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张拉知识

第五章预应力混凝土

第一节预应力混凝土及其分类

    [目的要求]

    了解预应力混凝土结构构件的受力特点，了解预应力混凝土的分类。

    [讲授内容]

    一、预应力混凝土简介

    预应力混凝土是最近几十年发展起来的一项新技术，现在世界各国都在普遍地应用，其推广使用的范围和数量，已成为衡量一个国家建筑技术水平的重要标志之一。

    目前，预应力混凝土不仅较广泛地应用于工业与民用建筑的屋架，吊车梁、空心楼板、大型屋面板、等，交通运输方面的桥梁。

轨枕，以及电杆、桩等方面，而且已应用到矿井支架、海港码头、和造船等方面，如60m拱形屋架、12rn跨度200t吊车梁，5000t水压机架，大跨度薄壳结构、144m悬臂拼装公路桥和11万吨容量的煤气罐等都已应用成功。

淮北市火车站立交桥桥面横梁就是采用预应力的。

    为什么说预应力混凝土结构衡量一个国家建筑技术水平的重要标志之一？

它有哪些优点？

    由于普通混凝土构件抗裂性能差，它的抗拉极限应变值ε只有0.0001~0.00015，即相当于每米只能拉长0.1~0.15mm，超过这个数值就会开裂，因此，钢筋混凝土受拉构件，如果要保证混凝土不开裂，钢筋的应力只能用到20~30N/mm2[fy=Eε=2×105×（0.0001~0.00015）=20~30N／mm2]。

    因而，对于在使用中不允许开裂的构件，设计时不得不把受拉区混凝土的截面增大，从而增加了结构的自重；对于允许出现裂缝的构件，由于受裂缝宽度的限制，在使用荷载下，钢筋应力也只能用到150~250N/mm2，从而限制了钢筋混凝土构件中采用高强钢材来节约钢材的可能性。

普通混凝土受拉区容易出现开裂的缺点，同使用要求之间的矛盾和高强钢材不断发展与普通混凝土构件中不能充分发挥其高强性能的矛盾，促使人们在设计理论与施工工艺方面的研究有了新的突破——提出了预应力混凝土的理论和实践，由于矛盾的主要方面是混凝土的极限抗拉应变太小（容易开裂），为了解决这一矛盾，在混凝土构件受拉区先施加预压应力，当构件在荷载作用下，产生拉应力时，首先要抵消混凝土的预压应力，然后，随着荷载的不断增加，混凝土才受拉开裂，从而推迟裂缝的出现时间和限制裂缝的发展，达到提高构件抗裂度和刚度的目的，同时，能有效地采用高强钢材，大大节约钢材。

    预应力混凝土构件与普通混凝土构件相比，除能提高构件的抗裂度和刚度外，还具有能增加构件的耐久性，节约材料，减少自重等优点。

但是在制作预应力混凝土构件时，增加了张拉工作，相应增添了张拉机具和锚固装置，制作工艺也较复杂。

    二、预应力混凝土的分类

    1、先张法

    先张法是先张拉预应力筋，后浇筑混凝土的预应力混凝土生产方法。

这种方法需要专用的生产台座和夹具，以便张拉和临时锚固预应力筋，待混凝土达到设计强度后，放松预应力筋。

先张法适用于预制厂生产中小型预应力混凝土构件。

预应力是通过预应力筋与混凝土间的粘结力传递给混凝土的。

    2、后张法

    后张法是先浇筑混凝土后张拉预应力筋的预应力混凝土生产方法。

这种方法需要预留孔道和专用的锚具，张拉锚固的预应力筋要求进行孔道灌浆。

后张法适用于施工现场生产大型预应力混凝土构件与结构。

预应力是通过锚具传递给混凝土的。

    3、有粘结

    所谓有粘结预应力混凝土是指预应力筋沿全长均与周围混凝土相粘结。

先张法的预应力筋直接浇筑在混凝土内，预应力筋和混凝土是有粘结的；后张法的预应力筋通过孔道灌浆与混凝土形成粘结力，这种方法生产的预应力混凝土也是有粘结的。

    4、无粘结

    无粘结预应力混凝土的预应力筋沿全长与周围混凝土能发生相对滑动，为防止预应力筋腐蚀和与周围混凝土粘结，采用涂油脂和缠绕塑料薄膜等措施。

    [思考题]

