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第四章 预应力混凝土工程. 4.1 概述. 预应力结构可以 定义 为：在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受压区施加相反的应力，以改善结构实用性能的结构形式称之为 预应力结构 。 预应力混凝土的优点： 能提高钢筋混凝土构件的刚度、抗裂性和耐久；有效地利用高强度钢筋和高强度等级的混凝土。与普通混凝土相比，在同样条件下具有截面小、自重轻、质量好、材料省（要节约钢材 20 ％～ 40 ％），并能扩大预制装配化程度。. 分类 ： 1 、按施加预应力的方式不同分为先张法和后张法； 2 、按施加预应力的手段不同分为机械张拉和电热张拉；
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4.1 概述 • 预应力结构可以定义为：在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受压区施加相反的应力，以改善结构实用性能的结构形式称之为预应力结构。 • 预应力混凝土的优点：能提高钢筋混凝土构件的刚度、抗裂性和耐久；有效地利用高强度钢筋和高强度等级的混凝土。与普通混凝土相比，在同样条件下具有截面小、自重轻、质量好、材料省（要节约钢材20％～40％），并能扩大预制装配化程度。
分类： 1、按施加预应力的方式不同分为先张法和后张法； 2、按施加预应力的手段不同分为机械张拉和电热张拉； 3、按预应力筋与混凝土的粘结状态不同分为有粘结和无粘结预应力混凝土； 4、按施加预应力大小的程度分为全预应力和部分预应力混凝土； 5、按施工方法不同分为预制预应力和现浇预应力混凝土。
4.2 预应力钢筋、锚（夹）具、张拉机械 • 4.2.1 预应力钢筋 • 预应力钢筋通常由单根或成束的钢丝、钢绞线或钢筋组成。 • 1.高强钢筋 • 高强钢筋可分为冷拉热轧低合金钢筋和热处理低合金钢筋。目前我国生产的精轧螺纹钢筋品种有直径为25mm及32mm,其屈服点为750MPa及900MPa两种。
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。 • 3.钢绞线 • 钢绞线规格有2股、3股、7股和19股等。 • 7股钢绞线由于面积较大、柔软、施工定位方便，适用于先张法和后张法预应力结构与构件，是目前国内外应用最广的一种预应力筋。
4.无粘结预应力筋 • 无粘结预应力筋的高强钢材和有粘结的要求完全一样，常用的有7根直径5mm的碳素钢丝束及由7根5mm或4mm的钢丝绞合而成的钢绞线。 • 5.非金属预应力筋 • 6.非预应力筋
4.2.2 预应力筋用锚具、夹具及连接器 • 1. 性能要求 • 预应力筋用锚具、夹具和连接器的性能均应符合现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB／T 14370的规定。 在预应力筋强度等级已确定的条件下，预应力筋—锚具组装件的静载锚固性能试验结果，应同时满足锚具效率系数(ηa) 等于或大于0．95和预应力筋总应变(εapu)等于或大于2．0％两项要求。
