第4章 预应力混凝土工程Word文档下载推荐.docx
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二、预应力混凝土的特点:
预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比,具有以下明显的特点:
1)在与普通钢筋混凝土同样的条件下,具有构件截面小、自重轻、刚度大、抗裂度高、耐久性好、节省材料等优点。
工程实践证明,预应力混凝土可节约钢材40%~50%,节省混凝土20%~40%,减轻构件自重可达20%~40%。
2)可以有效地利用高强度钢筋和高强度等级的混凝土,能充分发挥钢筋和混凝土各自的特性,并能提高预制装配化程度。
3)预应力混凝土的施工,需要专门的材料与设备、特殊的施工工艺,工艺比较复杂,操作要求较高,但用于大开间、大跨度与重荷载的结构中,其综合效益较好。
三、预应力混凝土的分类:
按预应力施加工艺的不同分为:
先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土。
按预应力度大小可分为:
全预应力混凝土和部分预应力混凝土。
全预应力混凝土是在全部使用荷载下受拉边缘不允许出现拉应力的预应力混凝土,适用于要求混凝土不开裂的结构;
部分预应力混凝土是在全部使用荷载下受拉边缘允许出现一定的拉应力或裂缝的混凝土。
按预应筋在体内和体外的位置不同分为:
体内预应力混凝土和体外预应力混凝土。
4.2预应力筋
一、预应力筋的种类:
预应力筋通常由单根或成束的高强钢丝、钢绞线和高强钢筋组成。
1.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,其直径有4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0(mm)等。
图4-1高强钢丝表面及截面形状
(a)中:
a-刻痕深度;
b-刻痕长度;
L-节距;
(b)中:
a-单肋宽度
高强钢丝是用优质碳素钢热轧盘条冷拔制成,再用机械方式对钢丝进行压痕处理形成刻痕钢丝(图4-1),对钢丝进行低温(一般低于500℃)矫直回火处理后即成为矫直回火钢丝。
又称为“消除应力钢丝”。
消除应力钢丝常经“稳定化”处理后,钢丝的松弛值仅为普通钢丝的0.25~0.33左右,这种钢丝称为低松弛钢丝。
2.钢绞线:
钢绞线是用冷拔钢丝绞扭而成,其方法是在绞扭机上以一种稍粗的直钢丝为中心,其余钢丝围绕其进行螺旋状绞合,再经低温回火处理而成(图4-2)。
钢绞线根据深加工的不同又可分为:
普通松弛钢绞线(消除应力钢绞线)、低松弛钢绞线、镀锌钢绞线、模拔钢绞线等。
图4-2预应力钢绞线表面及截面形状
D-钢绞线直径;
d0-中心钢丝直径;
d-外层钢丝直径
钢绞线规格有2股、3股、7股和9股等。
7股钢绞线由于的面积较大、柔软、施工定位方便,适用于先张法和后张法预应力结构,是目前国内外应用最广的一种预应力筋。
3.热处理钢筋:
热处理钢筋是由普通热轧中碳低合金钢经淬火和回火的调质热处理或轧后冷却方法制成。
这种钢筋具有强度高、松弛值低、韧性较好、粘结力强等优点。
按其螺纹外形可分为带纵肋和无纵肋两种(图4-3)。
(a)带纵肋(b)无纵肋
图4-3热处理钢筋表面及截面形状
热处理钢筋主要用于铁路轨枕,也可用于先张法预应力混凝土楼板等。
二、预应力筋的特性:
