土木工程施工

土木工程施工 第五章预应力混凝土工程

预应力混凝土工程 预应力混凝土是近几十年发展起来的一门新技术，目前在世界各地得到广泛应用。近年来，随着预应力混凝土设计理论和施工工艺与设备地不断完善和发展，预应力混凝土得到进一步的推广应用。与普通混凝土相比，预应力混凝土具有抗裂性好、刚度大、材料省、自重轻、结构寿命长等优点，为建造大跨度结构创造了条件。预应力混凝土已由单个预应力混凝土构件发展到整体预应力混凝土结构，广泛用于土建、桥梁、管道、轨枕等领域。通过本章的学习，我们要了解混凝土的预应力建立过程，了解各种预应力混凝土施工机械性能，掌握预应力混凝土的有关施工计算方法，掌握预应力混凝土施工工艺和质量控制方法。

概述预应力钢筋、锚（夹）具、张拉机械先张法施工后张法施工本章主要内容

1、预应力结构的概念： （1）预应力结构：在结构承受外荷载之前，预先对其在外荷载作用下的受拉区施加压应力，以改善结构使用性能的这种结构形式称之为预应力结构。（2）预应力砼结构：它是在结构构件承受使用荷载之前，在构件的受拉区域张拉钢筋，利用钢筋张拉后的弹性回缩，对构件受拉区域的混凝土预先施加压力，产生预压应力，以抵消或减少使用荷载作用下产生的拉应力。第一节概述

2、预应力混凝土的优点 ① 截面小，重量轻，刚度大； ② 抗裂性、耐久性好； ③ 充分利用高强钢筋性能，节约钢材； ④ 具有良好的裂缝闭合性能与变形恢复性能； ⑤ 提高抗剪承载力及抗疲劳强度； ⑥ 在较大跨度结构中，综合经济效益好。第一节概述

4、对混凝土的要求 （1）高强、轻质、高耐久性混凝土强度等级一般不低于C30；当采用碳素钢丝、钢绞线、V级钢筋（热处理）作预应力筋时，砼强度等级不宜低于C40；（2）预应力砼构件生产时，不得掺用氯盐。第一节概述

5、预应力砼分类 （1）按施加预应力的方式分：先张法、后张法；（2）按预应力筋与砼的粘结状态分：有粘结、无粘结；（3）按施加预应力的方法分：机械张拉、电热张拉；（4）按施加预应力大小的程度分：全预应力、部分预应力；（5）按施工方法分：预制、现浇、组合预应力砼；（6）按预应力筋在体内与体外的位置的不同划分：体内预应力砼、体外预应力砼。第一节概述

1、预应力钢筋 （1）对预应力筋的基本要求高强度；较好的塑性；较好的粘结性能；具有良好的耐久性等。（2）预应力筋按照材质分类 ① 金属预应力筋高强钢筋、钢丝、钢绞线； ② 非金属预应力筋纤维增强塑料（ERP）预应力筋。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

（3）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两种。 ① 冷拉低合金钢筋：Ⅱ~Ⅳ级热轧钢筋冷拉而成; ② 热处理低合金钢筋：带纵肋和无纵肋两种。（4）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。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

（5）钢绞线 钢绞线是用冷拔钢丝绞扭而成，其方法是在绞线机上以一种稍粗的直钢丝为中心，其余钢丝则围绕其进行螺旋状绞合，再经低温回火处理即可。钢绞线按照深加工的要求分类：普通松弛钢绞线、低松弛钢绞线、镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线、模拔钢绞线。钢绞线的规格：2股、3股、7股、19股。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

（6）无粘结预应力筋 一种在施加预应力后沿全长与周围混凝土不粘结的预应力筋，它由预应力钢材、涂料层和包裹层组成。（7）非金属预应力筋主要是指用纤维增强塑料（简称FRP）制成的预应力筋；主要有玻璃纤维增强塑料（GFRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）及碳纤维增强塑料（CFRP）预应力筋等几种形式。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

