土木工程施工：先张法示意图、生产工艺流程与设备要求

先张法是指先张拉钢筋，后浇筑混凝土的方法，如图5.4.1所示。在浇筑混凝土前先张拉预应力钢筋，并将其临时锚固在台座或钢模上，然后浇筑混凝土。当混凝土强度达到要求的放张强度后，放松端部锚固装置，钢筋回缩，使原来由台座或钢模板承受的张拉力由构件的混凝土承担，使混凝土内产生预压应力，这种预应力主要依靠混凝土与预应力筋的粘着力和握裹力实现。这种方法常用于生产预制构件，需要有张拉台座或承受张拉的钢模板，以便临时锚固张拉好的预应力钢筋。

图5.4.1 先张法示意图

承力架; 2—横梁; 3—台面; 4—预应力筋; 5—锚固夹具; 6—混凝土构件

先张法生产可以采用台座法或机组流水法。

(1) 台座法，又称为长线生产法，预应力筋的张拉、锚固、混凝土构件的浇筑、养护和预应力筋的放松等工序皆在台座上进行，预应力钢筋的张拉力由台座承受。台座法不需复杂的机械设备，能适宜多种产品生产，可以露天生产，自然养护，也以可采用湿热养护，故应用范围较广，是我国当前应用较广泛的一种预制预应力构件的生产方法。

(2) 机组流水法，又称为模板法，是利用钢模作为固定预应力筋的承力架，构件连同钢模通过固定的机组，按流水方式完成张拉、浇筑、养护等生产过程，生产效率高，机械化程度较高，一般用于生产各种中、小型构件。但采用该方法模板耗钢量大，需蒸汽养护，建厂一次性投资较大，且又不适合大、中型构件的制作。故具有较大局限性。对先张法施工，无论采用台座法或机组流水法，其基本原理都相同。其工艺流程如图5.4.2所示。

图5.4.2 先张法生产工艺流程框图

5.4.1 台座

台座是先张法生产的主要设备之一，台座承受预应力筋的全部张拉力，因此要求台座具有足够的强度、刚度、稳定性，以避免台座变形、倾覆、滑移而引起预应力的损失。先张法生产的台座类型主要有以下几种:

1. 墩式台座

墩式台座是采用混凝土墩作为承力结构的台座，一般由台墩、台面与横梁组成。目前常用的是台墩与台面共同受力的墩式台座。墩式台座一般用于平卧生产的中、小型构件，如屋架、空心板、平板等。台座的尺寸由场地条件、构件类型和产量等因素确定。

(1) 台座长度

台座的长度L，一般为100～150m，其总长可以按下式计算

L=l·n+0.5 (n-1) +2k　(5.4.1)

式中: l——构件长度 (m);

n——一条生产线内生产构件数;

k——台座横梁到第一个构件端头的距离; 一般为1.25～1.5m。

台座的宽度主要取决于构件的布筋宽度、张拉和浇筑混凝土是否方便，一般不大于2m。

(2) 台墩

台墩一般由现浇混凝土做成，有重力式台墩和构架式台墩两种。

如图5.4.3所示，重力式台墩靠自重和土压力以平衡张拉力所产生的倾覆力矩，靠土壤的反力和摩擦力抵抗水平位移。因此台墩大、埋设深、不够经济。为了改变台墩的受力状况，常采用台墩与台面共同作用的做法和采用桩基的方法，以减少台墩的用料和埋深。

图5.4.3 墩式台座 (单位: mm)

1—台墩; 2—横梁; 3—台面; 4—预应力筋

台墩除应具有足够的强度和刚度外，还应进行抗倾覆与抗滑移等稳定性验算。

①抗倾覆验算。台墩与台面共同作用时，抗倾覆验算的力学分析图如图5.4.4所示，可以按下式计算:

图5.4.4 墩式台座的稳定性验算力学分析图

式中: K——抗倾覆安全系数;

M——倾覆力矩，由预应力筋的张拉力产生;

N——预应力筋的张拉力;

e1——张拉力合力作用点至倾覆点的力臂;

M1——抗倾覆力矩，由台座自重力和土压力等产生;

G——台墩的自重力;

L——台墩重心至倾覆点的力臂;

EP——台墩后面的被动土压力合力，当台墩埋置深度较浅时，可以忽略不计;

e2——被动土压力合力至倾覆点的力臂。

台墩倾覆点的位置，对台墩与台面共同工作的台墩，按理论计算，倾覆点应在混凝土台面的表面处。但考虑到台墩的倾覆趋势使得台面端部顶点出现局部应力集中和混凝土面抹面层的施工质量，因此倾覆点的位置宜取在混凝土台面下40～50mm处。

