先张法预应力

提高构件性能的方法

预应力混凝土是指为了提高钢筋混凝土构件的抗裂性能以及避免钢筋混凝土构件过早出现裂缝，而在混凝土构件预制过程中对其预先施加应力以提高构件性能的一种方法。在浇灌混凝土之前张拉钢筋的制作方法称为先张法。

定义

先张法是在浇筑混凝土前张拉预应力筋，并将张拉的预应力筋临时锚固在台座或钢模上，然后浇筑混凝土，待混凝土养护达到不低于混凝土设计强度值的75%，保证预应力筋与混凝土有足够的粘结时，放松预应力筋，借助于混凝土与预应力筋的粘结，对混凝土施加预应力的施工工艺。先张法一般仅适用于生产中小型构件，在固定的预制厂生产。

先张法生产构件可采用长线台座法，一般台座长度在50～150m之间，或在钢模中机组流水法生产构件。先张法生产构件，涉及到台座、张拉机具和夹具及先张法张拉工艺，下面将分别叙述。

台座

台座在先张法构件生产中是主要的承力构件，它必须具有足够的承载能力、刚度和稳定性，以免因台座的变形、倾覆和滑移而引起预应力的损失，以确保先张法生产构件的质量。

台座的形式繁多，因地制宜，但一般可分为墩式台座和槽式台座两种。

墩式台座

墩式台座由承力台墩、台面与横梁三部分组成，其长度宜为50～150m。台座的承载力应根据构件张拉力的大小，可按台座每米宽的承载力为200～500kN设计台座。

（1）承力台墩

承力台墩一般埋置在地下，由现浇钢筋混凝土做成。台座应具有足够的承载力、刚度和稳定性。台墩的稳定性验算包括抗倾覆验算和抗滑移验算。

台墩的坑倾覆验算，其计算简图如图5.2所示，按下式进行计算：

式中　K1－抗倾覆完全系数，应不小于1.50；

M－倾覆力矩（N·m），由预应力筋的张拉力产生；

Pj－预应力筋的张拉力（N）；

e1－预应力筋的张拉力合作用点至倾覆点的力臂（m）；

M1－抗倾覆力矩（N·m），由台墩自重和主动土压力等产生；

G－台墩的自重（N）；

L－台墩重心至倾覆点的力臂；

Ep－台墩左侧面主动土压力的合力（N），当台墩埋置深度很浅时，可忽略不计；

e2－主动土压力合力重心至倾覆点的力臂（m）。

台墩的倾覆点O的位置，对于台墩与台面共同作用的台座，按实际情况，倾覆点应在混凝土台面的表面处，但考虑到台墩倾覆趋势使得台面端部顶点处有可能出现应力集中和混凝土面层的施工质量的影响，因此，倾覆点宜取在混凝土台面往下40～50mm处。

图5.2　承力台墩抗倾覆计算简图　图5.3　承力台墩抗滑移验算简图

台墩抗滑移验算，其计算简图如图5.3所示，按下式进行计算。

式中　K2－抗滑移安全系数，应不小于1.30；

N1－抗滑移力，一般应有台面的抗滑移力N′，台面右侧面的被动土压力的合力Ep′和台墩自重产生的摩阻力F组成，其中以N′为主要抗滑移力，提供以下数据供参考：

当台面采用C10～C15混凝土时，厚60mm，台面每米宽抵能力取150～250kN；

当台面采用C10～C15混凝土时，厚80mm，台面每米宽抵抗能力取200～250kN；

当台面采用C10～C15混凝土时，厚100mm，台面每米宽低抗能力取250～300kN；

当采用混凝土台面，并与合墩共同工作时，一般可不进行抗滑移验算，而应验算台面的承载能力。

（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。其水平承载力N′可按下式计算：

N′

式中　φ－轴心受压纵向弯曲系数，取φ=1；

Ac－台面截面面积（m2）；

fc－混凝土轴心抗压强度计算值（MPa）；

K1－台面承载力超载系数，取1.2；

K1－考虑台面不均匀和其他影响因素的附加完全系数，取1.5。

台面伸缩缝可根据当地温差和经验设置，一般均为10m设置一道。也可采用预应力滑动台面，不留伸缩缝。预应力滑动台面，一般是在原有的混凝土台面或新浇筑的混凝土基层上刷隔离剂，张拉预应力钢丝后，浇筑混凝土面层，待混凝土达到放张强度后，切断钢丝台面就发生滑动。这种台面使用效果良好。

（3）横梁

台座的两端设置固定预应力钢丝的钢制横梁，一般用型钢制作，在设计横梁时，除考虑在张拉力的作用下有一定的强度外，应特别注意其变形，以减少预应力损失。

槽式台座

槽式台座由钢筋混凝土压杆、上下横梁及台面组成，如图5.4所示。台座的长度一般不超过50m，承载力可大于1000kN以上。为了便于浇筑混凝土和蒸汽养护，槽式台座一般低于地面。在施工现场还可利用已预制的柱、桩等构件装配成简易的槽式台座。

