任务5.1 预应力混凝土结构基本知识

建筑施工技术主讲：贾汝达模块五预应力混凝土结构工程施工任务5.1预应力混凝土结构基本知识任务5.2预应力混凝土结构施工任务5.3预应力混凝土结构施工质量控制与安全措施任务5.1预应力混凝土结构基本知识

5.1.1预应力混凝土的基本原理及分类

5.1.2预应力混凝土材料5.1.3预应力混凝土施工机具设备挤压器高压油泵

压花机千斤顶墩头机5.1.1预应力混凝土的基本原理及分类

普通钢筋混凝土构件的抗拉极限应变只有0.1--0.15×10-3。构件混凝土受拉开裂时，受拉钢筋的应力仅达1/4--1/3，钢筋的抗拉强度未能充分发挥。1.预应力混凝土的基本原理

预应力混凝土是在构件承受外荷载前，预先在构件的受拉区对混凝土施加预压应力。使用阶段的构件在外荷载作用下产生拉应力时，先要抵消预压应力，这就推迟了混凝土裂缝的出现并限制了裂缝的开展，从而提高构件的抗裂度和刚度。建立预应力的方法

是通过对受拉区的预应力钢筋进行张拉、锚固、放松，借助预应力钢筋的弹性回缩，使受拉区混凝土事先获得预压应力来实现的。混凝土箱梁中的预应力筋

T梁中的预应力钢丝束预应力混凝土的种类按预应力大小分按施加预应力方式分按预应力筋的粘结状态分按施工方式分全预应力混凝土先张法预应力混凝土后张法预应力混凝土自应力混凝土有粘结预应力混凝土无粘结预应力混凝土预制预应力混凝土部份预应力混凝土现浇预应力混凝土叠合预应力混凝土2.预应力混凝土的分类3.预应力混凝土的特点⑴有效利用高强钢材；⑵减小结构构件的截面尺寸、自重，能增大结构构件跨度，降低结构构件占用空间；⑶提高使用荷载下结构的抗裂性和刚度；⑷质量好、降低工程造价、结构耐久性好；⑸技术含量高、操作要求严，需要增添专用设备。5.1.2预应力混凝土材料

通常预应力混凝土结构构件均要求采用C30及以上混凝土，当采用预应力钢绞线、钢丝等高强钢材作为预应力筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。这主要是为了避免施加预应力后混凝土出现过大的徐变，影响预应力效应。

此外，如果混凝土的收缩过大，所施加的预应力会发生过大损失，实际工程中应尽量减少水灰比，采用低坍落度的混凝土，并振捣密实。同时为确保预应力筋在碱性混凝土的环境中，应限制混凝土及灌浆用水泥浆中氯离子的含量。1.混凝土施加预应力时的混凝土强度要求应遵守设计规定。设计无规定时应经计算确定，并不低于设计强度的75%。

预应力钢筋宜采用螺旋肋钢丝、刻痕钢丝和低松驰钢铰线，也可采用热处理钢筋。

预应力钢筋是指在预应力结构中用于建立预加应力的单根或成束的预应力钢丝、钢绞线或钢筋等。

冷拔低碳钢丝和冷拉钢筋由于存在残余应力、屈强比低，已逐渐为螺旋肋钢丝、刻痕钢丝或1×3钢绞线所取代，不再作为预应力钢筋使用。2.预应力筋（1）预应力钢丝

螺旋肋钢丝是通过专用拔丝模冷拔使钢丝表面沿长度方向产生规则间隔肋条的钢丝。直径为4～9mm，标准抗拉强度1570～1770N/mm2。螺旋肋能增加与混凝土的握裹力，可用于先张法构件。1）螺旋肋钢丝螺旋肋钢丝外形

