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第五章预应力混凝土工程教学目的：通过本章学习使学生了解和熟悉预应力混凝土的原理和施工工艺及相关问题。教学要求：1.了解预应力混凝土工程的特点和工作原理；了解锚（夹）具、张拉机具的构造及使用方法；了解后张法施工中块体的拼装步骤；了解电张法、无粘结应力混凝土施工工艺。2.熟悉后张法施工时孔道的留设方法和后张法施工中孔道灌浆的作用和方法。3.掌握先张法的施工方法和施工工艺；掌握后张法的含义、施工工艺；掌握预应力混凝土施工中应力损失及其控制方法。教学重点：后张法施工的含义；后张法施工的工艺；预应力混凝土施工中应力损失及其控制方法。教学难点：为何使用预应力混凝土；后张法施工的工艺；后张法施工锚具；预应力混凝土施工中应力损失及其控制方法。教学方式：讲授法参考资料：1.毛鹤琴．土木工程施工（第2版）．武汉：武汉工业大学出版社，20042.重庆大学、同济大学、哈尔滨工业大学．土木工程施工（上、下册）.北京：中国建筑工业出版社，20033.赵世强．土木工程施工实习手册．北京：中国建筑工业大学出版社，20034.姜卫杰．《土木工程施工》学习指导．武汉：武汉工业大学出版社，2000教学过程及内容：普通构件抗拉极限应变为1×10-4~5×10-4,正常使用条件下,受拉区砼开裂,构件刚度小,挠度大。要使砼不开裂,受拉钢筋的应力只能达到19.6~29.4N/mm2；当缝宽控制在0.2~0.3mm受拉钢筋的应力只能达到147~245N/mm2。为了克服砼过早出现裂缝,且充分发挥钢筋的作用,人们创造预应力混凝土。预应力：在结构或者构件受拉区域通过对钢筋进行张拉、锚固、放松，使砼获得预压应力，产生一定的压缩变形，当结构或构件受力后，受拉区砼的拉伸变形首先与压缩变形抵消，然后随着外力的增加，砼才继续拉伸，这就延缓了裂缝的出现、限制了裂缝的发展、充分发挥钢筋的作用。预应力混凝土的特点:⒈充分发挥了砼和钢筋各自的特性，能提高钢筋混凝土构件的刚度、抗裂性和耐久性，有效地利用高强砼和高强钢筋。⒉与普通砼同条件下比较，截面小、自重轻、质量好、材料省,(可节约钢筋40%~50%,砼20%~40%)，并能扩大预制装配化程度。应用广泛：已成为一个国家建筑技术水平的重要标致之一。施工工艺：先张法、后张法、电张法、自张法。5.1先张法施工5.1.1基本概念先张法是在浇筑混凝土构件前，张拉预应力钢筋（丝），将其临时锚固在台座（在固定的台座上生产时）或钢模（机组中流水生产时）上，然后浇筑混凝土构件，待混凝土达到一定（约75％标准）强度，使预应力钢筋（丝）与混凝土之间有足够粘结力时，放松预应力，预应力钢筋（丝）弹性缩回，借助混凝土与预应力钢筋（丝）之间的粘结，对混凝土产生预压应力。先张法施工设备包括台座、张拉机具和夹具等。5.1.2先张法施工设备一、台座组成：台面、横梁、承力结构。分为：墩式台座、槽式台座、桩式台座等。⒈墩式台座：以混凝土墩作为承力结构的台座称为墩式台座。一般用于生产中小型构件。（1）墩式台座分类：简易墩式台座；重力墩式台座；构架式台座。（2）墩式台座计算要点：①墩式台座的抗倾覆验算：抗倾覆验算安全系数K1表示K1=M1/M≥1．5式中M——由张拉力产生的倾覆力矩M=TeT——张拉力的合力e——张拉力合力T的作用点到倾覆转动点O的力臂M1——抗倾覆力矩，如不考虑土压力，则M1=G1L1十G2L2式中G1——传力墩的自重L1——传力墩重心至倾覆转动点O的力臂G2——传力墩外伸台面局部加厚部分的自重L2——传力墩外伸台面局部加厚部分重心至倾覆转动点O的力臂②抗滑移验算：墩式台座的抗滑移能力以台座的抗滑移安全系数K2表示。K2=T1/T≥1.3式中T——张拉力的合力；T1——抗滑移力T1=N十EP十F式中N——台面反力；EP——土压力P，P/的合力；F——摩阻力③强度验算：支承横梁的牛腿，按柱子的牛腿计算配筋；墩式台座与台面接触的外伸部分，按偏心受压构件计算；台面按轴心受压构件计算；横梁按承受均布荷载的简支梁计算。