    1、什么叫有粘结预应力混凝土？

    2、什么叫无粘结预应力混凝土？

第二节预应力夹具和锚具

    [目的要求]

    了解:

锚、夹具、连接器的概念，锚具、夹具性能要求，锚、夹具的使用要求和静载锚固试验

    熟悉：

锚、夹具、连接器进场验收的抽样检查，

    掌握：

锚具、夹具和连接器的类型及选用

    [讲授重点]锚具、夹具和连接器的类型及选用

    [讲授难点]锚、夹具的使用要求和静载锚固试验

    [讲授内容]

    一、夹具Grip

    在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（或设备）上的临时性锚固装置；在后张法预应力混凝土结构或构件施工时，在张拉千斤顶或设备上夹持预应力筋的临时性锚固装置。

    夹具必须工作可靠，构造简单，使用方便，能多次重复使用。

夹具根据工作特点分为张拉夹具和锚固夹具。

    张拉夹具将预应力筋和张拉机械相连，进行预应力筋张拉；锚固夹具是将预应力筋临时固定在台座横梁上的工具。

    二、锚具Anchorage

    在后张法预应力混凝土结构或构件中，为保持预应力筋的拉力并将其传递到混凝土上所用的永久性锚固装置。

    三、连接器Coupler

    用于连接预应力筋的装置。

    四、锚具、夹具性能要求

    1、预应力筋用锚具、夹具和连接器的性能均应符合现行国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》GB／T14370的规定。

    2、在预应力筋强度等级已确定的条件下，预应力筋—锚具组装件的静载锚固性能试验结果，应同时满足锚具效率系数（ηa）等于或大于0．95和预应力筋总应变（εapu）等于或大于2．0％两项要求。

