基本介紹
- 中文名：先張預應力
- 簡稱：先張法
- 使用工具：台座；卷揚機；張拉機；夾具
- 目的：提高鋼筋混凝土構件的抗裂性能
定義,技術規定,
定義
先張法是在澆築混凝土前張拉預應力筋，並將張拉的預應力筋臨時錨固在台座或鋼模上，然後澆築混凝土，待混凝土養護達到不低於混凝土設計強度值的75%，保證預應力筋與混凝土有足夠的粘結時，放鬆預應力筋，藉助於混凝土與預應力筋的粘結，對混凝土施加預應力的施工工藝。先張法一般僅適用於生產中小型構件，在固定的預製廠生產。
先張法生產構件可採用長線台座法，一般台座長度在50～150m之間，或在鋼模中機組流水法生產構件。先張法生產構件，涉及到台座、張拉機具和夾具及先張法張拉工藝，下面將分別敘述。
台座
台座在先張法構件生產中是主要的承力構件，它必須具有足夠的承載能力、剛度和穩定性，以免因台座的變形、傾覆和滑移而引起預應力的損失，以確保先張法生產構件的質量。
台座的形式繁多，因地制宜，但一般可分為墩式台座和槽式台座兩種。
墩式台座
墩式台座由承力台墩、台面與橫樑三部分組成，其長度宜為50～150m。台座的承載力應根據構件張拉力的大小，可按台座每米寬的承載力為200～500kN設計台座。
（1）承力台墩
承力台墩一般埋置在地下，由現澆鋼筋混凝土做成。台座應具有足夠的承載力、剛度和穩定性。台墩的穩定性驗算包括抗傾覆驗算和抗滑移驗算。
台墩的坑傾覆驗算，其計算簡圖如圖5.2所示，按下式進行計算：
式中 K1－抗傾覆完全係數，應不小於1.50；
M－傾覆力矩（N·m），由預應力筋的張拉力產生；
Pj－預應力筋的張拉力（N）；
e1－預應力筋的張拉力合作用點至傾覆點的力臂（m）；
M1－抗傾覆力矩（N·m），由台墩自重和主動土壓力等產生；
G－台墩的自重（N）；
L－台墩重心至傾覆點的力臂；
Ep－台墩左側面主動土壓力的合力（N），當台墩埋置深度很淺時，可忽略不計；
e2－主動土壓力合力重心至傾覆點的力臂（m）。
台墩的傾覆點O的位置，對於台墩與台面共同作用的台座，按實際情況，傾覆點應在混凝土台面的表面處，但考慮到台墩傾覆趨勢使得台面端部頂點處有可能出現應力集中和混凝土面層的施工質量的影響，因此，傾覆點宜取在混凝土台面往下40～50mm處。
圖5.2 承力台墩抗傾覆計算簡圖 圖5.3 承力台墩抗滑移驗算簡圖
台墩抗滑移驗算，其計算簡圖如圖5.3所示，按下式進行計算。
式中 K2－抗滑移安全係數，應不小於1.30；
N1－抗滑移力，一般應有台面的抗滑移力N′，台面右側面的被動土壓力的合力Ep′和台墩自重產生的摩阻力F組成，其中以N′為主要抗滑移力，提供以下數據供參考：
當台面採用C10～C15混凝土時，厚60mm，台面每米寬抵能力取150～250kN；
當台面採用C10～C15混凝土時，厚80mm，台面每米寬抵抗能力取200～250kN；
當台面採用C10～C15混凝土時，厚100mm，台面每米寬低抗能力取250～300kN；
當採用混凝土台面，並與合墩共同工作時，一般可不進行抗滑移驗算，而應驗算台面的承載能力。
（2）台面
台面一般是在夯實的碎石墊層上澆築一層厚度為60～100mm的混凝土而成。其水平承載力N′可按下式計算：
N′
式中 φ－軸心受壓縱向彎曲係數，取φ=1；
Ac－台面截面面積（m2）；
fc－混凝土軸心抗壓強度計算值（MPa）；
K1－台面承載力超載係數，取1.2；
K1－考慮台面不均勻和其他影響因素的附加完全係數，取1.5。
