预应力混凝土工程

预应力混凝土工程

5.1 概 述

5.1.1 预应力混凝土的基本概念

1.预应力的概念

预应力是预加应力的简称，它是近几十年发展起来的一门技术。然而人们对预加应力原理的应用却由来已久，在日常生活中稍加注意就会找到一些熟悉的例子。如用竹箍的木桶，如图5.1所示，中国古代的工匠早就运用预应力的原理来制作木桶，木桶的环向预压应力通过套紧竹箍的方法产生。只要水对桶壁产生的环向拉应力不超过环向预压应力，则桶壁木板之间将始终保持受压的紧密状态，预压应力通过两端锚具传给构件混凝土，木桶就不会开裂和漏水。这种木桶的制造原理与现代预应力混凝土圆形水池的原理是完全一样的。这是利用预加应力来抵抗预期出现的拉应力的一个典型例子。

图5.1 预应力原理在木桶上的应用

（a）木桶；（b）竹箍分离体图；（c）板块分离体

木锯如图5.2所示，是另一个熟悉的例子，当锯条来回运动锯割木料时，就会使锯条的一部分受拉而另一部分受压。这种薄而狭长的锯条本身并没有什么抗压能力，但由于预先拧紧绳子而受有预拉应力，当预拉应力超过锯木时引起的压应力，锯条就始终处于受拉状态，就不至于发生压屈失稳破坏。这是利用预加拉应力以抵抗使用时出现的压应力的一个典型例子。当整理书架需要搬运书本时，人们常采用如图5.3所示的搬书方法。由于受到双手抱书所加的压力，这列书就如同一根梁一样可以承担全部书本的重量。这和用后张预应力束将若干混凝土预制块体拼成预应力梁的原理基本上也是一样的。

图5.2 预应力原理在木锯上的应用

（a）中国式木锯；（b）木锯各杆件分离体图；（c）锯片的受力图

图5.3 块体拼装式预应力梁示意图

类似的例子还能举出一些，例如施工现场装卸红砖用的一次可以手提5块砖的砖夹子、自行车车轮的辐条等。这些例子都表明运用预加应力的原理和技术，既可用预加压应力来提高结构的抗拉能力和抗弯能力，又可用预加拉应力来提高结构的抗压能力。因此，只要善于运用，就可以利用预加应力获得改善结构使用性能和提高结构强度的效果。

2.混凝土施加预应力的原因 混凝土是抗压强度高而抗拉强度低的一种结构材料。它的抗拉强度不仅很低（只有抗压强度的1/15～1/10），而且很不可靠。它的抗拉变形能力也很小，如同玻璃一样是脆性的，破坏前没有明显预兆。因此素混凝土只能用于柱墩、重力式挡土墙、地坪、路面等以受压为主的场合，而不能用于梁、板等受弯结构。

为弥补混凝土抗拉强度太低的缺点，人们首先想到的是对混凝土预期出现拉应力的部位用钢筋来加强，即用钢筋来代替混凝土承担拉力。这种钢筋混凝土用途广、优点多，但也存在着一个难以克服的缺陷——开裂。所有钢筋混凝土受弯、受拉构件，不管配筋少还是配筋多，在使用状态下几乎无不开裂，以致影响它的应用范围与发展前途。

3.预应力混凝土的概念

预应力混凝土是根据需要，人为地引入某一数值与分布的内应力，用以部分或全部抵消外荷载应力的一种加筋混凝土。

这一定义的学科性、专业性都很强，但通俗性不足，不易为一般土建工程人员以及非专业人员所理解与接受。实际上预应力筋对结构所起的作用，既可以理解为产生与使用荷载应力方向相反的预加应力，也可以理解为产生与使用荷载方向相反的预加反向荷载或反向力。如果从荷载的概念出发，预应力混凝土可以定义为:预应力混凝土是根据需要，人为地引入某一数值的反向荷载，用以部分或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土。

为了进一步阐明什么是预应力混凝土，特以梁为例来说明。一根梁在荷载作用下将产生弯曲，并使梁的下部受拉，上部受压，如图5.4所示。如果我们用素混凝土来做一根梁，则在一定荷载q的作用下，很快就会断裂，如图5.5所示。这是由于混凝土如同天然石材一样，是一种脆性材料，它的抗压能力很大，而抗拉能力很小的缘故（约为抗压能力的1/10）。

