预应力混凝土结构

[拼音]：yuyingli hunningtu jiegou

[外文]：prestressed concrete structure

以预应力混凝土制成的结构。用张拉钢筋的方法实现预压应力，所以也称预应力钢筋混凝土结构。

基本原理

预应力混凝土虽然只有几十年的历史，然而人们对预应力原理的应用却由来已久。如中国古代的工匠早就运用预应力的原理来制作木桶。木桶的环向预压应力通过套紧竹箍的方法产生。只要水对桶壁产生的环向拉应力不超过环向预压应力，则桶壁木板之间将始终保持受压的紧密状态，木桶就不会开裂和漏水。

混凝土的抗压强度虽高，而抗拉强度却很低，通过对预期受拉的部位施加预压应力的方法，就能克服混凝土抗拉强度低的弱点，达到利用预压应力建成不开裂的结构。

预应力混凝土梁的预应力筋，一般采用曲线形、折线形或直接形布置在梁的受拉部位。这种偏心预加力的作用，可以用一个轴心力和一个弯矩来代替，两者产生的应力及其合力示于图1，截面混凝土底纤维受压，顶纤维不出现或出现很小的拉应力。在使用荷载(外力矩M及梁自重)作用下，荷载对梁截面底纤维产生的拉应力为预压应力所抵消(图2)，此时梁的全截面混凝土均受压而不出现拉应力。

优缺点

由于采用了高强度钢材和高强度混凝土，预应力混凝土构件具有抗裂能力强、抗渗性能好、刚度大、强度高、抗剪能力和抗疲劳性能好的特点，对节约钢材、减小结构截面尺寸、降低结构自重、防止开裂和减少挠度都十分有效，可以使结构设计得更为经济、轻巧与美观。

预应力混凝土构件的生产工艺比钢筋混凝土构件复杂，技术要求高，需要有专门的张拉设备、灌浆机械和生产台座等以及专业的技术操作人员（见预应力工艺）。

应用范围

预应力混凝土结构的出现扩大了混凝土结构的应用范围，既适用于建造大、中跨度的桥梁、屋盖、楼盖及大尺寸的贮罐、压力容器(见容器结构)、海洋平台等有特殊要求的结构，也可以制作屋面板、楼板、檩条、压力水管、轨枕和电杆等小型构件。

预应力技术还可用作装配式结构的连接手段，如将预制块体拼装成大跨度的梁或桁架；将梁和柱连接成为预应力框架结构或将楼板和柱连接成为预应力板柱结构。预应力技术也常用于调整结构内力和变形的手段，如用扁形千斤顶将钢筋混凝土拱的拱冠部分顶开以抵消拱圈因收缩徐变引起的内应力。

沿革

将预应力的概念用于混凝土结构是美国工程师P.H.杰克孙于1886年首先提出的，以后又有不少人进行过预应力混凝土的研究，但都由于对预应力损失缺乏认识而未能取得成功。直到1928年法国工程师E.弗雷西内提出必须采用高强钢材和高强混凝土以减少混凝土收缩与徐变（蠕变）所造成的预应力损失，使混凝土构件长期保持预压应力之后，预应力混凝土才开始进入实用阶段。

预应力混凝土的大量采用是在1945年第二次世界大战结束之后，当时西欧面临大量战后恢复工作。由于钢材奇缺，一些传统上采用钢结构的工程以预应力混凝土代替。开始用于公路桥梁和工业厂房，以后逐步扩大到公共建筑和其他工程领域。弗雷西内视预应力混凝土为一种新的弹性材料，其设计准则是对混凝土施加的预压应力必须等于或超过使用荷载所产生的拉应力，以保证混凝土始终处于受压状态而避免开裂。这种不容许混凝土在使用阶段出现拉应力的所谓全预应力混凝土的使用性能接近于弹性体，可以运用弹性理论进行构件截面的应力分析。

1939年奥地利的V.恩佩格提出对普通钢筋混凝土附加少量预应力高强钢丝以改善裂缝和挠度性状的部分预应力新概念。1940年，英国的P.W.埃伯利斯进一步提出预应力混凝土结构的预应力与非预应力配筋都可以采用高强钢丝的建议。在50年代中国和苏联对采用冷处理钢筋的预应力混凝土，作出了容许开裂的规定。直到1970年，第六届国际预应力混凝土会议上肯定了部分预应力混凝土的合理性和经济意义。认识到预应力混凝土与钢筋混凝土并不是截然不同的两种结构材料，而是同属于一个统一的加筋混凝土系列。在以全预应力混凝土与钢筋混凝土为两个边界之间的范围，则为容许混凝土出现拉应力或开裂的部分预应力混凝土范围。设计人员可以根据对结构功能的要求和所处的环境条件，合理选用预应力的大小，以寻求使用性能好、造价低的最优结构设计方案，是预应力混凝土结构设计思想上的重大发展。

中国的预应力混凝土是随第一个五年计划大规模基本建设的需要而发展起来的。于1956年起推广，开始用于轨枕、厂房屋面大梁、桁架，吊车梁以及铁路桥梁，以后逐步扩大到公路和城市桥梁，民用建筑，海港码头，电杆、桩和压力水管等工程结构和制品。近年来又大量用于农村建筑以代替传统的木构架和檩条。长期实践表明，预应力混凝土结构使用性能良好，破坏前可以有很大的变形和明显的预兆（图3），比较安全可靠。

设计与制作

预应力混凝土结构的设计，除验算承载能力和使用阶段两个极限状态外，还要计算预应力筋的各项瞬时和长期预应力损失值（见预应力损失），及验算施工阶段，如构件制作、运输、堆放和吊装等工序中构件的强度和抗裂度。

预应力混凝土构件的制作方法有先张法和后张法。

（1）先张法。在混凝土灌筑之前，先将由钢丝钢绞线或钢筋组成的预应力筋张拉到某一规定应力，并用锚具锚于台座两端支墩上，接着安装模板、构造钢筋和零件，然后灌筑混凝土并进行养护。当混凝土达到规定强度后，放松两端支墩的预应力筋，通过粘结力将预应力筋中的张拉力传给混凝土而产生预压应力。先张法以采用长的台座较为有利，最长有用到一百多米的，因此有时也称作长线法。

（2）后张法。先灌筑构件，然后在构件上直接施加预应力的方法。一般做法多是先安置后张预应力筋成孔的套管、构造钢筋和零件，然后安装模板和灌筑混凝土。预应力筋可先穿入套管也可以后穿。等混凝土达到强度后，用千斤顶将预应力筋张拉到要求的应力并锚于梁的两端，预压应力通过两端锚具传给构件混凝土。为了保护预应力筋不受腐蚀和恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力，预应力筋与套管之间的空隙必须用水泥浆灌实。水泥浆除起防腐作用外，也有利于恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力。为了方便施工，有时也可采用在预应力筋表面涂刷防锈蚀材料并用塑料套管或油纸包裹的无粘结后张预应力筋。

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