预应力施工钢筋及锚具.doc
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1、5.2后张法施工在制作构件或块体时,在放置预应力筋的部位留设孔道,待混凝土达到设计规定的强度后,将预应力筋穿入预留孔道内,用张拉机具将预应力筋张拉到规定的控制应力,然后借助锚具把预应力筋锚固在构件端部,最后进行孔道灌浆(也有不灌浆的),这种预加应力的方法称为后张法。图5.10所示为预应力后张法构件生产示意图。图5.10预应力混凝土后张法生产示意图观看后张法施工工艺动画(a)制作混凝土构件;(b)后钢筋;(c)锚固和孔道灌浆1混凝土构件;2预留孔道;3预应力筋;4千斤顶;5锚具后张法的特点是直接在构件上张拉预应力筋,构件在张拉过程中受到预压力而完成混凝土的弹性压缩,因此,混凝土的弹性压缩,不直接
2、影响预应力筋有效预应力值的建立。后张法适宜于在施工现场制作大型构件(如屋架等),以避免大型构件长途运输的麻烦。后张法除作为一种预加应力的工艺方法外,还可以作为一种预制构件的拼装手段。大型构件(如拼装式大跨度屋架)可以预制成小型块体,运至施工现场后,通过预加应力的手段拼装成整体;或各种构件安装就位后,通过预加应力手段,拼装成整体预应力结构。但后张法预应力的传递主要依靠预应力筋两端的锚具,锚具作为预应力筋的组成部分,永远留置在构件上,不能重复使用,这样,不仅需要耗用钢材多,而且锚具加工要求高,费用昂贵,加上后法工艺本身要预留孔道、穿筋、张拉、灌浆等因素,故施工工艺比较复杂,成本也比较高。预应力后张
3、法构件的生产分为两个阶段:第一阶段为构件的生产;第二阶段为施加预应力,其中包括预应力筋的制作、预应力筋的张拉和孔道灌浆等工艺。本节主要叙述第二阶段的施工工艺。5.2.1锚具和预应力筋的制作在后张法构件生产中,锚具、预应力筋和张拉机具是配套使用的,目前我国在后张法构件生产中采用的预应力筋钢材主要有冷拉、级钢筋,热处理钢筋,精轧螺纹钢筋,碳素钢丝和钢绞线等。归纳成三种类型预应力筋,即单根粗钢筋(包括精轧螺纹钢筋)、钢筋束(或钢绞线束)和钢丝束。下面分别叙述三种类型预应力的锚具及制作。5.2.1.1单根预应力钢筋的锚具及制作单极预应力钢筋主要采用直径1240的冷拉、级钢筋或精轧螺纹钢筋、及与其钢筋配
4、套的锚具制作而成。(1)锚具单根预应力钢筋根据构件长度和张拉工艺要求,可以在一端张拉或两端张拉。锚具与预应力钢筋的基本配套组合有三种:即两端张拉时,预应力筋两端均采用螺丝端杆锚具;一端张拉一端固定时,张拉端采用螺丝端杆锚具,固定端则采用帮条锚具或镦头锚具,如图5.11所示。图5.11预应力筋与锚具连接图1预应力筋;2螺丝端杆锚具;3帮条锚具;4镦头锚具;5孔道;6混凝土构件螺丝端杆锚具螺丝端杆锚具由螺丝端杆、螺母和垫板三部分组成,适用于锚固冷拉与级钢筋。螺丝端杆锚具构造,如图5.12所示。螺丝端杆材料如用冷拉45号钢或与预应力筋同品种的冷拉钢材制作时,应冷拉后南进行切削加工,冷拉后的机械性能,