    锚具的静载锚固性能，应由预应力筋—锚具组装件静载试验测定的锚具效率系数（ηa）和达到实测极限拉力时组装件受力长度的总应变（εapu）确定。

锚具效率系数（ηa）应按下式计算：

        Fapu

    ηa=————

        ηp.Fpm

    式中Fapu——预应力筋—锚具组装件的实测极限拉力；

    Fpm——预应力筋的实际平均极限抗拉力。

由预应力钢材试件实测破断荷载平均值计算得出；

    ηp——预应力筋的效率系数。

ηp应按下列规定取用：

预应力筋—锚具组装件中预应力钢材为1至5根时，ηp=1；6至12根时，ηp=0．99；13至19根时，ηp=0.98；20根以上时，ηp=0．97。

    当预应力筋—锚具（或连接器）组装件达到实测极限拉力（Fapu）时，应由预应力筋的断裂，而不应由锚具（或连接器）的破坏导致试验的终结。

预应力筋拉应力未超过0．8fptk时，锚具主要受力零件应在弹性阶段工作，脆性零件不得断裂。

    3、用于承受静、动荷载的预应力混凝土结构，其预应力筋—锚具组装件，除应满足静载锚固性能要求外，尚应满足循环次数为200万次的疲劳性能试验要求。

疲劳应力上限应为预应力钢丝或钢绞线抗拉强度标准值。

（fptk）的65％（当为精轧螺纹钢筋时，疲劳应力上限为屈服强度的80％），应力幅度不应小于80MPa。

对于主要承受较大动荷载的预应力混凝土结构，要求所选锚具能承受的应力幅度可适当增加，具体数值可由工程设计单位根据需要确定。

    4、在抗震结构中，预应力筋—锚具组装件还应满足循环次数为50次的周期荷载试验。

组装件用钢丝或钢绞线时，试验应力上限应为0．8fptk；用精轧螺纹钢筋时，应力上限应为其屈服强度的90％。

应力下限均应为相应强度的40％。

    5、锚具尚应满足分级张拉、补张拉和放松拉力等张拉工艺的要求。

锚固多根预应力筋的锚具，除应具有整束张拉的性能外，尚宜具有单根张拉的可能性。

    6、夹具的静载性能，应由预应力筋—夹具组装件静载试验测定的夹具效率系数（ηg）确定。

夹具效率系数（ηg）应按下式计算：

        Fgpu

    ηg=————

        Fpm

    式中：

Fgpu——预应力筋—夹具组装件的实测极限拉力。

    试验结果应满足夹具效率系数（ηg）等于或大于0．92的要求。

    当预应力筋—夹具组装件达到实测极限拉力时，应由预应力筋的断裂，而不应由夹具的破坏导致试验终结。

    7、夹具应具有良好的自锚性能、松锚性能和安全的重复使用性能。

主要锚固零件宜采取镀膜防锈。

    8、永久留在混凝土结构或构件中的预应力筋连接器，应符合锚具的性能要求；用于先张法施工且在张拉后还将放张和拆卸的连接器，应符合夹具的性能要求。

    五、锚具、夹具和连接器的选用

    1、预应力筋用锚具、夹具和连接器按锚固方式不同，可分为

    夹片式（单孔和多孔夹片锚具）：

JM12（图5—1）

    支承式（镦头锚具、螺母锚具等）：

镦头锚具（图5—2）、螺丝端杆锚具（图5—3）、帮条锚具（图5—4）

    锥塞式：

钢质锥形锚具（图5—5）

    握裹式（挤压锚具、压花锚具等）：

锥形螺杆锚具（图5—6）、压花锚具（图5—7）。

    工程设计单位应根据结构要求、产品技术性能和张拉施工方法，按表5—1选用锚具。

图5—1JMl2型锚具

图5—2螺丝端杆锚具

1—螺丝端杆锚具；2—螺母；3—垫板；

4—排气槽；5—对焊接头；6—冷拉钢筋；

图5—3镦头锚具

1—垫板；2—预应力筋；3—镦头

图5—4帮条锚具

图5—5钢质锥形锚具

1—锚环；2—锚塞。

图5—6锥形螺杆锚具

1—螺帽；2—锥形螺杆；3—套筒；4—钢丝；

图5—7压花锚具

表5—1锚具选用

预应力筋品种

选用锚具形式

张拉端

固定端

安装在结构之外

安装在结构之内

钢绞线及钢绞线束

夹片锚具

夹片锚具

压花锚具

挤压锚具

挤压锚具

高强钢丝束

夹片锚具

夹片锚具

挤压锚具

    镦头锚具

镦头锚具

挤压锚具

精轧螺纹钢筋

螺母锚具

    2、预应力混凝土结构工程用锚具在锚固部位的布置，应根据锚具型号、预应力筋数量、混凝土强度等级等条件，进行局部承压验算。

锚具间距应满足最小间距的要求。

    当锚具下的锚垫板要求采用喇叭管时，宜选用钢制或铸铁的产品，锚垫板下应设置足够的螺旋钢筋或网状分布钢筋。

    锚垫板与预应力筋（或孔道）在锚固区及其附近应相互垂直。

锚垫板上宜设灌浆孔，此孔还可用于排气或安设水泥浆泌水补偿器。

选用锚具时，应根据张拉设备的要求，使现场有足够的操作空间。

    3、工程设计选定的锚具或连接器，应在设计图纸上注明型式、规格及性能要求，不得指定生产厂名或以独家产品型号间接指定生产厂名。

    能够适用于高强度预应力钢材的锚具（或连接器），也可用于较低强度的预应力钢材；仅适用于低强度预应力钢材的锚具（或连接器），则不得用于高强度的预应力钢材。

在施工中，锚具需要代换时，应经工程设计责任方审核同意。

    4、夹具和先张法预应力筋连接器的选用，应根据预应力筋的品种、规格、张拉设备型式以及工艺操作要求，由构件的生产单位或生产线的设计单位确定。

    六、进场验收

（一）锚具进场验收时，需方应按合同核对产品质量证明书中所列的型号、数量及适用于何种强度等级的预应力钢材，确认无误后应按下列三项规定进行检验。

检验合格后方可在工程中应用。

    1、外观检查：

从每批中抽10％的锚具且不应少于10套，检查其外观质量和外形尺寸；并按产品技术条件确定是否合格。

    所抽全部样品均不得有裂纹出现，当有二套表面有裂纹时，则本批应逐套检查，合格者方可进入后续检验组批；

    2、硬度检验：

对硬度有严格要求的锚具零件，应进行硬度检验。

应从每批中抽取5％的样品且不应少于5套，按产品设计规定的表面位置和硬度范围（该表面位置和硬度范围是品质保证条件，由供货方在供货合同中注明）做硬度检验。

有一个零件不合格时，则应另取双倍数量的零件重做检验；仍有一件不合格时，则应对本批产品逐个检验，合格者方可进入后续检验组批；

    3、静载锚固性能试验——在通过外观检查和硬度检验的锚具中抽取6套样品，与符合试验要求的预应力筋组装成3个预应力筋——锚具组装件，并应由国家或省级质量技术监督部门授权的专业质量检测机构进行静载锚固性能试验。