图5.4　槽式台座

1－压杆；2－砖墙；3－下横梁；4－上横梁

张拉机具和夹具

先张法构件生产中，常采用的预应力筋有钢丝或钢筋两种。张拉预应力钢丝时，一般直接采用卷扬机或电动螺杆张拉机。张拉预应力钢筋时，在槽式台座中常采用四横梁式成组张拉装置，用千斤顶张拉，如图5.5和图5.6所示。

图5.5　电动螺杆张拉机　图5.6　四横梁式成组张拉装置

1－电动机;2－皮带传动;3－齿轮;4－齿轮螺母;5－螺杆；　1－台座;2、3－间后横梁;4－钢筋;5、6－拉力架；

6－顶杆;7－台座横梁;8－钢丝;9－锚固夹具;10－张拉夹具；　7－螺丝杆;8－千斤顶;9－放张装置

11－弹簧测力器；12－滑动架

预应力筋张拉后用锚固夹具将顶力筋直接锚固于横梁上，锚固夹具都可以重复使用，要求工作可靠、加工方便、成本低或多次周转使用。预应力钢丝的锚固夹具常采用圆锥齿板式锚固夹具，预应力钢筋常采用螺丝端杆锚固钢筋。

先张法施工工艺

先张法预应力混凝土构件在台座上生产时，其工艺流程一般如图5.7所示。图5.7　先张法工艺流程图

预应力混凝土先张法工艺的特点是：预应力筋在浇筑混凝土前张拉，预应力的传递依靠预应力筋与混凝土之间的粘结力，为了获得良好质量的构件，在整个生产过程中，除确保混凝土质量以外，还必须确保预应力筋与混凝土之间的良好粘结，使预应力混凝土构件获得符合设计要求的预应力值。

对于碳素钢丝因其强度很高，且表面光滑，它与混凝土粘结力较差。因此，必要时可采取刻痕和压波措施，以提高钢丝与混凝土的粘结力。压波一般分局部压波和全部压波两种，施工经验认为波长取39mm，波高取1.5～2.0mm比较合适。

为了便于脱模，在铺放预应力筋前，在台面及模板上应先刷隔离剂，但应采取措施，防止隔离剂污损预应力筋，影响粘结。

预应力筋张拉

预应力筋张拉应根据设计要求，采用合适的张拉方法、张拉顺序和张拉程序进行，并应有可靠的保证质量措施和安全技术措施。

预应力筋的张拉可采用单根张拉或多根同时张拉，当预应力筋数量不多，张拉设备拉力有限时常采用单根张拉。当预应力筋数量较多且密集布筋，另外张拉设备拉力较大时，则可采用多根同时张拉。在确定预应力筋张拉顺序时，应考虑尽可能减少台座的倾覆力矩和偏心力，先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋。此外，在施工中为了提高构件的抗裂性能或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温度因素产生的预应力损失，张拉应力可按设计值提高5%。但预应力筋的最大超张拉值：对于冷拉钢筋不得大于0.95fpyk(fpyk为冷拉钢筋的屈服强度标准值)；碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线不得大于0.80fpyk；热处理钢筋、冷拔低碳钢丝不得大于0.75（fpyk为预应力筋的极限抗拉强度标准值）。

预应力筋的张拉力方法有超张拉法和一次张拉法两种。

超张拉法：0－1.05con持荷2mincon

一次张拉法：0－1.03con

其中con为张拉控制应力，一般由设计而定。采用超张拉工艺的目的是为了减少预应力筋的松弛应力损失。所谓“松弛”即钢材在常温、高应力状态下具有不断产生塑性变形的特性。松弛的数值与张拉控制应力和延续时间有关，控制应力高，松弛也大，所以钢丝、钢绞线的松弛损失比冷拉热轧钢筋大，松弛损失还随着时间的延续而增加，但在第一分钟内可完成损失总值的50%，24h内则可完成80%。所以采用超张拉工艺，先超张拉5%再持荷2min，则可减少50%以上的松弛应力损失。而采用一次张拉锚固工艺，因松弛损失大，故张拉力应比原设计控制应力提高3%。

[例]某预应力空心板采用冷拔低碳钢丝фb4作为预应力筋，单根钢丝截面面积Ap=12.6mm2，fptk=700MPa，张拉控制应力бcon=0.7fptk，如采用一次张拉工艺；0－1.03бcon，则其单根钢丝的张拉力N=700×0.70×1.03×12.6=6.36kN。其张拉应力为72.1%fptk，小于75%fptk。

对于长线台座生产，构件的预应力筋为钢筋时，一般常用弹簧测力计直接测定钢丝的张拉力，伸长值可不作校核，钢丝张拉锚固后，应采用钢丝测力仪检查钢丝的预应力值。

多根预应力筋同时张拉时，应预先调整初应力，使其相互之间的应力一致。预应力筋张拉锚固后，实际预应力值与工程设计规定检验值的相对允许偏差应在+5%以内。在张拉过程中预应力筋断裂或滑脱的数量，严禁超过结构同一截面预应力筋总根数的5%，且严禁相邻两根断裂或滑脱。先张法构件在浇筑混凝土前发生断裂或滑脱的预应力筋必须予以更换。预应力筋张拉锚固后，预应力筋位置与设计位置的偏差不得大于5mm，且不得在于构件截面最短边长的4%。张拉过程中，应按混凝土结构工程施工及验收规范要求填写施加预应力记录表，以便参考。