预应力筋的特性主要是指应力一应变曲线和应力松弛两个方面。
l.应力一应变曲线:
预应力筋所用的碳素钢丝或钢绞线均属于硬钢,
它与低碳钢的应力一应变曲线完全不同,其应力一应
变曲线如图4-4所示。
当钢丝拉伸到超过比例极限σp
后,σ-ε关系非线性变化,没有明显的屈服点。
当钢
丝拉伸超过σ0.2后,应变ε增加较快;
当钢丝拉伸至最
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,然后钢丝断裂。
预应力钢绞线、钢丝和热处
理钢筋的强度标准值是根据极限抗拉强度确定的,用fptk
表示。
预应力筋的强度标准值fptk、抗拉强度设计值fpy
及抗压强度设计值f,,py如表4-1所示。
图4-4预应力钢丝的应力-应变曲线
2.应力松弛:
应力松弛:
钢筋受到一定的张拉力之后,在长度保持不变的条件下,钢筋的应力随着时间的增长而降低的现象,其应力降低值称为应力松弛损失。
产生应力松弛的原因:
由于金属内部错位运动使一部分弹性变形转化为塑性变形而引起的。
减少预应力筋松弛损失的主要措施:
1)采用低松弛钢绞线或钢丝,这是最好的措施,其松弛损失可减少70%~80%。
2)采取超张拉程序,如0→1.05σcon(持荷2min)→σcon,比一次张拉程序σcon可减少松弛损失10%。
3.应力腐蚀:
应力腐蚀:
钢筋在拉应力与腐蚀介质的同时作用下发生的腐蚀现象。
应力腐蚀破裂的特征:
钢筋在远低于破坏应力的情况下发生断裂,事先无预兆而突然破坏,断口与拉力垂直。
由于高强预应力筋的强度高、变形小、直径小,因此对应力腐蚀较为敏感。
有关试验结果证明:
1)含硅量低的热处理钢筋,抗应力腐蚀性能差;
而含硅量高的钢筋,其抗应力腐蚀性能好。
2)在饱和Ca(OH)2加3.5%NaCl溶液中,碳素钢丝有可能发生应力腐蚀破裂。
3)在砂浆中,当钢丝周围砂浆中氧离子的浓度小于0.1时,钢丝不发生应力腐蚀破裂。
4)当砂浆有裂缝时,会增加钢丝腐蚀的危险。
三、预应力筋的检验:
预应力筋的检验:
在预应力筋进场时,应按现行国家标准的规定抽取试件做力学性能检验,其质量必须符合有关标准的规定。
1.高强钢丝的检验:
高强钢丝应成批验收,每批应由同一牌号、同一规格、同一生产工艺制成的钢丝组成,重量不大于60t。
(1)外观检查
对钢丝进行逐盘检查。
钢丝表面不得有裂纹、小刺、机械损伤、氧化铁皮和油污。
钢丝的直径检查,按总盘数的10%选取,但不得少于6盘。
(2)力学性能试验
钢丝的外观检查合格后,从每批中任意抽取10%盘(不少于6盘)的钢丝,在每盘钢丝的两端各截取一个试样,一个做拉伸试验(伸长率与抗拉强度),一个做弯曲试验。
如有一项试验结果不符合《预应力混凝土用钢丝》(GB/T5223-2002)标准的要求,则该盘钢丝为不合格品;
再从同一批未经试验的钢丝中截取双倍数量的试样进行复验,如仍有一项试验结果不合格,则该批钢丝为不合格品。
2.钢绞线的检验:
钢绞线应成批验收,每批应由同一牌号、同一规格、同一生产工艺制度的钢绞线组成,每批重量不大于60t。
钢绞线的屈服强度和松弛试验,每季度由生产厂家抽验一次,每次至少一根。
从每批钢绞线中任取3盘,进行表面质量、直径偏差、捻距和力学性能试验,其试验结果均应符合《预应力混凝土钢绞线》(GB/T5224-2003)的规定。
如有一项指标不合格时,则该盘为不合格品;
再从未试验的钢绞线中取双倍数量的试样,进行不合格项目的复验,如仍有一项不合格,则该批判为不合格品。
