普通橡膠管，用於直線、曲線或折線孔道成型。膠管一端密封，另一端接上閥門，安放在孔道設計位置上；待混凝土初凝後、終凝前，將膠管閥門打開放水(或放氣)降壓，膠管回縮與混凝土自行脫落。一般按先上後下、先曲後直的順序將膠管抽出。如圖6-31所示。(3)預埋管法

預埋管法是用鋼筋井字架將黑鐵皮管、薄鋼管或金屬螺旋管固定在設計位置上，在混凝土構件中埋管成型的一種施工方法。如圖6-32、圖6-33、圖6-34所示。(二)預應力筋張拉1.張拉條件：

①結構的混凝土強度符合設計要求或達75%強度標準值；

②做好各種準備工作。2.張拉控制應力和超張拉最大應力：(比先張法均低0.05f)3、張拉順序

預應力筋張拉順序應按設計規定進行；如設計無規定時，應採取分批分階段對稱地進行。圖6.35所示是預應力混凝土屋架下弦預應力筋張拉順序。圖6.36所示是預應力混凝土吊車梁預應力筋採用兩臺千斤頂的張拉順序，對配有多根不對稱預應力筋的構件，應採用分批分階段對稱張拉。平臥重疊澆築的預應力混凝土構件，張拉預應力筋的順序是先上後下，逐層進行。4、張拉方法對於曲線預應力筋和長度大於24m的直線預應力筋，應採用兩端同時張拉的方法；長度等於或小於24m的直線預應力筋，可一端張拉，但張拉端宜分別設置在構件兩端。對預埋波紋管孔道曲線預應力筋和長度大於30m的直線預應力筋宜在兩端張拉，長度等於或小於30m的直線預應力筋可在一端張拉。安裝張拉設備時，對於直線預應力筋，應使張拉力的作用線與孔道中心線重合；對於曲線預應力筋，應使張拉力的作用線與孔道中心線末端的切線方向重合。5、張拉程式：同先張法。6、張拉安全事項在張拉構件的兩端應設置保護裝置，如用麻袋、草包裝土築成土牆，以防止螺帽滑脫、鋼筋斷裂飛出傷人；在張拉操作中，預應力筋的兩端嚴禁站人，操作人員應在側面工作。(三)孔道灌漿：1.目的：防止生銹；增加整體性。2.基本要求:(儘早進行，飽滿、密實)

預應力筋張拉後，應儘快地用灰漿泵將水泥漿壓灌到預應力孔道中去。