11.1预应力混凝土：基本概念及钢筋混凝土结构

普通钢筋混凝土的主要缺点是抗裂性能差。混凝土受拉极限应变只有（0.1～0.15）×10^-3左右，此时的钢筋应力仅有20～30N/mm²，远未达到屈服强度，所以对不允许出现裂缝的构件，钢筋的强度不能充分发挥。而对允许出现裂缝的构件，在使用荷载下，常需将裂缝宽度限制在0.2～0.3mm以内，此时，变形钢筋的拉应力大致是其屈服强度的50%～60%，相应的拉应变约为（0.6～1.0）×10^-3，钢筋的工作应力只能达到150～210N/mm²左右，所以在普通钢筋混凝土中采用高强度钢筋是不合理的，因为这时高强度钢筋的强度没有能充分利用。但采用高强度钢筋却是降低造价和节省钢材的有效措施。对于大跨度结构和承受动力荷载的结构，上述矛盾就更为突出。由上述分析可见，对于使用上需要严格限制裂缝宽度或不允许出现裂缝的普通钢筋混凝土构件，就只能加大构件截面尺寸，从而导致材料的不经济，并且由于自重的增加，也就无法建造大跨度结构。采用预应力混凝土结构是解决上述问题的有效方法。

所谓预应力混凝土结构，就是在外荷载作用之前，先对混凝土预加压力，造成人为的应力状态，它所产生的预压应力能抵消外荷载所引起的部分或全部拉应力。这样，在外荷载作用下，裂缝就能延缓发生或不致发生，即使发生了，裂缝宽度也不会开展过宽。

预应力的作用可用图11-1的梁来说明。外荷载作用下，梁下缘产生拉应力σ₃（图11-1b）。如果在荷载作用以前，给梁先施加一偏心压力N，使得梁的下缘产生预压应力σ₁（图11-1a），那么在外荷载作用后，截面的应力分布将是两者的叠加（图11-1c）。梁的下缘应力可为压应力（如σ₁-σ₃>0）或数值很小的拉应力（如σ₁-σ₃<0）。

图 11-1

a）预压力作用 b）荷载作用 c）预压力与荷载共同作用

由此可见，施加预应力能大大提高构件的抗裂性能。由于裂缝很迟才出现或根本不发生，所以就可能利用高强度钢材，提高经济指标。预应力混凝土与普通钢筋混凝土相比，可节省钢材30%～50%。由于材料强度高，可使截面减小、自重减轻，就有可能建造大跨度承重结构。同时，因为混凝土不开裂，也就提高了构件的刚度和耐久性，在预加偏心压力时又有反拱度产生，从而可减少构件的总挠度。由于预先造成了人为应力状态，在重复荷载作用下，钢筋和混凝土的应力变化的幅度减小，因而构件抵抗疲劳的性能也较好。而且在预加应力时，构件相当于经受一次检验，故能保证构件的制造质量。

与普通混凝土结构相比，预应力混凝土存在下列缺点：

施工工序多，工艺复杂，施工技术要求高，且需要张拉设备和锚固装置。此外，由于预应力混凝土构件的开裂荷载与破坏荷载较接近，因而其延性较差。

目前，预应力混凝土构件按截面应力状态分为^[24]：

（1）全预应力混凝土（Fully prestressed concrete）。在传力过程或全部使用荷载下，混凝土截面都不容许出现拉应力。

（2）有限预应力混凝土（Limited prestressed concrete）。在传力过程或使用荷载下，混凝土截面中容许出现拉应力，但不得开裂。

（3）部分预应力混凝土（Partially prestressed concrete）。根据结构的种类和暴露条件，在使用荷载下容许出现不超过0.1mm或0.2mm宽度的裂缝。

（4）钢筋混凝土（Reinforced concrete）。不施加预应力的普通钢筋混凝土。

在1984年制定的《FIP实用设计建议》^[25]中，将预应力混凝土按荷载组合下的应力状态定义为：

（1）“全”预应力 沿预应力筋方向没有达到消压极限状态；

（2）有限预应力 拉应力没有达到混凝土抗拉强度设计值；

（3）部分预应力 混凝土拉应力没有限制。

上述定义把预应力度和全部使用荷载脱钩而成为一个随荷载条件而改变的相对概念。例如，按全部使用荷载（荷载最不利组合）设计成开裂的部分预应力混凝土结构，在长期荷载组合下可能变为“全”预应力或有限预应力混凝土结构。

另一种分类方法是按预应力度λ的大小来区分^[26]。所谓预应力度λ是指控制截面上的消压内力M₀或N₀与使用荷载（不包括预加力）标准组合作用下对该截面产生的内力M或N之比。

全预应力混凝土的预应力度最高，λ≥1；(www.xing528.com)

普通钢筋混凝土的预应力度最低，λ=0；

部分预应力混凝土的预应力度在1>λ>0的范围。按照使用荷载短期组合作用下构件正截面混凝土的应力状态，部分预应力混凝土构件又分为A类和B类，具体划分原则参见参考文献[26]。

我国混凝土结构设计规范（GB50010—2010）对预应力混凝土结构构件按所处环境类别和结构类别及裂缝控制等级分为三级：

一级——严格要求不出现裂缝的构件，在荷载效应的标准组合下，构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力；

二级——一般要求不出现裂缝的构件，在荷载效应的标准组合下，构件受拉边缘混凝土允许出现拉应力，但拉应力不应大于混凝土轴心抗拉强度标准值；

三级——允许出现裂缝的构件，最大裂缝宽度按荷载效应的标准组合并考虑长期作用影响的计算值不应超过最大裂缝宽度限值。对二a类环境的预应力混凝土构件尚应按荷载准永久组合计算，且构件受拉边缘混凝土的拉应力不应大于混凝土的抗拉强度标准值。

其他的分类方法还有：

按预应力筋张拉方式分为先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土（包括横向张拉预应力混凝土）；

按预应力筋与混凝土的粘结方式分为：有粘结预应力混凝土（包括缓粘结预应力混凝土）和无粘结预应力混凝土；

按结构的约束条件分为：静定预应力混凝土结构和超静定预应力混凝土结构等。

预应力混凝土构件除与普通钢筋混凝土构件一样需要按承载能力和正常使用两种极限状态进行计算外，还需进行施工阶段（制作、运输、安装）的承载力计算、应力验算或抗裂验算。因此，设计预应力混凝土构件时计算内容包括下列几方面：

1.使用阶段

（1）承载力计算。

（2）抗裂或裂缝宽度验算。

（3）挠度验算。

2.施工阶段

（1）承载力验算。

（2）抗裂验算。

（3）应力验算。