预应力混凝土构件

预应力混凝土构件1．钢筋混凝土结构在使用中存在哪两个问题？预应力混凝土的概念如何？答：钢筋混凝土结构在使用中存在两个问题：一是带裂缝工作，裂缝的存在降低了构件的刚度，而裂缝的开展又使处于高湿度或侵蚀性环境中的构件耐久性有所降低；二是很难合理利用高强度材料。

为满足变形和裂缝控制的要求，需要增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。

预应力混凝土是采用预先加压的方法间接提高混凝土的抗拉强度，克服了混凝土容易开裂的缺点，可延缓混凝土构件的开裂，提高构件的抗裂度和刚度，并取得节约钢筋，减轻自重的效果。

2．按照张拉钢筋与浇捣混凝土的先后顺序，施加预应力的方法可分为哪两种？答：按照张拉钢筋与浇捣混凝土的先后顺序，施加预应力的方法可分为：先张法、后张法两种。

3．先张法施工的具体过程包括哪几个主要环节？先张法构件中的预应力是如何传递的？什么是先张法？先张法施工有何特点和适用？答：先张法施工的具体过程是：（1）张拉：先在台座上按设计规定的拉力用张拉机械或电热张拉钢筋，（2）固定：用夹具将其临时固定在台座上或模板上，（3）浇注：然后浇筑混凝土，（4）放松：待混凝土达到一定强度（一般不低于设计强度的75%）后，把张拉的钢筋放松，钢筋回缩时产生的回缩力，通过钢筋与混凝土之间的粘结作用传递给混凝土，使混凝土获得了预压应力。

先张法构件中的预应力是靠钢筋与混凝土之间的粘结力来传递的。

这种先张拉钢筋、后浇灌混凝土的方法称为先张法。

先张法施工的特点和适用：先张法施工工艺简单，可以大批量生产预应力混凝土构件，同时，先张法不用工作锚具，可重复利用模板，迅速施加预应力，节省大量价格昂贵的锚具及金属附件，是一种非常经济的施加预应力方法，适合工厂化成批生产中、小型预应力构件。

但是，先张法生产所用的台座及张拉设备一次性投资费用较大，而且台座一般只能固定在一处，不够灵活。

4．后张法施工的主要工序包括哪几个环节？后张法构件中的预应力是如何传递的？什么是后张法？后张法施工有何特点和适用？答：后张法施工的主要工序是：（1）浇注：先浇筑混凝土，在构件中配置预应力钢筋的部位上预留孔道，（2）穿筋：等混凝土达到一定强度（不低于设计强度的75%）后，将钢筋穿过预留孔道，（3）张拉锚固：以构件本身作为支承张拉钢筋，同时混凝土被压缩并获得预压应力。

当预应力钢筋达到设计拉力后，用锚具将其锚固在构件两端，保持钢筋和混凝土内的应力。

（4）灌浆：最后，用高压泵在预留孔内压注水泥浆，保护预应力钢筋不被锈蚀，并与混凝土结为整体；也可不灌浆，完全通过锚具传递预压力，形成无粘结的预应力构件。

后张法构件是依靠锚具来传递和保持预加应力的。

对混凝土构件施加预压力的途径不同，是先张法和后张法的本质差别所在。

后张法是先浇筑混凝土，待混凝土结硬并达到一定的强度后，再在构件上张拉钢筋的方法。

后张法施工的特点和适用：后张法不需要台座，所以构件可在工厂预制，也可现场施工，应用比较灵活。

但是，后张法构件只能单一逐个地施加预应力，工序较多，操作也较麻烦，而且，后张法的锚具耗钢量大，锚具加工要求的精度较高，成本较贵。

因此，后张法适用于运输不便的大、中型构件。

5．电热张拉法施加预应力的原理是什么？电热张拉法有何特点？电热张拉法有何应用？答：电热张拉法是利用钢筋热胀冷缩的原理，在预应力钢筋上通过强大的电流，短时间内将钢筋加热，使钢筋的温度升高，钢筋随之伸长。