螺旋肋钢丝近照2）刻痕钢丝

刻痕钢丝是用冷轧或冷拔方法使钢丝表面产生周期性变化的凹痕或凸纹的钢丝。直径为5、7mm，标准抗拉强度1570N/mm2。钢丝表面的凹痕或凸纹能增加与混凝土的握裹力，可用于先张法构件。三面刻痕钢丝外形

刻痕钢丝近照刻痕钢丝（2）预应力钢绞线

钢绞线是由多根碳素钢丝在绞线机上成螺旋形纹合，并经低温回火消除应力制成。钢绞线的整根破断力大、柔性好，施工方便，具有广阔的发展前景。但价格比钢丝贵。钢绞线可分为光面钢绞线、无粘结钢绞线、模拔钢绞线、镀锌钢绞线、环氧涂层钢绞线、不锈钢钢绞线等。预应力钢绞线光面预应力钢绞线1）光面预应力钢绞线

常用光面钢绞线的规格有1×3和1×7两种，直径为8.6～15.2mm，标准抗拉强度1570～1860N/mm2。后张法预应力均采用1×7钢绞线，1×3钢绞线仅用于先张法构件。光面预应力钢绞线的形式钢绞线的包装2）无粘结钢绞线

是用防腐润滑油脂涂敷在钢绞线表面上、外包塑料护套制成，主要用于后张法中无粘结预应力筋，也可用于暴露或腐蚀环境中的体外索、拉索等。无粘结钢绞线无粘结钢绞线生产线（3）热处理钢筋

热处理钢筋是由普通热轧中碳合金钢筋经淬火和回火调质热处理制成。具有高强度、高韧性和高粘结力等优点，直径为6～10mm。成品钢筋为直径2m的弹性盘卷，开盘后自行伸直，每盘长度为l00～120m。热处理钢筋的螺纹外形，有带纵肋和无纵肋两种。有纵肋热处理钢筋无纵肋热处理钢筋（4）精轧螺纹钢筋

精轧螺纹钢筋是用热轧方法在钢筋表面上轧出不带肋的螺纹外形。钢筋的接长用连接螺纹套筒，端头锚固用螺母。精轧螺纹钢筋具有锚固简单、施工方便、无需焊接等优点。目前国内生产的精轧螺纹钢筋品种有Φ25和Φ32，其屈服点为750MPa和900MPa两种。精轧螺纹钢筋外形精轧螺纹钢筋近照（5）预应力钢筋的特性碳素钢丝或钢绞线均属硬钢。当钢丝拉伸到超过比例极限σp

(取残余应变为0.01%时的应力)后，σ-ε关系呈非线性变化，没有明显的屈服点。1）应力-应变曲线当钢丝拉伸超过σ0.2(残余应变为0.2%)后，应变ε增加较快；当拉伸至最大应力σb时，应变ε继续发展，在σ-ε曲线上呈现为一水平段，然后断裂。预应力筋σ-ε曲线见右图：2）应力松弛

应力松弛是钢材受到一定的张拉力后，在长度保持不变的条件下，钢材的应力随时间的增长而降低的现象，其降低值称为应力松弛损失。产生应力松弛的原因主要是由于金属内部位错运动使一部分弹性变形转化为塑性变形引起的。右图根据碳素钢丝和热处理钢筋的试验数据，绘出其松弛率与时间、钢种、温度的关系：预应力筋的应力松弛损失

⑴松驰率与时间的关系：应力松弛初期发展较快，以后逐渐减慢。钢丝应力松弛损失率与时间t有较好的对数线性关系。

⑵松驰率与钢种的关系：钢丝和钢绞线的应力松弛率比热处理钢筋和精轧螺纹钢筋大。

⑶松驰率与初应力的关系：初应力大，松弛损失也大。当σi＞0.7σb时，松弛损失率明显增大。

⑷松驰率与温度的关系：随着温度的升高，松弛损失率急剧增加。根据国外试验资料，400C时1000h松弛损失率约为200C时的1.5倍。3）减少应力松弛损失的措施⑴采取超张拉程序；（比计算的张拉实际强度一般高5%到10%）⑵采用低松弛钢绞线或钢丝，其松弛损失可减少70～80%。