②抗滑移验算。普通墩式一台座抗滑移验算公式为

式中: Kc——抗滑移安全系数;

N1——抗滑移的力。

对于台墩与台面共同作用的台座，由于台面与台墩共同工作，台墩的水平推力几乎全部传递给台面，不存在滑移问题，故不做抗滑移验算。

(3) 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。台面略高于地坪且必须平整光滑，以保证构件的表面平整。为防止台面开裂，可以根据当地温差和经验设置伸缩缝 (一般10m左右设置一条)，同时也可以在台面内沿上、下表面配置钢筋网片。必要时还可以采用预应力混凝土滑动台面，不留伸缩缝，如图5.4.5所示。

图5.4.5 预应力混凝土滑动台面示意图

(4) 横梁

横梁以台墩为支座，直接承受预应力筋的张拉力，其挠度不应大于2mm，且不得产生翘曲。预应力筋的定位板必须安装准确，其挠度不大于1mm。

墩式台座按受力大小不同，可以因地制宜地采取不同的形式。当张拉力及倾覆力矩较大时，可以采用桩基构架式; 当生产中型构件或多层叠浇构件，其张拉力为600～1000kN时，可以采用与台面共同作用式; 当生产小型构件，如空心板、平板、过梁等，由于张拉力和倾覆力矩都不大，则可以采用如图5.4.6所示的简易墩式台座。

图5.4.6 预应力混凝土滑动台面示意图 (单位: mm)

1—卧梁; 2—75×75承力角钢; 3—预埋螺栓; 4—混凝土台面; 5—钢丝

2. 槽式台座

槽式台座由端柱、传力柱、横梁和台面组成，如图5.4.7所示，既可承受拉力，又可作养护槽，适用于张拉较高的大型构件，如吊车梁、屋架等。

图5.4.7 槽式台座构造示意图

1—中间传力柱; 2—砖墙; 3—下横梁; 4—上横梁; 5—端柱

槽式台座的长度一般不大于80m，宽度随构件外形及制作方式而定，一般不小于1m。端柱、传力柱的端面必须平整，对接接头必须紧密，柱与柱垫必须牢靠连接。为便于混凝土输送及蒸汽养护，台座宜低于地面，但需考虑地下水位的影响及防雨排水的措施。为便于拆迁，台座应设计成装配式。

槽式台座亦需进行强度和稳定性验算。端柱和传力柱的强度按钢筋混凝土结构偏心受压构件计算。端柱的抗倾覆力矩由端柱、横梁自重力及部分张拉力组成。

5.4.2 先张法施工工艺

1. 预应力筋的铺设

为了便于脱模，在铺设预应力筋前，对台面及模板应先刷隔离剂。同时应采取措施防止隔离剂玷污预应力筋。如果预应力筋被污染应立即清理干净，在生产过程中应防止雨水等冲刷掉台面上的隔离剂。(www.xing528.com)

预应力筋按结构形式需要，有单向和双向预应力筋 (包括曲线筋)，铺设时宜先铺下层筋，后铺上层筋。铺设前，应检查预应力筋编号标识，与模板孔位对号穿铺。

预应力钢丝宜采用牵引车铺设。若遇钢丝需要接长，用20～22号铁丝密排绑扎。冷轧带肋钢丝的绑扎长度不小于40d (d为钢丝直径)。

铺设预应力筋时，钢筋之间的连接或钢筋与螺杆的连接，应采用连接器进行连接。连接器必须符合夹具的锚固性能要求。

2. 预应力筋的张拉

预应力筋的张拉应严格按设计要求进行。采用合适的张拉控制应力、张拉方法、张拉程序等进行，且应有可靠的质量保证措施和安全措施。

(1) 张拉方法

先张法预应力筋的张拉有单根张拉与多根成组张拉。

①单根预应力筋张拉。系指每次张拉一根预应力筋。采用该方法所用设备构造简单，易于保证应力均匀，但生产效率低，而且对预应力筋过密或间距不够大时，单根张拉和锚固较困难。