5、应不得低于冷拉后预应力筋的性能指标。当采用热处理45号钢材制作螺丝端杆时,应先粗加工至接近设计尺寸(即留12mm加工余量),再调质热处理,然后精加工至设计尺寸。45号钢经热处理后不得有裂纹和伤痕,其硬度应为HB251283,同时要求抗拉强度不得小于700MPa,伸长率14。螺丝端杆与预应力筋的焊接,应在预应力筋冷拉以前进行。螺丝端杆长度一般为320mm,当为一端张拉或预应力筋长度较长时,螺丝端杆应增长3050mm。图5.12螺丝端杆锚具(a)螺丝端杆锚具;(b)螺丝端杆;(c)螺母;(d)垫板1螺母;2垫板;3螺丝端杆;4对焊接头;5预应力筋帮条锚具帮条锚具由帮条和衬板组成,帮条锚具构造如图5
6、.13所示。帮条锚具的帮条采用与预应力筋同级别的钢筋,衬板采用普通低碳钢板。帮条锚具的三根帮条应成120均匀布置。三根帮条应垂直于衬板,以免受力时发生扭曲。帮条焊接应在钢筋冷拉前进行,并应防止烧伤预应力筋。镦头锚具镦头锚具其镦头一般是直接在预应力筋端部热镦、冷镦或锻打成型,其形式如图5.14所示。以上三种锚具与预应力筋焊接时,对焊接头的抗拉强度不应低于预应力筋的抗拉强度,凡是锚具所用的垫板或衬板,在贴紧构件的一面,应开有槽口,以便孔道灌浆时作排气孔用。级精轧螺纹钢筋的特点是:在整根钢筋表面热轧成不带纵肋的螺旋外形(图5.15),钢筋的接长采用连接器,不需要焊接,端头锚具直接采用螺母,无需另加螺
7、丝端杆。这种钢筋作预应力筋使用,连接可靠,锚固方便,施工简单。目前国内生产的精轧螺纹钢筋品种有25(其外形尺寸见表5.1)和32,其屈服点强度为735MPa和930MPa两种。25精轧螺纹钢筋外型尺寸(mm)试件状态垂直直径水平尺寸dv螺纹高度h螺纹底宽h螺距t实测螺纹上部宽度b1外径内径dn冷拉前28.228.92525.524.325.11.51.94.96.011.812.02.42.9冷拉至735MPa28.128.724.925.424.225.0图5.15精轧螺纹钢筋及其螺母连接器(a)精扎螺纹钢筋外形;(b)螺母;(c)连接器(2)预应力筋的制作单根预应力筋的制作,一般包括配料、
8、对焊、冷拉等工序。预应力筋的下料长度,应由计算确定。计算时应考虑下列因素:结构的孔道长度、锚具厚度、千斤顶长度、焊接接头或镦头的预留量、冷拉伸长值、弹性回缩值、张拉伸长值等。为了保证预应力筋下料准碓,对于钢筋的冷拉率应进行实际测定,作为计算钢筋下料长度的依据。当测得的钢筋冷拉率比较分散时,应对钢筋逐根取样分别编组,即把钢筋冷拉率相差0.5以内相接近的钢筋对焊在一起,确保冷拉完成后的预应力筋具有所要求的强度和长度,预应力钢筋经冷拉后,钢筋的弹性回缩率一般在0.3左右。钢筋与钢筋、钢筋与螺丝端杆的对焊接头的压缩量,根据连续闪光对焊工艺所需的闪光留量和顶锻留量而定,一般每个对焊接头的压缩量约等于钢筋
9、的直径。螺丝端杆外露在沟件孔道外的长度,根据垫板厚度、螺母高度和拉伸机与螺丝端杆连接所需长度确定,一般可选用120150mm。固定端用帮条锚具或镦头锚具时,其长度视锚具尺寸而定。两端采用螺丝端杆锚具的预应力筋(图5.11),其下料长度可按下列方法计算:两端采用螺丝端杆锚具的预应力筋(图5.11),其下料长度可按下列方法计算:预应力筋全长:L=l1+2l2预应力筋中的钢筋冷拉完成后的长度:l4L2l5预应力筋中的钢筋下料长度:或可近似地采用式中L包括锚具在内的预应力筋全长;l预应力筋中钢筋的下料长度;l1构件孔道长度;l2螺丝端杆在构件外的外露长度;l4预应力筋中的钢筋冷拉完成后的长度;l5螺丝
