第5章 预应力混凝土工程

第5章预应力混凝土【本章要求】1、了解预应力砼工程的工作原理及分类。2、了解预应力砼材料、夹（锚）具、张拉机具的构造及使用方法。3、掌握先（后）张法施工工艺及预应力值的建立传递原理，张拉力的计算和校验，了解建立张拉程序的依据及放张要求，正确计算预应力筋的下料长度。4、了解电张法设备、电热伸长值的计算。【本章重点】先张法和后张法的施工工艺过程，质量控制与技术措施，施工过程中可能产生的应力损失及弥补的方法。【本章难点】锚（夹）具、张拉机具的构造及使用方法；施工过程中可能产生的应力损失及弥补的方法，质量控制与技术措施。一、概述１、预应力砼原理：在结构（构件）受拉区预先施加压力产生预压应力，使结构（构件）在使用阶段产生的拉应力首先抵消预压应力，从而推迟了裂缝的出现和限制裂缝的发展，提高了结构（构件）的抗裂度和刚度。砼的内应力（预压应力）是通过张拉预应力筋来实现的。２、预应力砼分类⑴按施加预应力的方式分：先张法和后张法；⑵按施加预应力的手段分：机械张拉和电热张拉；⑶按预应力筋与砼的粘结状态分：有粘结和无粘结预应力混凝土；⑷按施加预应力大小的程度分：全预应力和部分预应力混凝土；⑸按施工方法的不同分：预制、现浇和组合预应力混凝土。３、预应力混凝土材料⑴预应力混凝土在预应力混凝土结构中，一般要求混凝土的强度等级不低于C30，当采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋作预应力筋时，混凝土的强度等级不宜低于C40。目前，我国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，最高混凝土强度等级已达到C80，并逐步向更高强度等级的混凝土发展。国外混凝土的平均抗压强度每10年提高5~10MPa，现已出现抗压强度高达200MPa的混凝土。预应力混凝土应具有①高强；②低收缩、低徐变；③快硬、早强；④匀质性好、高耐久性等特点。⑵预应力筋对预应力筋的要求是：①高强度；②具有一定的塑性；③良好的加工性能；④良好的粘结力；⑤低松弛；⑥耐腐蚀。目前，我国大量使用的是预应力钢绞线和高强钢丝。①钢绞线：是用冷拔钢丝绞扭而成，其方法是在绞线机上以一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝则围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理即可。预应力钢绞线的截面D—钢绞线直径；d0—中心钢丝直径；d—外层钢丝直径②高强钢丝：常用的高强钢丝分为冷拉和矫直回火两种，按外形分为光面、刻痕和螺旋肋三种。常用的高强钢丝的直径（mm）有：4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0等几种。４、预应力夹具及锚具⑴夹具（代号J）：是张拉并临时固定在台座上保持预应力筋张拉力的工具。夹具必须工作可靠，构造简单，使用方便，能多次重复使用。夹具根据工作特点分为张拉夹具和锚固夹具。张拉夹具将预应力筋和张拉机械相连，进行预应力筋张拉；锚固夹具是将预应力筋临时固定在台座横梁上的工具。⑵锚具（代号M）：是张拉并永久固定在预应力砼结构上传递预应力的工具。锚具必须具有可靠的锚固性能，足够的强度和刚度储备。锚具根据工作特点分为张拉端锚具和固定端锚具。张拉端锚具具有与张拉机械相连进行预应力筋张拉，并将预应力筋锚固在构件上的双重功能；固定端锚具只能将预应力筋锚固在构件上。５、预应力张拉机械⑴电动螺杆张拉机：在先张法台座上生产构件进行单根钢筋张拉，一般用小型电动螺杆张拉机，以弹簧、杠杆等设备测力。用弹簧测力时宜设置行程开关，以便张拉到规定的拉力时能自行停车。电动螺杆张拉机1--电动机；2--手柄；3--前限位开关；4--后限位开关；5--减速箱；6--夹具；7--测力器；8--计量标尺；9--螺杆⑵液压张拉机：由液压千斤顶、压力表和油泵组成。