试验结果应单独评定，每个组装件试件都必须符合本节四、2条的要求。

有一个试件不符合要求时，则应取双倍数量的锚具重做试验；仍有一个试件不符合要求时，则该批锚具应视为不合格品。

    在试验过程中，当试验数据已满足本节四、2条的要求而组装件仍未拉断，此时，在能证明锚具的负载能力大于或等于Fpm，可终止试验，并判定试验结果合格。

    注：

1、对于锚具用量不多的工程，如由供货方提供有效试验合格证明文件，经工程负责单位审议认可并正式备案，可不必进行静载验收试验；

    2、用于主要承受动荷载的锚具，可按本节四、4条确定的疲劳应力幅度进行疲劳荷载试验。

（二）夹具进场验收时，应进行外观检查、硬度检验和静载锚固性能试验。

检验和试验方法与锚具相同；但静载试验结果应符合本节四、7条的规定。

    （三）后张法连接器的进场验收规定应与锚具相同。

先张法连接器的进场验收规定应与夹具相同。

    （四）划分进场验收批时，只有在同种材料和同一生产工艺条件下生产的产品，才可列为同一批量。

锚固多根预应力钢材的锚具或夹具应以不超过1000套为一个验收批；锚固单根预应力钢材的锚具或夹具，每个验收批可扩大为2000套。

连接器的每个验收批不宜超过500套。

    每个工程或标段不宜使用两个生产厂家提供的产品。

    （五）预应力筋用锚具、夹具和连接器的锚固性能试验方法，应符合有关规定。

    七、使用要求

    1、预应力混凝土工程应由有预应力施工资质的组织承担施工任务。

施工单位应定期组织施工人员进行技术培训。

    2、预应力筋用锚具、夹具和连接器在贮存运输及使用期间均应妥善保管维护，避免锈蚀、沾污、遭受机械损伤、混淆和散失。

    3、预应力筋用锚具、夹具和连接器安装前应擦拭干净。

当按施工工艺规定需要在锚固零件上涂抹介质以改善锚固性能时，应在锚具安装时涂抹。

    4、钢绞线穿入孔道时，应保持外表面干净，不得拖带污物；穿束以后，应将其锚固夹持段及外端的浮锈和污物擦拭干净。

    5、锚具和连接器安装时应与孔道对中。

夹片式锚具安装时，各根预应力钢材应平顺，不得扭绞交叉；夹片应打紧，并外露一致。

    6、使用钢丝束镦头锚具前，首先应确认该批预应力钢丝的可镦性，即其物理力学性能应能满足镦头锚的全部要求。

钢丝镦头尺寸不应小于规定值，头形应圆整端正；钢丝镦头的圆弧形周边出现纵向微小裂纹时，其裂纹长度不得延伸至钢丝母材，不得出现斜裂纹或水平裂纹。

    7、钢绞线挤压锚具挤压时，在挤压模内腔或挤压元件外表面应涂润滑油，压力表读数应符合操作说明书的规定。

挤压后的钢绞线外端应露出挤压头2—5mm。

    8、夹片式、锥塞式等形式的锚具，在预应力筋张拉和锚固过程中或锚固完成以后，均不得大力敲击或振动。

    9、利用螺母锚固的支承式锚具，安装前应逐个检查螺纹的配合情况。

对于大直径螺纹的表面应涂润滑油脂，以确保张拉和锚固过程中顺利旋合和拧紧。

    10、钢绞线压花锚成型时，应将表面的污物或油脂擦拭干净，梨形头尺寸和直线段长度不应小于设计值，并应保证与混凝土有充分的粘结力。

    11、对于预应力筋，应采用型式和吨位与其相符的千斤顶整束张拉锚固；对直线形或平行排放的预应力钢绞线束，在确保各根预应力钢绞线不会叠压时；也可采用小型千斤顶逐根张拉工艺；但必须将“分批张拉预应力损失”计算在控制应力之内，