10、端杆长度;d螺丝端杆长度;钢筋的冷拉率;钢筋冷拉后的弹性回缩率。现以24m预应力屋架为例,计算预应力筋的下料长度。设屋架下弦孔道长度l123800mm,配置的预应力筋为425,实测钢筋冷拉率3.5,取钢筋冷拉后的弹性回缩率0.3。预应力筋两端均采用螺丝端杆锚具,螺丝端杆长:l5320mm,其外露在构件外的长度l2120mm,现场钢筋长度每根均长9m,预应力筋用三根钢筋对焊而成,两端对焊螺丝端杆,则对焊接头数n4。预应力筋全长:L23800(2120)24040mm预应力筋中的钢筋冷拉完成后的长度:l424040(2320)23400mm预应力筋中的钢筋下料长度:从以上计算可知:用三根加起来总长
11、为22770mm的钢筋,对焊完成后由于接头的烧化顶压其实际长度为22670mm,再焊上两根长320mm的螺丝端杆,经冷拉完成后,即可获得24040mm长的预应力筋。按以上计算得:预应力筋对焊完成未冷拉之前的长度为:22670(2320)23310mm;钢筋冷拉用拉率控制,则其拉长值为:233103.5%816mm;钢筋冷拉完成后的弹性回缩值则为:(23310816)0.372mm,理论上,预应力筋冷拉完成后的实际长度应为冷拉前的长度加上拉长值减去弹性回缩值,即:233108167224050mm它接近于要求的预应力筋全长L24040mm的要求(注意:计算值比理论值长10mm,其原因是螺丝端杆对
12、焊时实际上有对焊接头的压缩量,在此未考虑所致)。以上仅为理论计算,在实际操作中影响因素较多,还应在冷拉过程中视具体情况加以调整,以确保单根预应力筋的长度,即不影响施工,又保证质量。5.2.1.2钢筋束、钢绞线束预应力筋的锚具及制作钢筋束由36根级12钢筋组成;钢绞线束通常由37根15.2或12.7钢绞线组成,17钢绞线由7根钢丝捻制而成,6根外层钢丝围绕着一根中心钢丝(直径加大不小于2.0)。钢绞线的规格及材料性能等见表5.2。由于钢绞线的强度高、柔性好,而且盘卷成1000mm左右的盘径便于运输到现场,所以钢筋束已逐渐被钢绞线束取代。17钢绞线的有关技术资料表5.2钢绞线公称直径(mm)直径允
13、许偏差(mm)钢绞线公称截面积(mm2)钢绞线理论重(kg/m)强度级别(MPa)整根最大负荷(kN)屈服负荷(kN)伸长率()L0=600不小于12.70.40-0.2098.70.77418601841563.515.20.40-0.201391.10117201860239259203220注:1、屈服负荷不小于整根钢绞线公称最大负荷的85;2、弹性模量为(1.92.00)105MPa。(1)锚具由于钢筋束和钢绞线束使用比较广泛,其锚具的形式也日益增多。下面主要介绍常用的几种锚具。JM型锚具JM型锚具由锚环和夹片组成。根据夹片数量和锚固钢筋的根数,其型号分别有JM12-3、JM12-4、
14、JM125、JM12-6、JM15-4、JM15-5、JM15-6几种,可分别锚固3、4、5、6根预应力筋。JM12-6型锚具如图5.16所示。图5.16JM12-6型锚具JM12-6型锚具动画(a)预应力筋与锚具连接图;(b) JM 12-6型夹片;(c) JM12-6型锚环1-混凝土构件;2-孔道;3-钢筋束;4-JM12-6型锚具;5-镦头锚具;6-甲型锚环;7-乙型锚环JM型锚具夹片呈扇形,依靠两侧的半圆槽锚固预应力筋,为增加夹片与预应力筋这间的摩擦力,在夹片半圆槽内刻有截面为梯形的齿槽,夹片背面坡度与锚环内圈坡度一致。锚环分甲型和乙型两种。甲型锚环为一个具有锥形内孔的圆柱体,外形比较