图5.4 梁的受力情况

图5.5 素混凝土梁

为了解决混凝土材料抗拉不足抗压有余的问题，人们就在梁弯曲时将产生裂缝的受拉区，配置了抗拉性能很好的钢筋，用来承受梁弯曲时产生的拉力，这就是通常所称的钢筋混凝土梁，如图5.6所示。然而在素混凝土梁中配置钢筋，虽然提高了梁的抗拉能力，但是仍不完善，还有缺陷。这主要是因为钢筋是强度很高、应变能力很强的韧性材料，通常每米拉长20～50mm 也不会产生裂缝，而混凝土则是应变能力很小的脆性材料，通常每米只能拉长0.1～0.15mm，超过这个数值就会产生断裂。而在钢筋混凝土构件中，两者黏结在一起构成一个整体，在荷载作用下是共同受力共同变形的。如图5.6所示的普通钢筋混凝土梁，在外荷载q作用下，虽然不会断裂，但是会产生裂缝，只是这种裂缝有时不易被人察觉而已。

然而，普通钢筋混凝土梁，在正常荷载作用下总是带有裂缝的，这就大大影响了结构的耐久性。如果要使梁不出现裂缝，则钢筋中的应力只能达到20～30N/mm2，这样就大大限制了钢筋强度的发挥。

图5.6 钢筋混凝土梁

如果要充分利用钢筋的强度，则梁又将产生很大的裂缝和挠曲变形，影响结构的耐久性和使用。为了解决这个新的矛盾，人们采用了对受拉区混凝土施加“预（压）应力”这一有效方法。即在结构承受外荷载之前，先在它使用时可能产生拉应力的区域，用某种方法施加压力，促使其产生预压应力。这样，当构件在使用荷载下产生拉应力时，必须先抵消这部分预压应力，然后才能随着荷载的增加，使受拉区的混凝土受拉开裂。如图5.6所示的钢筋混凝土梁，如果在受拉区先对钢筋进行张拉，并利用它的回缩力使受拉区混凝土得到预压，如图5.7 （a）所示，则在上述荷载q 的作用下，梁下缘产生的拉应力仅能使预压应力减小（抵消其中一部分或全部）。这种施加预（压）应力的钢筋混凝土梁，就叫预应力钢筋混凝土梁。通常在正常使用荷载下，预应力钢筋混凝土梁的下缘不会产生裂缝，如图5.7 （b）所示。

图5.7 预应力钢筋混凝土梁

（a）施加预压应力时；（b）使用时

5.1.2 预应力混凝土的材料

预应力混凝土抗裂性的高低，取决于钢筋的预拉应力值。钢筋预拉力愈高，混凝土预压力愈大，构件的抗裂性就愈好。要建立较高的预应力，就必须具有高强度的钢筋和高强度的混凝土。所以，高强材料的提供，促使产生预应力混凝土，预应力混凝土的发展又对材料提出更高的要求。

1.对钢材的要求

（1）高强度。混凝土预应力的大小取决于钢筋（线）的张拉应力，而构件制作过程中将出现各种应力损失，钢材强度越高，损失率越小，经济效果也越高，因此当具备条件时，应尽量采用强度高的钢材作预应力筋。

（2）具有一定的塑性。钢筋切断时要具有一定的延伸率，当构件处于低温荷载下，更应注意塑性要求，否则可能发生脆性破坏。一般冷拉热轧钢筋的延伸率不小于6%，钢丝、钢绞线要求不小于4%。

（3）与混凝土有较好的黏结度。先张法构件（后张自锚构件在使用时）的预应力是靠钢筋和混凝土的黏结力来完成的。因此钢筋和混凝土的黏结度必须足够。如果用光面高强钢丝配丝时，表面应经“刻痕”或“压波”等措施处理方能使用。

