第五章预应力混凝土工程课件

第5章预应力混凝土工程概述§5-1先张法§5-2后张法§5-3无粘结预应力混凝土施工概述一、预应力混凝土原理：

对构件受拉区的混凝土预先施加压力，产生预压应力，当构件在外荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消预压应力，然后随着荷载不断增加，受拉区混凝土才受拉开裂，从而延迟了构件裂缝的出现和限制了裂缝的开展，提高了构件的抗裂度和刚度。使混凝土结构在荷载作用状态下充分发挥钢筋抗拉强度高和混凝土抗压能力强的特点，提高构件的承载能力，并使高强钢材在钢筋混凝土构件中得到应用。

预应力混凝土：在结构或构件承受使用荷载之前，预先在混凝土受拉区施加一定的预压应力并产生一定压缩变形的混凝土。按预应力筋与混凝土粘结状态：有粘结；无粘结；缓粘结；

缓粘结预应力混凝土结构：配置缓粘结预应力钢绞线并经张拉建立预应力的混凝土结构；通过缓粘结剂的固化实现预应力筋与混凝土从无粘结逐渐过渡到有粘结。

二、施加预应力的目的：

1、提高结构或构件的抗裂度；2、提高结构或构件的刚度；

3、充分发挥高强钢材的作用；4、把散件拼成整体。三、预应力混凝土的预应力施加方式：

1、先张法

先张拉钢筋，后浇筑混凝土，预应力靠钢筋与混凝土之间的粘结力传递给混凝土。

2、后张法后张法是先浇筑混凝土并预留孔道，待混凝土达到一定强度后张拉钢筋，预应力靠锚具传递给混凝土。

3、自应力法根据JGJ/T178-2009《补偿收缩混凝土应用技术规规程》中对自应力描述，混凝土的膨胀被钢筋等约束时导入混凝土的压应力称为自应力。混凝土膨胀时，会对其约束体施加拉应力，根据作用力与反作用力原理，约束体会对其产生相应的压应力，由于此压应力是利用混凝土自身的化学能（膨胀能）张拉钢筋或其他约束体产生的，有别于外部施加的机械预应力，所以称为自应力。四、预应力用钢材预应力混凝土结构包括非预应力筋和预应力筋；预应力筋要求高强度（1800-2000Mpa）、较好的塑性和粘结性能。主要有预应力螺纹钢筋、钢丝和钢绞线三种。非金属预应力筋主要为纤维增强塑料预应力筋。1.高强钢筋冷拉热轧低合金钢筋（冷拉提高屈服强度，逐渐淘汰）和热处理低合金钢筋（带纵肋和无纵肋）。含碳量和合金量对焊接性能影响较大，，当含碳量达到上限或直径较粗时，焊接质量不稳定。在钢筋端部冷轧螺纹或在钢厂热轧生产无纵肋的精轧螺纹钢筋。预应力混凝土用螺纹钢筋

精轧螺纹钢筋：热轧，带有不连续外螺纹的直条钢筋，可直接用配套的连接器接长和螺母锚固。锚固简单、无需冷拉焊接，施工方便。2.高强钢丝

主要为冷拉和矫直回火。优质高碳钢盘条经酸洗或磷化后冷拔而成。由深加工要求不同，分为消除应力（低温低于500度，矫直回火钢丝，消除冷拔中的残余应力，比例极限、屈服极限和弹性模量提高，塑性改善，解决矫直问题）和刻痕钢丝（用机械方式对钢丝进行压痕处理）等；由表面形状分为光圆钢丝、刻痕和螺旋肋钢丝。3.钢绞线