15、简单,使用时直接放置在构件端部的垫板上,由于其加工和使用较为方便,故多使用于施工现场。锚环和夹片均用45号钢制作,夹片经热处理后,硬度应为HRC4852。锚环经热处理后,硬度为HB320370。XM型锚具XM型锚具是近年来随着预应力结构工程和无粘结预应力平板结构的发展而研制的一种新型锚具。它既可用于锚固钢绞线束,又可用于锚固钢丝束;既可锚固单根预应力筋,又可锚固多根预应力筋。当用于锚固多根预应力筋时,既可单根张拉,逐根锚固,又可成组张拉,成组锚固,它既可用作工作锚,又可用作工具锚。实践证明,XM锚具具有通用性,锚固性能可靠,施工方便,便于高空作业。图5.17XM型锚具(a)单根XM型锚具;(b
16、)多根XM型锚具1夹片;2锚环;3锚板XM型锚具的锚板用45号钢制作,经热处理提高其强度和硬度。夹片为120均分为三片式夹片,夹片的开缝沿轴向有倾斜角,倾斜角的方向与钢绞线的扭角相反,以确保夹片能紧夹钢绞线或钢丝束中每一根外围钢丝,形成可靠的锚固。夹片开缝宽度一般平均为1.5mm,夹片的齿形为“短牙”三角螺纹,是一种齿顶较宽、齿高较矮的特殊螺纹。这种齿形的机械加工要求低,热处理税碳影响小;淬火质量容易保证,机械强度高,耐磨性好,夹片与预应力筋之间的摩擦力大,形成机械啮合快,自锚性能好。锚具工作时,锚环中夹片之间的缝隙宽度,实际上是不均匀的,最大缝宽在不利情况下可能达到三条开缝宽度之总和,即4.
17、5mm。因为,如用直开缝夹片,个别钢丝就有可能与缝隙平行,而导致锚固的失败。而用斜开缝,则能锚固全部钢丝,从而提高锚固质量。(2)预应力筋制作钢筋束所用的钢筋一般成盘圆状供应,长度较长,不需要对焊接长。钢筋束预应力筋的制作工序一般是:开盘冷拉下料编束。热处理钢筋、冷拉级钢筋及钢绞线下料切断时,宜采用砂轮锯切或切断机切断,不得采用电弧切割,因为预应力筋一般为高强钢材,如局部加热或冷却,将引起该部位脆性变态而造成脆断。钢绞线切断前,在切口两侧各50mm处,应用铅丝绑扎,以免钢绞线松散。钢筋束或钢绞线束制作时,为了保证窗入构件孔道时发生扭结,必须逐根理顺,用沿丝每隔1m左右绑扎成束,不得紊乱,在穿束
18、时宜采用束网套穿束。预应力筋下料长度,主要与张拉设备和选用的锚具有关。当采用YC-60型千斤顶张拉,用JM型、XM型锚具锚固时,预应力筋的下料长度应等于构件孔道加上两端为张拉、锚固所需的外露长度(即张拉千斤顶的长度和千斤顶尾部锚固钢筋的锚固长度)。5.2.1.3钢丝束预应力筋的锚具及制作预应力筋的钢线为碳素钢丝,用优质高碳钢盘条经索氏体处理、酸洗、镀铜或磷化后冷拔而成。碳素钢丝的品种有:冷拉钢丝、消除应力钢丝、刻痕钢丝、低松弛钢丝和镀锌钢线等。(1)锚具钢丝束预应力筋常用锚具有钢质锥形锚具、镦头锚具和锥形螺杆锚具。钢质锥形锚具钢质锥形锚具由锚环和锚塞组成(图5.18)。它适用于锚固6、12、1
19、8或24或5碳素钢丝束。锚环和锚塞均用45号钢制作。锚环不得有裂纹,经调质热处理后,硬度为HB220250。锚塞表面加工成螺纹状小齿,小保证钢丝与锚塞的啮合,由于碳素钢丝表面硬度为HRC4050,所以锚塞热处理后的硬度应达HRC5558。镦头锚具钢线束镦头锚具是利用钢丝本身的镦头而锚固钢丝的一种锚具,可以锚固任意根数的57碳素钢丝束,张拉时,需配置工具式螺杆。这种锚具加工简单,锚固性能好,张拉操作方便,成本较低,适用性广,但对钢丝下料的等长要求较严。镦头锚具有张拉端和固定端两种形式。张拉端用锚环式镦头锚具(图5.19),由锚杯和螺母组成。固定端用锚板式镦头锚具(图5.20),它相对于张拉端用的
