9预应力混凝土工程

预应力混凝土工程土木工程施工中,预应力工程是一项相对技术含量高的分项工程。在大跨度的桥梁以及高耸混凝土构筑物中，常常采用预应力技术控制构件的裂缝以及变形。目前，预应力技术在空间钢结构中也得到推广应用，对钢结构施加预应力可有效控制结构变形以及调整杆件的受力状态，使钢结构杆件的应力更趋合理，增加结构的空间刚度，并有效地降低结构的用钢量。预应力混凝土的概念及其理解预加力，使混凝土成为弹性材料；预加力使高强度钢材和混凝土协同工作并充分发挥两者的强度优势；预加应力实现荷载平衡。预应力混凝土的优缺点结构抗裂性好、刚度大、变形小；结构自重轻，跨越能力大；耐久性好，抗疲劳性强；高强材料得到充分利用；抗剪承载力高，经济性好。缺点：设计计算复杂、施工技术要求高、需要专门的预应力张拉设备、所用材料单价较高，并且针对预应力结构的分析理论和研究有待进一步发展与完善。预应力混凝土的分类按预应力施加工艺：先张预应力混凝土与后张预应力混凝土；按预应力度分类：全预应力混凝土与部分预应力混凝土；按裂缝控制等级分类：第一类、第二类、第三类；按预应力筋位置分类：体内预应力混凝土与体外预应力混凝土；按预应力体系分类：双预应力混凝土、预弯预应力混凝土。预应力混凝土材料一、预应力筋---预应力钢材的发展动态2000Mpa级的高强度低松弛预应力钢绞线得到研制并开始应用；大直径预应力钢绞线开始研制和试点应用；防腐蚀的表面涂层钢绞线得到进一步推广应用；预应力钢棒得到研制与开始应用。大直径预应力钢绞线环氧树脂涂层钢绞线预应力钢棒无粘结预应力筋抗拔桩基础内无粘结预应力筋布设二、混凝土《混凝土结构设计规范》规定：预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30；《铁路桥涵设计规范》、《公路桥涵设计规范》规定混凝土强度等级不得低于C40；在一些重要的预应力混凝土结构中，已经开始采用C50,C60，甚至更高等级混凝土。夹具：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。预应力张拉锚固体系1、锚固夹具：①锥形（锥销式、二片式、三片式）——锚固单根直径12～14mm预应力筋；②镦头锚具—带槽螺栓、梳子板。用于：冷拉筋（热镦），冷拔丝（热、冷镦），碳素钢丝（冷镦）。要求：镦头强度不低于材料强度的98%。2、张拉夹具：偏心式、楔形。锥销夹具圆套筒二片式夹具圆套筒三片式夹具方套筒二片式夹具固定端镦头夹具单根镦头钢筋螺杆夹具高强镦头钢丝用梳筋板夹具接千斤顶锚具锚具——在后张法预应力混凝土结构或构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上所用的夹持预应力筋的永久性锚固装置。锚具的种类锚具类型常见锚具支承式镦头锚具螺母锚具锥塞式钢质锥形锚具锥形螺杆锚具夹片式单孔夹片多孔夹片握裹式挤压锚具压花锚具（1）支承式锚具a.螺母锚具（螺丝端杆锚具）120b)320d)a)c)a）螺母锚具；b）螺丝端杆；c）螺母；d）垫板b.镦头锚具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。镦头锚具c.钢丝束镦头锚具用于锚固多根数钢丝束。钢丝束镦头锚具分A型与B型。1243a)b)a）张拉端锚具（A型）；b）固定端锚具（B型）1一锚环；2—螺母；3—锚板；4—钢丝束（2）锥塞式锚具a.锥形锚具211—锚环；2—锚塞b.锥形螺杆锚具1—套简；2—锥形螺杆；3一垫板；4—螺母；5—钢丝束自锁：锥销、齿板或锲块打入后不会反弹而脱出的能力;自锚：预应力筋张拉中能可靠地锚固而不被从夹具中拉出的能力。当α、μ2值越小，μ1值越大时，自锚性能越好。α值也不宜过小，否则锚环承受的环向张力过大，易导致锚具失效。