冷拔钢丝绞扭而成。一般为7根冷拉钢丝在绞线机上以一根钢丝为中心，其余6根钢丝围绕其进行螺旋状绞合，并经消除应力回火处理制成。整根破断力大，柔性好，施工方便。

按深加工要求分为普通松弛（消除应力）、低松弛、镀锌、环氧涂层和模拔钢绞线。拔钢丝绞扭而成。2股、3股、7股和19股等。4.无粘结预应力筋

施加预应力后沿全长与周围混凝土不粘结的预应力筋，由预应力钢材、涂料层和包裹层组成。常为7根直径5mm的碳素钢丝束或7根5mm、4mm的钢丝绞合成的钢绞线。挤压涂塑工艺，外包聚乙烯或聚丙烯套管，套管内涂防腐建筑油脂，经挤压成型，塑料包裹层裹在钢绞线或钢丝束上。5.非金属预应力筋纤维增强塑料（FRP，FiberReinforcedPolymer/Plastics）。包括玻璃纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料和碳纤维增强塑料。6.非预应力筋非预应力纵向钢筋宜选用热轧钢筋HRB335,HRB400或RRB400,箍筋宜为HPB235。§5-1先张法一、概念：在浇筑混凝土构件之前将预应力筋张拉到设计控制应力，用夹具将其临时固定在台座或钢模上，进行绑扎钢筋，安装铁件，支设模板，然后浇筑混凝土；待混凝土达到规定的强度，保证预应力筋与混凝土有足够的粘结力时，放松预应力筋，借助于它们之间的粘结力，在预应力筋弹性回缩时，使混凝土构件受拉区的混凝土获得预压应力。二、适用：构件厂生产中小型构件（如空心板、屋面板、走道板、平板、天沟板、吊车梁、薄腹梁……）夹具横梁台座预应力筋台面A、张拉预应力筋混凝土构件B、浇筑混凝土构件C、放张施加预应力三、先张法施工的设备：（一）台座：预应力筋锚固在台座横梁上，台座承受全部预应力的拉力，台座应有足够的强度、刚度和稳定性。台面、横梁和承力结构组成。

1、墩式台座中小型构件，较长，张拉一次可生产多根构件

（1）组成：混凝土台墩为承力结构的台座、台面、横梁

（2）用途：用于以钢丝为预应力筋的中小型构件。长度100～150m。（3）台座设计：

A.抗倾覆稳定性验算

K=M/M′≥K1=1.5M——抗倾覆力矩

M′——倾覆力矩

K1——抗倾覆系数B.抗滑移稳定性验算

K=（N+EP+F）/T≥K2=1.3N——台面抗滑移；EP——台座前被动土压力

F——台座与土的摩阻力；T——滑移力

K2——抗滑移系数

C.强度验算横梁——均布荷载的简支梁，挠度小于2mm，不能翘曲。牛腿——按柱子牛腿台墩外伸部分——偏心受压台面——轴心受压重力式墩式台座的几种形式与台面共同作用式构架式桩基构架式锚桩式台座2、槽式台座

（1）组成：钢筋混凝土传力柱、上下横梁、台面、砖墙。具有通长的钢筋混凝土压杆，可受较大的张拉力和倾覆力矩；可加砌砖墙，加盖后可蒸汽养护；多低于地面，方便运输和养护，台座的压杆可分段浇筑。

（2）用途：用于张拉力和倾覆力矩都较大的中小型双向预应力构件，吊车梁和箱梁等。易于蒸汽养护，长度45～76m。（3）台座设计：横梁——均布荷载的简支梁端部传力柱——偏心受压、抗倾覆稳验算中间传力柱——偏心受压槽式台座压杆砖墙上横梁下横梁砖墙压杆

3、钢模台座将钢模板做成具有相当刚度的结构，作为预应力筋的锚固支座，直接在模板上张拉。在流水线生产中应用，大型屋面板，管片。

（二）夹具：先张法预应力混凝土构件施工时，为保持预应力筋的拉力并将其固定在生产台座上的临时性锚固装置；在后张法预应力混凝土构件施工时，在张拉千斤顶或设备上夹持预应力筋的临时性锚固装置。钢丝和钢筋张拉均需夹具夹持钢筋并临时锚固。

1、锚固夹具：（1）锥销夹具（2）穿心式夹具（锚片夹具）适用锚固单根直径12～14预应力筋。（2）镦头夹具——带槽螺栓、梳子板。适用：冷拉筋、冷拔丝、碳素钢丝。（3）楔形夹具