3.热处理钢筋的检验:
热处理钢筋应成批验收,每批由同一外形截面尺寸、同一热处理制度和同一炉号的钢筋组成。
每批重量不大于60t。
当重量不大于30t时,允许不多于10个炉号的钢筋组成混合批,但钢的含碳量差别不得大于0.02%、含锰量差不得大于0.15%、含硅量差不得大于0.20%。
(1)外观检查:
从每批钢筋中选取10%的盘数(不少于25盘),进行表面质量与尺寸偏差检查,钢筋表面不得有裂纹、结疤和折叠,允许有局部凸块,但不得超过螺纹筋的高度。
钢筋的各项尺寸要用卡尺测量,并符合《预应力混凝土用热处理钢筋》(GB4463)的规定。
如检查有不合格品,则应将该批逐盘检查。
(2)拉伸试验
从每批钢筋中抽取10%的盘数(不少于25盘),进行拉伸试验。
如有一项指标不合格,则该盘钢筋为不合格品;
再从未试验过的钢筋中截取双倍数量的试样进行复验,如仍有一项指标不合格,则该批判为不合格品。
4.3先张法施工
一、先张法施工工艺流程:
先张法施工的工艺流程:
在浇筑混凝土前张拉预应力钢筋,并将其固定在台座或钢模上,然后浇筑混凝土。
待混凝土达到规定强度,保证预应力钢筋与混凝土有足够粘结力时,以规定的方式放松预应力钢筋,借助预应力筋的弹性回缩及其与混凝土的粘结,使混凝土产生预压应力。
先张法施工可采用台座法和机组流水法。
台座法:
通常在长线台座(50~200m)上成批生产配直线预应力筋的混凝土构件,如屋面板、空心楼板、檩条等。
机组流水法:
预应力钢筋的张拉力由钢模承受,构件连同钢模按流水方式,通过张拉、浇筑、养护等固定机组完成每一生产过程,此法适合于工厂化大批量生产,但模板耗钢量大,需采用蒸汽养护,不适合大、中型构件的制作。
先张法施工的优点是生产效率高、施工工艺简单、夹具可重复使用等。
图4-5先张法施工顺序简图
1-预应力筋;
2-混凝土构件;
3-台座;
4-夹具
二、先张法施工设备:
1.台座
台座承受预应力筋的全部张拉力,应具有足够的强度、刚度和稳定性,以免台座变形、倾覆、滑移而引起预应力值的损失。
台座按构造型式不同,可分为墩式台座和糟式台座两种。
选用时应根据构件的种类、张拉吨位和施工条件而定。
(l)墩式台座
墩式台座由台墩、台面与横梁等组成,一般用于平卧生产的中小型构件,如屋架、空心楼板、平板等。
台座尺寸由场地大小、构件类型和产量等因素确定,一般长度为100~150m,这样张拉一次可生产多根构件,既减少张拉及临时固定工作,又可减少预应力损失。
1)台墩。
一般由现浇钢筋混凝土制作而成,分为重力式和构架式两种。
台墩除应具有足够的强度和刚度外,还应进行抗倾覆与抗滑移稳定性验算。
墩式台座抗倾覆验算的计算简图如图4-7所示,抗倾覆稳定性按下式计算:
图4-6墩式台座
1-混凝土;
2-钢横梁;
3-局部加厚的台面;
4-预应力筋
图4-7墩式台座抗倾覆验算的计算简图
墩式台座抗滑移验算,可按下式进行:
2)台面。
台面一般是在夯实的碎石垫层上浇筑一层厚度为60~100mm的混凝土而成,台面略高于地坪,表面应当平整光滑,以保证构件底面平整。
长度较大的台面,应每10m左右设置一条伸缩缝,以适应温度的变化。
3)横梁。
横梁以台墩为支座,直接承受预应力筋的张拉力,其挠度不应大于2mm,并且不得产生翘曲。
预应力筋的定位板必须安装准确,其挠度不应大于lmm。
(2)槽式台座
槽式台座由钢筋混凝土压杆、上下横梁和砖墙等组成(图4-8)。