预应力混凝土箱梁张拉现场

箱梁采取超张拉张控制应力限值

预应力筋的张控制应力限值σcon不宜超过下表限值，也不宜小于0.4fptk

：（fptk

—预应力钢筋强度标准值）钢筋种类张拉方法先张法后张法消除应力钢丝、钢铰线0.75fptk0.70fptk热处理钢筋0.75fptk0.65fptk

要求提高构件在施工阶段的抗裂性能或抵消由于应力松驰、磨擦、分批张拉、温差等因素产生的应力损失等，采用超张拉工艺时其最大张拉控制应力可提高0.05fptk。（6）预应力钢筋的验收

包括标牌和外观检查，并按有关规定取样进行力学性能检验。预应力钢筋出厂，每捆(盘)应挂有二个标牌(上注厂名、品名、规格、生产工艺及日期、批号等)，并有随货同行的出厂质量证明书。每验收批由同一牌号、

同一规格、同一生产工艺的预应力钢筋组成，每批数量不超过60t。1）标牌检查标牌标牌2）外观检查

钢丝和钢绞线的外观检查均应逐盘进行。钢丝表面不得有油污、氧化铁皮、裂纹或机械损伤。钢丝直径检查按10%盘选取，但不少于6盘；钢绞线表面不得有油污、锈斑或机械损伤。镀锌、涂环氧钢绞线、无粘结钢绞线等涂层表面应均匀、光滑、无裂纹、无明显折皱。

无粘结预应力筋每验收批应抽取3个试件检验油脂重量和护套厚度。

精轧螺纹钢的外观检查应逐根进行。钢筋表面不得有锈蚀、油污、横向裂缝、结疤。3）力学性能检验在每批钢丝中任意选取10%盘(不少于6盘)，每盘在任意位置截取2根试件，1根做拉伸试验，1根做弯曲试验，如一项试验不合格，则该盘钢丝为不合格品；另从该批未经检验的钢丝盘中抽取双倍数量的试件进行检验，如仍有一项不合格，则该批钢丝判为不合格品；或逐盘检验取用合格品。预应力钢丝力学性能检测预应力钢绞线松弛性能检测在每批钢绞线中任意选取3盘，每盘在任意位置截取一根试件做拉伸试验，如有某一项试验结果不合标准要求，则该不合格盘报废；另从未经检验过的钢绞线中抽取双倍数量的试件进行复检，如仍有一项不合格，则该批钢绞线判为不合格品。4）运输及存放

预应力筋由于强度高塑性差，在无应力状态下对腐蚀作用比普通钢筋敏感。预应力筋在运输或存放过程中如遭受雨淋、湿气或腐蚀介质的侵蚀，易发生锈蚀，不仅降低质量，钢筋表面出现腐蚀坑，有时甚至会造成钢筋脆断。（7）预应力筋下料及接头1）预应力筋的下料预应力筋下料应采用砂轮切割机切割，不得采用电弧焊切割；对需要镦头的钢丝，其切割面应与母材垂直；钢铰线切割前应用铅丝将切割处两端捆扎，防止端头松散。2）预应力筋的接头粗钢筋的接头必须使用闪光对焊工艺。高强钢丝和钢绞线严禁有接头，预应力筋的接长必须使用连接器。LB型整体对接式连接器LB型连接器静载试验L型周边悬挂式连接器钢绞线束的接长

VLM型单孔连接器M2L15-1单孔连接器VLM15(13)BL型扁锚连接器3.孔道成型材料后张法预应力成孔主要采用金属波纹管和塑料波纹管。塑料波纹管

金属波纹管是由镀锌薄钢带（厚0.3mm）经压波后卷成，其竖向孔道常采用钢管成孔。具有重量轻、刚度好、弯折方便、连接简单、摩阻系数小、与混凝土粘结好等优点。波纹有单波和双波之分。塑料波纹管刚度比金属波纹管大，孔壁摩擦系数小，不易被混凝土振捣棒振瘪，应防止阳光暴晒。价格比金属波纹管高。金属波纹管4.灌浆材料孔道灌浆材料包括现场搅拌的素水泥浆和成品灌浆料两种。