2、张拉夹具：（1）偏心式夹具（2）楔形张拉夹具（3）偏心式夹具（4）单根粗钢筋螺杆夹具钢丝夹具分为两类：将预应力筋锚固在台座或钢模上的锚固夹具；张拉时夹持预应力筋的夹具。都能重复使用。钢筋夹具多用螺母锚具、墩头锚具和销片夹具等。张拉时可用连接器与螺母锚具连接或用销片夹具。销片式夹具由圆套筒和圆锥形销片组成，套筒内壁呈圆锥形，与销片锥度吻合；两片和三片式，钢筋就夹紧在销片的凹槽内。夹片式夹/锚具本身需具备自锁和自锚能力。自锁：锥销、齿板或楔块打入后不会反弹而脱出的能力；自锚：预应力筋张拉中能可靠地锚固而不被从夹具中拉出的能力。锥销夹具穿心式夹具（三片式锚片夹具）方套筒二片式夹具穿心式夹具（二片式锚片夹具）固定端镦头夹具单根镦头钢筋螺杆夹具钢筋墩头，直径22mm以下的钢筋用对焊机加热或冷镦，大直径钢筋可用压模加热锻打成型。需经冷拉以检验墩头的强度。高强镦头钢丝用梳筋板夹具接千斤顶镦头梳筋板夹具（制作预应力圆孔板用）夹具除具有静载锚固性能外，还应：预应力夹具组件达到实际破断拉力时，全部零件不得出现裂缝和破坏；良好的自锚性能和放松性能；需大力敲击才能松开的夹具，必须证明对预应力筋的锚固无影响，且对操作人员安全没影响。（三）张拉设备

1、要求：简单可靠，能准确控制内力，能以稳定的速率增大拉力。

2、设备：（1）卷扬机＋滑车组：用弹簧测力计或杠杆测力计测定张拉力。（2）电动螺杆张拉机：用弹簧测力计或杠杆测力计测定张拉力。拉力30～60t、行程800mm，用于钢筋、钢丝。（3）千斤顶：用油压表测定张拉力。拉杆式（YL）——粗钢筋或钢丝束

穿心式（YC）——钢丝束、钢筋束和钢绞线束锥锚式（YZ）——钢丝束拉杆式千斤顶张拉钩连接套筒承力架电动螺杆张拉机的工作原理图四、先张法施工工艺准备台座→刷隔离剂→安放预应力钢筋→张拉固定钢筋→立模板、安钢筋和预埋件→浇混凝土→养护→放松预应力钢筋→预留试块→试压（一）预应力筋张拉：

1、张拉程序（1）0→1.05σcon（持荷2分钟）→σcon→锚固粗钢筋，超张拉5%并持荷2分钟的目的：加速钢筋松弛的早期发展。松弛：钢材在常温髙应力下由于塑性变形而使应力随时间延续而降低。控制应力高，松弛大；热轧钢筋松弛小；随时间延续增加，初期发展最快，第一小时内松弛最大。，上述做法可减少40——50%的松弛损失。（2）0→1.03~1.05σcon

预应力钢丝，一次张拉，超张拉3%目的：测力计的误差、台座横梁和定位板刚度不足、工人操作影响；直接弥补松弛应力损失。

fptk：极限抗拉强度标准值

fpyk：屈服强度标准值 预应力筋种类σconσmax消除应力钢丝、钢绞线

0.75fptk0.80fptk中强度预应力钢丝0.70fptk0.75fptk预应力螺纹钢筋0.85fpyk0.90fpyk2、控制应力及最大应力：超张拉可比设计要求提高5%，但最大张拉控制应力不得超过下列规定：3、张拉要点：（1）从台座中间向两侧进行（防偏心损坏台座）；（2）多根成组张拉，初应力应一致(测力计抽查)；（3）拉速平稳，锚固松紧一致，设备缓慢放松；（4）冬施张拉时，温度≮－15℃；（5）注意安全：两端严禁站人，敲击楔块不得过猛。

4、张拉偏差：（1）位置：≯5mm且≯构件截面短边的4%；（2）应力：≯5%预应力总值；（3）伸长值：重要结构（吊车梁、屋架）≯设计计算值的10%且≮设计计算值的5%。(二)预应力筋放张：