（1）、 锚具的静载锚固性能，应由预应力筋—锚具组装件静载试验测定的锚具效率系数 (ηa)和达到实测极限拉力时组装件受力长度的总应变(εapu)确定。锚具效率系数(ηa)应按下式计算： Fapu η a= ———— ηp.Fpm 式中 Fapu——预应力筋—锚具组装件的实测极限拉力； Fpm——预 应力筋的实际平均极限抗拉力。由预应力钢材 试件实测破断荷载平均值计算得出； ηp——预应力筋的效率系数。ηp应按下列规定取用： 预应力筋—锚具组装件中预应力钢材为1至5根时，ηp=1；6至12根时，ηp=0．99；13至19根时，ηp=0.98；20根以上时，ηp=0．97。
（2）、当预应力筋—锚具(或连接器)组装件达到实测极限拉力 (Fapu)时，应由预应力筋的断裂，而不应由锚具(或连接器)的破坏导致试验的终结。预应力筋拉应力未超过0．8fptk时，锚具主要受力零件应在弹性阶段工作，脆性零件不得断裂。 • （3）、用于承受静、动荷载的预应力混凝土结构，其预应力筋—锚具组装件，除应满足静载锚固性能要求外，尚应满足循环次数为200万次的疲劳性能试验要求。疲劳应力上限应为预应力钢丝或钢绞线抗拉强度标准值。(fptk)的65％(当为精轧螺纹钢筋时，疲劳应力上限为屈服强度的80％)，应力幅度不应小于80MPa。对于主要承受较大动荷载的预应力混凝土结构，要求所选锚具能承受的应力幅度可适当增加，具体数值可由工程设计单位根据需要确定。
（4）、在抗震结构中，预应力筋—锚具组装件还应满足循环次数为50次的周期荷载试验。组装件用钢丝或钢绞线时，试验应力上限应为0．8fptk；用精轧螺纹钢筋时，应力上限应为其屈服强 度的90％。应力下限均应为相应强度的40％。 (5)、锚具尚应满足分级张拉、补张拉和放松拉力等张拉工艺的要求。锚固多根预应力筋的锚具，除应具有整束张拉的性能外，尚宜具有单根张拉的可能性。
(6)、夹具的静载性能，应由预应力筋—夹具组装件静载试验测定的夹具效率系数(ηg)确定。夹具效率系数(ηg)应按下式计算： Fgpu η g= ———— Fpm 式中 ： Fgpu ——预应力筋—夹具组装件的实测极限拉力。 试验结果应满足夹具效率系数(ηg)等于或大于0．92的要求。 当预应力筋—夹具组装件达到实测极限拉力时，应由预应力筋的断裂，而不应由夹具的破坏导致试验终结。
(7)、夹具应具有良好的自锚性能、松锚性能和安全的重复使用性能。主要锚固零件宜采取镀膜防锈。 (8)、永久留在混凝土结构或构件中的预应力筋连接器，应符合锚具的性能要求；用于先张法施工且在张拉后还将放张和拆卸的连接器，应符合夹具的性能要求。 2、锚具、夹具和连接器的种类 （1）、 预应力筋用锚具、夹具和连接器按锚固方式不同，可分为 夹片式 (单孔和多孔夹片锚具)：JM12（图1） 支承式 (镦头锚具、螺母锚具等)：镦头锚具（图2）、螺丝端杆锚具（图3）、帮条锚具（图4） 锥塞式：钢质锥形锚具（图 5） 握裹式 (挤压锚具、压花锚具等)：锥形螺杆锚具（图6）、压花锚具（图7）。 工程设计单位应根据结构要求、产品技术性能和张拉施工方法。
图 1 JMl2型锚具 图 2 螺丝端杆锚具 1—螺丝端杆锚具；2—螺母； 3—垫板； 4—排气槽；5—对焊接头；6—冷拉钢筋； 图 3 镦头锚具 1—垫板；2—预应力筋； 3—镦头 图 4 帮条锚具 13
图 6 锥形螺杆锚具 1—螺帽；2—锥形螺杆； 3—套筒；4—钢丝； 图 5 钢质锥形锚具 1—锚环；2—锚塞。 图 7压花锚具 14