常用的液压张拉机有：①拉杆式千斤顶（代号YL）拉杆式千斤顶及工作示意图1-主油缸；2-主缸活塞；3-进油孔；4-回油缸；5-回油活塞；6-回油孔；7-连接器；8-传力架；9-拉杆；10-螺母；11-预应力筋；12-混凝土构件；13-预埋铁板；14-螺丝端杆②锥锚式千斤顶（代号YZ）锥锚式千斤顶构造及工作原理示意图1-张拉油缸；2-顶压油缸（张拉活塞）；3-顶压活塞；4-弹簧5-预应力筋；6-楔块；7-对中套；8-锚塞；9-锚环；10-构件③穿心式千斤顶(代号YC)YC-60型千斤顶和JM型锚的安装1-工作锚；2-YC-60型千斤顶；3-工具锚；4-预应力筋束④液压千斤顶的标定：送有关部门检测，绘制出N－P关系曲线。思考题：1．预应力砼是在结构或构件的（）预先施加压应力而成。A、受压区B、受拉区C、中心线处D、中性轴处2．预应力砼工程施工技术日趋成熟，在预应力钢筋选用时，应提倡采用强度高、性能好的（）。A、热处理钢筋B、乙级冷拔低碳钢丝C、钢绞线D、冷拉Ⅰ-Ⅲ级钢筋3.在预应力混凝土结构中，当采用碳素钢丝、钢绞线、热处理钢筋作预应力筋时，混凝土的强度等级不宜低于（）。A、C30B、C35C、C40D、C454．预应力砼的强度等级不得低于（）。A、C20B、C25C、C30D、C355．（）具有与张拉机械相连进行预应力筋张拉，并将预应力筋锚固在构件上的双重功能。A、张拉端锚具B、固定端锚具C、张拉夹具D、锚固夹具6.不属于液压张拉机的组成部分是（）。A、液压千斤顶B、压力表C、油泵D、弹簧测力器二、先张法施工先张法是在砼浇筑前铺设、张拉预应力筋，并将张拉的预应力筋临时固定在台座上或钢模上，然后浇筑砼，待砼养护达到不低于75％设计强度后，保证预应力筋与砼有足够的粘结力，放松预应力筋，借助砼与预应力筋的粘结，对砼施加预应力。施工工艺如下图：先张法施工工艺示意图1—预应力筋；2—混凝土构件；3—台座先张法仅适用于生产中小型预制构件，多在固定的预制厂生产，也可在施工现场生产。其主要生产方式为台座法生产，即预应力筋的张拉、固定、砼的浇筑、养护和预应力筋的的放松等工序均在台座上进行。㈠台座用台座法生产预应力混凝土构件时，预应力筋锚固在台座横梁上，台座承受全部预应力的拉力，故台座应有足够的强度、刚度和稳定性，以避免台座变形、倾覆和滑移。台座由台墩（承力结构）、台面和横梁等组成。根据台座构造形式的不同，台座主要分为墩式台座和槽式台座两类。1、墩式台座以砼墩作承力结构的台座称墩式台座，一般用以生产中小型构件。台座长度宜为100～150m，张拉一次可以生产多根构件或多层叠浇构件。墩式台座如下图：墩式台座l-混凝土墩；2-钢横梁；3-局部加厚的台面；4-预应力筋墩式台座的各部件应符合下列要求：⑴为了保证台座正常工作，墩式台座设计时需考虑张拉力引起的倾覆、滑移以及台墩各部分的强度和刚度。其中台墩抗倾覆与抗滑移是设计的关键。⑵台座横梁受力后的挠度应控制在2mm内，并不得产生翘曲。横梁用型钢或者用钢筋砼制作。⑶台面一般在夯实的碎石垫层上浇筑一层厚度为60～100mm的砼而成。2、槽形台座：槽形台座由钢筋砼压杆、上下横（槽）梁及台面组成。它可以承受较大的张拉力和张拉力矩，故一般用以生产张拉力较大的构件（如吊车梁及屋架等）。在施工现场可利用预制钢筋砼柱或砌块组成的临时性槽形台座生产吊车梁等构件。槽形台座的材料用量不仅与受力大小有关，还随台座长度的增加而增加，同时考虑到钢筋搬运、安装方便等因素，故台座长度不宜过长，一般为45～76m（可生产6～10根6m长吊车梁）。为便于混凝土运输及蒸汽养护，台座宜低于地面为好。㈡施工工艺先张法的主要施工工序为：在台座上张拉预应力筋至预定长度后，将预应力筋固定在台座的传力架上；然后在张拉好的预应力筋周围浇筑混凝土；待混凝土达到一定的强度后（不低于砼设计强度的75%）切断预应力筋。由于预应力筋的弹性回缩，使得与预应力筋粘结在一起的混凝土受到预压作用。因此，先张法是靠预应力筋与混凝土之间粘结力来传递预应力的。先张法施工工艺大致分为三个阶段：张拉预应力筋→浇筑混凝土、养护→预应力筋放张。流程图见本科教材。1、预应力筋张拉张拉前应先作好台面的隔离层，隔离剂不得沾污预应力筋，以免影响与砼的粘结。铺设预应力筋应采用砂轮锯或切断机切断，不得采用电弧切割。预应力筋张拉应采用合适的张拉方法、张拉顺序和张拉程序进行。⑴张拉控制应力。