当钢筋伸长到要求长度后，切断电源，锚固钢筋。

随着温度的下降，钢筋逐渐冷却回缩，从而在混凝土中产生预压应力。

所以，电热法只不过是以电热代替千斤顶的机械张拉，可用于先张法和后张法。

电热张拉法具有设备简单、操作方便、生产效率高、无摩擦损失、便于曲线张拉和高空作业等优点；但也有耗电量较大、用伸长值控制应力不易准确、成批生产尚需校核张拉力等缺点。

以冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋作预应力筋的结构，都可用电热张拉法施加预应力，特别是圆形预应力混凝土结构（如水池、油罐等）和无粘结波形配筋的升板结构，尤宜采用电热张拉法。

6．何谓锚具和夹具？在设计、制造和选用锚具、夹具时必须满足哪些要求？答：锚具和夹具是在制作预应力构件时锚固夹持预应力钢筋的工具。

一般认为预应力构件制成后能够取下重复使用的称夹具，而留在构件上不再取下的称锚具。

锚具多用在后张法生产的构件中。

有时为了简便起见，将锚具和夹具统称为锚具。

锚具、夹具主要依靠摩阻、握裹和承压锚固来锚住或夹住钢筋，是保证预应力混凝土结构安全可靠的关键因素之一。

因此，在设计、制造和选用锚具、夹具时必须满足以下要求：（1）安全可靠，锚具的本身具有足够的强度和刚度；（2）应使预应力钢筋在锚具内尽可能不产生滑移，以减少预应力的损失；（3）构造简单，便于机械加工制作，省材料，价格宜低；（4）施工简便，使用安全方便。

7．目前预应力混凝土结构中常用的锚具有哪几种？这些锚具的工作原理如何，各有何特点和适用？答：目前预应力混凝土结构中常用的锚具有：螺丝端杆锚具、夹片式锚具、镦头锚具和锥形锚具。

（1）螺丝端杆锚具在单根预应力钢筋的两端各焊上一短段螺丝端杆，套以螺帽和垫板，即形成螺丝端杆锚具。

预应力钢筋通过螺丝端杆螺纹斜面上的承压力将预拉力传到螺帽，再经过垫板传至预留孔道口四周的混凝土构件上。

这种锚具的优点是操作比较简单，滑动很小，便于再次张拉。

缺点是对预应力钢筋长度的精确度要求高，不能太长或太短，以避免发生螺纹长度不够等情况。

可用于先张法、后张法或电热法锚固直径36mm以下的单根粗钢筋（冷拉Ⅱ、Ⅲ级钢筋）。

（2）夹片式锚具夹片式锚具主要有JMl2型、JMl5型、JM型、XM型锚具等型式。

这种锚具由锚环和夹片组成，可锚固钢绞线或钢丝束。

夹片块数与预应力钢筋或钢绞线的根数相同，张拉时，每个锥孔放置1根钢绞线，张拉后各自用夹片将孔中的该根钢铰线抱夹锚固，每个锥孔各自成为一个独立的锚固单元。

所以其特点是各根钢铰线均独立工作，任何一组夹具滑移、碎裂或钢绞线拉断，都不会影响同束中其他钢绞线的锚固，只需对失效锥孔内的钢铰线进行补拉即可。

夹片呈楔形，上有两个圆弧形槽，槽内有齿纹，依靠摩擦力锚固预应力钢筋，通过夹片的楔入作用将承压力传给锚环，再由锚环挤压混凝土。

JMl2型锚具主要缺点是钢筋内缩量较大。

其余几种锚具有锚固较可靠、互换性好、自锚性能强、张拉钢筋的根数多，施工操作也较简便等优点。

（3）镦头锚具镦头式锚具有钢丝束镦头锚具和单根镦头夹具。

钢丝束镦头锚具分A型和B型。

A型由锚圈和螺母组成，用于张拉端。

B型为锚板，用于固定端。

镦头锚具是利用钢丝的粗镦头来锚固预应力钢丝的。

其特点是锚固性能可靠，锚固力大，张拉操作方便。

但要求钢筋或钢丝束的长度有较高的精度。

（4）锥形锚具锥形锚具由锚圈及带齿的圆锥体锚塞组成，锚塞中间有小孔作锚固后灌浆之用。

用千斤顶张拉钢筋后将锚塞顶压入锚圈内，利用钢丝在锚塞和锚圈之间的摩擦力锚固钢丝。

预应力钢筋依靠摩擦力将预拉力传到锚环，再由锚环通过承压力和粘结力将预拉力传到混凝土构件上。

这种锚具可用于锚固多根直径为5～12mm的平行钢丝束，或者锚固多根直径为13～15mm的平行钢绞线束。

其优点是效率高，缺点是滑移大，且不易保证每根钢筋（丝）中的应力均匀。

8．预应力混凝土构件对混凝土有哪些要求？为什么说“预应力混凝土必须采用强度高的混凝土，而且，所用预应力筋的强度越高，混凝土等级相应要求越高”？答：预应力混凝土构件对混凝土的要求是：（1）高强度。

