[科普中国]-预应力混凝土结构

预应力混凝土结构是在结构构件受外力荷载作用前，先人为地对它施加压力，由此产生的预应力状态用以减小或抵消外荷载所引起的拉应力，即借助于混凝土较高的抗压强度来弥补其抗拉强度的不足，达到推迟受拉区混凝土开裂的目的。以预应力混凝土制成的结构，因以张拉钢筋的方法来达到预压应力，所以也称预应力钢筋混凝土结构。

定义预应力混凝土结构, 使混凝土在荷载作用前预先受压的一种结构。预应力用张拉高强度钢筋或钢丝的方法产生。张拉方法有两种：

(1)先张法。即先张拉钢筋，后浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度时，放松钢筋两端；

(2)后张法。即先浇灌混凝土，达到规定强度时，再张拉穿过混凝土内预留孔道中的钢筋，并在两端锚固。

预应力能提高混凝土承受荷载时的抗拉能力，防止或延迟裂缝的出现，并增加结构的刚度，节省钢材和水泥。

为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强材，人们在长期的生产实践中创造了预应力混凝土结构。所谓预应力混凝土结构，是在结构构件受外力荷载作用前，先人为地对它施加压力，由此产生的预应力状态用以减小或抵消外荷载所引起的拉应力，即借助于混凝土较高的抗压强度来弥补其抗拉强度的不足，达到推迟受拉区混凝土开裂的目的。以预应力混凝土制成的结构，因以张拉钢筋的方法来达到预压应力，所以也称预应力钢筋混凝土结构1。

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。也有利于恢复预应力筋与混凝土之间的粘结力。如工匠运用预应力的原理来制作木桶：木桶通过套竹箍紧，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。 建筑工地用砖钳装卸砖块，被钳住得一叠水平砖不会提落。旋紧自行车轮的钢丝，使车轮受压力后而钢丝不折。

混凝土的抗压强度虽高，而抗拉强度却很低，预应力筋可先穿入套管也可以后穿。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2。

发展史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，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。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。

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，逐步扩大到公共建筑和其他工程领域。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2。

特点与钢筋混凝土相比，预应力混凝土的优点：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(可节约钢材40%～50%、混凝土20%～40%)、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。

预应力混凝土缺点：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；预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高3。

分类预应力混凝土的分类：

1.预应力混凝土按预应力度大小分：全预应力混凝土和部分预应力混凝土。

2.预应力混凝土按施工方式分：预制预应力混凝土、现浇预应力混凝土和叠合预应力混凝土等。

3.按预加应力的方法分：先张法预应力混凝土和后张法预应力混凝土3。

预应力筋预应力筋得种类：预应力筋通常由单根或成束的钢丝、钢绞线或钢筋组成。 按性质划分，预应力筋包括金属预应力筋和非金属预应力筋两类。常用的金属预应力筋可分为钢丝、钢绞线和热处理钢筋。非金属预应力筋主要指纤维增强塑料预应力筋。

常用的预应力筋：钢丝冷拔低碳钢丝，直径：3～5mm；碳素钢丝，直径：3～8mm；钢绞线：由7根碳素钢丝缠绕而成；热处理钢筋：直径：6～10mm；热轧螺纹钢筋，直径：25~32mm2。

施工工艺设计与制作 ：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，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施工方法：

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1。

国内发展现状中国于1956年开始推广预应力混凝土。20世纪50年代，主要采用冷拉钢筋作为预应力筋，生产预制预应力混凝土屋架、吊车梁等工业厂房构件。70年代，在民用建筑中开始推广冷拔低碳钢丝配筋得预应力混凝土中小型构件。20世纪80年代以来，预应力混凝土大量应用于大型公共建筑、高层及超高层建筑、大跨度桥梁和多层工业厂房等现代工程。经过50多年的努力探索，中国在预应力混凝土的设计理论、计算方法、构件系列、结构体系、张拉锚固体系、预应力工艺、预应力筋和混凝土材料等方面，已经形成一套独特的体系；在预应力混凝土的施工技术与施工管理方面，已经积累了丰富得经验3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学