彭泽维1 王珊珊2
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摘要：本文阐述了预应力混凝土结构的概念和性能特点，及其工艺做法、分析计算设计，并按不同分类和用处介绍了有粘结预应力混凝土、无粘结预应力混凝土、体外预应力混凝土、超静定预应力混凝土结构、横张预应力混凝土。
关键词：预应力混凝土结构；无粘结预应力混凝土；体外预应力混凝土
混凝土是抗压强度远远大于抗拉强度的材料，用于工程中做受拉构件、受弯构件、偏心受压构件、受扭构件常与钢筋共同作用以承载，在钢筋混凝土构件中钢筋主要承受拉力，混凝土主要受压，也承担部分拉力，在拉力作用下混凝土极易开裂，为了避免裂缝过早出现，在受外力作用前通过预应力筋对混凝土构件施加压力，由此产生预压应力来减小或抵消荷载引起的拉应力，称为预应力混凝土结构。
图2 素混凝土梁、钢筋混凝土梁、预应力混凝土梁
预应力混凝土结构较钢筋混凝土结构，因为使用预应力筋施加了预应力，构件的抗裂性和刚度都得到提高，亦可减小构件截面尺寸从而减轻结构自重，也使构件的剪力和主拉应力减小，还能提高结构的耐久性、耐疲劳性能和抗震能力，基于这些可用预应力混凝土建造各种大型、大跨度、重荷载、高耸结构，诸如利用预应力技术，构筑大空间体育场馆，增加楼盖、屋盖跨度，架设大跨度连续刚构桥、斜拉桥、悬索桥，抵抗烟囱、水塔等结构的风震作用和变形。
刚度大，但实践中存在反拱度过大、结构延性差等缺点，引入有限预应力混凝土和部分预应力混凝土减小预压力，并在构件中配置非预应力筋，可控制混凝土收缩、温度差等引起的裂缝发展，提高结构延性和反复荷载下能量耗散性能。
预加应力的方式有外部预加应力法和内部预加应力（自平衡）法，内部预加应力法主要通过张拉预应力筋并锚固在混凝土体上来实现，预应力筋与混凝土结构成整体。根据张拉预应力筋与浇筑混凝土的先后顺序，可分为先张法和后张法两种。先张法即先张拉预应力筋后浇筑构件混凝土，张拉预应力筋由专用锚具临时固定在台座上，然后浇筑构件混凝土，待混凝土养护到一定强度后，放松预应力筋，利用预应力筋的回缩力及其与混凝土之间的粘结作用使混凝土获得预加应力。后张法是先浇筑构件混凝土，后在构件上张拉预应力筋，其施工工艺为：首先在构件混凝土浇筑之前按预应力筋的设计位置预留孔道，待养护到一定强度后，再将预应力筋穿入预留孔道内，然后以混凝土构件本身作为支承件，张拉预应力筋使混凝土构件压缩，待张拉力达到设计值后，用特制的锚具将预应力筋锚固于混凝土构件上，从而使混凝土获得永久预压力，最后在预留孔道内压注水泥浆，以保护预应力筋并使其与混凝土粘结成整体。
预应力混凝土构件设计与钢筋混凝土构件设计的过程大体相类，不同的是考虑并计算了预应力筋。具体步骤为：初步拟定截面尺寸；根据可能出现的荷载组合计算控制截面最大的设计内力；根据控制截面在承载能力极限状态下的极限内力和正常使用极限状态下的使用内力，估算预应力筋的数量并进行合理布置；计算截面几何特征；计算预应力损失、锚固张拉力、有效预加力；计算控制截面的正截面强度和斜截面强度；验算使用荷载阶段和施工阶段的应力；计算变形、挠度和反拱度；设计计算端部局部承压与锚固区。
在后张法预应力混凝土结构中，张拉后不进行灌浆或不采取其它措施使预应力筋与混凝土牢固地粘结在一起，而允许预应力钢筋与周围混凝土发生相对滑动的预应力混凝土结构称为无粘结预应力混凝土结构。无粘结预应力筋经涂抹防锈油脂，用聚乙烯材料包裹制成，摩擦力小，预应力损失小，易弯成多跨曲线形状，无需预留孔道、穿筋及灌浆等复杂工序。由于无粘结筋和混凝土发生纵向相对滑动，其应力增量低于有粘结筋，无粘结预应力混凝土构件比有粘结预应力混凝土构件极限承载力低，抗裂、抗变形性能也较差。无粘结预应力混凝土结构的设计涉及预应力损失、极限应力、刚度和变形、裂缝宽度的计算，和相应的构造规定。
