预应力筋、锚具和张拉设备在《建筑工程施工工艺》的应用

在后张法中，预应力筋、锚具和张拉设备是配套使用的。目前，后张法中常用的预应力筋主要有单根粗钢筋、钢筋束（或钢绞线束）和钢丝束3类。张拉设备多采用液压千斤顶。锚具需具有可靠的锚固能力，按其锚固性能分为两类：

Ⅰ类锚具：适用于承受动、静荷载的预应力混凝土结构。

Ⅱ类锚具：仅适用于有黏结预应力混凝土结构，且锚具处于预应力变化不大的部位。

Ⅰ，Ⅱ类锚具的静载锚固性能由预应力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的总应变εapu确定，其值应符合表5.2的规定。

表5.2　锚具锚固系数和总应变

Ⅰ类锚具组装件，除必须满足静载锚固性能外，尚须满足循环次数为200万次的疲劳性能试验。如用在抗震结构中，还应满足循环次数为50次的周期荷载试验。

除上述外，锚具尚应具有下列性能：

①在预应力锚具组装件达到实际破断拉力时，全部零件均不得出现裂缝和破坏（设计规定者除外）；

②除能满足分级张拉和补张拉外，宜具有能放松预应力筋的性能；

③锚具或其附件上宜设置灌浆孔，灌浆孔应有足够的截面面积，以保证浆液畅通。

1）单根粗钢筋

（1）锚具

根据构件的长度和张拉工艺的要求，单根预应力钢筋可在一端或两端张拉。一般张拉端均采用螺丝端杆锚具。固定端除采用螺丝端杆锚具外，还可采用帮条锚具或镦头锚具。

①螺丝端杆锚具：适用于锚固直径不大于36mm的冷拉HRB400级钢筋。它由螺丝端杆、螺母和垫板组成，如图5.13所示。螺丝端杆采用45号钢制作，螺母和垫板采用3号钢制作。螺丝端杆的长度一般为320mm，当预应力构件长度大于24m时，可根据实际情况增加螺丝端杆的长度，螺丝端杆的直径按预应力钢筋的直径对应选取。螺丝端杆与预应力钢筋的焊接应在预应力钢筋冷拉前进行。螺丝端杆与预应力筋焊接后，同张拉机械相连进行张拉，最后上紧螺母即完成对预应力钢筋的锚固。

②帮条锚具：适用于冷拉HRB400级钢筋，主要用于固定。它由帮条和衬板组成，如图5.14所示。帮条采用与预应力筋同级别的钢筋，衬板采用普通低碳钢钢板。帮条施焊时，严禁将地线搭在预应力筋上并严禁在预应力筋上引弧，以防预应力筋咬边及温度过高，可将地线搭在帮条上。3根帮条与衬板相接触的截面应在一个垂直平面上，以免受力时产生扭曲，3根帮条互成120°角。帮条的焊接可在预应力筋冷拉前或冷拉后进行。

图5.13　螺丝端杆锚具

1—螺母；2—垫板；3—螺丝端杆；4—对焊接头；5—预应力筋

图5.14　帮条锚具

1—帮条；2—衬板；3—预应力筋

③镦头锚具：由镦头和垫板组成。镦头一般是直接在预应力筋端部热镦、冷镦或锻打成型，垫板采用3号钢制作。

（2）张拉设备

单根粗钢筋的张拉设备一般有YL-60型拉杆式千斤顶，YC-60型、YC-20型、YC-18型穿心式千斤顶。

图5.15是用拉杆式千斤顶张拉单根粗钢筋时的工作原理图。拉杆式千斤顶由主油缸、主缸活塞、回油缸、回油活塞、连接器、传力架、活塞拉杆等组成。张拉前，先将连接器旋在预应力筋的螺丝端杆上，相互连接牢固，千斤顶由传力架支承在构件端部的钢板上。张拉时，高压油进入主油缸，推动主缸活塞及拉杆，通过连接器和螺丝端杆，预应力筋被拉伸。千斤顶拉力的大小可由油泵压力表的读数直接显示，当张拉力达到规定数值时，拧紧螺丝端杆上的螺母，此时张拉完成的预应力筋被锚固在构件的端部。锚固后回油缸进油，推动回油活塞工作，千斤顶脱离构件，主缸活塞、拉杆和连接器回到原始位置。最后将连接器从螺丝端杆上卸掉，卸下千斤顶，张拉结束。