台面伸縮縫可根據當地溫差和經驗設定，一般均為10m設定一道。也可採用預應力滑動台面，不留伸縮縫。預應力滑動台面，一般是在原有的混凝土台面或新澆築的混凝土基層上刷隔離劑，張拉預應力鋼絲後，澆築混凝土面層，待混凝土達到放張強度後，切斷鋼絲台面就發生滑動。這種台面使用效果良好。
（3）橫樑
台座的兩端設定固定預應力鋼絲的鋼製橫樑，一般用型鋼製作，在設計橫樑時，除考慮在張拉力的作用下有一定的強度外，應特別注意其變形，以減少預應力損失。
槽式台座
槽式台座由鋼筋混凝土壓桿、上下橫樑及台面組成，如圖5.4所示。台座的長度一般不超過50m，承載力可大於1000kN以上。為了便於澆築漲凝土和蒸汽養護，槽式台座一般我低於地面。在施工現場還可利用已預製的柱、樁等構件裝配成簡易的槽式台座。
圖5.4 槽式台座
1－壓桿；2－磚牆；3－下橫樑；4－上橫樑
張拉機具和夾具
先張法構件生產中，常採用的預應力筋有鋼絲或鋼筋兩種。張拉預應力鋼絲時，一般直接採用卷揚機或電動螺桿張拉機。張拉預應力鋼筋時，在槽式台座中常採用四橫樑式成組張拉裝置，用千斤頂張拉，如圖5.5和圖5.6所示。
圖5.5 電動螺桿張拉機 圖5.6 四橫樑式成組張拉裝置
1－電動機;2－皮帶傳動;3－齒輪;4－齒輪螺母;5－螺桿； 1－台座;2、3－間後橫樑;4－鋼筋;5、6－拉力架；
6－頂桿;7－台座橫樑;8－鋼絲;9－錨固夾具;10－張拉夾具； 7－螺絲桿;8－千斤頂;9－放張裝置
11－彈簧測力器；12－滑動架
預應力筋張拉後用錨固夾具將頂力筋直接錨固於橫樑上，錨固夾具都可以重複使用，要求工作可靠、加工方便、成本低或多次周轉使用。預應力鋼絲的錨固夾具常採用圓錐齒板式錨固夾具，預應力鋼筋常採用螺絲端桿錨固鋼筋。
先張法施工工藝
先張法預應力混凝土構件在台座上生產時，其工藝流程一般如圖5.7所示。圖5.7 先張法工藝流程圖
先張法施工實例
先張法施工實例預應力混凝土先張法工藝的特點是：預應力筋在澆築混凝土前張拉，預應力的傳遞依靠預應力筋與混凝土之間的粘結力，為了獲得良好質量的構件，在整個生產過程中，除確保混凝土質量以外，還必須確保預應力筋與混凝土之間的良好粘結，使預應力混凝土構件獲得符合設計要求的預應力值。
對於碳素鋼絲因其強度很高，且表面光滑，它與混凝土粘結力較差。因此，必要時可採取刻痕和壓波措施，以提高鋼絲與混凝土的粘結力。壓波一般分局部壓波和全部壓波兩種，施工經驗認為波長取39mm，波高取1.5～2.0mm比較合適。
為了便於脫模，在鋪放預應力筋前，在台面及模板上應先刷隔離劑，但應採取措施，防止隔離劑污損預應力筋，影響粘結。
預應力筋張拉
預應力筋張拉應根據設計要求，採用合適的張拉方法、張拉順序和張拉程式進行，並應有可靠的保證質量措施和安全技術措施。
預應力筋的張拉可採用單根張拉或多根同時張拉，當預應力筋數量不多，張拉設備拉力有限時常採用單根張拉。當預應力筋數量較多且密集布筋，另外張拉設備拉力較大時，則可採用多根同時張拉。在確定預應力筋張拉順序時，應考慮儘可能減少台座的傾覆力矩和偏心力，先張拉靠近台座截面重心處的預應力筋。此外，在施工中為了提高構件的抗裂性能或為了部分抵消由於應力鬆弛、摩擦、鋼筋分批張拉以及預應力筋與張拉台座之間溫度因素產生的預應力損失，張拉應力可按設計值提高5%。但預應力筋的最大超張拉值：對於冷拉鋼筋不得大於0.95fpyk(fpyk為冷拉鋼筋的屈服強度標準值)；碳素鋼絲、刻痕鋼絲、鋼絞線不得大於0.80fpyk；熱處理鋼筋、冷拔低碳鋼絲不得大於0.75（fpyk為預應力筋的極限抗拉強度標準值）。
預應力筋的張拉力方法有超張拉法和一次張拉法兩種。
超張拉法：0－1.05con持荷2mincon