②多根预应力筋成组张拉。系指一次同时张拉多根预应力筋。成组张拉能提高工效，减轻劳动强度，但所用设备构造较复杂，且需用较大的张拉力。

(2) 张拉控制应力

《混凝土结构设计规范》(GB50010) 中规定预应力筋张拉控制应力σcon分别为: 消除应力钢丝、钢绞线取值≤0.75fptk; 中强度预应力钢丝取值≤0.70fptk; 预应力螺纹钢取值≤0.85fpyk。消除应力钢丝、钢绞线、中强度预应力钢丝的张拉控制应力值应不小于0.4fptk; 预应力螺纹钢筋的张拉控制应力值不宜小于0.5fpyk。并且规定当要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋，或要求部分抵消由于松弛、孔道摩擦、预应力筋与台座之间的温差等因素产生的预应力损失时，可以适当增加0.05fptk或0.05fpyk。《混凝土结构工程施工规范》(GB50666) 中规定应力筋的张拉控制应力应符合设计及专项施工方案的要求，并规定了当施工中需要超张拉时，调整后的最大张拉控制应力σcon应符合表5.4.1中的规定。

表5.4.1 预应力筋张拉控制应力σcon取值

注: fptk为预应力筋极限抗拉强度标准值; fpyk为预应力筋屈服强度标准值。

当进行多根预应力筋成组张拉时，应设法调整各预应力筋的初应力，使其长度、松紧一致，以保证张拉后预应力筋的应力一致。

预应力筋张拉锚固后实际建立的预应力值与工程设计规定检验值的相对允许偏差为±5%。要求每工作班抽查预应力筋总数的1%，且不少于3根，同时应检查预应力筋检测记录。

(3) 张拉程序

预应力筋张拉时，应从零拉力加载至初拉力后，量测伸长值初读数，再以均匀速率加载至张拉控制力。

(4) 张拉

根据设计的张拉控制应力σcon、预应力筋的截面积AP计算预应力筋的张拉力NP，可以按下式计算

NP=σcon·Ap　(5.4.4)

张拉时，为避免台座承受过大的偏心压力，应先张拉靠近台座截面重心处的预应力筋。张拉机具与预应力筋应在同一条直线上，张拉应以稳定的速率逐渐加大拉力。应避免预应力筋断裂或滑脱，当发生断裂或滑脱时，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。

张拉完毕，预应力筋对设计位置的偏差不得大于5mm，且不得大于构件截面最短边长的4%。张拉时，台座两端应有防护设施，沿台座长度方向每隔4～5m放一个防护架，两端严禁站人，也不准进入台座。

(5) 预应力值校核

预应力钢筋用应力控制方法张拉时，应校核预应力筋的伸长值。实际伸长值与设计计算理论伸长值的相对允许偏差为±6%。

预应力筋的设计计算理论伸长值ΔL (mm)，可以按下式计算

式中: NP——预应力筋的平均张拉力(N)，直线筋取张拉端的拉力，两端张拉的曲线筋，取张拉端的拉力与跨中扣除孔道摩阻损失后拉力的平均值;

L——预应力筋的长度 (mm);

Es——预应力筋的弹性模量(MPa);

AP——预应力筋的截面积(mm2)。

预应力筋的实际伸长值，宜在初应力约为10%σcon时开始量测。实际伸长值ΔL'应为

ΔL'=ΔL1+ΔL2　(5.4.6)

式中: ΔL1——从初应力至最大张拉力之间的实际伸长值(mm);

ΔL2——初应力以下的推算伸长值(mm)。

关于推算伸长值ΔL2，可以根据弹性范围内张拉力与伸长值成正比的关系，用计算法或图解法确定。采用计算法时

式中: σ0——初应力值(MPa)。

预应力钢丝张拉时，伸长值不作校核。钢丝张拉锚固后，应采用钢丝内力测定仪检查钢丝的预应力值。预应力筋张拉锚固后实际建立的预应力值与工程设计规定检验值的相对允许偏差为±5%。

3. 混凝土的浇筑与养护

钢筋张拉、绑扎及立模工作完毕后，即应浇筑混凝土，每条生产线应一次浇筑完毕。构件应避开台面的温度缝，当不可能避开时，在温度缝上可以先铺薄钢板或垫油毡，然后浇筑混凝土。为保证钢丝与混凝土有良好的粘结，浇筑时，振动器不应碰撞钢丝，混凝土未达一定强度前，也不允许碰撞或踩动钢丝。

混凝土的用水量和水泥用量必须严格控制，混凝土必须振捣密实以减少混凝土由于收缩徐变而引起的预应力损失。

采用重叠法生产构件时，应待下层构件的混凝土强度达到5MPa后，方可浇筑上层构件的混凝土。当平均温度高于20℃时，每两天可以叠浇一层。气温较低时，可以采用早强措施，以缩短养护时间，加速台座周转，提高生产率。