2、槽式台座：用于张拉力和倾覆力矩较大的构件生产。二、张拉机具和夹具⒈钢丝的夹具和张拉机具（1）钢丝夹具①锚固夹具：锥形、楔形。②张拉夹具：偏心式、钳式、楔形。③墩头锚具：采用冷墩形成。（2）张拉机具①要求：简易可靠，准确控制钢丝的拉力，稳速增大拉力。②种类：A、卷扬机张拉：弹簧测力、杠杆测力。B、电动螺杆张拉机张拉：构造简单，体积小，重量轻，操作灵活，移动方便。2、钢筋的夹具和张拉机具（1）钢筋夹具①锚固夹具：工具式螺杆－螺丝端杆锚具；穿心式夹具－自锚；墩头锚固：d12mm冷墩d22mm热墩d22mm加热锻打②张拉夹具：压销式、穿心式。（2）钢筋张拉机具油压千斤顶、拉伸机、穿心式千斤顶、电动螺杆张拉机。5.1.3先张法施工工艺一、预应力筋的铺设：预应力筋宜用牵引车铺设二、预应力筋的张拉⒈张拉控制应力和超张拉最大应力⒉张拉程序：0—→1.05σcon—→σcon或0—→1.03σcon①第一种张拉程序中，超张拉5％并持荷2min，其目的是为了在高应力状态下加速预应力松弛早期发展，以减少应力松弛引起的预应力损失。第二种张拉程序中，超张拉3％，其目的是为了弥补预应力筋的松弛损失，这种张拉程序施工简单，一般多被采用。以上两种张拉程序是等效的，可根据构件类型、预应力筋与锚具种类、张拉方法、施工速度等选用。采用第一种张拉程序时，千斤顶回油至稍低于σcon，再进油至σcon，以建立准确的预应力值。②第二种张拉程序，超张拉3%是为了弥补应力松弛引起的损失，根据国家建委建研院“常温下钢筋松弛性能的试验研究”一次张拉0—→σcon，比超张拉持荷再回到控制应力0—→1.05σcon—→σcon，（持荷2min）应力松弛大2~3%，因此，一次张拉到1.03σcon后锚固，是同样可以达到减少松弛效果的。且这种张拉程序施工简便，一般应用较广。⒊张拉顺序：①多根同时张拉；②单根张拉。三、混凝土的浇筑与养护⒈浇筑要求：①同一生产线的构件应一次浇筑完毕；②构件应避开温度缝；③振捣时不应碰撞钢丝；④叠层生产时，下层混凝土强度达5MPa，方可浇筑上层构件；⑤混凝土的水灰比应严格控制，振捣应密实。台座准备刷隔离剂放预应力筋张拉侧模安装浇筑混凝土养护放张脱模出槽堆放制作试块试块试压⒉养护：①自然养护；②湿热养护。四、预应力筋放张⒈放张要求①混凝土强度应大于75％C设；（重叠生产指最上层构件）②放张过程中，应使预应力构件自由伸缩，避免过大的冲击与偏心。同时还应使台座承受的倾覆力矩及偏心力减小；③保证预应力筋与混凝土之间的粘结。⒉放张方法①钢丝：数量少，逐根放张；数量多，同时放张。②粗钢筋：数量少，逐根加热熔断；数量多，同时放张。⒊放张顺序①轴心受压构件：同时放张。②偏心构件：先同时放张预应力较小区域内的预应力筋；再同时放张预应力较大区域内的预应力筋。③如不能满足上述要求，应分阶段、对称、相互交错进行放张。5.2后张法施工5.2.1基本概念一、定义：制备留有孔道的混凝土构件，混凝土达到设计规定强度后，穿筋并用张拉机具张拉钢筋至设计规定应力值，借助锚具把预应力筋锚固在构件端部，最后，孔道灌浆，这种预加应力的方法称为后张法。二、后张法施工的特点：⒈混凝土的弹性压缩对预应力值的建立无直接影响；⒉锚具不能重复使用，成本高；⒊工艺比较复杂（构件制作、留孔、穿筋、张拉、灌浆）；⒋可拼装预制构件（现场拼装）。三、适用范围现场制作大型构件，避免大型构件运输的麻烦。四、生产过程⒈构件生产阶段；⒉预加应力阶段（包括锚具、预应力筋制作、张拉、灌浆等）5.2.2锚具后张法结构或构件中为保持预应力筋拉力并将其传递到砼上用的永久性锚固装置。⒈单根预应力筋的锚具及制作锚具①张拉端：螺丝端杆锚具，螺丝端杆与预应力钢筋对焊，用螺母紧固；②固定端：螺丝端杆锚具；帮条锚具，三根帮条（70㎜～80㎜）与预应力钢筋端部焊接，帮条内端与一衬板焊接；镦头锚具：精轧螺纹钢筋螺母锚固。