《混凝土结构设计》规定，预应力筋的张拉控制力σcon不宜超过下表的数值：注：fptk为预应力筋极限抗拉强度标准值。钢筋种类张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢绞线0.80fptk0.75fptk热处理钢筋0.75fptk0.70fptk⑵张拉程序（采用两种不同方式）①超张拉：是指张拉应力超过规范规定的控制应力值。对于预应力钢丝，由于张拉工作量大，宜采用：0→（1.03～1.05）σcon。②一次张拉：是指在设计中钢筋的应力松弛损失按一次张拉取值。对于单根钢绞线采用：0→σcon；对于整体张拉，采用：0→1.05σcon持荷2minσcon超张拉3％～5％的目的是弥补预应力筋的松弛损失。预应力筋张拉锚固后实际预应力值与工程设计规定检验值的相对允许偏差为±5％。⑶预应力筋伸长验算如实际伸长值比计算伸长值大或小6%，应暂停张拉，查明原因并采用措施予以调整后方可继续张拉。预应力筋的计算伸长值计算可参考下式：---预应力筋的平均张拉力，KN。直线筋取张拉端的拉力，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。---预应力筋的长度,mm---预应力筋的截面积，mm2---预应力筋的弹性模量，KN/mm2sppEAlFlpFpAsEl⑷预应力筋张拉力计算预应力筋张拉力Fp的计算公式：---超张拉系数，取1.03或1.05---预应力筋张拉控制应力，N/mm2---预应力筋截面面积，mm2pconpAmFconpAm2、混凝土施工⑴确定预应力砼的配合比时，应尽量减少砼的收缩和徐变，以减少预应力损失。收缩和徐变都与水泥品种和用量、水灰比、骨料孔隙率、振动成型等有关。⑵预应力筋张拉完成后，钢筋绑扎、模板安装和砼浇筑等工作应尽快跟上。砼浇筑应一次完成，不允许留设施工缝。砼应振捣密实，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。⑶砼可采用自然养护或湿热养护，但必须注意，当预应力砼构件在台座上进行湿热养护时，由于预应力筋张拉后锚固在台座上，温度升高使预应力筋膨胀伸长，使预应力筋的应力损失，在这种情况下砼逐渐硬结，而预应力筋的应力损失不能恢复。因此，应采取正确的养护制度以减少由于温差引起的预应力损失。一般可采用两次升温的措施：初次升温应在砼尚未结硬、未与预应力筋粘结时进行，初次升温的温差一般控制在20℃以内；第二次升温在砼构件具备一定强度（7.5～10MPa），即砼与预应力筋的粘结力足以抵抗温差变形后，再将温度升到养护温度进行养护，此时，预应力筋将和砼一起变形，预应力筋不再引起应力损失。3、预应力筋放张⑴放张要求：砼强度达到设计规定的数值（不应低于设计强度的75%），才可放松预应力筋。放松过早会由于预应力筋回缩而引起较大的预应力损失。⑵放张顺序：①轴心受压构件(如压杆、桩等)，所有预应力筋应同时放张；②偏心受压构件(如异形梁等)，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当不能按上述规定放张时，应分阶段、对称、相互交错地放张，以防止在放张过程中发生翘曲、裂纹及预应力筋断裂等现象；④放松后预应力筋的切断顺序，宜由放张端开始，逐次切向另一端。⑶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自中间向两侧逐根放松。配筋多的钢筋砼构件，钢丝应同时放松，不允许逐根放松，以防止最后几根钢丝将由于承受过大的拉力而突然断裂或使构件端部开裂。②预应力筋为钢筋时，对热处理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张，可用油压千斤顶、砂箱、楔块等装置进行缓慢放张。③采用湿热养护的预应力砼构件，宜热态放张，不宜降温后放张。思考题：1．用先张法施工时，砼一般达到设计强度的（）时采可放松预应力筋。A、85％B、80％C、75％D、100％2．预应力先张法施工适用于（）。A、现场大跨度结构施工B、构件厂生产大跨度构件C、现场构件的组拼