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石岩主讲教师第五章预应力混凝土工程5预应力混凝土工程主要内容：预应力混凝土工程的先张法、后张法的施工工艺，机具设备和施工方法。电热张法、无粘结预应力混凝土施工原理、特点及应用。学习要求：了解预应力混凝土的概念，及其在工程应用中的优点；熟悉预应力混凝土的材料品种、规格及要求；熟悉先张法、后张法、电热张法的施工工艺；掌握先张法、预应力筋的控制应力、张拉程序和放张顺序的确定和注意事项；掌握后张法孔道留设、锚具选择、预应力筋的张拉顺序、孔道灌浆等施工方法及注意要点；了解电热张法、无粘结预应力混凝土施工原理及应用；熟悉预应力混凝土质量保证措施及安全技术。课前提问1钢筋混凝土的材料组成及其特点？2你对预应力的了解？钢筋材料特点钢筋是一种强度很高的结构材料，但作为抗压试用时，由于受到截面尺寸和形状的影响，会产生压曲效应（材料受压时，未达到破坏强度而发生弯曲，失去稳定，不能承受压力的现象），不能充分发挥其强度作用。混凝土材料特点优点可以根据不同要求,改变组分的品种和比例,配制出不同性质的混凝土;混凝土在凝结前具有良好的可塑性,可以浇注成各种形状和大小的构件或结构物;混凝土的抗压强度较高,具有良好的耐久性,与钢筋有牢固的黏结力,可制成钢筋混凝土结构或构件;混凝土原材料资源丰富、价廉，并且可以就地取材。缺点抗拉强度低；受拉变形能力小，呈脆性破坏；自重大。3/226.0cutff预应力生活中应用实例预应力原理在木桶上的应用竹箍的木桶，当套紧竹箍时，竹箍由于伸长而产生拉应力，而由模板拼成的桶壁则产生环向压应力。如木板板缝之间预先施加的压应力超过水压引起的拉应力，木桶就不会开裂和漏水。预应力裂缝构件自重大钢筋强度利用率低混凝土为什么要施加预应力普通钢筋混凝土结构或构件，由于混凝土的抗拉强度及极限拉应变很小，其抗拉强度约为抗压强度的1/8～1/17，极限拉应变（0.0001～0.0005）也仅为极限压应变的1/20～1/30。因此，在使用荷载作用下，钢筋混凝土受弯构件、大偏心受压构件及受拉构件的受拉区混凝土开裂较早，这时受拉区钢筋的应力只有20～30Mpa。混凝土开裂后，显著降低了构件的刚度，导致构件变形过大，同时也会降低构件的使用寿命。为了使构件满足变形和裂缝控制要求，则需增加构件的截面尺寸和用钢量，这将导致截面尺寸和自重过大，致使其在大跨度结构上的应用受到限制。混凝土为什么施加预应力裂缝构件自重大钢筋强度利用率低水泥超过安全含碱量（以Na2O计，为水泥质量的0.6%）预应力混凝土最早是在1928年由著名的法国工程师E·Freyssinet研究成功。预应力混凝土结构作为一种先进的结构形式，其应用的范围和数量是衡量一个国建建筑技术水平的重要指标之一。我国1950年开始采用预应力混凝土结构，现在无论在数量以及结构类型方面均得到迅速发展，预应力技术已经以开始的单个构件发展到预应力结构的新阶段。预应力混凝土的出现预应力混凝土能充分发挥高强度钢材的作用，即在外荷载作用于构件之前，利用钢筋张拉后的弹性回缩，对构件受拉区的混凝土预先施加压力，产生预压应力，使混凝土结构在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，可以提高构件的承载能力。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先抵消预应力，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。这种利用钢筋对受拉区混凝土施加预压应力的钢筋混凝土，叫做预应力混凝土。预加应力的方法，可以分为先张法和后张法两类。先张法是先张拉钢筋，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。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。为了达到较高的预应力值，宜优先采用高标号混凝土。当采用冷拉HRB335、HRB400钢筋和冷轧带肋钢筋作预应力钢筋时，其混凝土强度不宜低于C30；当采用消除应力钢丝、钢绞线、热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。5.1先张法5.4无粘结预应力混凝土施工本章内容End5.2后张法5.3电热法施工5.5液压张拉设备仪表的使用安全技术、校验与操作本章小结5.1先张法先张法：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。先张法生产示意图见图5.1所示。先张法施工（点击播放flash）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。先张法生产时，可采用台座法和机组流水法。采用台座法时，预应力筋的张拉、锚固，混凝土的浇筑、养护及预应力筋放松等均在台座上进行；预应力筋放松前，其拉力由台座承受。采用机组流水法时，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。工艺流程简化：张拉固定钢筋→浇混凝土→养护（至75%强度）→放松钢筋。5.1.1先张法施工准备台座由台面、横梁和承力结构等组成，是先张法生产的主要设备。预应力筋张拉、锚固，混凝土浇筑、振捣和养护及预应力筋放张等全部施工过程都在台座上完成；预应力筋放松前，台座承受全部预应力筋的拉力。因此，台座应有足够的强度、刚度和稳定性。（1）墩式台座墩式台座由台墩、台面与横梁等组成。台墩和台面共同承受拉力。墩式台座用以生产各种形式的中小型构件。5.1.1.1台座墩式台座的几种形式重力式构架式与台面共同作用式桩基构架式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。