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第5章预应力混凝土工程5.1概述5.1.1预应力混凝土特点预应力混凝土是预先在结构或构件的受拉区施加一定的预压应力并产生一定压缩变形，当结构或构件受力后，受拉区混凝土的拉应力和拉伸变形，首先与预压应力和压缩变形相互抵消，然后随着外力的增加，混凝土才产生拉应力和拉伸变形，从而推迟裂缝的出现和限制裂缝的开展，提高结构或构件的抗裂性能和刚度。具有构件截面小、自重轻，刚度大、抗裂性和裂缝闭合性好，耐久性好和材料省等优点，特别是在大开间、大跨度与荷载大的结构中使用5.1.2材料要求图5-1预应力混凝土用钢筋a）热处理钢筋b）刻痕钢丝c）螺旋肋钢筋d）钢绞线1.热处理钢筋热处理钢筋是由特定强度的热轧钢筋通过加热、淬火和回火等调质工艺处理的钢筋。热处理后，钢筋强度能得到较大幅度提高，而塑性降低并不多。2.高强度钢丝预应力混凝土结构常用的高强钢丝按交货状态分为冷拉和矫直回火两种，按外形分为光面并经消除应力的高强度圆形钢丝、刻痕钢丝和螺旋肋钢丝等。3.钢绞线预应力混凝土用钢绞线是用冷拔钢丝制造而成，方法是在绞线机上以一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理即可。钢绞线规格有2股、3股、7股、19股等，常用的是3股、7股钢绞线。4、混凝土混凝土强度等级不宜低于C40，不能掺用对钢筋有侵蚀作用的氯盐。5.1.3预应力不同施工工艺的基本要求预应力工程施工应根据环境温度采取必要的质量保证措施，并应符合下列规定：（1）当工程所处环境温度低于－15℃时，不宜进行预应力筋张拉；（2）当工程所处环境温度高于35℃或日平均环境温度连续5日低于5℃时，不宜进行灌浆施工；当在环境温度高于35℃或日平均环境温度连续5日低于5℃条件下进行灌浆施工时，应采取专门的质量保证措施。预应力筋张拉前，应进行下列准备工作：（1）计算张拉力和张拉伸长值，根据张拉设备标定结果确定油泵压力表读数（2）根据工程需要搭设安全可靠的张拉作业平台；（3）清理锚垫板和张拉端预应力筋，检查锚垫板后混凝土的密实性。施加预应力时，混凝土强度应符合设计要求，且同条件养护的混凝土立方体抗压强度，应符合下列规定：（1）不应低于设计混凝土强度等级值的75％；（2）采用消除应力钢丝或钢绞线作为预应力筋的先张法构件，尚不应低于30MPa；（3）不应低于锚具供应商提供的产品技术手册要求的混凝土最低强度要求。（4）后张法预应力梁和板，现浇结构混凝土的龄期分别不宜小于7d和5d。注意：为防止混凝土早期裂缝而施加预应力时，可不受本条限制，但应满足局部受压承载力的要求。预应力筋的张拉控制应力应符合设计及专项施工方案的要求。当施工中需要超张拉时，调整后的张拉控制应力σcon应符合下列规定：（1）消除应力钢丝、钢绞线：σcon≤0.80fptk（5-1）（2）中强度预应力钢丝：σcon≤0.75fptk（5-2）（3）预应力螺纹钢筋：σcon≤0.90fpyk（5-3）式中：σcon—预应力筋张拉控制应力；fptk—预应力筋极限强度标准值；fpyk—预应力筋屈服强度标准值。5.2先张法施工图5-2先张法预应力钢筋砼结构施工程序示意图(a)预应力钢筋张拉(b)砼浇筑及养护(c)预应力钢筋放张1—台座；2—横梁；3—台面；4—预应力钢筋；5—夹具；6—钢筋砼构件5.2.1施工设备1.台座（1）墩式台座墩式台座一般用于生产小型构件。生产钢弦混凝土构件的墩式台座，其长度常为100～150米，这样既可利用钢丝长的特点，张拉一次可生产多根构件，减少张拉及临时固定工作，又可减少钢丝滑动或台座横梁变形引起的应力损失。墩式台座有重力式和构架式两种（如图5-3）。重力式台座主要靠自重平衡张拉力所产生的倾复力矩，构架式台座主要靠土压力来土平衡张拉力所产生的倾复力矩。图5-3墩式台座1—砼台墩；2—钢横梁；3—台面；4—预应力筋①墩式台座：墩式台座是由传力墩、台面和横梁组成的（2）槽式台座浇筑中小型吊车梁时，由于张拉力矩和倾复力矩都很大。