预应力叠合梁和叠合板的叠合面及预应力芯棒与后浇混凝土的接触面应划毛，必要时做成凹凸面，以提高叠合面的抗剪能力。

混凝土养护可以采用自然养护、蒸汽养护或太阳能养护等方法。当采用蒸汽养护时，应采用二阶段 (次) 升温法，第一阶段升温的温差控制在20℃以内 (一般以不超过10～20℃/h为宜)，待混疑土强度达10MPa以上时，再按常规升温制度养护。

4. 预应力筋放张

当构件混凝土强度达到设计规定的要求时，方可放松预应力筋，当设计无规定时，不应低于设计混凝土强度标准值的75%。当预应力筋为高强螺旋肋钢丝时，放张强度不应低于30MPa。预应力筋放张时，宜同时、缓慢放松预应力筋。

(1) 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: ①宜采取缓慢放张工艺进行逐根或整体放张; ②对轴心受压构件，所有预应力筋宜同时放张;③对受弯或偏心受压的构件，应先同时放张预压应力较小区域的预应力筋，再同时放张预压应力较大区域的预应力筋; ④当不能按上述规定放张时，应分阶段、对称、相互交错放张; ⑤放张后，预应力筋的切断顺序，宜从张拉端开始逐次切向另一端。

(2) 放张方法

放张前应拆除模板，使放张时构件能自由压缩，避免损坏模板或使构件开裂。常用的放张方法有:

①钢丝钳或氧乙炔焰切割。对预应力筋为钢丝或细钢筋的板类构件，放张时可以直接用钢丝钳或氧炔焰切割，且宜从生产线中间处切断，以减少回弹量，有利于脱模; 对每一块板，应从外向内对称放张，以免构件扭转两端部开裂。

②预热熔割。对预应力筋为数量较少的粗钢筋的构件，可以采用氧炔焰在烘烤区轮换加热每根粗钢筋，使其同步升温，此时钢筋内力徐徐下降，慢慢伸长，待钢筋出现缩颈，即可切断。该方法应采取隔热措施，防止烧伤构件端部混凝土。

③千斤顶放张。用千斤顶拉动单根钢筋，松开螺母。放张时由于混凝土与预应力筋已连成整体，松开螺母所需的间隔只能是最前端构件外露钢筋的伸长，因此，所施加的应力往往超过控制应力约10%，比较费力。采用该方法放张时，应拟定合理的放张顺序并控制每一循环的放张吨位，以免构件在放张过程中受力不均，后放张的钢筋内力增大而造成拉断。

④砂箱放张。砂箱装置由钢制的套箱和活塞组成。内装石英砂或铁砂，装砂量宜为砂箱长度的1/3～2/5。砂箱放置在台座与横梁之间，预应力筋张拉时，箱内砂被压实，承受横梁的反力。预应力筋放张时，将出砂口打开，砂慢慢流出，从而使整批预应力筋徐徐放张。采用砂箱放张，能控制放张速度，工作可靠，施工方便，可以用于张拉力大于1000kN的情况。

⑤楔块放张。楔块装置放置在台座与横梁之间。预应力筋放张时，旋转螺母使螺杆向上运动，带动楔块向上移动，钢块间距变小，横梁向台座方向移动，从而同时放张预应力筋。楔块放张，一般用于张拉力不大于300kN的情况。

对预应力筋配置较多的构件，不允许采用剪断或割断等方式突然放张，以避免最后放张的几根预应力筋产生过大的冲击力而断裂，致使构件开裂。为此应采用千斤顶放张、砂箱放张、楔块放张或在准备切割的一端预先浇筑一块混凝土块，作为切割时冲击力的缓冲体，使构件不受或少受冲击，进行缓慢放张。

为了检查构件放张时钢丝与混凝土的粘结是否可靠，切断钢丝时应测定钢丝往混凝土内的回缩情况。钢丝回缩值的简易测式方法是在板端贴玻璃片和在靠近板端的钢丝上贴胶带纸用游标卡尺读数，其精度可达0.1mm。钢丝的回缩值: 对冷轧带肋钢丝应不大于0.6mm，对螺旋肋钢丝应不大于1.2mm。当钢丝回缩量超过上述要求时，则应加强构件端部区域的分布钢筋、适当提高放张时混凝土的强度等。

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，钢丝的放张与切断宜在台座中部开始，逐根对称、交错地切断。切断粗钢筋、钢绞线，一般用氧乙炔焰、电孤或锯割; 切断钢丝，一般用钢丝钳、无齿锯、放张板子等。用氧乙炔焰或电弧切割时，应采取隔热措施，防止烧伤构件端部混凝土，电弧切割时的地线不得搭在另一头，以防止过电后预应力筋伸长，造成应力损失。