预应力钢结构：提升性能与经济效益的创新技术

预应力钢结构与普通钢结构相比，具有以下特点：

①充分发挥材料的强度潜力，提高承载能力；

②改善结构的受力状态，节省钢材；

③提高结构的刚度和稳定性，调整动力性能等。

预应力钢结构的经济效益与结构形式、预应力方法、节点结构、几何尺寸、荷载性质和大小、施工方法、材料和人工价格等直接相关。

预应力钢结构已从最初的预应力钢梁、钢桁架、多栈桥发展到预应力刚架、空间桁架、网架、网壳、斜拉体系（索网、索拱、索膜）等结构形式。

预应力技术应用于大跨度、重载钢结构，具有明显的经济效益。预应力技术与现代钢结构的结合，有利于创建新的结构体系，体现技术美的现代色彩。

1、预应力筋的类型及选用

现代钢结构的预应力筋宜采用平行钢丝束和钢绞线束。

(1)高强度钢丝。高强度钢丝采用优质高碳钢盘条，经过多次冷拔，然后矫直、回火加工而成。平行钢丝束由多根高强度钢丝编织而成。近年来开发的新品种有：低松弛钢丝、镀锌钢丝。常用的高强度钢丝直径为5mm、6mm和7mm，标准强度值为1570MPa和1670MPa。高强钢丝的性能应符合国家标准《预应力混凝土用钢丝》（GB/T 5223-95）的规定。

(2)钢绞线。钢绞线是由多根高强度钢丝在绞线机上螺旋绞合并调质而成。常用的1x7钢绞线是由6根外层钢丝绕着一根中心钢丝绞合而成，如图1(a)所示。近年来新开发的品种有：低松弛钢绞线、镀锌钢绞线、铝包钢绞线和模拉钢绞线[图1(b)]等。

常用的钢绞线直径为：12.7mm和15.2mm，标准强度值为1720MPa和1860MPa。钢绞线截面积：9127为98.7mm，15.2为139mm。每米重量分别为0774kg和1.101kg。 9152模拉钢绞线截面积为165mm，每米重量为1.295kg。钢绞线的性能应-..--L符合国家标准《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T 5224-95）的规定。

2、锚固系统

(1)钢丝航向锚。钢丝头锚是利用钢丝头锚固预应力钢丝的支撑锚。

常用的锚栓类型有：锚杯式（A型）和锚板式（B型），见图2。钢丝根数不限。

张拉端采用A型锚栓。张拉时，用工具式拉杆旋入锚杯内螺纹，将钢丝束拉出，用螺母固定。

B型锚栓一般用于固定端部。若用在受拉端，锚板应有外螺纹，锚固时可用半圆环垫片固定。

(2)钢丝束冷(热)铸锚栓。钢丝冷铸锚栓的结构如图所示

3、锚环内壁呈截锥体形状，填充环氧铁砂冷铸材料。当钢丝受力时，借助楔块原理在钢丝上产生夹紧力。钢丝末端的铲子形成了抵抗拉力的第二道防线。锚环用梯形螺纹和螺母固定。受拉端锚栓应有内螺纹，以便于与受拉杆连接。热铸钢丝锚栓的原理与上述相同，但将锌铜合金在450℃的温度下浇注到锚环中。有两种方法使用铲形头或尾部不嫩头。尾部有两种方法：头部和头部。

(3) 钢绞线夹式锚栓。钢绞线夹式锚栓是一种利用夹子锚固钢绞线的楔型锚栓。常用的有：多孔夹子锚，也叫群锚，如图4所示。在锚板的每个锥孔内安装一对夹子，用于夹紧一根钢绞线。夹子有两件式和三件式两种类型。卡子内表面为倒锯形细齿，具有良好的自锚性能。在低应力条件下，夹子的齿形应特殊设计，并压有防松装置。若仅夹紧单根钢绞线，可采用单孔夹式锚栓。

多孔夹式锚栓的主要型号有： .

(4)钢绞线挤压锚栓。钢绞线挤压锚栓是一种握力缠绕式锚栓，利用挤压机将挤压套筒推动通过喇叭形模具，挤压到钢绞线端部。仅用于固定端，如图5所示。

(5) 钢绞线压接锚栓。钢绞线压接锚栓是一种夹紧锚栓，利用压力机将套筒径向压接到钢绞线端部。图6所示钢绞线压接锚栓的端部为螺钉（用于受拉端）或耳环（用于固定端）。上述类型锚具的锚固性能应符合国家标准《预应力筋用锚具、卡箍和连接件》（GB/T 14370--2000）的规定。

3.施加预应力

(1)张紧设备。预应力筋张拉设备由张拉千斤顶、电动油泵和压力表组成，应对其进行校准，以确定张拉力与压力表读数的对应关系。

常用的张拉千斤顶有：100~250t群锚式千斤顶（YCQ、YCW型）（图7）、60t穿芯千斤顶（YC型）、18~25t前夹式千斤顶（YCN、YDC型）（图8）、 ETC。 。前两者可用于张拉钢绞线和钢丝束，而后者仅用于张拉单根钢绞线。

(2)张力和预应力的损失。

预应力筋张拉力：

P =δcom·AP ，其中

δcom——预应力筋的拉控制应力，钢结构杆件为0.5~0.7fptk，钢结构索为0.2~0.35fptk（fptk——预应力筋抗拉强度标准值）；

Ap -_预应力筋的横截面积。

钢结构预应力筋张拉过程中和张拉后，预应力损失包括：通道摩阻损失、锚固损失、弹性压缩损失、应力松弛损失等。当预应力筋有效预应力值不大于0.5fptk时，应力弛豫损失为零。 (3)张拉顺序和方法。预应力筋的张拉顺序应综合考虑结构受力特点、施工便利性、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：对于直线筋，可一端张拉；对于折叠的线束，两端均应张紧。拉力应分阶段加载；当多个插孔同时工作时，应同步加载。拉伸伸长率实测值与计算值比较，允许误差为+10%和-5%。

在钢结构中，预应力筋的保护有以下方法。

(1)注浆方法：预应力筋张拉后，在钢管内部进行压力注浆，钢管外表面涂防锈漆。

(2)涂油裹布法：将预应力筋表面涂上防锈油脂，并用亚麻布或玻璃布包裹。涂油和包裹应重复2至3次。每块包布的包法与前一块相反。

（3）涂油涂塑法采用机械化涂覆防锈油脂和封装热挤压高密度聚乙烯（PE）套管，商业化生产无粘结预应力筋的单根钢绞线或7￠5钢丝束。 。热挤压PE套管厚度应为1.2mm；必要时可采用双层结构，外层厚度0.4~0.8mm。

(4)PE材料包覆法，预应力材料上覆盖PE材料。 PE材料的厚度一般为5mm；也可以根据需要加厚。机械化生产和成品供应。

(5)多层保护方法，方法有很多种，介绍如下：

1）采用镀锌钢绞线或环氧涂层钢绞线，然后填充水泥浆或涂油、涂塑料。

2）无粘结钢绞线加钢套管或PE套管，填充水泥浆或液体氯丁橡胶或不灌浆。应根据受力杆的位置、使用环境和具体施工条件来选择受力杆的防护方法。无论采用哪种保护方法，在保护肋骨之前都应认真做好去污、除锈工作。