第四章 预应力混凝土工程(4学时)

（二）预应力筋的张拉
张拉控制应力的数值直接影响预应力的效果，控制应力越高， 建立的预应力值则越大。但控制应力过高，预应力筋处于高 应力状态，使构件出现裂缝时的荷载与破坏荷载接近，破坏 前无明显的预兆，这是不允许的。
因此预应力筋的张拉控制应力（σcon）应符合设计规定；为 了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因素产生的预应力损失，施工中预 应力筋需超张拉时，可比设计要求提高5%，但其最大张拉 控制应力不得超过表5-1的规定。
因此，不是在任何场合都可以用预应力混凝土来代替普 通钢筋混凝土的，而是两者各有合理应用范围。
第二节 先张法施工
一、概述
先张法是在浇筑混凝土之前，在台座或模板上先张拉预应力钢 筋，用夹具临时固定，然后浇筑混凝土。
待混凝土达到规定强度（一般不低于混凝土设计强度标准值的 75%），保证预应力筋与混凝土有足够的粘结力时，放张或切 断预应力筋，借助于混凝土与预应力筋之间的粘结，对混凝土 产生预压应力，如图所示。
4）有良好的加工性能。
目前国内预应力混凝土结构常用的钢材可分为两类： 钢丝和钢筋。钢筋可用冷拉Ⅱ、Ⅲ级热轧钢筋或热 处理钢筋，钢丝可用高强碳素钢丝或冷拔低碳钢丝。
2.对混凝土的要求
1）高强度。因为只有高强混凝土充分利用高强钢材，共同
承受外力，从而可以减小构件的截面尺寸，减轻构件自重并节 约原材料用量。
2．电动螺杆张拉机
由螺杆、顶杆、张拉夹具、弹簧测力计等组成，如图5-20所示。 使用时，先用张拉夹具夹紧钢丝，然后开动电动机，通过皮带、 齿轮，使齿轮和螺母（外有齿、内有螺纹）转动，由于齿轮螺 母只能旋转，不能移动，故迫使螺杆作直线运动而张拉钢丝。
3.穿心式千斤顶
张 拉 直 径 12~20mm 的 单 根 钢筋、钢绞线或小型钢丝 束 ， 可 用 YC － 20 型 穿 心 式 千斤顶，如图5-21所示。张 拉时，前油嘴回油、后油 嘴进油，被偏心夹具夹紧 的钢筋随着液压缸的伸出 而被拉伸。
抗倾覆验算的计算简图如图5.3所示，按下式计算：
M' K0 M 1.5
式中：K0 —台座的抗倾覆安全系数； M —由张拉力产生的倾覆力矩，kN·m；M=T·e e — 张拉合力T的作用点到倾覆转动点o的力臂，m； M’－抗倾覆力矩，kN·m。
如忽略土压力，则
M’=G1.l1+G2.l2
先张法采用台座法生产时，预应力筋的张拉、锚固，混凝土构件的 浇筑、养护和预应力筋放张等工序皆在台座上进行，预应力筋的张 拉力由台座承受。
先张法适用于生产定型的中小型构件，如空心板、屋面板、吊车梁、 檩条等。
二、先张法施工设备
（一）台座 台座是先张法生产的主要设备之一，它承受预应力筋的全部张拉 力。因此，台座应具有足够的强度、刚度和稳定性。 台座构造型式有墩式台座、槽式台座和刚模台座等。 选用时根据构件种类、张拉力的大小和施工条件而定。
表5.1 最大张拉控制应力允许值
fptk为预应力钢筋极限抗拉强度标准值
张拉程序可按下列之一进行：
配置预应力 筋，施加预
压应力
4. 预应力混凝土的分类
1）按预加应力的方法分：先张法、后张法。
2）按张拉方法分：机械张拉(液压或电动螺杆)、电热张拉。 3）按预应力筋粘结状态分：有粘结预应力混凝土和无粘结
预应力混凝土。
二、预应力混凝土的材料
预应力混凝土抗裂性的高低，取决于钢筋的预拉应力值。 钢筋预拉力愈高，混凝土预压力愈大，构件的抗裂性就 愈好。要建立较高的预应力，就必须具有高强度的钢筋 和高强度混凝土。所以，高强材料的提供，促使产生预 应力混凝土，预应力混凝土的发展又对材料提出更高的 要求。
（2）镦头夹具。如图5—15所示。将钢丝端部冷镦或热 镦形成粗头，通过承力板或梳筋板锚固。镦头夹具用于 预应力钢丝固定端的锚固。
钢丝锚固夹具
2.钢筋锚固夹具