一次張拉法：0－1.03con
其中con為張拉控制應力，一般由設計而定。採用超張拉工藝的目的是為了減少預應力筋的鬆弛應力損失。所謂“鬆弛”即鋼材在常溫、高應力狀態下具有不斷產生塑性變形的特性。鬆弛的數值與張拉控制應力和延續時間有關，控制應力高，鬆弛也大，所以鋼絲、鋼絞線的鬆弛損失比冷拉熱軋鋼筋大，鬆弛損失還隨著時間的延續而增加，但在第一分鐘內可完成損失總值的50%，24h內則可完成80%。所以採用超張拉工藝，先超張拉5%再持荷2min，則可減少50%以上的鬆弛應力損失。而採用一次張拉錨固工藝，因鬆弛損失大，故張拉力應比原設計控制應力提高3%。
[例]某預應力空心板採用冷拔低碳鋼絲фb4作為預應力筋，單根鋼絲截面面積Ap=12.6mm2，fptk=700MPa，張拉控制應力бcon=0.7fptk，如採用一次張拉工藝；0－1.03бcon，則其單根鋼絲的張拉力N=700×0.70×1.03×12.6=6.36kN。其張拉應力為72.1%fptk，小於75%fptk。
對於長線台座生產，構件的預應力筋為鋼筋時，一般常用彈簧測力計直接測定鋼絲的張拉力，伸長值可不作校核，鋼絲張拉錨固後，應採用鋼絲測力儀檢查鋼絲的預應力值。
多根預應力筋同時張拉時，應預先調整初應力，使其相互之間的應力一致。預應力筋張拉錨固後，實際預應力值與工程設計規定檢驗值的相對允許偏差應在+5%以內。在張拉過程中預應力筋斷裂或滑脫的數量，嚴禁超過結構同一截面預應力筋總根數的5%，且嚴禁相鄰兩根斷裂或滑脫。先張法構件在澆築混凝土前發生斷裂或滑脫的預應力筋必須予以更換。預應力筋張拉錨固後，預應力筋位置與設計位置的偏差不得大於5mm，且不得在於構件截面最短邊長的4%。張拉過程中，應按混凝土結構工程施工及驗收規範要求填寫施加預應力記錄表，以便參考。
施工中應注意安全。張拉時，正對鋼筋兩端禁止站人。敲擊錨具的錐塞或楔塊時，不套用力過猛，以免損傷預應力筋而斷裂傷人，但又要錨固可靠。冬期張拉預應力筋時，其溫度不宜低於－15℃，且應考慮預應力筋容易脆斷的危險。
預應力筋的放張
預應力筋放張過程是預應力的傳遞過程，是先張法構件能否獲得良好質量的一個重要環節，應根據放張要求，確定合宜的放張順序、放張方法及相應的技術措施。
（1）放張要求
放張預應力筋時，混凝土強度必須符合設計要求，當設計無專門要求時，不得低於設計的混凝土強度標準值的75%。放張過早由於混凝土強度不足，會產生較大的混凝土彈性回縮而引起較大的預應力損失或鋼絲滑動。放張過程中，應使預應力構件自由壓縮，避免過大的衝擊與偏心。
（2）放張方法
當預應力混凝土構件用鋼絲配筋時，若鋼絲數量不多，鋼絲放張可採用剪下、鋸割或氧－乙炔焰熔斷的方法，並應從靠近生產線中間處剪斷，這樣比在靠近台座一端處剪斷時回彈減小，且有利於脫模。若鋼絲數量較多，所有鋼絲應同時放張，不允許採用逐根放張的方法，否則，最後的幾根鋼絲將承受過大的應力而突然斷裂，導致構件應力傳遞長度驟增，或使構件端部開裂。放張方法可採用放張橫樑來實現。橫樑可用千斤頂或預先設定在橫樑支點處的放張裝置（砂箱或楔塊等）來放張。
粗鋼筋預應力筋應緩慢放張。當鋼筋數量較少時，可採用逐根加熱熔斷或借預先設定在鋼筋錨固端的楔塊或穿心式砂箱等單根放張。當鋼筋數量較多時，所有鋼筋應同時放張。
採用濕熱養護的預應力混凝土構件宜熱態放張，不宜降溫後放張。
圖5.8為採用楔塊放張的例子。在台座與橫樑間設定楔塊5。放張時旋轉螺母8，使螺桿6向上移動，而使楔塊5退出，達到同時放張預應力筋的目的。
楔塊坡角應選擇恰當，角過大，則在張拉時容易滑出，反之, 角過小，則放張時楔塊不易拔出。角的正切應略小於楔塊5與鋼塊3、4之間的摩擦係數，即