抗倾覆验算的计算简图如图5.3所示，按下式计算：②台面台面是预应力构件成型的胎模，要求地基坚实平整，它是在厚150mm夯实碎石垫层上，浇筑60～80mm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）槽式台座槽式台座由端柱、传力柱、横梁和台面组成。槽式台座既可承受拉力，又可作蒸汽养护槽，适用于张拉吨位较高的大型构件，如屋架、吊车梁等。槽式台座构造如图5.4所示。槽式台座需进行强度和稳定性计算。端柱和传力柱的强度按钢筋混凝土结构偏心受压构件计算。槽式台座端柱抗倾覆力矩由端柱、横梁自重力矩及部分张拉力矩组成。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。按其工作用途不同分为锚固夹具和张拉夹具。（1）钢丝锚固夹具圆锥齿板式夹具（锥销夹具）锥销夹具可分为圆锥齿板式夹具和圆锥槽式夹具，如图5.5所示。镦头夹具如图5.6所示，采用镦头夹具时，将预应力筋端部热镦或冷镦，通过承力分孔板锚固。5.1.1.2夹具(2)钢筋锚固常用圆套筒三片式夹具，由套筒和夹片组成（图5.7）。其型号有YJ12、YJ14，适用于先张法；用YC-18型千斤顶张拉时，适用于锚固直径为12mm、14mm的单根冷拉HRB335、HRB400、RRB400级钢筋。(3)张拉夹具张拉夹具是夹持住预应力筋后，与张拉机械连接起来进行预应力筋张拉的机具。常用的张拉夹具有月牙形夹具、偏心式夹具、楔形夹具等，如图5.8所示，适用于张拉钢丝和直径16mm以下的钢筋。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不小于预应力筋伸长值的1.1～1.3倍。(1)钢丝张拉设备钢丝张拉分单根张拉和成组张拉。用钢模以机组流水法或传送带法生产构件时，常采用成组钢丝张拉。在台座上生产构件一般采用单根钢丝张拉，可采用电动卷扬机、电动螺杆张拉机进行张拉。5.1.1.3张拉设备①电动卷扬机张拉、杠杆测力装置如图5.10所示。②电动螺杆张拉机如图5.11所示，电动螺杆张拉机由螺杆、顶杆、张拉夹具、弹簧测力器及电动机组成。(2)钢筋张拉设备穿心式千斤顶用于直径12～20mm的单根钢筋、钢绞线或钢丝束的张拉。用YC－20型穿心式千斤顶（图5.12）张拉时，高压油泵启动，从后油嘴进油，前油嘴回油，被偏心夹具夹紧的钢筋随液压缸的伸出而被拉伸。YC－20型穿心式千斤顶的最大张拉力为20kN，最大行程为200mm。适用于用圆套筒三片式夹具张拉锚固12～20mm单根冷拉HRB335、HRB400和RRB400钢筋。5.1.2先张法施工工艺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。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，是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，施工中预应力筋需要超张拉时，可比设计要求提高3%～5%，但其最大张拉控制应力不的超过表5.1的规定。5.1.2.1张拉控制应力和张拉程序施工中采用超张拉工艺的目的是为了减少预应力的松弛损失。所谓“松弛”，即钢筋在常温、高应力状态下具有不断产生塑性变形的特性。松弛的数值与控制应力和延续时间有关，控制应力高，松弛亦大，但在第1min内可完成损失值的50%左右，24h则可完成80%。上述张拉程序，如第一种先超张拉5%并持荷2min，则可减少50%以上的松弛损失。第二种超张拉3%亦是为了弥补含应力松弛在内的各种预应力损失。表5.1张拉控制应力限值钢筋种类张拉方法先张法后张法碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞丝热处理钢筋、冷拔低碳钢丝冷拉钢筋0.80fptk0.75fptk0.95fptk0.75fptk0.70fptk0.90fptk注fptk为预应力筋极限抗拉强度标准值。张拉程序可按下列之一进行：或其中σcon为预应力筋的张拉控制应力为了减少应力松弛损失，预应力钢筋宜采用的张力程序。预应力钢丝张拉工作量大时，宜采用一次张拉程序。2minconcon0105%持荷con0103%2minconcon0105%持荷con0103%预应力钢筋的张拉力，一般用伸长值校核。预应力筋理论伸长值ΔL按下式计算：式中：FP—预应力筋平均张拉力，kN；轴线张拉取张拉端的拉力；两端张拉的曲线筋取张拉端的拉力与跨中扣除孔道摩阻损L—预应力筋的长度，mmAP—预应力筋的截面面积，mm2ES—预应力筋的弹性模量，kN/mm2。5.1.2.2预应力值的校核ppsFLAEL预应力筋的实际伸长值，宜在初应力约为10%σcon时测量，并加初应力以内的推算伸长值。国产2CN-1型钢丝内力测定仪如图5.13所示。（1）钢筋的接长与冷拉钢丝的接长一般用钢丝拼接器用20～22号铁丝密排绑扎(图5.14)。绑扎长度的规定：冷拔低碳钢丝不得小于40倍钢丝直径；高强度钢丝不得小于80倍钢丝直径。5.1.2.3张拉前的准备预应力钢筋的接长与冷拉预应力钢筋一般采用冷拉HRB335、HRB400和RRB400热轧钢筋。预应力钢筋的接长及预应力钢筋与螺丝端杆的连接，宜采用对焊连接，且应先焊接后冷拉，以免焊接而降低冷拉后的强度。预应力钢筋的制作，一般有对焊和冷拉两道工序。预应力钢筋铺设时，钢筋与钢筋、钢筋与螺丝端杆的连接可采用套筒双拼式连接。(2)钢筋（丝）的镦头预应力筋（丝）固定端采用镦头夹具锚固时，钢筋（丝）端头要镦粗形成镦粗头。镦头一般有热镦和冷镦两种工艺。热
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