既可承受张拉力,又可作为蒸汽养护槽,适用于张拉较高的大型构件,如吊车梁、箱梁等。
图4-8槽式台座
1-钢筋混凝土压杆;
2-砖墙;
3-下横梁;
4-上横梁
槽式台座的长度一般不大于76m,宽度随构件外形及制作方式而定,一般不小于1m。
为便于混凝土的运输、浇筑及蒸汽养护,台座宜低于地面。
为便于拆迁和重复使用,台座应设计成装配式。
槽式台座也应进行强度和稳定性验算。
2.夹具
夹具是保持预应力筋的张拉力并将其固定在张拉台座或设备上所使用的临时性锚固装置。
(1)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张拉夹具。
锚固夹具与张拉夹具都是重复使用的工具。
(2)钢筋夹具
钢筋锚固多用螺母锚具、镦头锚具和销片夹具等。
张拉时可用连接器与螺母锚具连接,或用销片夹具等。
(a)圆锥齿板式(b)圆锥槽式(c)锲形
图4-9钢丝的锚固夹具
1-套筒;
2-齿板;
3-钢丝;
4-锥塞;
5-锚板;
7-锲块
(a)钳式(b)偏心式(c)锲形
图4-10钢丝的张拉夹具
1-钢丝;
2-钳齿;
3-拉钩;
4-偏心齿条;
5-拉环;
6-锚板;
图4-11两片式销片夹具
1-销片;
2-套筒;
3-预应力筋
3.张拉设备
张拉设备应当操作方便、可靠,准确控制张拉应力,以稳定的速率增大拉力。
在先张法中常用的是拉杆式千斤顶、穿心式千斤顶、台座式液压千斤顶、电动螺杆张拉机和电动卷扬张拉机等。
(1)拉杆式千斤顶
拉杆式千斤顶用于螺母锚具、锥形螺杆锚具、钢丝镦头锚具等。
它由主油缸、主缸活塞、回油缸、回油活塞、连接器、传力架、活塞拉杆等组成。
图4-12是用拉杆式千斤顶张拉时的工作示意图。
张拉前,先将连接器旋在预应力筋的螺丝端杆上,相互连接牢固。
千斤顶由传力架支承在构件端部的钢板上。
张拉时,高压油进入主油缸、推动主缸活塞及拉杆,通过连接器和螺丝端杆,预应力筋被拉伸。
千斤顶拉力的大小可由油泵压力表的读数直接显示。
当张拉力达到规定值时,拧紧螺丝端杆上的螺母,将预应力筋锚固在构件的端部。
锚固后回油缸进油,推动回油活塞工作,千斤顶脱离构件,主缸活塞、拉杆和连扫器回到原始位置。
最后将连接器从螺丝端杆上卸掉,卸下千斤顶,张拉结束。
图4-12拉杆式张拉千斤顶张拉原理
1-主油缸;
2-主缸活塞;
3-进油孔;
4-回油缸;
5-回油活塞;
6-回油孔;
7-连接器;
8-传力架;
9-拉杆;
10-螺母;
11-预应力筋;
12-混凝土构件;
13-预埋铁板;
14-螺丝端杆
(2)穿心式千斤顶
穿心式千斤顶具有一个穿心孔,是利用双液压缸张拉预应力筋和顶压锚具的双作用千斤顶。
穿心式千斤顶适用于张拉带JM型锚具、XM型锚具的钢筋,配上撑脚与拉杆后,也可作为拉杆式千斤顶张拉带螺母锚具和镦头锚具的预应力筋。
图4-13为JM型锚具和YC-60型千斤顶的安装示意图。
图4-13YC-60型千斤顶和JM型锚具的安装示意图
1-工作锚;
2-YC-60型千斤顶;
3-工具锚;
4-预应力筋束
(a)构造与工作原理;
(b)加撑脚后的外貌
图4-14YC60型千斤顶
1-张拉油缸;
2-顶压油缸(张拉活塞);
3-顶压活塞;
4-弹簧;
5-预应力筋;
6-工具锚;
7-螺帽;
8-锚环;
9-构件;
10-撑套;
11-张拉杆;
12-连接器;
13-张拉工作油室;
14-顶压工作油室;
15-张拉回程油室;