1.条件：混凝土达到设计规定且≮75%强度值后。

2.方法：（1）钢丝

A.配筋不多：可逐根放张（自中间向两侧），可剪断、锯断。

B.配筋多：应同时放张，用放张横梁配合千斤顶、楔块、砂箱等。（2）钢筋

A.配筋不多：可逐根放张（自中间向两侧），可熔断、或用楔块、砂箱（固定端）。

B.配筋多：应同时放张，用放张横梁配合千斤顶、楔块、砂箱等。

配筋多时，不得逐根放张，以防最后放张的钢丝（钢筋）应力增加过大而断裂或使构件端部开裂。

3.放张顺序：（1）轴心受压构件：同时放张；（2）偏心受压构件：先同时放张预压应力较小区域的钢筋，再同时放张预压应力较大区域的钢筋；（3）如不能满足上述要求，应分阶段、对称、相互交错放张。横梁螺杆螺母承力板台座钢块钢块钢楔块楔块放张法活塞钢套箱进砂口出砂口砂子钢套箱底板砂箱放张法§5-2后张法一、概念：先制作构件，预留孔道，待构件混凝土达到规定强度后，在孔道内穿入预应力筋进行张拉并加以锚固，最后进行孔道灌浆。借助构件两端的锚具将钢筋的张拉力传给混凝土，使混凝土产生预压应力。二、适用：大构件及结构的现场施工，如屋架、现浇大梁等。

三、预应力筋、锚具和张拉机具（一）单根粗钢筋（直径18～36mm）：

1、锚具：支承式，锥塞式，夹片式和握裹式；

（1）固定端

A.螺丝端杆锚具螺杆45#钢，钢筋冷拉前焊接好；螺母、垫板用Q235钢。

B.帮条锚具帮条与预应力筋同级，互成120°，E50焊条；垫板用3#钢。

C.镦头锚具（2）张拉端：螺丝端杆锚具螺丝端杆锚具帮条锚具2、张拉千斤顶：（1）拉杆式千斤顶（YL－60）；（2）穿心式千斤顶（YC－60、YC－20、YC－18）。YL-60拉杆式千斤顶YC60型千斤顶配装撑脚和拉杆后的外貌图（二）钢筋束、钢绞线束：

1、锚具：（1）固定端

A.镦头锚具（固定板）：钢筋可用；

B.挤压锚具：钢绞线可用。（2）张拉端

A.JM－12型锚具：锚环、夹片用45#钢。可锚3～6根直径12的光圆、螺纹HRB500级筋或钢绞线；

B.KT－Z型锚具：可锚3～6根直径12的HRB400~500

级筋；

C.单孔夹片式锚具：二片式、三夹片（直、斜开缝）

D.多孔夹片式锚具：XM型、QM型、OV型、BS型…JM12锚具镦头锚具JM12锚具JM12锚具(a)l1JM12－6锚具KT-Z型锚具锚环锚塞(a)组装图锚环夹片钢绞线(b)锚环(c)三夹片式夹片(e)斜开缝夹片(d)二夹片式夹片单孔夹片式锚具多孔夹片锚固体系多孔锚固体系构造图2、张拉千斤顶：（1）锥锚式千斤顶（YZ60、YZ85）：用于KT－Z、XM型及钢制锥形锚具。（2）穿心式千斤顶（YC60、YC120）：用于KT－Z、XM型及JM－12、JM－15锚具。（3）大孔径穿心式千斤顶（YCD、YCQ、YCW型）：用于大吨位钢绞线束（群锚）。