图5.15　用拉杆式千斤顶张拉单根粗钢筋的工作原理图

1—主油缸；2—主缸活塞；3—主缸油嘴；4—副缸；5—副缸活塞；6—副缸油嘴；7—连接器；8—顶杆；9—拉杆；10—螺母；11—预应力筋；12—混凝土构件；13—预埋钢板；14—螺丝端杆

（3）预应力筋的制作

单根粗钢筋预应力筋的制作，包括配料、对焊、冷拉等工序。预应力筋的下料长度应计算确定，计算时要考虑锚具种类、对焊接头或镦粗头的压缩量、张拉伸长值、冷拉的冷拉率和弹性回缩率、构件长度等因素。

①当构件两端均采用螺丝端杆锚具张拉预应力筋时（图5.16），预应力筋（不包括螺丝端杆）冷拉前的下料长度L：

式中　l——构件的孔道长度，mm；

l1——螺丝端杆长度，一般为320mm；

l2——螺丝端杆伸出构件外的长度，一般为120~150mm；

γ——预应力筋的冷拉率（由试验确定）；

δ——预应力筋的冷拉弹性回缩率，一般为0.4%~0.6%；

n——对焊接头的数量；

∆——每个对焊接头钢筋对焊长度损失，一般取钢筋直径，mm。

图5.16　粗钢筋下料长度计算示意图（一）

1—螺丝端杆；2—预应力钢筋；3—对焊接头；4—垫板；5—螺母

图5.17　粗钢筋下料长度计算示意图（二）

②当采用一端张拉时，固定端可采用帮条锚具或镦头锚具（图5.17），预应力筋（不包括螺丝端杆）冷拉前的下料长度L：

式中　l1——构件的孔道长度，mm；

l2——螺丝端杆伸出构件外的长度，mm；

l3——帮条锚具或镦头锚具长度，mm；

l5——螺丝端杆长度，一般为320mm。

【例5.1】　21m预应力屋架的孔道长为20.80m，预应力筋为冷拉HRB400钢筋，直径为22mm，每根长度为8m，实测冷拉率γ=4%，弹性回缩率δ=0.4%。螺丝端杆长为320mm，帮条长为50mm，垫板厚为15mm。计算：

（1）两端用螺丝端杆锚具锚固时预应力筋的下料长度。

（2）一端用螺丝端杆，另一端为帮条锚具时预应力筋的下料长度。

【解】　（1）螺丝端杆锚具，两端同时张拉，螺母厚度取36mm，垫板厚度取16mm，则螺丝端杆伸出构件外的长度l2=2H+h+5=2×36+16+5=93（mm）；因孔道长度为20.80m，预应力筋长度为8m，因此需3根钢筋对焊接长，加上两端焊接螺丝端杆，共计对焊接头数n=2+2=4，每个对焊接头的压缩量∆=22mm，则预应力筋下料长度为：

（2）帮条长为50mm，垫板厚15mm，则预应力筋下料长度为：

2）预应力钢筋束和钢绞线束

图5.18　JM12-6型锚具(www.xing528.com)

（1）锚具及张拉设备

钢筋束和钢绞线束具有强度高、柔性好的优点。目前常用的锚具有JM12型、精铸JM12型、KT-Z型（可锻铸铁锥形）以及XM型、QM型锚具。

①JM12型锚具：是一种利用楔块原理锚固多根预应力筋的锚具，它既可作为张拉端的锚具，亦可作为固定端的锚具，或作为重复使用的工具锚。

JM12型锚具由锚环和夹片组成，如图5.18所示。JM12型锚具性能好，锚固时钢筋束或钢绞线束被单根夹紧，不受直径误差的影响，且预应力筋是在呈直线状态下被张拉和锚固，受力性能好。

JM12型锚具宜选用相应的YC-60型穿心式千斤顶张拉预应力筋。YC-60型穿心式千斤顶的构造如图5.19所示。

图5.19　YC-60型穿心式千斤顶

1—大缸缸体；2—穿心套；3—顶压活塞；4—护套；5—回程弹簧；6—连接套；7—顶压套；8—撑套；9—堵头；10—密封圈；11—两缸缸体；12—油嘴；13—撑脚；14—拉杆；15—连接套筒

图5.20　KT-Z型锚具

②KT-Z型锚具：为可锻铸铁锥形锚具，由锚塞和锚环组成，如图5.20所示。KT-Z型锚具可用于锚固3~6根J12钢筋束或钢绞线束。该锚具为半埋式，使用时先将锚环小头嵌入承压钢板中，并用断续焊缝焊牢，然后共同预埋在构件端部。