    12、千斤顶安装时，工具锚应与前端工作锚对正，使工具锚与工作锚之间的各根预应力钢材相互平行，不得扭绞错位；工具锚夹片外表面和锚板锥孔内表面使用前宜涂润滑剂，并应经常将夹片表面清洗干净。

当工具夹片开裂或牙面缺损较多，工具锚板出现明显变形或工作表面损伤显著时，均不得继续使用。

    13、对于一些有特殊要求的结构或张拉空间受到限制时，可配置专用的变角块，并应采用变角张拉法施工。

设计和施工中应考虑因变角而产生的摩阻损失；但预应力筋在

    张拉千斤顶工具锚处的控制应力不得大于0．8fptk。

    14、预应力筋锚固时的内缩值比现行国家标准，《混凝土结构设计规范）GB50010确定的数值明显偏大时，应检查张拉设备状况及操作工艺，必要时加以调整；也可用少量增加张拉伸长值的办法解决。

    15、采用连接器接长预应力筋时，应全面检查连接器的所有零件，必须执行全部操作工艺，以确保连接器的可靠性。

    16、预应力筋锚固以后，因故必须放松时，对于支承式锚具可用张拉设备松开锚具，将预应力缓慢地卸除；对于夹片式、锥塞式等锚具，宜采用专门的放松装置将锚具松开。

任何时候都不得在预应力筋存在拉力的状态下直接将锚具切去。

    17、预应力筋张拉锚固后，应对张拉记录和锚固状况进行复查，确认合格后，方可切割露于锚具之外的预应力筋多余部分。

切割工作应使用砂轮锯；当使用砂轮锯有困难时也可使用氧乙炔焰，严禁使用电弧。

当用氧乙炔焰切割时，火焰不得接触锚具；

    切割过程中还应用水冷却锚具。

切割后预应力筋的外露长度不应小于30mm。

    18、预应力筋张拉时，应有安全措施。

预应力筋两端的正面严禁站人。

    19、后张法预应力混凝土构件或结构在张拉预应力筋后，宜及时向预应力筋孔道中压注水泥浆。

先张法生产预应力混凝土构件时，张拉预应力筋后，宜及时浇筑构件混凝土。

    20、对暴露于结构外部的锚具应及时实施永久性防护措施，防止水分、氯离子及其他有腐蚀性的介质侵入。

同时，还应采取适当的防火和避免意外撞击的措施。

    封头混凝土应填塞密实并与周围混凝土粘结牢固。

无粘结预应力筋的铅固穴槽中，可填堵微膨胀砂浆或环氧树脂砂浆。

    锚固区预应力筋端头的混凝土保护层厚度不应小于20mm；在易腐蚀的环境中，保护层还宜适当加厚。

对凸出式锚固端，锚具表面距混凝土边缘不应小于50mm。

封头混凝土内应配置1—2片钢筋网，并应与预留锚固筋绑扎牢固。

    21、在无粘结预应力筋的端部塑料护套断口处，应用塑料胶带严密包缠；防止水分进入护套。

在张拉后的锚具夹片和无粘结筋端部，应涂满防腐油脂，并罩上塑料（PE）封端罩，并应达到完全密封的效果；也可采用涂刷环氧树脂达到全密封效果。

    八、静载锚固试验

    1、试验用的预应力筋——锚具、夹具或连接器组装件应由全部零件和预应力筋组装而成。

试验用的零件应是在进场验收时经过外观检查和硬度检验合格的产品。

组装时锚固零件应擦拭干净，不得在锚固零件上添加影响锚固性能的介质，如金刚砂、石墨、润滑剂等（产品设计有规定者除外）。

组装件中组成预应力筋的各根钢材应等长平行、初应力均匀，其受力长度不宜小于3m。

单根钢绞线的组装件试件，不包括夹持部位的受力长度不应小于0.8m；其他单根预应力钢材的组装件最小长度可按照试验设备确定。

    对于预应力筋在锚具夹持部位不弯折的组装件（全部锚筋孔均与锚板底面垂直），可不安装束口状的锚下垫板（图5—8）；

图5—8预应力筋——锚具组装件静载试验装置

1—张拉端试验锚具；2—加荷载用千斤顶；3一荷载传感器；4—承力台座