一般多采用槽式台座（如图5-5），它由钢筋混凝土立柱、上下横梁及台面组成。台座长度应便于生产多种构件：一般为45米（可生产6根6米长的吊车梁）或76米（可生产10根6米长的吊车梁，或24米屋架3榀，或18米屋架4榀）。为便于拆迁移，台座应设计成装配式。此外，在施工现场亦可利用条石或已预制好的柱、桩和基础梁等构件，装配成简易式台座。图5-5槽式台座结构1—钢筋砼端柱；2—砖墙；3—下横梁；4—上横梁；5—传力柱；6—柱垫2.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。（1）钢丝锚固夹具1）锥形夹具：可分为圆锥齿板式夹具和圆锥槽式夹具，如图5-6所示2）镦头夹具：如图5-7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。（2）钢筋锚固夹具钢筋锚固常用圆套筒三片式夹具，由套筒和夹片组成(图5-8)。其型号有YJ12、YJ14，适用于先张法；用YC-18型千斤顶张拉时，适用于锚固直径为12mm、14mm的单根冷拉HRB335、HRB400、RRB400级钢筋。（3）张拉夹具张拉夹具是夹持住预应力筋后，与张拉机械连接起来进行预应力筋张拉的机具。常用的张拉夹具有月牙形夹具、偏心式夹具、楔形夹具等，如图5-9所示，适用于张拉钢丝和直径16mm以下的钢筋。3.张拉设备张拉机具的张拉力应不小于预应力筋张拉力的1.5倍；张拉机具的张拉行程不小于预应力筋伸长值的1.1～1.3倍。（1）钢丝张拉设备1)电动卷扬机张拉、杠杆测力装置如图5-10所示2)电动螺杆张拉机电动螺杆张拉机由电动机、变速箱、测力装置、张拉螺杆、承力架和夹具组成（图5-11）图5-11电动螺杆张拉机构造图1—螺杆；2，3—拉力架；4—张拉夹具；5—顶杆；6—电动机；7—减速器；8—测力计；9，10—胶轮；11—底盘；12—手柄；13—横梁；14—钢丝；15—锚固夹具(2）钢筋张拉设备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－20型穿心式千斤顶(图5-12)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。YC－20型穿心式千斤顶的最大张拉力为20kN，最大行程为200mm。适用于用圆套筒三片式夹具张拉锚固12～20mm单根冷拉HRB335、HRB400和RRB400钢筋。图5-12YC-20型穿心式千斤顶a）张拉b）复位1-偏心块夹具2-弹性顶压头3-夹具4-台座横梁5-预应力筋多根钢筋成组张拉时，可采用四横梁式张拉装置进行。四横梁式油压千斤顶张拉装置，用钢量较大，大螺丝杆加工困难，调整预应力的初应力费时间，油压千斤顶行程小，工效较低，但其一次张拉力大5.2.2施工工艺图5-14施工工艺流程图1.张拉前的准备（1）钢筋接长与冷拉钢筋束、热处理钢筋和钢绞线是成盘状供应的，长度较长，不需对焊接长。其制作工序是：开盘、下料和编束。预应力钢筋的接长与冷拉：预应力钢筋一般采用冷拉HRB335、HRB400和RRB400钢筋。预应力钢筋的接长及预应力钢筋与螺丝端杆的连接，宜采用对焊连接，且应先焊接后冷拉，以免焊接而降低冷拉后的强度。预应力钢筋的制作，一般有对焊和冷拉两道工序。预应力钢筋铺设时，钢筋与钢筋、钢筋与螺丝端杆的连接可采用套筒双拼式连接。(2)钢筋（丝）的镦头预应力筋（丝）固定端采用镦头夹具锚固时，钢筋（丝）端头要镦粗形成镦粗头。镦头一般有热镦和冷镦两种工艺。热镦在手动电焊机上进行，钢筋（丝）端部在喇叭口紫铜模具内，进行多次脉冲式通电加热、加压形成镦粗头（图5-15）。（3）预应力筋张拉设备及油压表应定期维护和标定。张拉设备和油压表应配套标定和使用，标定期限不应超过半年。当使用过程中出现反常现象或张拉设备检修后，应重新标定。（4）预应力筋（丝）的铺设长线台座面（或胎模）在铺放钢丝前，应清扫并涂刷隔离剂。