使用KT-Z型锚具时，预应力筋在锚环小口处形成弯折，因而产生摩擦损失，该损失值，对钢筋束约为控制应力σcon的4%，对钢绞线束则约为控制应力σcon的2%。

KT-Z型锚具用于螺纹钢筋束时，宜用锥锚式双作用千斤顶张拉（见图5.27）；用于钢绞线束，则宜用YC-60型双作用千斤顶张拉。

③XM型锚具：由锚板与3片夹片组成，如图5.21所示。它既适用于锚固钢绞线束，又适用于锚固钢丝束；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。另外，它既可用作工作锚具，又可用作工具锚具。

图5.21　XM型锚具

（2）钢筋束和钢绞线束的制作

钢筋束和钢绞线束一般成盘状供应，长度较长，不需要对焊接长。其制作工序是：开盘→下料→编束。下料时，宜采用切断机或砂轮锯切机，不得采用电弧切割。钢绞线在切断前，在切口两侧各50mm处应用铅丝绑扎，以免钢绞线松散。编束是将钢绞线理顺后，用铅丝每隔1.0m左右绑扎成束，在穿筋时应注意防止扭结。

钢筋束和钢绞线束的下料长度L可按下式计算：

一端张拉时：

两端张拉时：

式中　l——构件孔道长度，mm；

a——张拉端留量，mm，与锚具和张拉设备尺寸有关；

b——固定端留量，一般为80mm。

3）钢丝束

（1）锚具钢丝束一般由几根到几十根直径3~5mm平行的碳素钢丝组成。目前常用的锚具有钢质锥形锚具、锥形螺杆锚具和钢丝束镦头锚具，也可用XM型锚具和QM型锚具。

①钢质锥形锚具：由锚环和锚塞组成，如图5.22所示。锚塞表面刻有细齿槽，以防止被夹紧的预应力钢丝滑动。锚固时，将锚塞塞入锚环，顶紧，钢丝就夹紧在锚塞周围，锚塞上刻有细齿槽，夹紧钢丝后可以防止滑动。钢质锥形锚具用于锚固以锥锚式双作用千斤顶张拉的钢丝束，适用于锚固6，12，18或24根直径5mm的钢丝束。钢质锥形锚具工作时，由于钢丝锚固呈辐射状态，弯折处受力较大，易使钢丝被咬伤。若钢丝直径误差较大，易产生单根钢丝滑动，引起无法补救的预应力损失，如用加大顶锚力的办法来防止滑丝，过大的顶锚力更容易使钢丝被咬伤。

②钢丝束镦头锚具（图5.23）：用于锚固高强钢丝束，分为张拉端使用的DM5A型和固定端使用的DM5B型。DM5A型由锚环和螺母组成，DM5B型仅有一块锚板。墩头锚具的滑移值不应大于1mm，其镦头强度不得低于钢丝规定抗拉强度的98%。

图5.22　钢质锥形锚具

钢丝束镦头锚具的锚环与锚板用45号钢制作，且应先进行调质热处理再加工，螺母亦用45号钢制作不经热处理。锚环和锚杯的内外壁均有丝扣，内丝扣用于连接张拉螺杆，外丝扣用于拧紧螺母，以锚固钢丝束。锚环四周钻孔，以固定带有镦粗头的钢丝，孔数及间距由锚固的钢丝根数而定。当用锚杯时，锚杯底部则为钻孔的锚板，并在此板中部留一灌浆孔，便于从端部预留孔道灌浆。

张拉时，张拉螺丝杆一端与锚环（或锚杯）内丝扣连接，另一端与拉杆式千斤顶的拉头连接，拉杆式千斤顶通过传力架支承在混凝土构件端部，当张拉到控制应力时，锚环（杯）被拉出，再用螺帽拧紧在锚环（杯）外丝扣上，固定在混凝土构件端部。

图5.23　钢丝束镦头锚具

1—A型锚环；2—螺母；3—钢丝束；4—B型锚板

图5.24　锥形螺杆锚具

1—套筒；2—锥形螺杆；3—垫板；4—螺母；5—排气槽；6—钢丝

③锥形螺杆锚具：用于锚固高强钢丝束。锥形螺杆锚具由锥形螺杆、套筒、螺帽和垫板组成，如图5.24所示。锥形螺杆采用45号钢制作，调质热处理后进行精加工，最后对锥形螺杆的锥头70mm范围内的螺纹进行表面高频或盐液淬火热处理。套筒为中间带有圆锥孔的圆柱体，热处理45号钢制作。螺帽和垫板采用3号钢制作。制作时要注意套筒淬火要合适，如淬火过高，易产生裂缝，螺杆淬火过高容易断裂，在使用前应仔细检查，如有裂缝或变形，则不能使用。

