预应力钢结构,与普通钢结构相比,具有以下特点:①充分利用材料的强度潜力,提高承载力;②改善结构的受力状态,节约钢材;③提高结构的刚度和稳定性,还可调整动力性能等。预应力钢结构的经济效益与结构形式、施加预应力方法、节点构造、几何尺寸、荷载性质及大小、施工方法、材料劳力价格等直接有关.
我国预应力钢结构从最初的预应力钢梁、钢桁架和多栈桥等发展到预应力刚架、空间桁架、网架、网壳,以及斜拉体系(索网、索拱、索膜)等结构形式。预应力技术在大跨度、重荷载的钢结构中应用,只有明显的经济效益。预应力技术与现代钢结构的结合,有利于创造新结构体系,体现了技术美的现代色彩.
下面介绍预应力筋、锚固体系、施加预应力、力筋防护等基本内容.
一、预应力筋的种类和选择
现代钢结构用预应力筋,宜采用平行钢丝束和钢纹线束。
(1) 高强钢丝:高强钢丝是用优质高碳钢盘条经多次冷拔,并经矫直回火处理制成。平行钢丝束是由多根高强钢丝制成。近年来,开发的新品种有:低松弛钢丝与镀锌钢丝。
高强钢丝的直径常用的有5mm、6mm和7m,强度标准值为1570MPa与1670MP3a高制丝的性能应符合国家标准《预应力混凝土用钢丝》的规定。
(2)钢绞线：钢纹线是用多根高强钢丝在绞线机上成螺旋形绞合,并经回火处理制成。常用的1×7钢纹线是由6根外层钢丝围绕着一根中心钢丝绞成,见图1(a)。近年来新开发的品种有:低松弛钢绞线、镀锌钢绞线、铝包钢绞线和模拔钢绞线[图1b)]等
钢绞线的直径常用的有:12.7mm和15.2mm,强度标准值为1720MPa和1860MP2。钢绞线的截面面积:对中12.7为98.7tmm2,对中15.2为139m2,每米重量分别为0.714kg和1.101kg。中15.2模拔钢绞线的截面面积为165mm2,每米重量为1.295kg。钢绞线的性能应符合国家标准《预应力混凝土用钢绞线》的规定
二、锚固体系
(1)钢丝束镦头锚具。钢丝束镦头锚具是利用钢丝的镦粗头来锚固预应力钢丝的一种支承式锚具。常用的错具类型有:锚杯型(A型)与锚板型(B型),见图2。钢丝根数不限。
A型锚具用于张拉端,张拉时利用工具式拉杆拧在锚杯的内螺纹上,将钢丝束拉出来用螺母固定
B型锚具一般用于固定端。如用于张拉端,锚板要带外螺纹,锚固时可用半圆环垫片
(2)钢丝束冷(热)铸锚具。钢丝束冷铸锚具的构造见图3。锚环内壁呈锥台型,灌环氧铁砂冷铸料。当钢丝受力时,借助于楔形原理,对钢丝产生夹紧力。钢丝尾部镦头,形成抵抗拉力的第二道防线。锚环利用梯形螺纹与螺母固定。张拉端锚具要有内螺纹,以使与张拉杆连接。钢丝束热铸锚具的原理同上,但在锚环内浇锌铜合金,温度以450℃为宜。尾部有缴头和不镦头两种方法。
(3)钢绞线夹片锚具。钢绞线夹片锚具是利用夹片来镭固钢绞线的一种楔紧式镭具,的有:多孔夹片锚具,也称群锚,见图4所示。在锚板的每个锥形孔内装一副夹片夹紧一根钢绞线。夹片有二片式和三片式,夹片内表面为倒锯形细齿,自锚性能好。在低应力状态下,夹片的齿形应特制,并用防松装置压紧。如仅夹持单根钢纹线,可采用单孔夹片锚具。
多孔夹片锚具的型号主要有:XM、QM、OVM、YM、TM、HⅤM等,可锚固1860MPa的钢绞线束,每束钢绞线根数一般为3~12根,也可更多些。
(4)钢绞线挤压锚具。钢纹线挤压错具,是利用挤压机推动挤压套通过喇叭形模具挤压在钢絞线端头的一种握裹式锚具,仅用于固定端,见图5所示
(5)钢绞线压接错具。钢绞线压接铺具是利用压力机将套筒径向压接在钢纹线端头的种握裹错式具。图6所示钢絞线压接锚具的端头为螺杆(用于张拉端)或耳环(用于固定端)上述各类镭具的锚固性能,应符合国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》的规定。
三、施加预应力
(1)张拉设备。预应力筋张拉设备由张拉千斤顶、电动油泵及压力表组成,应配套标定,以确定张拉力与压力表读数的对应关系。张拉千斤顶常用的有:100~250t群锚千斤顶(YCQ、YCW型)(图7),60t穿心千斤顶(YC型)、18-251前卡千斤顶(YCN、YDC型)(图8)等。前二者可用于钢线束与钢丝束张拉,后者仪用于单根钢绞线张拉。
(2)张拉力与预应力损失。预应力筋的张拉力：
P=ɗcon ·Ap
式中ɗcon—预应力筋的张拉控制应力,对钢结构的杆件为0.5~0.7fptk,对钢结构的拉索为0.2-0.35 fptk (fptk —预应力筋的抗拉强度标准值);
Ap —预应力筋的截面面积
在钢结构的预应力筋张拉时和张拉后,预应力损失包括:孔道摩擦损失、错固损失弹性压缩损失、应力松弛损失等。当预应力筋的有效预应力值不大于0.5 fptk时,应力松驰损失等于零。
(3)张拉顺序与方法。
预应力筋的张拉顺序:应考虑结构受力特点、施工方便、操作安全等因素确定,以对称张拉为基本原则。
预应力筋的张拉方法:对直线筋,可采取一端张拉;对折线束,应采取两端张拉。张拉力宜分级加载;采用多台千斤顶同时工作时,应同步加载。实测张拉伸长值与计十算值比较,其允许误差为+10%、-5%
四、力筋防护
在钢结构中,预应力筋的防护有以下几种做法。
(1)灌水泥浆法预应力筋张拉后,在钢管内进行压力灌浆,钢管外表面刷防锈漆
(2)涂油裹布法预应力筋表面涂防锈油脂,裹麻布或玻璃布。涂油、裹布应重复2~3道。每道包布的缠绕方法与前一道相反。
(3)涂油包塑法采用机械化涂抹防锈油脂并外包热挤成型的高密度聚乙烯(PE E)套管,商品化生产单根钢绞线或745钢线束无粘结预应力筋。热挤成型的PE套管厚度宜12m;如有需要,可采用双层作法,外层厚0.4-0.8mn
(4)PE料包覆法,预应力用PE料进行包覆,PE料厚度一般为5mn;根据需要,也可加厚。机械化生产,成品索供应。
(5)多层防护法,又有多种作法,介绍如下:
1)采用镀锌钢纹线或涂环氧钢绞线,再灌水泥浆或涂油包塑
2)无粘结钢绞线束外加钢套管或PE套管,内灌水泥浆或液体氯丁橡胶或不灌浆力筋的防护作法应根据力筋所在的部位、使用环境及具体施工条件选用。不论采用哪种防护方法,在力筋防护前均应认真作好除污和除锈工作。