    5一预应力筋；6—测量总应变的装置；7一固定端试验锚具

图5—9预应力筋——连接器组装件静载试验装置

1—张拉端试验锚具；2—Ⅰ号加荷载用千斤顶；3一荷载传感器；4—承力台座；5一预应力筋；6—测量总应变的装置；7一转向钢环；8—连接器；

    9—固定端试验锚具；10—Ⅱ号千斤顶；11—工具锚

    预应力筋在锚具夹持部位有偏转角度（部分锚筋孔与锚板的底面有倾斜角），使预应力钢材在某个位置须加弯折时，可在此处安设轴向可移动的偏转装置，（图5—9之件号7）。

当对组装件施加拉力时，该偏转装置不应与预应力筋之间产生滑动摩擦。

    2、试验用的测力系统，其不确定度不得大于2％；测量总应变的量具，其标距的不确定度不得大于标距的0．2％；其指示应变的不确定度不得大于0．1％。

    3、预应力筋—锚具组装件应按图5—7的装置进行静载试验；预应力筋——连接器组装件应按图5—8的装置进行静载试验。

加载之前应先将各种仪表安装调试正确，各根预应力钢材的初应力调匀，初应力可取钢材抗拉强度标准值fptk的5％~10％。

    测量总应变εapu的量具标距不宜小于lm。

正式加载步骤应为：

按预应力钢材抗拉强度标准值fptk的20％、40％、60％、80％，分4级等速加载，加载速度每分钟宜为100MPa；达到80％后，持荷lh；随后逐渐加载至完全破坏，使荷载达到最大值（Fapu）。

    试验过程中应按本规程第5条规定的项目进行测量和观察。

用试验机进行单根预应力筋——锚具组装件静载试验时，在应力达到0．8fptk时，持荷时间可以缩短，但不应少于10min。

    4、预应力筋—锚具（或连接器）组装件的静载试验，当极限拉力Fapu达到本节四、2条要求后，在预应力筋断裂之前锚具（或连接器）先行破坏，应查明原因，修改或加强有关零件后，经补充静载试验证明锚具（或连接器）可靠，方可在工程中使用。

    5、试验过程中应测量和观察的项目及要求如下：

（1）选取有代表性的若干根预应力钢材，按施加荷载的前4级逐级测量其与锚具（或连接器、夹具）之间的相对位移（Δa）（图5—10）。

Δa应随荷载逐渐增加；

（2）选取锚具（或连接器、夹具）若干有代表性的零件，按施加荷载的前4级逐级测量其间的相对位移（Δb）（图5—10）。

Δb应随荷载逐渐增加；

图5—10组装件受拉时锚具夹片的位移

（a）锚固之前；（b）锚固之后

    （3）测量记录试件的极限拉力Fapu。

    （4）测量记录试件极限拉力时预应力筋的总应变εapu。

    （5）预应力筋达到0．8fptk时，在持荷的1h期间，每20~30min测量一次相对位移（Δa和Δb）。

持荷期间Δa和Δb均应无明显变化，保持稳定；

    （6）对试件的破坏部位与形式，应做出文字描述。

必要时可做出图像记录。

    静载试验应连续进行三个组装件的试验，全部试验结果均应做出记录。

据此应进行如下计算分析和评定：

按公式

        Fapu

    ηa=————

        ηp.Fpm

    计算锚具（或连接器）的锚具效率系数ηa；按公式

        Fgpu

    ηg=————

        Fpm

    计算夹具效率系数（ηg）；应按本条

（1）~（6）款的要求进行评定；最后对试验结果做出是否合格的结论。

三个试验结果均应满足本规程的规定，不得进行平均。

检验单位应向受检单位提出完整的检验报告。

    [思考题]

    1、、在预应力筋强度等级已确定的条件下，预应力筋—锚具组装件的静载锚固性能试验结果，应同时满足锚具效率系数（ηa）等于或大于和预应力筋总应变（εapu）等