2、锚具、夹具及连接器 （1）基本概念 ① 锚具：是后张法结构构件中为保持预应力筋拉力并将其传递到混凝土上的永久性锚固装置。 ② 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；或在后张法构件施工中，在张拉千斤顶或设备上夹持预应力筋的临时性锚固装置。 ③ 连接器：连接预应力筋的装置。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

（2）性能要求 ① 锚具的性能要求 A. 满足静载锚固性能要求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≥0.95和预应力筋总应变εapu ≥ 2.0%两项要求。锚具效率系数（ηa）应按下式计算： 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; ηp——预应力筋的效率系数。(1~5根,ηp=1；6~12根,ηp =0.99； 13~19根,ηp =0.98；≥20根, ηp =0.97。) 第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

B. 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。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。 C. 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。 D. 锚固多根预应力筋的锚具，除应具有整束张拉的性能外，也应具有单根张拉的可能性。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

②夹具的性能要求 A.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，试验结果应满足夹具效率系数ηg ≥0.92 的要求。夹具效率系数的计算公式： Fgpu——预应力筋-夹具组装件的实测极限拉力；（当预应力筋- 夹具组装件达到实测极限拉力Fgpu时，应由预应力筋的断裂，而不应由夹具的破坏导致试验的终结。） 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。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

B.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；B.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； C.在预应力夹具组装件达到实际破断拉力时，全部零件均不得出现裂缝和破坏。 ③ 连接件的性能要求 A.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； B.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。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

（3）种类 根据锚固对象分类：锚具：单根钢筋锚具;钢筋束和钢绞线束锚具;钢丝束锚具夹具：钢丝夹具；钢筋夹具连接器：钢丝束连接器；钢绞线束连接器；精轧螺纹钢筋连接器 ①单根钢筋锚具 A.螺丝端杆锚具由螺丝端杆、螺母及垫板组成,是单根预应力粗钢筋张拉端常用的锚具。此锚具也可作先张法夹具使用，电热张拉时也可采用。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

①单根钢筋锚具 B.帮条锚具由衬板和三根帮条焊接而成，是单根预应力粗钢筋非张拉端用锚具。帮条采用与预应力钢筋同级别的钢筋，衬板采用3号钢。 C. 精轧螺纹钢筋锚具。由螺母和垫板组成，适用于锚固直径25mm 和32mm 的高强精轧螺纹钢筋。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

①单根钢筋锚具 D. 单根钢绞线锚具由锚环与夹片组成(如图所示)。夹片形状为三片式，斜角为4°。夹片的齿形为“短牙三角螺纹”，这是一种齿顶较宽、齿高较矮的特殊螺纹，强度高、耐腐蚀性强。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

②钢筋束和钢绞线束锚具 A.单根钢绞线锚具 (1) KT-Z 型锚具(可锻铸铁锥型锚具)。由锚环与锚塞组成(如图所示)。适用于锚固3～6 根直径12mm 的冷拉螺纹钢筋与钢绞线束。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

②钢筋束和钢绞线束锚具 B.单根钢绞线锚具 C.JM型锚具 D.XM型锚具 E.QM型锚具 F.固定端用镦头锚具第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

③钢丝束锚具 A. 锥形螺杆锚具使用时，先将钢丝束均匀整齐地紧贴在螺杆锥体部分，然后套上套筒，用拉杆式千斤顶使端杆锥通过钢丝挤压套筒，从而锚紧钢丝。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

③钢丝束锚具 B. 钢丝束镦头锚具 C. 钢质锥型锚具第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

④钢丝夹具 先张法中钢丝的夹具分两类：一类是将预应力筋锚固在台座或钢模上的锚固夹具；另一类是张拉时夹持预应力筋用的夹具。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

⑤钢筋的夹具 钢筋锚固多用螺母锚具、镦头锚和销片夹具等。张拉时可用连接器与螺母锚具连接，或用销片夹具等。销片式夹具：由圆套筒和圆锥行销片组成，套筒内壁呈圆锥形，与销片锥度吻合，销片有两片式和三片式，钢筋夹紧在销片凹槽内。第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械 3、张拉机械电动张拉机械（用于先张法），液压张拉机械（既可用于先张法也可用于后张法）（1）电动张拉机械 ①小型电动螺杆张拉机：适用于先张法台座上生产构件进行单根钢筋的张拉。 ②卷扬机：适用于长线台座小直径钢筋的张拉，此时放置钢筋的长度较大，张拉时伸长值也较大，一般电动螺杆张拉机或液压千斤顶的行程难以满足。