锥锚式千斤顶构造简图YCD型千斤顶工作示意图工具锚缸体顶压器工作锚活塞YCQ型千斤顶的操作顺序（三）钢丝束：

1、锚具：（1）固定端：用镦头锚具（锚板）（DM5B）（2）张拉端：

A.镦头锚具（DM5A）：锚12～54根φ5钢丝；

B.锥形螺杆锚具：由锥形螺杆、套筒、螺母组成，锚14、16、20、

24、28根φb5钢丝束等；

C.钢质锥形锚具：由锚环、锚塞组成，锚18根以下φ5钢丝。

D.XM型锚具（穿心式锚具）：由锚环、夹片组成，锚钢筋、钢筋束、钢铰线束、钢丝束。锥形螺杆锚具钢质锥形锚具镦头锚具2、张拉千斤顶：（1）锥锚双作用千斤顶：用于钢质锥形锚具、XM型锚具；（2）拉杆式千斤顶：用于镦头锚具、锥形螺杆锚具；（3）穿心式千斤顶：用于镦头锚具、锥形螺杆锚具；锥形螺杆锚具的预紧锥形螺杆锚具与拉杆式千斤顶的安装示意图（四）连接器：连接预应力筋的装置；永久留在混凝土结构或构件中的预应力筋连接器为连接件。应符合锚具性能要求；先张法中将放张和拆卸的连接器应符合夹具的性能要求。预应力筋与锚具等组合装配成受力单元；预应力筋—锚具组装件，预应力筋—夹具组装件，预应力筋—连接器组装件；长索在弯矩小的地方变成短索，短索连成长索

四、预应力筋制作（一）单根粗钢筋的配料：工序：下料→对焊→冷拉。

1、当两端采用螺丝端杆锚具时

l4

钢筋下料长度：l=+n△

（1＋δ）（1－

δ1）式中

：l4

——冷拉后长度

l4=

L

－2l5

L

——预应力筋全长

L=l

1

＋2

l

2

l

1——孔道长度

l2——螺丝端杆在构件外的外露长度120~150

l5——螺丝端杆长度320或370

δ——钢筋冷拉

δ——钢筋冷拉后弹性回缩率

n——对焊接头总数

△——每个对焊接头的预留量，取1d2、当一端用螺丝端杆锚具、一端用帮条锚具或镦头锚具时：

l4

钢筋下料长度：l=+n△

（1＋δ）（1－δ1）

式中

l4=L－l5

L=l1＋

l2＋l3

l3——帮条锚具长度（70~80）或镦头锚具中镦头留量与垫板厚度之和（2.25d＋垫板厚）l3（二）钢筋束和钢铰线束的配料：工序：冷拉→下料→编束。

1、两端张拉：

l

＝l1＋2a

2、一端张拉：

l＝l1＋a＋bA——张拉端留量（600～850mm，由机具定）B——固定端外露长度（80～100mm）（三）钢丝束的配料：工序：下料→编束→安锚具。下料长度与锚具形式、张拉方法有关。五、施工工艺浇筑混凝土结构或构件（留孔）→养护拆模→（达75%强度后）穿筋张拉→固定→孔道灌浆→（浆达15N/mm2,混凝土达100%后）移动、吊装。（一）孔道留设：

1、要求：（1）位置准确；（2）内壁光滑；（3）端部预埋钢板垂直于孔道轴线（中心线）；（4）直径、长度、形状满足设计要求（直径与锚具及筋有关）。2、方法：（1）钢管抽芯法留设直孔，钢管应平直、光滑，用前刷油；每根长≯15米，每端伸出500mm；两根接长，中间用木塞及套管连接；用钢筋井字架固定，@≯1米；浇混凝土后每10～15分钟转动一次；混凝土初凝后、终凝前抽管；抽管先上后下，边转边拔。（灌浆孔间距≯12米）（2）胶管抽芯法留设长孔或曲线孔。充气或充水；钢筋井字架@≯0.5米；混凝土达一定强度（200℃·h）后拔管。（3）埋管法留设长孔或曲线孔。预埋螺旋管，不抽管。可先穿筋，接头严密，有一定刚度；井字架@≯0.8米；灌浆孔间距≯30米；波峰设排气泌水管。

胶管与阀门连接钢管的连接胶管的封端处理金属螺旋管螺旋管的连接螺旋管上留灌浆孔螺旋管的固定(二)预应力筋张拉：

1、张拉条件：（1）结构的混凝土强度符合设计要求或达75%强度标准值；（2）做好各种准备工作。

2、张拉控制应力和超张拉最大应力：

（比先张法均低0.05f）3、张拉程序：同先张法。

4、张拉方式：

（1）对抽芯法：

A.长度≤24m直孔——一端张拉（多根筋时，张拉端设在结构两端）；

B.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：

A.长度≤30m直孔——一端张拉；

B.长度＞30m直孔、曲线孔——两端张拉。5、张拉顺序：预应力筋不能同时张拉时，应分批、分阶段、对称地张拉。张拉顺序应保证混凝土构件尽可能小承受偏心压力。分批张拉，应补偿后批钢筋张拉时混凝土受压变形引起先批张拉钢筋的预应力损失。可将先批张拉钢筋的预应力增加αE·σC（但不应超过最大张拉值），或者补张拉。