拉杆式千斤顶：锥锚式千斤顶1一主油缸；2—主缸活塞；3一进油孔；4一回油缸；5一回油活塞；6—回油孔；7—连接器；8—传力架；9—拉杆；10—螺母；11一预应力筋；12一混凝土构件；13—预埋铁板；14—螺丝端杆锥锚式千斤顶：YC-60型千斤顶具和JM型锚的安装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—构件穿心式千斤顶YC-60型千斤顶具和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2.预应力筋制作：工序：下料→对焊→冷拉。预应力筋下料长度，要考虑锚具的类型、焊接接头的压缩量、钢筋冷拉率回弹率等因素。L1lll2211ll预应力筋成品长度孔道长度螺丝端杆长度螺丝端杆外露构件长度HHh外露0.5mm120110221LlllLlLLn二端均为螺丝端杆：二、钢筋束、钢绞线束预应力筋的锚具及制作锚具1.锚具JM型锚具：用于锚固3～6根成束的单根直径12mm钢筋束和钢绞线束，夹片分离。2.XM型锚具：成组并单根地锚固12mm直径钢绞线或钢筋束，由锚塞和锚环夹紧预应力钢筋和钢绞线。三、钢丝束预应力筋的锚具及制作锚具1.锚具钢质锥形锚具，钢丝束镦头锚具。2.预应力筋制作下料、编束（衬环）5.2.3张拉机具和设备后张法用张拉设备主要由液压千斤顶、高压油泵、油管组成。1.液压千斤顶拉杆式千斤顶（YL）：适用于螺丝端杆锚具。2.穿心式千斤顶（YC）：适用于JM型和XM型锚具的小直径预应力筋束。3.锥锚式双作用千斤顶（YZ）：用于钢质锥形锚具的钢丝束。5.2.4后张法施工工艺1230110(mm)1LllllLlLLn＋一端为螺丝端杆，另一端为帮条锚具：帮条锚具长度,取70～80一、孔道留设1.钢管抽芯法2.胶管抽芯法3.预埋波纹管成孔二、预应力筋的张拉1.张拉条件①张拉时的混凝土强度不低于标准强度的75％。②张拉程序减少预应力损失，保持预应力的均衡减少偏心。2.张拉控制应力和超张拉最大应力比先张法均低0.05f。3.张拉顺序①配有多根钢筋或多束钢丝的构件－－分批对称张拉（注意：后批对先批产生应力影响）；②叠浇构件——自上而下逐层张拉，逐层加大拉应力，但顶底相差≯5%（钢丝、钢绞线、热处理筋）≯9%（冷拉筋）。4.张拉方式①对抽芯法：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对埋螺旋管法：长度≤30m直孔——一端张拉；长度＞30m直孔、曲线孔——两端张拉。三、孔道灌浆增加耐久性。用强度不低于20Mpa的水泥浆或水泥砂浆灌浆，可掺加一定的膨胀剂（如铝粉或木质素磺酸钙）。灌浆前，用压力水冲洗预应力钢筋孔。灌浆时，应保证孔中空气的排出。对不掺外加剂的水泥浆，可采用二次灌浆法提高密实性。1.目的：防止生锈；增加整体性。检查构件穿预应力筋安装锚具及张拉设备张拉孔道灌浆张拉预应力筋制作锚具检验张拉设备检验制作水泥浆试块压水泥浆试块2.基本要求：（尽早进行，饱满、密实）①水泥≮32.5级普硅；②水泥浆强度≮30MPa；③水灰比0.4左右，不得大于0.45；④泌水率：拌后三小时宜≯2%，最大≯3%⑤可掺无腐蚀性外加剂：铝粉（水泥重的0.5～1/万），木钙（0.25%），微膨胀剂；⑥孔道湿、洁净，由下层孔到上层；⑦灌满孔道并封闭排气孔后，加压0.5～0.6MPa，稍后再封闭灌浆孔；⑧不掺外加剂时，可用二次灌浆法。四、锚头端部处理1.无粘结预应力筋由于一般采用镦头锚具，锚头部位的外径比较大，因此，钢丝束两端应在构件上预留有一定长度的孔道，其直径略大于锚具的外径。钢丝束张拉锚固以后，其端部便留下孔道，并且该部分钢丝没有涂层，为此应加以处理保护预应力钢丝。2.无粘结预应力筋锚头端部处理，目前常采用两种方法：第一种方法系在孔道中注入油脂并加以封闭，。第二种方法系在两端留设的孔道内注入环氧树脂水泥砂浆，其抗压强度不低于35MPa。灌浆时同时将锚头封闭，防止