配制水泥浆用的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥性能应符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》GB175的规定。采用成品灌浆材料时，其性能应符合现行国家标准《水泥基灌浆材料应用技术规范》GB/T50448的规定，并按其规定的检验项目分批次进行检验。灌浆材料在施工现场应做好防潮、防雨措施，防止受潮、结块。

流动度测试1.台座

台座承受全部预应力筋的拉力，故台座应具有足够的强度、刚度和稳定性，以免因台座变形、倾覆和滑移而引起预应力的损失。

台座由台面、横梁和承力结构组成。按构造形式不同，可分为墩式台座、槽形台座和桩式台座等。墩式长线台座台座台面5.1.3预应力混凝土施工机具设备

预应力混凝土工程施工中，常用的施工机具包括预应力筋制作机具、张拉机具等。（1）墩式台座墩式台座由现浇钢筋砼做成，台座应具有足够的强度、刚度和稳定性，台座设计应进行抗倾覆验算与抗滑移验算。墩式台座近景墩式台座构造示意图台座钢横梁线杆连接器预应力筋

⑴抗倾覆验算：

式中：N——预应力筋的张拉力；

e1——张拉力合力作用点至倾覆点的力臂；

G——台墩的自重力；

L——台墩重心至倾覆点的力臂；

Ep——台墩后面的被动土压力合力；

e2——被动土压力合力至倾覆点的力臂。对于与台面共同工作的台墩，倾覆点的位置宜选在砼台面下4～5cm处。墩式台座的计算简图

⑵抗滑移验算：

式中：K——抗滑移安全系数，不小于1.3；

N1——抗滑移的力，对于独立台墩，由侧壁土压力和底部摩阻力产生。台墩与台面共同工作时，预应力筋的张拉力几乎全部传给了台面，可不进行抗滑移验算。（2）槽式台座由端柱、传力柱、横梁和台面组成，既可承受张拉力和倾覆力矩,加盖后又可作为蒸汽养护槽。适用于张拉吨位较大的吊车梁、屋架、箱梁等大型预应力砼构件。槽式台座构造示意图钢模台座主要在工厂流水线上使用。它是将制作构件的模板作为预应力钢筋锚固支座的一种台座。模板具有相当的刚度，可将预应力钢筋放在模板上进行张拉。（3）钢模台座箱梁钢模组装

箱梁端部模板作张拉台座2.夹具

预应力锚固体系包括锚具、夹具和连接器。预应力锚固体系总成图张拉端锚具锚固端锚具连接器波纹管及预应力筋

预应力锚固体系夹具——在先张法构件施工时，用于保持预应力筋的拉力并将其固定在生产台座(或设备)上的临时性锚固装置；在后张法结构或构件施工时，在张拉千斤顶或设备上夹持预应力筋的临时性锚固装置(又称工具锚)。

锚具——在后张法结构或构件中，用于保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土(或钢结构)上所用的夹持预应力筋的永久性锚固装置。后张法锚固体系包括锚具、锚垫板和螺旋筋。

连接器——用于连接预应力筋的装置。锚具、夹具和连接器的代号分类代号锚具夹具连接器夹片式园形YJMYJJYJL扁形BJM支承式镦头DTMDTJDTL螺母LMMLMJLML锥塞式钢质GZM——冷铸LZM——热铸RZM——握裹式挤压JYMJYJJYL压花YHM——锚具、夹具和连接器的标记示例：YJM15-12

