教学要求
1.了解预应力混凝土的特点;
2.理解预应力混凝土的基本原理和预加应力的方法。
 6.1.1预应力混凝土的基本原理
钢筋混凝土是由混凝土和钢筋两种物理力学性能不同的材料所组成的弹塑性材料。混凝土抗拉强度及极限拉应变值都很低，其抗拉强度只有抗压强度的1/10～1/18，极限拉应变仅为0.1× ～0.15×，即每米只能拉长0.1~0.15mm，超过后就会出现裂缝。而钢筋达到屈服强度时的应变却要大得多，约为0.5×～1.5×，如HPB235级钢筋就达0.1×10-2。对使用上不允许开裂的构件，受拉钢筋的应力只能用到20~30N/mm2，不能充分利用其强度。对于允许开裂的构件，当受拉钢筋应力达到250N/mm2时，裂缝宽度已达0.2~0.3mm，构件耐久性有所降低，不宜用于高湿度或侵蚀性环境中。
由于混凝土的抗拉性能很差，使钢筋混凝土存在两个无法解决的问题：一是在使用荷载作用下，钢筋混凝土受拉、受弯等构件通常是带裂缝工作的。裂缝的存在，不仅使构件刚度大为降低，而且不能应用于不允许开裂的结构中；二是从保证结构耐久性出发，必须限制裂缝宽度。为了要满足变形和裂缝控制的要求，则需增大构件的截面尺寸和用钢量，这将导致自重过大，使钢筋混凝土结构用于大跨度或承受动力荷载的结构成为不可能或很不经济。从理论上讲，提高材料强度可以提高构件的承载力，从而达到节省材料和减轻构件自重的目的。但在普通钢筋混凝土构件中，提高钢筋强度却难以收到预期的效果。这是因为，对配置高强度钢筋的钢筋混凝土构件而言，承载力可能已不是控制条件，起控制作用的因素可能是裂缝宽度或构件的挠度。当钢筋应力达到500~1000N/mm2时，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。因而，钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥其作用的。而提高混凝土强度等级对提高构件的抗裂性能和控制裂缝宽度的作用也极其有限。
为了避免钢筋混凝土结构的裂缝过早出现，充分利用高强度钢筋及高强度混凝土，可以设法在结构构件承受使用荷载前，预先对受拉区的混凝土施加压力，使它产生预压应力来减小或抵消荷载所引起的混凝土拉应力，从而将结构构件的拉应力控制在较小范围，甚至处于受压状态。也就是借助混凝土较高的抗压能力来弥补其抗拉能力的不足，以推迟混凝土裂缝的出现和开展，从而提高构件的抗裂性能和刚度。这就是预应力混凝土的基本原理。
现以图6.1.1所示的简支梁为例，进一步说明预应力混凝土的基本原理。在构件承受使用荷载q以前，设法将钢筋（其截面面积为 ）拉伸一段长度，使其产生拉应力 ，则钢筋中的总拉力为 ＝  。将张拉后的钢筋设法固定在构件的两端，则相当于对构件两端施加了一对偏心压力 ，从而在受拉区建立起预压应力（图6.1.1a）。当在梁上施加使用荷载q时，梁内将产生与预应力反号的应力（图6.1.1b）。叠加后的应力如图6.1.1c所示。显然，叠加后受拉区边缘的拉应力将小于由q在受拉区边缘引起的拉应力。 若叠加后受拉区边缘的拉应力小于混凝土的抗拉强度，则梁不会开裂；若超过混凝土的抗拉强度，构件虽然开裂，但裂缝宽度较未施加预应力的构件小。
预应力的概念在生产和生活中应用颇广。盛水的木桶在使用前要用铁箍把木板箍紧，就是为了使木块受到环向预压力，装水后，只要由水产生的环向拉力不超过预压力，就不会漏水。