（2）液压张拉机械 ①普通千斤顶适用于：先张法施工中多根钢筋的同步张拉，如用钢台模以机组流水法或传送带法生产构件多进行多根张拉，可用普通液压千斤顶进行张拉。 ②拉杆式千斤顶 ③穿心式千斤顶 ④锥锚式千斤顶第二节预应力钢筋、锚具、张拉机械

1、原理 先张拉预应力筋，并将张拉的预应力筋临时固定在台座（或钢模上），然后浇筑砼，待砼达到一定的强度（一般不低于设计强度的75%），预应力筋和混凝土之间有足够的粘结力时，放松预应力筋，借助粘结力，对砼施加预压应力的施工方法。 2、适用范围先张法一般用于预制构件厂生产定型的中小型构件，如楼板、屋面板、檩条及吊车梁等。也可采用槽式台座，生产深梁、箱梁、盾构的管片等。第三节先张法施工

3、先张法施工的工艺流程 第三节先张法施工

4、台座 先张法施工用台座法生产预应力混凝土构件时，预应力筋锚固在台座横梁上，台座承受全部预应力的拉力，故台座应有足够的强度、刚度和稳定性，以避免台座变形、倾覆和滑移。台座由台面、横梁和承力结构等组成。根据承力结构不同，台座分为墩式台座和槽式台座。第三节先张法施工

（1）墩式台座 ① 概念：以混凝土墩作承力结构的台座； ② 应用：一般用以生产中小型构件。当生产空心板、平板等平面布筋的小型构件时，由于张拉力不大可利用简易墩式台座。生产中型构件或多层叠浇构件可用图示的墩式台座。台面局部加厚，以承受部分张拉力。台座长度较长，张拉一次可生产多根构件，从而减少因钢筋滑动引起的预应力损失。第三节先张法施工

③ 设计： 设计墩式台座时，应进行台座的稳定性和强度验算。 A.稳定性验算稳定性是指台座抗倾覆能力。抗倾覆验算的计算简图如图，抗倾覆稳定性按下式计算：第三节先张法施工

B.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，其挠度应控制在 2mm 以内，并不得产生翘曲。第三节先张法施工

（2）槽式台座 ① 组成：槽式台座由端柱、传力柱、横梁和台面组成。 ② 适用：槽式台座既可承受拉力，又可作蒸汽养护槽，适用于张拉力和倾覆力矩较大的构件生产，即吨位较高的大型构件，如屋架、吊车梁等。 ③ 槽式台座需进行强度和稳定性计算。端柱和传力柱强度按钢筋混凝土结构偏心受压构件计算；端柱抗倾覆力矩由端柱、横梁自重力及部分张拉力组成。第三节先张法施工

4、先张法施工工艺 （1）张拉控制应力张拉控制应力是指在张拉预应力筋时所达到的规定应力，应按设计规定采用。控制应力的数值直接影响预应力的效果。为了提高构件的抗裂性能，部分抵消因各种因素产生的预应力损失，施工中采用超张拉工艺，使超张拉应力比控制应力提高3%～5%。但其最大张拉控制应力不得超过规范规定。第三节先张法施工

（2）张拉程序 ① 对于预应力钢丝，由于张拉工作量大，宜采用一次张拉法：超张拉3%的目的是弥补应力松弛引起的预应力损失。 ② 对于预应力钢筋宜采用如下超张拉法：超张拉5%并持荷两分钟的目的在于加速钢筋松弛的早期发展，以减少应力松弛引起的预应力损失（减少40%~50%左右）。第三节先张法施工