tan≤
式中 －摩擦係數，一般可取0.15～0.20。
若張拉後橫樑對鋼塊3、4的正壓力為N，放張時拔出楔塊5所需之豎向力（即螺桿6所受的軸向力）為Q，則：
Q=N(+COS2-sin2)
根據Q值的大小，即可選擇螺桿及螺母。
圖5.8 用楔塊放張預應力筋示意圖 圖5.9 砂箱構造圖
1－台座；2－橫樑；3、4－楔塊；5、鋼楔塊；6－螺桿； 1－活塞；2－套箱；3－進砂口；
7－承力板；8－螺母 4－套箱底板；5－出砂口；6－砂
楔塊放張裝置宜用於張拉力不大的情況，一般以不大於300kN為宜。當張拉力較大時，可採用砂箱放張。圖圖5.9的砂箱是按1600kN設計的一個例子，它由鋼製套箱及活塞（套箱內徑比活塞外徑大2mm）等組成，內裝石英砂或鐵砂。當張拉鋼筋時，箱內砂被壓實，承擔著橫樑的反力。放鬆鋼筋時，將出砂口打開，使砂緩慢流出，從而達到緩慢放張的目的。採用砂箱放張，能控制放張速度，工作可靠，施工方便。箱中應採用乾砂，並有一定級配，例如其細度通過50號及30號標準篩的砂，按6：4的級配使用，這樣既能保證砂子不易壓碎造成流不出的現象，又可減少砂的空隙率，從而減少使用時砂的壓縮值。減小預應力損失。
（3）放張順序
預應力筋的放張順序，應符合設計要求；當設計無專門要求時，應符合下列規定：
對承受軸心預壓力的構件（如壓桿、樁等），所有預應力筋應同時放張；
對承受偏心預壓力的構件，應先同時放張預壓力較小區域的預應力筋，再同時放張預壓力較大區域的預應力筋；
當不能按上述規定放張時，應分階段、對稱、相互交錯地放張。以防止在放張過程中，構件產生彎曲、裂紋及預應力筋斷裂等現象。
技術規定
對先張法預應力混凝土構件，《公橋規》的規定如下。1、台座
先張法施工實例
先張法施工實例先張法墩式台座結構應符合下列規定：
（1）承力台座須具有足夠的強度和剛度，其抗傾覆安全係數應不小於1.5，抗滑移係數應不小於1.3.
（2）橫樑須有足夠的剛度，受力後撓度應不大於2mm。
（3）在台座上鋪放預應力筋時，應採取措施防止弄髒預應力筋。
（4）張拉前，應對台座、橫樑及各項張拉設備進行詳細檢查，符合要求後方可進行操作。
2、張拉
（1）同時張拉多根預應力筋時，應預先調整其初應力，使相互之間的應力一致；張拉過程中，應使活動橫樑與固定橫樑始終保持平行，並應抽查力筋的預應力值，其偏差的絕對值不得超過按一個構件全部力筋預應力總值的5%。
（2）預應力筋張拉完畢後，與設計位置的偏差不得大於5mm，同時不得大於構件最短邊長的4%。
（3）預應力筋的張拉應符合設計要求，設計無規定時，其張拉程式可按先張法預應力筋張拉程式的規定進行。
（4）張拉時，預應力筋的斷絲數量不得超過鋼絲總數的1%。（鋼筋不容許斷筋）
3、放張
（1）預應力筋放張時的混凝土強度須符合設計規定，設計未規定時，不得低於設計的混凝土強度等級值的75%。
（2）預應力筋的放張順序應符合設計要求，設計未規定時，應分階段、對稱、相互交錯地放張。在力筋放張之前，應將限制位移的側模、翼緣模板或內模拆除。
（3）多根整批預應力筋的放張，可採用砂箱法或千斤頂法。用砂箱放張時，放砂速度應均勻一致；用千斤頂放張時，放張宜分數次完成。單根鋼筋採用擰松螺母的方法放張時，宜先兩側後中間，並不得一次將一根力筋松完。
（4）鋼筋放張後，可用乙炔一氧氣切割，但應採取措施防止燒壞鋼筋端部。鋼絲放張後，可用切割、鋸斷或剪斷的方法切斷；鋼絞線放張後，可用砂輪鋸切斷。
長線台座上預應力筋的切斷順序，應由放張端開始，逐次切向另一端。