《混凝土结构设计规范》（以下简称《规范》）规定，预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于C30。

对采用钢绞线、钢丝、热处理钢筋作预应力钢筋的构件，特别是大跨度结构，混凝土强度等级不宜低于C40。

（2）收缩、徐变小在预应力混凝土结构中，混凝土因收缩和徐变产生的变形，将会导致预加应力值的降低即预应力损失，并使结构或构件的挠度发生显著的变化，所以，要求混凝土的收缩、徐变小。

（3）快硬、早强可尽早施加预应力，提高台座、锚具、夹具等设备的周转率，加快施工进度，降低间接管理费用。

预应力混凝土必须采用强度高的混凝土，而且，所用预应力筋的强度越高，混凝土等级相应要求越高。

这是因为：（1）强度高的混凝土可提高先张法构件钢筋与混凝土之间的粘结力；提高后张法构件锚固端的局部承压承载力；（2）高强混凝土具有较高的抗拉强度，从而使预应力结构具有较高的抗裂强度。

8．预应力混凝土构件对所用的钢筋（或钢丝）有哪些要求？答：预应力混凝土构件所用的钢筋（或钢丝），从制造阶段开始，直到破坏，始终处于高应力状态，因此对其应有较高的要求，具体如下：（1）强度高。

混凝土预压应力的大小，取决于预应力钢筋张拉应力的大小。

为保证预应力钢筋在构件制作过程中出现各种应力损失后仍存有较高的应力，需要采用较高的张拉应力，从而预应力钢筋应具有较高的抗拉强度。

（2）具有一定的塑性。

高强钢筋的塑性性能一般较低，为了保证结构或构件在破坏前有较大的变形能力，避免预应力混凝土构件发生脆性破坏，要求预应力钢筋在拉断前，具有一定的伸长率。

当构件处于低温或受冲击荷载作用时，更应注意对钢筋塑性和抗冲击韧性的要求。

一般要求极限伸长率>4％。

（3）良好的加工性能。

如良好的可焊性；钢筋经过“冷镦”或“热镦”后并不影响其原来的物理力学性能等。

（4）与混凝土之间能较好地粘结。

这一点对先张法预应力混凝土构件尤为重要，因为在传递长度内钢筋与混凝土间的粘结强度是建立预应力的保证，所以对于先张法构件，当采用高强钢丝时，其表面应经过“刻痕”或“压波”等措施进行处理。

（5）供应长度应尽可能长。

这样在需用长预应力钢筋时可以避免钢筋接头和材料损失。

为此，《规范》规定，预应力混凝土构件中的预应力钢材宜采用钢绞线、钢丝，也可采用热处理钢筋。

9．预应力混凝土有哪些优点与缺点？答：预应力混凝土是将高强度混凝土与高强度钢材“能动”地结合在一起，这种结合是靠张拉钢筋并将其锚固于混凝土，从而使混凝土受压来实现。

这种能动的结合使两种材料都产生非常好的性能：钢材是延性材料，现用预加应力的方法可使其在高拉力下工作，充分利用其强度；混凝土在抗拉能力上是脆性材料，现由于受到预压而有所改善，而其抗压能力并未真正受到损害。

所以，预应力混凝土是两种高强度材料的理想结合，它主要具有如下优点：（1）改善和提高了结构或构件的受力性能（如抗裂、变形、抗剪等）。

由于预应力的作用，克服了混凝土抗拉能力低的弱点，不仅提高了构件的抗裂度和刚度，还能减小受弯构件承受荷载后的变形：使用荷载下，预应力混凝土梁、板的挠度，往往只有相同情况下普通钢筋混凝土梁、板的几分之一。

试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展，因而可提高构件的抗剪能力。