锚具、夹具的自锁与自锚11Qa)N11b)FF2c)2NNNN'NN'N'N'NNNFN1NN2N锥销式夹具自锁与自锚计算简图预应力张拉设备电动张拉机——先张法单根钢丝张拉。按传动方式可分为：电动螺杆张拉机和电动卷扬张拉机。液压张拉机——先张法和后张法各类预应力筋张拉。液压张拉机包括：液压千斤顶、油泵与压力表等。液压千斤顶常用的有：拉杆式、穿心式和锥锚式千斤顶。43216578910用卷扬机张拉钢筋1—台座；2—放松装置；3—横梁；4—预应力筋；5—锚固夹具；6—张拉夹具；7—测力计；8—固定梁；9—滑轮组；10—卷扬机千斤顶的标定由于活塞与油缸之间存在摩擦力，使得实际张拉力比理论计算（千斤顶油缸活塞面积×油压）的张拉力要小。标定——直接测定千斤顶的实际张拉力与压力表读数之间的关系，绘制出N与P的关系曲线，供施工时使用。立放与卧放时内摩阻力差异很小，可采用立放标定，卧放使用。张拉设备（千斤顶和油压表）应配套标定，以减少积累误差。标定千斤顶时．千斤顶活塞的运动方向应与实际张拉工作状态一致。N=P×A-f下列情况应该对张拉千斤顶进行标定校验：新千斤顶初次使用前；油压表指针不能退回零点时；千斤顶、油压表和油管进行过更换或维修后；当千斤顶使用超过6个月或张拉超过200次以上；在使用过程中出现其他不正常现象。先张法施工工艺过程：张拉固定钢筋→浇混凝土→养护（至75%强度）→放松钢筋；适用于：预应力筋为直线或折线的中小型混凝土构件；设备：千斤顶、台座、临时锚固装置等；优点：工艺简单、效益高、试件质量易保证、锚具可重复使用等。预应力空心板夹具横梁台座预应力筋台面A、张拉预应力筋混凝土构件B、浇筑混凝土构件C、放张施加预应力台座台座由台面、横梁和承力结构等组成，是先张法生产的主要设备。预应力筋张拉、锚固，混凝土浇筑、振捣和养护及预应力筋放张等全部施工过程都在台座上完成；预应力筋放松前，台座承受全部预应力筋的拉力。因此，台座应有足够的强度、刚度和稳定性。（1）墩式台座墩式台座由台墩、台面与横梁等组成。台墩和台面共同承受拉力。墩式台座用以生产各种形式的中小型构件。①台墩台墩是承力结构，由钢筋混凝土浇筑而成。承力台墩设计时，应进行稳定性和强度验算。稳定性验算一般包括抗倾覆验算与抗滑移验算。抗倾覆系数不得小于1.5，抗滑移系数不得小于1.3。0'1.5MKM抗倾覆验算：式中：N——预应力筋的张拉力；e1——张拉力合力作用点至倾覆点的力臂；G——台墩的自重力；L——台墩重心至倾覆点的力臂；Ep——台墩后面的被动土压力合力e2——被动土压力合力至倾覆点的力臂。5.1121NeeEGLMMKp对于与台面共同工作的台墩，倾覆点的位置宜选在砼台面下4～5cm处。抗滑移验算：式中：Kc——抗滑移安全系数，不小于1.3；N1——抗滑移的力，对于独立台墩，由侧壁土压力和底部摩阻力产生。台墩与台面共同工作时，预应力筋的张拉力几乎全部传给了台面，可不进行抗滑移验算。3.11NNKc②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。挠度变形不超过2mm。钢横梁台座线杆连接器墩式台座近景墩式台座构造示意图墩式长线台座（2）槽式台座槽式台座由端柱、传力柱、横梁和台面组成。槽式台座既可承受拉力，又可作蒸汽养护槽，适用于张拉吨位较高的大型构件，如屋架、吊车梁等。槽式台座需进行强度和稳定性计算。端柱和传力柱的强度按钢筋混凝土结构偏心受压构件计算。槽式台座端柱抗倾覆力矩由端柱、横梁自重力矩及部分张拉力矩组成。压杆砖墙上横梁下横梁砖墙压杆槽式台座（三）钢模台座它是将制作构件的模板作为预应力钢筋的锚固支座的一种台座。钢模板具有相当的刚度，可将钢筋直接放置在模板上进行张拉。31244钢模台座l—侧模；2—底模；3—活动铰；4—预应力筋锚固孔箱梁钢模组装箱梁端部模板作张拉台座预应力筋（丝）的铺设为方便脱模，铺设预应力前台面与模板应涂刷隔离剂；应该采取有效措施防隔离剂玷污预应力筋。