体外预应力混凝土结构，常用于箱型梁桥和加固维护中，它与体内预应力混凝土结构本质区别在于体外预应力混凝土结构的预应力筋布置在主体结构之外，由体外预应力索、管道和灌浆材料、锚固系统、转向装置等组成。体外预应力混凝土结构的力学性能基本与无粘结预应力混凝土结构相同，两者的差别在构造上，体外预应力混凝土结构中的预应力索基本上是折线型的，直线与直线之间由偏转装置转向，钢索管道在偏转位置处一般采用圆弧线。体外预应力索通常布置在箱梁底板上，预应力索的偏心距比体内无粘结预应力筋偏心距小；结构受力变形后，由于体外预应力索与周围混凝土体是脱离的，仅在锚固点与转向区域对体外预应力索有约束，其它区段钢索在截面上的相对位置随构件变形而变化，体外预应力索对截面的偏心距会随着构件弯曲下挠而减小，从而减小预应力作业，即发生二次效应。
图5 体外预应力混凝土结构构造
超静定结构用预应力混凝土，使构件刚度增大，挠度减小，提高受弯承载力，且几跨连续梁中预应力筋变成波浪形，同时作正负弯矩筋，又多次反向曲线的预应力筋摩擦损失值较大，通常采用超张拉或无粘结预应力技术减小摩擦损失。超静定预应力混凝土结构计算需考虑预加力在结构内产生次弯矩的影响，应用压力线概念即受压构件各截面的合力作用点轨迹连线布置预应力筋以使结构受力合理，常用分析方法有：弹性分析法，可直接应用力法、弯矩分配法，因预应力混凝土超静定结构在工作阶段适用弹性理论计算开裂前应力、应变、挠度；等效荷载法，将预应力筋对结构的作用理解为一组人为的反向荷载，用以部分或全部抵消结构承受的外荷载，因而分析预应力引起的混凝土应力和变形；荷载平衡法，根据外荷载的性质和大小将预加力和预应力钢筋线性确定使得作用在梁上的外荷载刚好被预加力产生的等效荷载所平衡即抵消，按此荷载平衡状态确定预应力筋的线形和预加力。
横张预应力混凝土沿垂直于预应力束的方向张拉而获得预应力，不需要灌浆和锚具，而在混凝土达到一定强度后，横张预应力筋，然后在预留明槽中直接浇筑混凝土。它改变传统的预留孔道为预留明槽，从而节省了波纹管、定位钢筋和灌浆水泥及相应工序；改变传统的专用锚具锚固为粘结力自锚，从而节省了锚具、锚下局部加强钢筋及预应力束的张拉操作长度；改变传统的沿预应力筋纵向张拉为沿垂直于预应力筋的横向张拉，所需横向张拉力小，且减小了预应力损失。
预应力混凝土结构以预应力筋预加压力改善了混凝土结构的受力性能而得到广泛应用，在发展的过程中又不断改进技术、工艺、构造、特性，产生了无粘结预应力混凝土结构、体外预应力混凝土结构等，人们对它的认识理解也逐渐深入，而有了诸多实用、先进的分析、计算、设计方法。
参考文献：
[1]赵国藩主编.高等钢筋混凝土结构学[M].北京：机械工业出版社，2005.8.
[2]李国平主编.预应力混凝土结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2000.
[3]王友志等编著.预应力混凝土结构[M].北京：中国水利水电出版社，1999.
[4]杜拱臣编著.现代预应力混凝土结构[M].北京：中国建筑工业出版社，1988.9.
论文作者:彭泽维1,王珊珊2
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第30期
论文发表时间:2019/9/16
标签：预应力论文; 混凝土论文; 构件论文; 混凝土结构论文; 荷载论文; 应力论文; 体外论文; 《建筑细部》2018年第30期论文;