5、施工注意问题 （1）钢筋的张拉 ① 张拉时预应力的校核：对预应力钢筋应校核其伸长值。实际伸长值与设计计算值的偏差在+10%与-5%范围内是允许的，否则应停拉；预应力钢丝张拉时，伸长值不做校核。待锚固完成1小时后抽查钢丝的预应力值，其误差应在设计规定阶段预应力值的±5%以内； ② 台座法对根张拉，为避免台座承受过大的偏心力，应先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋；第三节先张法施工

③ 多根成组张拉，初应力应调整一致(测力计抽查)，保证张拉后各预应力筋的应力一直； ④ 拉速平稳，锚固松紧一致，设备缓慢放松； ⑤ 拉完的筋位置偏差≯5mm，且≯构件截面短边的4%； ⑥ 冬施张拉时，温度≮－15℃； ⑦ 注意安全：两端严禁站人，敲击楔块应先轻后重，不得过猛。第三节先张法施工

（2）混凝土的浇筑 ① 为了减少混凝土的收缩和徐变引起的预应力损失，在确定混凝土配合比时，应优先选用干缩性小的水泥，采用低水灰比，控制水泥用量，对骨料采取良好的级配等技术措施。 ② 同一生产线的构件应在预应力筋张拉、钢筋绑扎和支模后立即进行，一次浇筑完毕； ③ 振捣应密实，不应碰撞钢丝，以避免引起预应力损失； ④ 叠层生产时，下层砼强度达5MPa，方可浇筑上层构件。第三节先张法施工

（3）混凝土的养护 ① 自然养护自然养护不得少于14d。干硬性混凝土浇筑完毕后，应立即覆盖进行养护。 ② 湿热养护当采用湿热养护时，台座和钢筋由于线膨胀系数不同将引起预应力损失。这种温差预应力损失如果是在砼逐渐硬结时形成，则永远不能恢复。为了减少温差应力损失，应采用“二次升温养护”，即在混凝土达到一定强度前，预应力筋与台座混凝土的温差一般不应超过20℃。待混凝土强度达到7.5MPa（粗钢筋配筋构件）或10MPa（钢丝、钢绞线配筋构件）以上后，再按一般升温养护。第三节先张法施工

（4）预应力筋放松 ① 基本要求混凝土强度达到设计规定的数值（一般不小于混凝土标准强度的75%）后，才可放松预应力筋; 预应力筋放松应根据配筋情况和数量，选用正确的方法和顺序，否则易引起构件翘曲、开裂和断筋等现象。 ② 放张方法与顺序 A. 当预应力筋采用钢丝时：配筋不多的中小型钢筋混凝土构件，钢丝可用砂轮锯或切断机切断等方法放松。配筋多的钢筋混凝土构件，钢丝应同时放松，如逐根放松，则最后几根钢丝将由于承受过大的拉力而断裂，易使构件端部开裂。长线台座上放松后预应力筋的切断顺序，一般由放松端开始，逐次切向另一端。第三节先张法施工

B.预应力筋为钢筋时： 对热处理钢筋不得用电弧切割，宜用砂轮锯或切断机切断。数量较多时，也应同时放松。多根钢丝或钢筋的同时放松，可用油压千斤顶、砂箱、楔块等。 C.采用湿热养护的预应力混凝土构件，宜热态放松预应力筋，而不宜降温后再放松。第三节先张法施工

1、原理 是先制作构件(或块体)，并在预应力筋的位置预留出相应的孔道，待混凝土强度达到设计规定的数值后，穿入预应力筋并施加预应力，最后进行孔道灌浆，张拉力由锚具传给混凝土构件而使之产生预压力。 2、特点后张法不需要台座设备，大型构件可分块制作，运到现场拼装，利用预应力筋连成整体。因此，后张法灵活性大；但工序较多，锚具耗钢量较大。第三节后张法施工

3、施工工序 （1）浇筑好混凝土构件，并在构件中预留孔道，待混凝土达到预期强度后(一般不低于混凝土设计强度的75%)，将预应力钢筋穿人孔道；（2）利用构件本身作为受力台座进行张拉（一端锚固一端张拉或两端同时张拉），在张拉预应力钢筋的同时，使混凝土受到预压。（3）张拉完成后，在张拉端用锚具将预应力筋锚住；（4）最后在孔道内灌浆使预应力钢筋和混凝土构成一个整体，形成有粘结后张法预应力结构。第三节后张法施工