4.2.3 预应力筋、锚具、张拉机具的配套使用 • 工程设计选定的锚具或连接器，应在设计图纸上注明型式、规格及性能要求，不得指定生产厂名或以独家产品型号间接指定生产厂名。 能够适用于高强度预应力钢材的锚具(或连接器)，也可用于较低强度的预应力钢材；仅适用于低强度预应力钢材的锚具 (或连接器)，则不得用于高强度的预应力钢材。在施工中，锚具 需要代换时，应经工程设计责任方审核同意。 夹具和先张法预应力筋连接器的选用，应根据预应力筋的品种、规格、张拉设备型式以及工艺操作要求，由构件的生产单位或生产线的设计单位确定。
4.3 先张法施工 • 4.3.1 先张法施工工艺流程 先张法施工是在浇筑混凝土之前，先张拉钢筋或钢丝，用夹具临时将其固定在台座或钢模上，然后再支撑模板（主要是侧模和断模），并安装非预应力钢筋，接着浇筑混凝土并养护，待构件混凝土达到设计强度70%以后，保证钢筋（钢丝）与混凝土之间有足够粘结力时，放松钢筋（钢丝），钢筋（钢丝）弹性回缩，对混凝土构件产生预压应力。
先张法施工示意图 a)预应力筋张拉阶段，b)混凝土浇筑和养护阶段，c)预应力筋放松阶段 1一台座；2一横梁；3一台面；4一预应力筋；5一锚固夹具；6一混凝土构件
4.3.2 先张法施工设备 先张法施工用机具设备主要是台座、夹具和张拉机具。 • （一）台座 • 组成：台面、横梁、承力结构。 • 类型：墩式台座、槽式台座、桩式台座等。 • 1、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： 稳定性验算：（抗倾覆、抗滑移的能力） A、抗倾覆验算： M－倾覆力矩，由预应力筋的张拉力产生； M1－倾覆力矩，由台座自重和土压力等产生； Ｋ－抗倾覆安全系数。
2、槽式台座 用于张拉力和倾覆力矩较大的构件生产。 3、钢模台座
4.3.3 先张法施工工艺 工艺流程图：
3.施工注意事项 • （1）钢筋的张拉
（2）混凝土的浇筑与养护 • 混凝土可采用自然养护或蒸汽养护。但应注意，在台座上用蒸汽养护时，温度升高后，预应力筋膨胀而台座的长度并无变化，因而引起预应力筋应力减小，这就是温差引起的预应力损失。为了减少这种温差应力损失，应保证混凝土在达到一定强度之前，温差不能太大（一般不超过20℃），故在台座上采用蒸汽养护时，其最高允许温度应根据设计要求的允许温差（张拉钢筋时的温度与台座温度的差）经计算确定。当混凝土强度养护至7.5ＭPa（粗钢筋）或10ＭPa（钢丝、钢绞线配筋）以上时，则可不受设计要求的温差限制，按一般构件的蒸汽养护规定进行。这种养护方法又称为二次升温养护法。在采用机组流水法用钢模制作、蒸汽养护时，由于钢模和预应力筋同样伸缩，所以不存在因温差而引起的预应力损失，可以采用一般加热养护制度。
（3） 预应力筋放松 混凝土达到规定强度后，才可以放松预应力筋。 • 当设计无要求时，不得低于设计的混凝土强度标谁值的75％。对于重叠生产的构件，要求最上一层构件的混凝土强度不低于设计强度标准值的75％时方可进行预应力筋的放张。 • 过早放张会引起较大的预应力损失或产生预应力筋滑动。预应力混凝土构件在预应力筋放张前要对混凝土试块进行试压，以确定混凝土的实际强度。
4.4 后张法施工施工 • 4.4.1 后张法施工工艺流程 • 后张法是先浇筑混凝土后张拉预应力筋的预应力混凝土生产方法。这种方法需要预留孔道和专用的锚具，张拉锚固的预应力筋要求进行孔道灌浆。
4.4.2 后张法施工工艺 • 1.有粘结预应力施工工艺 • 后张法施工工艺与预应力施工有关的是孔道留设、预应力筋张拉和孔道灌浆三部分。 • （1）构件的孔道留设 • 构件中留设孔道主要为穿预应力钢筋（束）及张拉锚固后灌浆用。孔道留设的基本要求： • ① 孔道直径应保证预应力筋（束）能顺利穿过。