锥形螺杆锚具的安装方法：首先把钢丝套上锥形螺杆的锥体部分，使钢丝均匀整齐地贴紧锥体，然后戴上套筒，用手锤将套筒均匀地打紧，并使螺杆中心与套筒中心在同一直线上，最后用拉伸机使螺杆锥体通过钢丝挤压套筒而使套筒发生变形，从而使钢丝和锥形锚具的套筒、螺杆锚成一个整体。这个过程一般叫“预顶”，预顶用的力应为张拉力的105%。因为锥形锚具外径较大，为了缩小构件孔道直径，所以一般仅在构件两端将孔道扩大。因此，钢丝束锚具一端可事先安装，另一端则要将钢丝束穿入孔道后进行锚固。

锥形螺杆锚具与YL-60、YL-90拉杆式千斤顶配套使用，YC-60、YC-90穿心式千斤顶亦可应用。与拉杆式千斤顶共同使用时的安装方法如图5.25所示。

（2）张拉设备

钢质锥形锚具用锥锚式双作用千斤顶进行张拉。镦头锚具用YC-60千斤顶（穿心式千斤顶）或拉杆式千斤顶张拉。大跨度结构、长钢丝束等引伸量大者，用穿心式千斤顶为宜。锥形螺杆锚具宜用拉杆式千斤顶或穿心式千斤顶张拉。

①拉杆式千斤顶：适用于张拉以螺丝端杆锚具为张拉锚具的粗钢筋，张拉以锥形螺杆锚具为张拉锚具的钢丝束，张拉以DM5A型镦头锚具为张拉锚具的钢丝束。拉杆式千斤顶的构造及工作过程如图5.26所示。

图5.25　锥形螺杆锚具与拉杆式千斤顶的安装示意图

1—钢丝束；2—套筒；3—锥形螺杆；4—垫板；5—螺母；6—千斤顶连接螺母；7—拉杆式千斤顶；8—预应力混凝土构件

图5.26　拉杆式千斤顶的构造及工作过程

1—主缸；2—主缸活塞；3—主缸油嘴；4—副缸；5—副缸活塞；6—副缸油嘴；7—连接器；8—顶杆；9—拉杆；10—螺母；11—预应力筋；12—混凝土构件；13—预埋钢板；14—螺丝端杆

②锥锚式双作用千斤顶：适用于张拉以KT-Z型锚具为张拉锚具的钢筋束和钢绞线束，张拉以钢质锥形锚具为张拉锚具的钢丝束。锥锚式双作用千斤顶构造如图5.27所示。其张拉油缸用于张拉预应力筋，顶压油缸用于顶压锥塞。

图5.27　锥锚式双作用千斤顶构造图

1—主缸；2—副缸；3—退楔缸；4—楔块（张拉时位置）；5—楔块（退出时位置）；6—锥形卡环；7—退楔翼片；8—预应力筋

③穿心式千斤顶：YC-60型穿心式千斤顶（图5.19）适用于张拉各种形式的预应力筋，是目前我国预应力混凝土构件施工中应用最为广泛的张拉机械。YC-60型穿心式千斤顶加装撑脚、张拉杆和连接器后，又可作为拉杆式千斤顶使用，就可以张拉以螺丝端杆锚具为张拉锚具的单根粗钢筋，张拉以锥形螺杆锚具和DM5A型镦头锚具为张拉锚具的钢丝束。在千斤顶前端装分束顶压器，并在千斤顶与撑套之间用钢管接长后，可作为YZ型锥锚式千斤顶使用，张拉钢制锥形锚具。

（3）钢丝束的制作

钢丝束的制作，随锚具形式的不同，其制作方式也有差异，一般包括调直、下料、编束和安装锚具等工序。用钢质锥形锚具锚固的钢丝束，其制作和下料长度计算基本同钢筋束。

用镦头锚具锚固的钢丝束，其下料长度应力求精确，对直的或一般曲率的钢丝束，下料长度的相对误差要控制在L/5000以内，并且不大于5mm。为此，要求钢丝在应力状态下切断下料，下料的控制应力为300N/mm2。钢丝下料长度取决于是A型或B型锚具以及一端张拉或两端张拉。用锥形螺杆锚固的钢丝束，经过矫直的钢丝可以在非应力状态下料。

为防止钢丝扭结，必须进行编束。在平整场地上先把钢丝理顺平放，然后在其全长中每隔1m左右用22号铅丝编成帘子状，再每隔1m放一个按端杆直径制成的螺丝衬圈，并将编好的钢丝帘绕衬圈围成圆束并绑扎牢固。