4、施工工艺 （1）构件的孔道留设孔道留设是有粘结预应力后张法构件制作中的关键工作。孔道留设方法：有钢管抽芯法、胶管抽芯法和预埋波纹管法。灌浆孔与排气孔的留设：在留设孔道的同时还要在设计规定位置留设灌浆孔。一般在构件两端和中间每隔12 m留一个直径20mm的灌浆孔，并在构件两端各设一个排气孔。第三节后张法施工

① 钢管抽芯法——只可留设直线孔道。 预先将钢管埋设在模板内孔道位置处，在混凝土浇筑过程中和浇筑之后，每间隔一定时间慢慢转动钢管，使之不与混凝土粘结，待混凝土初凝后、终凝前抽出钢管，即形成孔道。 ② 胶管抽芯法——可留设直线和曲线孔道。胶管有布胶管和钢丝网胶管两种。布胶管：用间距≤0.5 m的钢筋井字架固定位置，浇筑前，管内充入压力为0.6~0.8 N/mm2的压缩空气或水，胶管直径增大3 mm左右，待砼初凝后，放出压缩空气或水，管径缩小而与砼脱离，便于抽出。钢丝网胶管：质硬、具有一定弹性，留孔方法与钢管一样，只是浇筑砼后不需转动，抽管时在拉力作用下断面缩小易于拔出。第三节后张法施工

③ 预埋波纹管法 波纹管为特制的带波纹的金属管，它与混凝土有良好的粘结力。波纹管预埋在构件中，浇筑混凝土后不再抽出，预埋时用间距不宜大于0.8 m的钢筋井字架固定。塑料波纹管是前几年国外发展起来的一种新型制孔器。它采用的塑料为聚丙烯或高密度聚乙烯。管道外表面的螺旋肋与周围的混凝土具有较高的粘结力，从而能将预应力传递到管道外的混凝土。塑料波纹管具有耐腐蚀性能好、孔道摩擦损失小、可提高后张预应力结构的抗疲劳性能等优点。第三节后张法施工

（2）预应力筋张拉 张拉预应力筋时，构件混凝土的强度应按设计规定，如设计无规定则不宜低于混凝土标准强度的75%。张拉注意事项： ① 张拉时应做到孔道、锚环与千斤顶三对中，以便张拉工作顺利进行，不致增加孔道摩擦损失。 ② 工具锚的夹片，应注意保持清洁和良好的润滑状态。 ③ 多根钢绞线束夹片锚固体系如遇到个别钢绞线滑移，可更换夹片，用小型千斤顶单根张拉。 ④ 构件张拉完毕后，应检查端部和其他部位是否有裂缝，并填写张拉记录表。 ⑤ 预应力筋锚固后的外露长度不宜小于30mm。长期外露的锚具，可涂刷防锈油漆，或用混凝土封裹，以防腐蚀。第三节后张法施工

（3）孔道灌浆 ① 预应力筋张拉后，应随即进行孔道灌浆，尤其是钢丝束，张拉后应尽快进行灌浆，以防锈蚀与增加结构的抗裂性和耐久性。 ② 在浇注混凝土之前需设置灌浆孔、排气孔、排水孔与泌水管。灌浆孔用于进水泥浆，一般设置在构件两端及跨中处。排气孔是为了保证孔道内气流通畅以及水泥浆充满孔道，不形成死角。泌水管用于排除孔道灌浆后水泥浆的泌水，并可二次补充水泥浆。泌水管一般与灌浆孔统一设置。第三节后张法施工

③ 灌浆前，用压力水冲洗和润湿孔道。 ④ 灌浆过程中，可用电动或手动灰浆泵进行灌浆，水泥浆应均匀缓慢地注入，不得中断。灌满孔道并封闭气孔后，再继续加注至0.5~0.6 MPa，并稳定一段时间，以确保孔道灌浆的密实性。对不掺外加剂的水泥浆，可采用两次灌浆法来提高灌浆的密实性。第三节后张法施工

土 木 工 程 施 工