② 孔道应按设计要求的位置、尺寸埋设准确、牢固，浇筑混凝土时不应出现移位和变形。 • ③ 在设计规定位置上留设灌浆孔。 • ④ 在曲线孔道的曲线波峰部位应设置排气兼泌水管，必要时可在最低点设置排水管。 • ⑤ 灌浆孔及泌水管的孔径应能保证浆液畅通。
预留孔道形状有直线、曲线和折线形，孔道留设方法：预留孔道形状有直线、曲线和折线形，孔道留设方法： 1）钢管抽芯法 预先将平直、表面圆滑的钢管埋设在模板内预应力筋孔道位置上。在开始浇筑至浇筑后拔管前，间隔一定时间要缓慢匀速地转动钢管；待混凝土初凝后至终凝之前，用卷扬机匀速拔出钢管即在构件中形成孔道。
钢管抽芯法只用于留设直线孔道，钢管长度不宜超过15m，钢管两端各伸出构件500mm左右，以便转动和抽管。钢管抽芯法只用于留设直线孔道，钢管长度不宜超过15m，钢管两端各伸出构件500mm左右，以便转动和抽管。 • 构件较长时，可采用两根钢管，中间用套管连接。 • 抽管时间与水泥品种、浇筑气温和养护条件有关。 • 采用钢筋束镦头锚具和锥形螺杆锚具留设孔道时，张拉端的扩大孔也可用钢管成型，留孔时应注意端部扩孔应与中间孔道同心。
2） 胶管抽芯法 • 胶管采用5～7层帆布夹层，壁厚6～7mm的普通橡胶管，用于直线、曲线或折线孔道成型。 • 胶管一端密封，另一端接上阀门，安放在孔道设计位置上；待混凝土初凝后、终凝前，将胶管阀门打开放水（或放气）降压，胶管回缩与混凝土自行脱落。一般按先上后下、先曲后直的顺序将胶管抽出。
3） 预埋波纹管法 • 预埋管法是用钢筋井字架将黑铁皮管、薄钢管或金属螺旋管固定在设计位置上，在混凝土构件中埋管成型的一种施工方法。 • 适用于预应力筋密集或曲线预应力筋的孔道埋设，但电热后张法施工中，不得采用波纹管或其他金属管埋设的管道。
（2）预应力筋张拉 • 对于曲线预应力筋和长度大于24m的直线预应力筋，应采用两端同时张拉的方法；长度等于或小于24m的直线预应力筋，可一端张拉，但张拉端宜分别设置在构件两端。 • 对预埋波纹管孔道曲线预应力筋和长度大于30m的直线预应力筋宜在两端张拉，长度等于或小于30m的直线预应力筋可在一端张拉。 • 安装张拉设备时，对于直线预应力筋，应使张拉力的作用线与孔道中心线重合；对于曲线预应力筋，应使张拉力的作用线与孔道中心线末端的切线方向重合。
张拉安全事项 • 在张拉构件的两端应设置保护装置，如用麻袋、草包装土筑成土墙，以防止螺帽滑脱、钢筋断裂飞出伤人； • 在张拉操作中，预应力筋的两端严禁站人，操作人员应在侧面工作。 • （3）孔道灌浆 • 预应力筋张拉后，应尽快地用灰浆泵将水泥浆压灌到预应力孔道中去。
灌浆用水泥浆应有足够的粘结力，且应有较大的流动性，较小的干缩性和泌水性。 • 灌浆前，用压力水冲洗和湿润孔道。 • 灌浆顺序应先下后上，以免上层孔道漏浆把下层孔道堵塞。 • 灌浆工作应缓慢均匀连续进行，不得中断。 • 2. 无粘结预应力混凝土施工工艺 • （1）预应力筋的铺设
铺设双向配筋的无粘结预应力筋时，应先铺设标高低的钢丝束，再铺设标高较高的钢丝束，以避免两个方向钢丝束相互穿插。 • 无粘结预应力筋应在绑扎完底筋以后进行铺放。 • 无粘结预应力筋应铺放在电线管下面。 • （2）.无粘结预应力筋的张拉 • 混凝土强度达到设计强度时才能进行张拉。张拉程序采用0→103%σcon。 • 张拉顺序应根据设计顺序，先铺设的先张拉，后铺设的后张拉。
3.锚头端部处理 锚具外包浇筑钢筋混凝土圈梁。 锚固后在锚具夹片外保留≮30mm切断； 分散、弯折后浇混凝土封闭，防止锈蚀。