圆套筒三片式夹具是由夹片与套筒组成，如图5—16所示。套筒 的内孔成圆锥形，三个夹片互成120°，钢筋平持在三夹片中心， 夹片内槽上有齿纹，以保证钢筋的锚固。这种夹具适用于夹持 直径为12mm、14mm的单根冷拉Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋。
2）收缩、徐变小，弹性模量高，有利于减少预应力 损失。混凝土强度高了，抗拉、抗剪、粘结强度也都高，从
而提高抗裂能力。
3）尽可能做到快硬、早强。因为只有快硬，早强才能尽
早施加预应力，加快施工进度，提高台座或锚具的使用率。
当前国内预应力钢筋构件中所用混凝土的强度等级常为
C40~C50，个别达到C60~C80，一般不低于C30。
三、预应力混凝土与钢筋混凝土的比较
预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，具有 如下优点：
1．提高了混凝土的抗裂度和刚度。 2．增加构件的耐久性。 3．节约材料。 4．减轻构件自重。 5．扩大了高、大、重型结构的预制装配化程度。 6．抗疲劳性能优于钢筋混凝土。
预应力混凝土存在的问题与不足
尽管预应力混凝土有上述优点，但也带来了另一方面的 问题，就是制作构件时增加了张拉工序、灌浆机具以及 锚固装置等专用设备，同时制作技术也比钢筋混凝土复 杂得多。所以跨度较小的梁和板，不承受拉力的拱与柱 子等就不适宜采用预应力结构。
பைடு நூலகம்
1.对钢材的要求
1）高强度。钢材强度越高，损失率越小，经济效 果也越高，因此当具备条件时，应尽量采用强度高 的钢材作预应力筋。
2）具有一定的塑性。就是要求钢筋切断时具有一 定的延伸率，当构件处于低温荷载下，更应注意塑 性要求，否则可能发生脆性破坏。
3）与混凝土有较好的粘结度。先张法构件（后张 自锚构件在使用时）的预应力是靠钢筋和混凝土的 粘结力来完成的。因此钢筋和混凝土的粘结度必须 足够。
3.什么叫预应力混凝土
预应力混凝土是为了弥补混凝土过早出现裂缝的现象，在 构件使用（加载）以前，预先给混凝土一个预压力，即在混凝 土的受拉区内，用人工加力的方法，将钢筋进行张拉，利用钢 筋的回缩力，使混凝土受拉区预先受压力。这种储存下来的预 加压力，当构件承受由外荷载产生拉力时，首先抵消受拉区混 凝土中的预压力，然后随荷载增加，才使混凝土受拉，这就限 制了混凝土的伸长，延缓或不使裂缝出现，这就叫做预应力混 凝土。
如果我们从荷载的概念出发，预应力混凝土可以定义为： “预应力混凝土是根据需要，人为地引入某一数值的反向荷载， 用以部分或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土”。
图示预应力混凝土（以梁为例）
普 通 梁 的 受 力 简 图
素 混 凝 土 梁 受 力 开 裂
普通钢筋混凝土梁和预应力钢筋混凝土梁
受拉区配置钢筋， 但还会产生裂缝
墩式台座是由承力台墩、台面、横梁组成。目前常用的 是用现浇钢筋混凝土制成的、由承力台墩与台面共同受 力的台座。
墩式台座示意图
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。
第四章
预应力混凝土工程
4学时
本章主要内容
概述 先张法施工 后张法施工 无粘结预应力混凝土结构施工
第一节 概述
一、基本概念
1．什么是预应力
预应力是预加应力的简称，人们对预加应力原理的 应用由来已久，在日常生活中稍加注意是不难找到 一些熟悉例子。如用竹箍的木桶、木锯、搬运书籍 等。 工程中预应力混凝土应用范围更广。
在厚150mm夯实碎石垫层上，浇筑60～100mm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。
2.槽式台座
抗滑移能力按下式验算：
Ke

T1 T
1.3
式中 Ke —抗滑移安全系数；
T —张拉力合力，kN；
T1 —抗滑移的力，kN；对于独立的台墩，由侧壁上压力和底部摩 阻力等产生；对与台面共同工作的台墩，其水平推力几乎全部传 给台面，不存在滑移问题，可不作抗滑移计算，此时应验算台面 的强度。