16-张拉缸油嘴;
17-顶压缸油嘴;
18-油孔
(3)台座式千斤顶
台座式千斤顶是在先张法四横梁式或三横梁式台座上成组整体张位或放松预应力筋的设备。
当采用四横梁式装置时,拉力架由两根活动横梁和两根大螺杆组成,张拉时台座干斤顶推动拉力架横梁,带动预应力筋成组张拉,见图4-15(a)。
当采用三横梁式装置时,台座式千斤顶与活动横梁组装在一起,张拉时台座式千斤顶与活动横梁直接带动预应力筋成组张拉,见图4-15(b)。
(a)三横梁式成组张拉装置(b)四横梁式成组张拉装置
图4-15预应力钢筋成组张拉装置
1-活动横梁;
2-千斤顶;
3-固定横梁;
4-槽式台座;
5-预应力筋;
6-放松装置;
8-台座传力柱;
9,10-后、前横梁;
11-钢丝(筋);
12,13-拉力架横梁;
14-大螺杆;
15-台座式千斤顶;
16-螺母
(4)电动螺杆张拉机
电动螺杆张拉机主要适用于预制厂在长线台座上张拉冷拔低碳钢丝。
其工作原理为:
电动机正向旋转时,通过减速箱带动螺母旋转,螺母即推动螺杆沿轴向后移动,即可张拉钢筋。
弹簧测力计上装有计量标尺和微动开关,当张拉力达到要求时,电动机能够自动停止转动。
锚固好钢丝(筋)后,使电动机反向旋转,螺杆即向前运动,放松钢丝(筋),完成张拉过程。
小型电动螺杆张拉机如图4-16所示。
图4-16电动螺杆张拉机
1-电动机;
2-手柄;
3-前限位开关;
4-后限位开关;
5-减速箱;
6-夹具;
7-测力器;
8-计量标尺;
9-螺杆
(5)电动卷扬机
电动卷扬机主要用于长线台座上张拉冷拔低碳钢丝。
工程上常用的是LYZ-1型电动卷扬机,其最大张拉力为10kN,最大张拉行程为5m,张拉速度为2.5m/min,电动机功率0.75kW。
LYZ-1型又分为LYZ-1A型(支撑式)和LYZ-1B型(夹轨式)两种。
图4-17为采用卷扬机张拉单根预应力筋的示意图。
图4-17用卷扬机张拉预应力筋
1-台座;
2-放松装置;
3-横梁;
4-预应力筋;
5-锚固夹具;
6-张拉夹具;
7-测力计;
8-固定梁;
9-滑轮组;
10-卷扬机
三、先张法施工工艺:
先张法施工工艺包括预应力筋的铺设、预应力筋的张拉、混凝土浇筑与养护和预应力筋的放张等施工过程。
1.预应力筋的铺设
在预应力筋铺设前,应对台面及模板涂刷隔离剂;
为避免铺设预应力筋时因其自重下垂破坏隔离剂,沾污预应力筋,影响预应力筋与混凝土的粘结,应在预应力筋设计位置下面先放置好垫块或定位钢筋后铺设。
预应力钢丝宜用牵引车铺设。
铺设时,钢筋接长或钢筋与螺杆的连接,可采用套筒双拼式连接器。
钢筋采用焊接时,应合理布置接头位置,尽可能避免将焊接接头拉入构件内。
2.预应力筋的张拉
先张法预应力筋的张拉有单根张拉和多根成组张拉。
预应力筋的张拉工作是预应力混凝土施工中的关键工序,为确保施工质量,在张拉中应严格控制张拉应力、张拉程序、计算张拉力和进行预应力值校核。
(1)张拉控制应力
预应力筋张拉时控制应力应符合设计规定。
控制应力的大小影响预应力的效果。
表4-2张拉控制应力限值
预应力筋种类
先张法
后张法
消除应力钢丝、钢绞线
0.75fptk
热处理钢筋
0.70fptk
0.65fptk
(2)张拉程序
预应力筋的张拉程序有以下两种:
0→105%σcon(持荷2min)→σcon
0→103%σcon
在张拉预应力筋的施工中应当注意以下事项:
1)应首先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋,以避免台座承受过大的偏心力。
2)张拉机具与预应力筋应在同一条直线上,张拉应以稳定的速率逐渐加大拉力。
3)拉到规定应力在顶紧锚塞时,用力不要过猛,以防钢丝折断。
4)在拧紧螺母时,应时刻观察压力表上的读数,始终保持所需要的张拉力。
5)预应力筋张拉完毕后与设计位置的偏差不得大于5mm,且不得大于构件截面最短边长的4%。
6)同一构件中,各预应力筋的应力应均匀,其偏差的绝对值不得超过设计规定的控制应力值的5%。
7)台座两端应有防护设施,沿台座长度方向每隔4~5m放一个防护架,张拉钢筋时两端严禁站人,也不准进入台座。
(3)预应力值校核
预应力筋的预应力值,一般用其伸长值校核。
当实测伸长值与理论伸长值的差值与理论伸长值相比,在5%~10%之间时,表明张拉后建立的预应力值满足设计要求。
3.混凝土浇筑与养护
预应力筋张拉完毕后,应立即绑扎骨架、支模、浇筑混凝土。
台座内每条生产线上的构件,其混凝土应连续浇筑。
混凝土必须振捣密实,特别对构件的端部,要注意加强振捣,以保证混凝土强度和粘结力。
浇筑和振捣混凝土时,不可碰撞预应力筋;
在混凝土未达到一定强度前,不允许碰撞或踩动预应力筋;
当叠层生产时,必须待下层混凝土强度达8~10N/mm2后方可进行。
混凝土可采用自然养护或湿热养护。
当采用湿热养护时,采取二次升温制,初次升温的温差不宜超过20℃,当构件混凝土强度达到7.5~10N/mm2时,再按一般规定继续升温养护,这样可以减少预应力的损失。
4.预应力筋的放张
在进行预应力筋的放张时,混凝土强度必须符合设计要求;
当设计无具体规定时,混凝土强度不得低于设计标准值的75%。
(1)放张顺序
预应力筋的放张顺序,应符合设计要求,当设计无具体要求时,应符合下列规定:
1)对承受轴心预压力的构件(加压杆、桩等),所有预应力筋应同时放张。
2)对承受偏心预压力的构件,应先同时放张预应力较小区域的预应力筋,再同时放张预应力较大区域的预应力筋。
3)当不能按上述规定放张时,应分阶段、对称、相互交错地放张,以防止在放张过程中构件产生翘曲、开裂及断筋现象。
(2)放张方法
1)对预应力钢丝或细钢丝的板类构件,放张时可直接用钢丝钳或氧炔焰切割,并宜从生产线中间处切断,以减少回弹量,且有利于脱模;
对每一块板,应从外向内对称放张,以免构件扭转两端开裂。
2)对预应力筋数量较少的粗钢筋构件,可采用氧炔焰在烘烤区轮换加热每根粗钢筋,使其同步升温,钢筋内应力均匀徐徐下降,外形慢慢伸长,待钢筋出现颈缩现象时,即可切断。
3)对预应力筋配置较多的构件,不允许采用剪断或割断等方式突然放张,以避免最后放张的几根预应力筋产生过大的冲击而断裂,致使混凝土构件开裂。
为此,应采用千斤顶或在台座与横梁间设置砂箱和楔块、或在准备切割的一端预先浇筑混凝土块等方法,进行缓慢放张。
作业:
P143思考题4.1,4.2,4.3
后记:
(本节主要解决的问题)
1、预应力混凝土的概念、工作原理、特点和分类;
2、预应力筋的种类、特点、受力特性与检验内容和方法;
3、预应力筋张拉的台座、锚(夹)具、张拉机具的构造及使用方法;
4、先张法施工工艺及质量控制内容和方法;
预应力值的建立传递的原理,张拉力的计算和校验、张拉程序的建立及放张要求。
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