产品代号企业体系代号，需要时标注

预应力钢材根数预应力钢筋直径

锚具、夹具和连接器的标记由产品代号、预应力钢筋直径、预应力钢材根数三部份组成(生产企业的体系代号只在需要时加注)。表示为锚固12根直径为15.2mm预应力混凝土用钢绞线的园形夹片式群锚锚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上的锚固夹具；另一类是张拉时夹持预应力筋用的夹具。锚固夹具与张拉夹具都是重复使用的工具。夹具的种类繁多，下图是传统的单根钢丝锚固夹具。（1）钢丝用锚固夹具钢丝用锚固夹具

园锥齿板式常用于冷拔钢丝，园锥槽式常用于消除应力钢丝。下图是常用的钢丝张拉夹具。偏心式夹具压销式夹具

QM预应力体系中的JXS、JXL、JXM型夹具是专为先张台座法预应力钢绞线张拉的需要而设计，可适应Ø9.5、Ø12.2、Ø12.7、Ø15.2mm，Ø15.7、Ø17.8mm等规格钢绞线的先张台座张拉。（2）钢绞线的夹具JXS型先张夹具JXM型先张夹具JXL型先张夹具锚具的种类锚具类型常见锚具备注夹片式单孔夹片锚具

1、按在构件中的位置又可分为张拉端锚具、固定端锚具

两种。

2、锚具一般由设计单位按结构要求、产品性能和张拉施工方法选用。多孔夹片锚具支承式镦头锚具螺母锚具锥塞式钢质锥形锚具锥形螺杆锚握裹式挤压锚具压花锚具3.锚具夹片式锚具分为单孔夹片锚具和多孔夹片锚具，由工作锚板、工作夹片、锚垫板、螺旋筋组成。可锚固预应力钢绞线。也可锚固7Ф5、7Ф7的预应力钢丝束，主要用作张拉端锚具。具有自动跟进，放张后自动锚固，锚固效率系数高，锚固性能好，安全可靠等特点。QM夹片式锚具夹片式锚具的组装（1）夹片式锚具工作锚板工作夹片锚垫板螺旋筋波纹管预应力筋VLM15(13)多孔夹片式锚具(适用于后张法施工中的预应力混凝土构件，岩土锚固等结构之中)灌浆孔VLM单孔夹片式锚具

工具锚、工作夹片锚具与千斤顶安装示意图

张拉端锚具构造图扁形张拉端锚具扁形张拉端锚具由扁形工作锚板、工作夹片、扁形锚垫板、扁形螺旋筋组成。扁锚的张拉端口扁小，钢铰线可逐根张拉亦可整体张拉。适用于楼板、低高度箱梁及桥面横向预应力张拉。张拉好的扁形锚具扁锚的工作锚板与夹片多孔夹片式扁锚（2）镦头锚具

镦头锚体系可张拉ФP5、ФP7高强钢丝束，常用镦头锚分为A型和B型，A型由锚杯和螺母组成，用于张拉端；B型为锚板，用于固定端。预应力筋采用钢丝镦头器镦头成型，配套张拉使用YDC系列穿心式千斤顶。主要用于后张法施工中。DM型镦头锚具

镦头锚具与预应力钢丝束A型B型高强钢丝束LD型系列镦头机构造示意图

1.油嘴2.油缸3.顺序阀4.回油阀5.镦头活塞6.镦头活塞回程弹簧7.夹紧活塞回程弹簧8.夹紧活塞9.镦头模10.锚环11.夹片12.夹片回程弹簧已镦好的Φ7钢丝LD型系列镦头机（3）精轧螺纹钢锚具、连接器由螺母和垫板组成，可锚固Ф25、Ф32高强精轧螺纹钢筋，主要用于先张法、后张法施工的预应力箱梁、纵向预应力及大型预应力屋架。连接器主要用于螺纹钢筋的接长。精轧螺纹钢锚具、连接器螺母螺母垫板连接器连接器用于锚固直径为Φ25和Φ32的高强精轧螺纹钢筋，主要应用于预应力箱梁纵向施工、大型建筑屋架和岩土锚固中。由锚具、连接器、垫板组成，配用YG-70穿心式千斤顶和专用连接头进行张拉螺母垫板连接器预应力筋（4）螺丝端杆锚具螺丝端杆锚具由螺丝端杆、螺母和垫板组成，可锚固冷拉Ⅱ、Ⅲ级钢筋，主要用于后张法施工的预应力板梁及大型屋架。螺丝端杆锚具构造图螺母垫板螺丝端杆螺丝端杆锚具目前已较少使用!（5）挤压式锚具（P型）