施工中应注意安全。张拉时，正对钢筋两端禁止站人。敲击锚具的锥塞或楔块时，不应用力过猛，以免损伤预应力筋而断裂伤人，但又要锚固可靠。冬期张拉预应力筋时，其温度不宜低于－15℃，且应考虑预应力筋容易脆断的危险。

预应力筋的放张

预应力筋放张过程是预应力的传递过程，是先张法构件能否获得良好质量的一个重要环节，应根据放张要求，确定合宜的放张顺序、放张方法及相应的技术措施。

（1）放张要求

放张预应力筋时，混凝土强度必须符合设计要求，当设计无专门要求时，不得低于设计的混凝土强度标准值的75%。放张过早由于混凝土强度不足，会产生较大的混凝土弹性回缩而引起较大的预应力损失或钢丝滑动。放张过程中，应使预应力构件自由压缩，避免过大的冲击与偏心。

（2）放张方法

当预应力混凝土构件用钢丝配筋时，若钢丝数量不多，钢丝放张可采用剪切、锯割或氧－乙炔焰熔断的方法，并应从靠近生产线中间处剪断，这样比在靠近台座一端处剪断时回弹减小，且有利于脱模。若钢丝数量较多，所有钢丝应同时放张，不允许采用逐根放张的方法，否则，最后的几根钢丝将承受过大的应力而突然断裂，导致构件应力传递长度骤增，或使构件端部开裂。放张方法可采用放张横梁来实现。横梁可用千斤顶或预先设置在横梁支点处的放张装置（砂箱或楔块等）来放张。

粗钢筋预应力筋应缓慢放张。当钢筋数量较少时，可采用逐根加热熔断或借预先设置在钢筋锚固端的楔块或穿心式砂箱等单根放张。当钢筋数量较多时，所有钢筋应同时放张。

采用湿热养护的预应力混凝土构件宜热态放张，不宜降温后放张。

图5.8为采用楔块放张的例子。在台座与横梁间设置楔块5。放张时旋转螺母8，使螺杆6向上移动，而使楔块5退出，达到同时放张预应力筋的目的。

楔块坡角应选择恰当，角过大，则在张拉时容易滑出，反之, 角过小，则放张时楔块不易拔出。角的正切应略小于楔块5与钢块3、4之间的摩擦系数，即

tan≤

式中　－摩擦系数，一般可取0.15～0.20。

若张拉后横梁对钢块3、4的正压力为N，放张时拔出楔块5所需之竖向力（即螺杆6所受的轴向力）为Q，则：

Q=N(+COS2-sin2)

根据Q值的大小，即可选择螺杆及螺母。

图5.8　用楔块放张预应力筋示意图　图5.9　砂箱构造图

1－台座；2－横梁；3、4－楔块；5、钢楔块；6－螺杆；　1－活塞；2－套箱；3－进砂口；

7－承力板；8－螺母　4－套箱底板；5－出砂口；6－砂

楔块放张装置宜用于张拉力不大的情况，一般以不大于300kN为宜。当张拉力较大时，可采用砂箱放张。图图5.9的砂箱是按1600kN设计的一个例子，它由钢制套箱及活塞（套箱内径比活塞外径大2mm）等组成，内装石英砂或铁砂。当张拉钢筋时，箱内砂被压实，承担着横梁的反力。放松钢筋时，将出砂口打开，使砂缓慢流出，从而达到缓慢放张的目的。采用砂箱放张，能控制放张速度，工作可靠，施工方便。箱中应采用干砂，并有一定级配，例如其细度通过50号及30号标准筛的砂，按6：4的级配使用，这样既能保证砂子不易压碎造成流不出的现象，又可减少砂的空隙率，从而减少使用时砂的压缩值。减小预应力损失。

（3）放张顺序

预应力筋的放张顺序，应符合设计要求；当设计无专门要求时，应符合下列规定：

对承受轴心预压力的构件（如压杆、桩等），所有预应力筋应同时放张；

对承受偏心预压力的构件，应先同时放张预压力较小区域的预应力筋，再同时放张预压力较大区域的预应力筋；

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，构件产生弯曲、裂纹及预应力筋断裂等现象。

放张后预应力筋的切断顺序，宜由放张端开始，逐次切向另一端。

技术规定

对先张法预应力混凝土构件，《公桥规》的规定如下。1、台座

先张法墩式台座结构应符合下列规定：

（1）承力台座须具有足够的强度和刚度，其抗倾覆安全系数应不小于1.5，抗滑移系数应不小于1.3.

（2）横梁须有足够的刚度，受力后挠度应不大于2mm。

（3）在台座上铺放预应力筋时，应采取措施防止弄脏预应力筋。