20、锚杯式镦头锚具成本廉。图5.18钢质锥形锚具图5.19镦头锚具(a)锚塞;(b)锚环(a)锚环;(b)螺母锚杯与锚板均采用45号钢制作,螺母用30号或15号钢制作。制作锚杯与锚板时,应先将45号钢粗加工至接近设计尺寸,再调质热处理(硬度HB251283),然后精加工至设计尺寸,碳素钢丝的墩头,可采用LD-10型液压冷镦器进行,镦头强度不得低于钢丝标准抗拉强的98,镦头的外形尺寸见图5.21,关型不得偏歪。图5.20锚板式镦头锚具图5.215镦头外形尺寸(2)钢丝束的制作钢丝束的制作,随着选用的锚具形式不同,制作方法有很大差异。一般需经下料、编束和组装锚具等工序。当用钢质锥形锚具和XM型锚具时,
21、预应力钢丝束的制作和下料长度计算,基本上与预应力钢筋束(钢绞线束)相同。当钢丝束采用镦头锚固体系时,如采用锚杯式镦头锚具和锚板式镦头锚具配套使用时,钢丝束的下料长度L,可按图5.22所示,用公式(5.10)计算,主要考虑构件孔道长度、锚板厚度、两端的钢丝镦头的留量、锚板的高度以及预应力钢丝张拉伸长值和构件混凝土城张拉过程中无成的混凝土弹性压缩值。预应力钢丝束张拉完成后,要确保锚杯能拉出构件,并能确保拧上螺母。图5.22用镦头锚具时钢丝下料长度计算简图式中L构件孔道长度;a锚板厚度;钢丝镦头质量(取钢丝直径的2倍);H锚杯高度;H1螺母高度;L张拉时钢丝束的张拉伸长值;C构件混凝土的弹性压缩值(
22、当其值较小时可略去不计)。当钢丝束两端均用镦头锚具时,为了保证同一束钢丝中每根钢丝的张拉应力值均匀一致,钢丝必须等长下料,同一束中各根钢丝下料长度的相对差值,应不大于钢丝束长度的1/5000,且不得大于5mm,为了保证上述的下料精度,一般有两种方法:一种方法是应力下料,即将钢丝拉到300MPa应力状态下,划定长度,放松后剪切下料;另一种方法是用钢管限位法,即将钢丝通过小直径钢管(钢管内径略粗于钢丝直径),调直固定于工作台上等长下料,钢丝通过钢管时由于钢管限制钢丝左右摆动弯曲,这样可以提高钢丝下料的精度。后一种方法简单易行,采用比较广泛。组装锚杯式镦头锚具时,首先将钢丝穿入锚杯后镦头,然后理顺钢
23、丝(内圈与外圈分别用铁丝绑扎),待钢丝穿入构件孔道中后(此时锚杯进入构件张拉端的大尺寸孔道中),在固定端穿入锚板再进行镦头。5.2.2张拉机具和设备预应力筋的张拉工作,必须配置成套的张拉机具设备。后张法用的张拉设备主要由液压千斤顶、高压油泵和外接油管等三部分组成。5.2.2.1千斤顶常用的预应力液压千斤顶有拉杆式千斤顶(代号为YL);穿心式千斤顶观看动画(代号为YC)和锥锚式千斤顶(代号为YZ)三种。液压千斤顶的额定张拉力一般常采用1805000kN。(1)YL型千斤顶YL型千斤顶主要适用于张拉采用螺丝端杆锚具(或装有工具式螺杆的锚杯式镦头锚具)的粗钢筋预应力筋或钢丝束预应力筋。YL60千斤顶
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