（4）有良好的加工性能，如可焊性。钢筋经过 “镦粗”（冷镦或热镦）后，不影响其原来的物理力学性能等。

目前国内预应力混凝土结构常用的钢材可分为两类:钢丝和钢筋。钢筋可用冷拉Ⅱ级、Ⅲ级热轧钢筋或热处理钢筋，钢丝可用高强碳素钢丝或冷拔低碳钢丝等。

2.对混凝土的要求 （1）高强度。因为只有高强混凝土充分利用高强钢材，共同承受外力，从而可以减小构件的截面尺寸，减轻构件自重并节约原材料用量。

（2）收缩、徐变小，弹性模量高，有利于减少预应力损失。混凝土强度高了，抗拉、抗剪、黏结强度也都相应提高，从而提高抗裂能力。

（3）尽可能做到快硬、早强。因为只有快硬、早强才能尽早施加预应力，加快施工进度，提高台座或锚具的使用率。

当前国内预应力钢筋构件中所用混凝土的强度等级常为C40～C50，个别达到C60～C80，一般不低于C30。

5.1.3 预应力混凝土与钢筋混凝土的比较

预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，具有如下优点。

（1）提高了混凝土的抗裂度和刚度。因为预应力的作用增强了混凝土的抗拉能力，可以使混凝土不致过早地出现裂缝（推迟裂缝出现时间），同时还可以按照构件的特点，控制它在使用过程中不出现裂缝。由于预加应力作用，构件承受荷载后，向下弯的程度减小，提高了构件的刚度。

（2）增加构件的耐久性。预应力钢筋混凝土可避免构件出现裂缝，构件内的钢筋就不容易锈蚀，因而相应地延长了构件的使用年限。

（3）节约材料。预应力钢筋混凝土可以合理地应用高强度钢材，所以钢材和混凝土用料都能相应地减少。

（4）减轻构件自重。由于采用了高强材料，构件截面尺寸相应减小，自重也就减轻了。

（5）扩大了高、大、重型结构的预置装配化程度。

（6）抗疲劳性能优于钢筋混凝土。因在反复荷载作用下，预应力筋的应力波动幅度小。尽管预应力混凝土有上述优点，但也带来了另一方面的问题，就是制作构件时增加了张拉工序、灌浆机具以及锚固装置等专用设备，同时制作技术也比钢筋混凝土复杂得多。所以跨度较小的梁和板，不承受拉力的拱与柱子等就不适宜采用预应力结构。因此，不是在任何场合都可以用预应力混凝土来代替普通钢筋混凝土的，两者各有合理应用范围。

缺点是构件制作过程增加了张拉工序，并需要专用的张拉设备、锚具夹、台座等。 5.2 先张法施工

先张法施工是在浇筑混凝土之前，先将预应力筋张拉到设计的控制应力值，并用夹具将预先张拉的预应力钢筋临时固定在台座或模板上，然后浇筑混凝土。待混凝土达到规定强度（一般不低于混凝土设计强度标准值的75%），保证预应力筋与混凝土有足够的黏结力时，放张或切断预应力筋，借助于混凝土与预应力筋之间的黏结，对混凝土产生预压应力，如图5.8所示。

先张法生产可采用台座法和机组流水法。

先张法施工工艺流程如图5.9所示。

先张法采用台座法生产时，预应力筋的张拉、锚固，混凝土构件的浇筑、养护和预应力筋放张等工序皆在台座上进行，预应力筋的张拉力由台座承受。用机组流水法和传送带法生产时，预应力筋的拉力由钢模承受。先张法适用于生产定型的中小型构件，如空心板、屋面板、吊车梁、檩条等。

图5.8 先张法生产示意图

（a）预应力筋张法；（b）混凝土浇筑和养护；（c）放张预应力筋

1—台座；2—横梁；3—台面；4—预应力筋；5—夹具；6—构件

图5.9 先张法施工工艺流程图

下面着重介绍台座法生产预应力混凝土构件时的台座、夹具、张拉机具和预应力混凝土施工工艺。

5.2.1 先张法施工设备

1.台座

台座是先张法生产的主要设备之一，它承受预应力筋的全部张拉力。因此，台座应具有足够的强度、刚度和稳定性。

台座构造型式有墩式台座、槽式台座等。选用时根据构件种类、张拉力的大小和施工条件而定。

（1）墩式台座。生产空心板、平板等平面布筋的混凝土构件时，由于张拉力不大，可利用简易墩式台座。如图5.10所示。

生产中型构件或多层叠浇构件，如图5.11所示的墩式台座，台座局部加厚，以承受部分张拉力。