② 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
先张法生产时，可采用台座法和机组流水法。
台座法：预应力筋的张拉、锚固，混凝土的浇筑、养护及预应力 筋放张等均在台座上进行；预应力筋放张前，其拉力由台座承受。 机组流水法：构件连同钢模通过固定的机组，按流水方式完成 （张拉、锚固、混凝土浇筑和养护）每一生产过程；预应力筋放 松前，其拉力由钢模承受。 先张法施工工艺流程如图5.2所示。
槽式台座由端柱、传力柱、柱垫、横梁和台面等组成，既可 承受张拉力，又可作蒸汽养护槽，适用于张拉力较大的大型 构件，如吊车梁、屋架等。槽式台座构造，如图5-13所示。
（二）夹具
先张法中采用的夹具按其用途不同可分为将预应力筋固 定在台座上的锚固夹具和张拉时夹持预应力筋用的张拉 夹具。
1．钢丝锚固夹具
（1）钢质锥形夹具。钢质锥形夹具是常用的单根钢丝 夹具，适用于锚固直径3～5mm的冷拔低碳钢丝和碳素 （刻痕）钢丝。它由套筒和销子组成，如图5-14所示。 套筒为圆柱形，中间开圆锥形孔。
1.墩式台座
生产空心板、平板等平面布筋的混凝土构件时，由于张 拉力不大，可利用简易墩式台座。如图5-10所示。
生产中型构件或多层叠浇构件，如图5-11所示的墩式台 座，台座局部加厚，以承受部分张拉力。
台座的长度和宽度由场地大小、构件类型和产量而定， 一般长度为100~150m，宽度为2m。在台座的端部应留 出张拉操作用地和通道，两侧要有构件运输和堆放的场 地。
钢丝张拉分单根张拉和多根张拉。用钢模以机组流 水法或传送带法生产构件多用多根张拉，此时钢丝 以镦头锚固在锚固板上，用油压千斤顶进行张拉； 在台座上生产构件多为单根进行张拉，可采用电动 卷扬机、电动螺杆张拉机等进行张拉。
1.卷扬机张拉、杠杆测力的张拉装置
张拉机由电动卷扬 机、杠杆测力装置 及张拉夹具等组成， 装在窄轨小车上， 如图5-19示。使用时 根据钢丝的拉力， 先挂好砝码，用张 拉夹具夹紧钢丝后， 开动卷扬机，即可 张拉。
3.张拉夹具
常用的张拉夹具有月牙 形夹具、偏心式夹具和 楔 形 夹 具 等 ， 如 图 5-8 所 示。单根粗钢筋之间的 连接或粗钢筋与螺杆的 连接可采用钢筋连接器， 如图5-18所示，是套筒双 拼式连接器。
套筒双拼式钢筋连接器
（三）张拉设备
张拉设备要求简易可靠，控制应力准确，能以稳定的速率增大拉力。近 年来由于预应力混凝土施工工艺的完善，创造了多种简易机具，如手动 螺杆张拉器、电动螺杆张拉机、卷杨机（包括电动和手动）和液压千斤 顶等张拉机具。在测力方面有弹簧测力计、杠杆测力器、荷重控制及油 压表等不同方法。
张拉机具选择的要求
选择张拉机具时，为了保证设备、人身安全和张拉力准确，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 的张拉行程应不小于预应力筋张拉伸长值的1.1~1.3倍。
三、先张法施工工艺
（一）预应力筋的铺设
预应力钢丝宜用牵引车 铺设。如遇钢丝需要接 长，可借助于钢丝拼接 器 用 20~22 号 铁 丝 密 排 绑 扎 ， 如 图 5-22 所 示 。 绑扎长度；对冷拔低碳 钢丝不得小于40倍钢丝 直径；对高强刻痕钢丝 不得小于80倍钢丝直径。
图5-2 预应力原理在木锯上的应用
2.混凝土为什么要预加应力
混凝土是抗压强度高而抗拉强度低。抗拉强度不仅很低， 只有抗压强度的1/10~1/15，而且很不可靠。它的抗拉变 形能力也很小，如同玻璃一样是脆性的，破坏前没有明显 预兆。因此素混凝土只能用于柱墩、重力式挡土墙、地坪、 路面等以受压为主的场合，而不能用梁、板等受弯结构。 为弥补混凝土抗拉强度太低的缺点，人们首先想到的是对 混凝土预期出现拉应力的部位用钢筋来加强，即用钢筋来 代替混凝土承担拉力。 这种用混凝土受压、用钢筋受拉的钢筋混凝土用途很广、 优点很多，但也存在着一个难以克服的本质上的缺陷—开 裂。所有钢筋混凝土受弯、受拉构件，不管配筋少还是配 筋多，在使用状态下几乎无不开裂，以致影响它的应用范 围与发展前途。