最好采用皂角水溶性隔离剂，易干燥，污染钢筋易清除；生产过程中应防止雨水等冲刷掉台面上的隔离剂。预应力筋张拉预应力筋的张拉程序:预应力钢筋张拉程序一般可按下列程序之一进行：01.05σconσcon或01.03σcon式中σcon—预应力筋的张拉控制应力。考虑超张拉的情形（先张、后张）实际的孔道摩阻损失和锚具内缩损失大于设计值。预应力筋的应力松弛率较大，且在设计中预应力筋的应力松弛值取低值。设计中未考虑预应力筋分批张拉时引起的预应力损失。为克服平卧重叠构件由于叠层摩阻引起的预应力损失。需计入锚圈口的摩阻损失。减少预应力筋与台座之间的温差引起的预应力损失。建立上述张拉程序的目的是为了减少预应力的松弛损失。所谓“松弛”是常温下钢材在持续高应力的作用下，其应力随时间增长而降低的现象。应力与温度维持不变，钢材的应变随时间而增加的现象则称为蠕变。应力松弛是预应力筋的重要力学性能。对张拉控制应力的理解定义：预应力筋锚固前瞬间张拉端的应力。对于后张法构件：梁体内锚下的钢筋应力，若张拉端设有锚圈时，张拉控制应力为构件体外张拉控制应力扣除锚圈口应力损失后的值。体外张拉控制应力：指张拉钢筋时千斤顶油压表不受其他因素干扰的情况下，油压表显示的总张拉力除以预应力筋总截面积所得的应力值。过大的张拉控制应力会引起的问题：增加预应力筋断裂的可能性；增大预应力筋应力松弛损失；预应力筋的延性储备减少，预应力混凝土构件防止脆裂的安全系数就会降低甚至不足。《混凝土结构设计规范》的规定：消除应力钢丝、钢绞线：中强度预应力钢丝：预应力螺纹钢筋：当符合下列情况之一时，上述张拉控制应力限制可相应提高0.05fptk或0.05fpyk。（1）要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋；（2）要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失。ptkconf7.0pykconf85.0ptkconf75.0《铁路桥涵设计规范》与《公路桥涵设计规范》的的规定：钢丝、钢绞线：高强螺纹钢筋：对于直接张拉钢丝的体系，包括锚圈口摩擦损失在内，锚外钢筋中的最大张拉控制应力不应超过0.8fptk，对于螺纹钢筋，锚外钢筋中的最大张拉控制应力不应超过0.95fpyk；ptkconf75.0pykconf9.0预应力筋张拉的控制措施----双控双控：预应力筋张拉时以张拉力控制为主,以伸长值进行校核,其实际伸长值与理论伸长值的差值应符合设计要求。力筋的实际伸长值应从初应力时开始量测，且加上初应力以下的推算伸长值（一般采用相邻级的差值）。设计无规定时，实测伸长量与理论伸长量的差值应控制在6%以内，否则应暂停张拉，查明原因并采取措施予以调整后方可继续张拉。张拉过程中随时测量伸长值活动横梁固定横梁量千斤顶行程双控的原因与目的：无法直接测量真正施加在混凝土上的应力值，因此只能以校核张拉伸长值来检查应力控制是否正常，综合反应张拉力是否达到设计要求；预应力筋可能存在材质不稳定，截面积不均匀，弹性模量的变化等。检查预应力筋是否有材质异常导致预应力不到位；预应力筋张拉时可能施工中的某些因素导致部分张拉力损失，从而使真正施加在构件上的预应力变化。张拉应注意的事项（1）张拉时，张拉机具与预应力筋应在一条直线上，同时在台面上每隔一定距离放一根圆钢筋头或相当于保护层厚度的其他垫块，以防止预应力筋因自重而下垂，破坏隔离剂，玷污预应力筋；（2）预紧锚塞时，用力不要过猛，以防钢丝折断；在拧紧螺母时，应注意压力表读数始终保持所需的张拉力；（3）预应力筋张拉完毕后，对设计位置的偏差不得大于5mm，也不得大于构件截面最短边长的4%；（4）在张拉过程中发生断丝或滑脱钢丝时，应予以更换；（5）台座两端应有防护措施。张拉时沿台座长度方向