一般涂刷皂角水溶性隔离剂，易干燥，污染钢筋易清除。涂刷均匀不得漏涂，待其干燥后，铺设预应力筋，一端用夹具锚固在台座横梁的定位承力板上，另一端卡在台座张拉端的承力板上待张拉。在生产过程中，应防止雨水或养护水冲刷掉台面隔离剂。（5）张拉前检查事项检查预应力筋的品种、级别、规格、数量（排数、根数）是否符合设计要求。预应力筋的外观质量应全数检查，预应力筋应符合展开后平顺，没有弯折，表面无裂纹、小刺、机械损伤、氧化铁皮和油污等。张拉设备是否完好，测力装置是否校核准确。横梁、定位承力板是否贴合及严密稳固。张拉、锚固预应力筋应专人操作，实行岗位责任制，并做好预应力筋张拉记录。应合理确定截面内预应力筋的张拉顺序，原则上应尽量避免使台座承受过大的偏心压力，故宜先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋，防止台座产生弯曲变形。2．预应力钢筋的张拉（1）预应力筋的张拉力Pj应按下列公式计算：Pj=σcon·AP（5-6）超张拉力：pj=（1.03～1.05）σcon·AP（5-7）式中σcon—预应力筋的张拉控制应力，应在设计图纸上表明；AP—预应力筋的截面面积。（2）张拉程序的确定（据《预应力混凝土结构设计规程》DGJ08-69-2007）：为了减少预应力的松弛损失，采用超张拉方法张拉时，其张拉程序可根据张拉方式、预应力筋种类及锚具类型进行如下选择：1）0→初应力→1.05σcon（持荷2min）→σcon（锚固）2）0→初应力→1.03σcon（持荷2min）锚固例题5-1：某预应力空心板采用光面消除应力钢丝фp4，fptk＝1570Mpa，作为预应力筋，如采用一次张拉法施工，求单根钢丝的张拉力为多少？解：单根钢丝的截面面积：Ap＝12.6mm2张拉控制应力：σcon=0.7fptk采用一次张拉法施工：0→1.03σcon则其单根钢丝的张拉力为：Pj=1.03σcon·AP=1.03×0.7×1570×12.6=14.26kN其张拉应力为0.721fptk，小于0.75fptk，符合规范要求。（3）预应力筋的检查应严格控制多根钢筋之间内应力的一致性，避免产生因内力大小不均而导致应力集中现象。多根钢丝同时进行张拉完毕后，应抽查钢丝的内应力值，一根钢丝的预应力值的偏差，不得大于或小于按一个构件全部钢丝预应力总值的5％，避免各钢丝受力的不均衡性。国产2CN-1型钢丝内力测定仪如图5-16所示。预应力筋张拉后，对设计位置的偏差不得超过5mm，同时也不得大于构件截面最短边尺寸的4%。否则，将会影响设计的受力状况。3．混凝土的浇筑预应力混凝土构件的混凝土浇筑，应一次连续浇筑完成，不允许留设施工缝。浇筑时应充分捣实，尤其要注意靠近端部混凝土的密实度。这些都是为了减少混凝土在预加应力作用下的收缩和徐变值，从而减小应力损失。采用重叠法生产构件时，应待下层构件的混凝土强度达到5MPa后，方可浇筑上层构件的混凝土。当平均温度高于20℃时，每两天可迭捣一层。气温较低时，可采用早强措施，以缩短养护时间，加速台座周转，提高生产率。预应力叠合梁和叠合板的叠合面及预应力芯棒与后浇混凝土的接触面应划毛，必要时做成凹凸面，以提高叠合面的抗剪能力。预应力混凝土可采用自然养护、蒸汽养护或太阳能养护等方法。自然养护不得少于14d。干硬性混凝土浇筑完毕后，应立即覆盖进行养护。当预应力混凝土采用蒸汽养护时，要尽量减少由于温度升高而引起的预应力损失。4．预应力筋的放张放张时混凝土的强度不得低于设计强度标准值的75％。具体放张时间要通过同条件养护的混凝土试块试压结果决定。先张法预应力筋的放张顺序，应符合下列规定：（1）宜采取缓慢放张工艺进行逐根或整体放张；（2）对轴心受压构件，所有预应力筋宜同时放张；（3）对受弯或偏心受压的构件，应先同时放张预压应力较小区域的预应力筋，再同时放张预压应力较大区域的预应力筋；（4）当不能按本规定（1）～（3）款放张时，应分阶段、对称、相互交错放张；（5）放张后，