P型锚具是由挤压头、螺旋筋、P型锚板、约束圈组成，它是在钢铰线端部安装钢丝衬圈和挤压套，利用挤压机将挤压套挤过模孔，使其产生塑性变形而握紧钢铰线，形成可靠锚固。用于后张预应力构件的固定端对钢绞线的挤压锚固。固定端P型锚具组件单孔固定端锚具VLM挤压套螺旋筋挤压头P型锚板预应力筋波纹管VLM固定端P型锚具(应用于后张预应力构件的固定端，埋入构件中不作张拉用)P型固定端锚具构造图

GYJ挤压机是制作P型固定端锚具的专用挤压设备。挤压好的挤压头JY型挤压机（6）压花式锚具（H型）当需要把后张力传至混凝土时，可采用H型固定端锚具，它包括带梨形自锚头的一段钢绞线、支托梨形自锚头用的钢筋支架、螺旋筋、约束圈等。钢绞线梨形自锚头采用专用的压花机挤压成型。VLM15型固定端H型锚具梨形自锚头预应力筋螺旋筋约束圈波纹管压花机是制作H型固定端锚具的专用挤压设备。YH30型压花机具有体积小、重量轻、操作方便等特点。H型固定端压花锚具构造图梨形头结构示意图YH30型压花机

压花机压花过程

（7）钢质锥形锚具

钢质锥形锚具(又称弗氏锚具)由锚圈和锚塞组成，可锚固6～30ФP5或12～24ФP7的高强钢丝束，常用于后张法预应力混凝土结构和构件中，配套YDZ系列专用千斤顶张拉。GZ型钢质锥形锚具张拉好的钢质锥形锚具锚圈锚圈锚塞锚塞混凝土构件锥形锚具高强钢丝束（8）锚具的性能要求应符合国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB/T14370-2007。

1）静载锚固性能：锚具应同时满足ηa≥0.95，εapu≥2.0%；夹具应满足ηg≥0.92。锚具静载试验机模拟钢绞线张拉锚具静载试验

2）动载锚固性能：满足循环次数为200万次的疲劳试验要求。洛氏硬度检测磁粉探伤无损检验内孔精确角度检验锚具的出厂检验韦氏硬度检测

3）工艺性能：

应满足分级张拉、补张拉

和放松预应力筋

等张拉工艺要求；锚固多根预应力筋用的锚具，除具有整束张拉

的性能外，宜具有单根张拉

的可能性；夹具应具有良好的自锚性能、松锚性能和安全的重复使用功能，主要部件宜镀膜防腐。4.张拉设备

预应力张拉设备主要有电动张拉设备和液压张拉设备两大类。电动张拉设备仅用于先张法，液压张拉设备可用于先张法与后张法。液压张拉设备由液压千斤顶、高压油泵和外接油管组成。张拉设备应装有测力仪器，以准确建立预应力值。张拉设备应由专人使用和保管，并定期维护和校验。前卡式千斤顶高压油泵穿心式千斤顶（1）先张法的张拉设备常用的张拉设备主要有：油压千斤顶、电动螺杆张拉机、电动卷扬张拉机等。电动螺杆张拉机构造图

电动螺杆张拉机电动卷扬张拉机是一种利用双液压缸张拉预应力筋和顶压锚具的双作用千斤顶。既可用于需要顶压的