αE——预应力筋与混凝土弹性模量之比

σC——第二批预应力筋张拉时，在已张拉预应力筋处产生的混凝土法向应力。

σC=（σcom-σ1x）Ap/An

σcom

——控制应力

σ1x

——第一批变形损失

Ap

——后批张拉筋面积

An

——

混凝土净截面面积（包括构造钢筋的折算面积

6、叠浇构件：自上而下逐层张拉。下层构件因上层构件的重量造成混凝土不能自由变形，可采用逐层超张拉方法解决，但底顶张拉力相差≯5%（钢丝、钢绞线、热处理筋）、

≯9%（冷拉筋），且≯最大张拉值。构件之间基本上架空时，也可采用同一张拉值。（三）孔道灌浆：

1、目的：防止钢筋生锈；增加结构整体性和耐久性，提高结构抗裂性和承载能力。

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（微膨胀剂）（水泥重的0.5～1/万），或木质素磺酸钙（减水剂、塑化剂）（0.25%）；（6）孔道湿、洁净，由下层孔到上层进行；（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。

§5-3无粘结预应力混凝土施工一、特点：“无粘结”，永久地允许预应力筋与其周围的混凝土产生纵向相对滑动。二、适用：

现场整浇结构（梁板等），特别适合曲线配筋的结构。三、优缺点：无需留孔与灌浆，施工简单；张拉摩阻力小，预应力筋易弯成曲线形状；

构件整体性略差，锚固要求高。四、施工方法：

1、无粘结筋的制作：

钢丝束、钢绞线束外包涂料层：－20℃～＋70℃不变脆，不侵蚀其它材料，稳定性好，防腐、润滑，不透水、不吸湿。

包裹层：塑料布或塑料管，0.8～1mm厚。

2、铺设：（1）条件：其它钢筋安装后。（2）顺序：纵横交叉者，先低后高。（3）就位固定：垫铁、马凳，或与其它筋固定，端头与承压板垂直、贴紧。3、张拉：（1）顺序符合设计要求（2）＜25m，一端张拉；≥25m，一端张拉锚固后，另端补强。（3）先用千斤顶抽动1～2次；（4）滑脱、断裂数量≯同一截面总量的2%。

4、端部处理：（1）锚固后在锚具夹片外保留≮30mm切断；（2）分散、弯折后浇混凝土封闭，防止锈蚀。无粘结筋张拉端凹口作法（b）塑料穴模（a）泡沫穴模2315（b）镦头锚具固定端1243（a）挤压锚具固定端非张拉端锚固方式5－镦头锚具4－挤压锚具锚头端部处理方法张拉端凹入式构造6－混凝土圈梁张拉端突出式构造6

§5-4两个重要问题一、高压油泵与千斤顶校验

高压油泵与各类千斤顶配套使用，提供高压油液。千斤顶张拉预应力筋时，张拉力由油泵上的压力表读数来表达。表示千斤顶主缸活塞单位面积上的压力值，理论上将压力表读数乘以活塞面积即可求得张拉力。

理论上压力表的读数为p=N÷F计算。

实际张拉力往往比公式的计算值小，主要原因是一部分力被活塞与油缸之间的摩阻力抵消，而摩阻力的大小与许多因素相关，具体数值很难通过计算确定。施工中常采用张拉设备配套检验法直接测定千斤顶的实际张拉力与压力表读数之间的关系并绘制成表格或回归成线性方程，供施工使用。常用标准测力计（测力环、水银标准箱、传感器）和试验机（万能试验机、长柱压力机）等进行。

§5-4两个重要问题一、高压油泵与千斤顶校验千斤顶活塞正反运行的内摩阻力不相等，即千斤