 1.2预应力混凝土的分类
根据预加应力值大小对构件截面裂缝控制程度的不同，预应力混凝土构件分为全预应力混凝土和部份预应力混凝土两类。
在使用荷载作用下，不允许截面上混凝土出现拉应力的构件，称为全预应力混凝土，属严格要求不出现裂缝的构件；允许出现裂缝，但最大裂缝宽度不超过允许值的构件，则称为部分预应力混凝土，属允许出现裂缝的构件。此外，还有一种所谓限值预应力混凝土或有限预应力混凝土，一般也认为属于部分预应力混凝土，即在使用荷载作用下，根据荷载效应组合情况，不同程度地保证混凝土构件不开裂的构件，也就是说，按荷载长期组合作用时构件受拉边缘不允许出现拉应力，但按荷载短期组合作用时构件受拉边缘允许出现不超过规定值的拉应力，这种构件属一般要求不出现裂缝的构件。可见，部分预应力混凝土介于全预应力混凝土和钢筋混凝土两者之间。
按照粘结方式，预应力混凝土还可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土。
无粘结预应力混凝土，是指配置无粘结预应力钢筋的后张法预应力混凝土。无粘结预应力钢筋是将预应力钢筋的外表面涂以沥清、油脂或其他润滑防锈材料，以减小摩擦力并防锈蚀，并用塑料套管或以纸带、塑料带包裹，以防止施工中碰坏涂层，并使之与周围混凝土隔离，而在张拉时可言纵向发生相对滑移的后张预应力钢筋。无粘结预应力钢筋在施工时，像普通一样，可直接按配置的位置放入模板中，并浇灌混凝土，待混凝土达到规定强度后即可进行张拉。无粘结预应力混凝土不需要预留孔道，也不必灌浆，因此施工简便、快速，造价较低，易于推广应用。目前已在建筑工程中广泛应用此项技术。
6.1.3预应力混凝土的特点
与钢筋混凝土相比，预应力混凝土具有以下特点：
（1）构件的抗裂性能较好。
（2）构件的刚度较大。由于预应力混凝土能延迟裂缝的出现和开展，并且受弯构件要产生反拱，因而可以减小受弯构件在荷载作用下的挠度。
（3）构件的耐久性较好。由于预应力混凝土能使构件不出现裂缝或减小裂缝宽度，因而可以减少大气或侵蚀性介质对钢筋的侵蚀，从而延长构件的使用期限。
（4）可以减小构件截面尺寸，节省材料，减轻自重，既可以达到经济的目的，又可以扩大钢筋混凝土结构的使用范围，例如可以用于大跨度结构，代替某些钢结构。
（5）工序较多，施工较复杂，且需要张拉设备和锚具等设施。
由于预应力混凝土具有以上特点，因而在工程结构中得到了广泛的应用。在工业与民用建筑中，屋面板、楼板、檩条、吊车梁、柱、墙板、基础等构配件，都可采用预应力混凝土。
需要指出，预应力混凝土不能提高构件的承载能力。也就是说，当截面和材料相同时，预应力混凝土与普通钢筋混凝土受弯构件的承载能力相同，与受拉区钢筋是否施加预应力无关。
6.1.4施加预应力的方法
按照张拉钢筋与浇筑混凝土的先后关系，施加预应力的方法可分为先张法和后张法两类。
1.先张法
先张拉预应力钢筋，然后浇筑混凝土的施工方法，称为先张法，先张法的张拉台座设备如图6.1.2所示。
先张法的主要工艺过程是：穿钢筋→张拉钢筋→浇筑混凝土并进行养护→切断钢筋。预应力钢筋回缩时挤压缩凝土，从而使构件产生预压应力。由于预应力的传递主要靠钢筋和混凝土间的粘结力，因此，必须待混凝土强度达到规定值时（达到强度设计值的75％以上），方可切断预应力钢筋。
先张法的优点主要是，生产工艺简单，工序少，效率高，质量易于保证，同时由于省去了锚具和减少了预埋件，构件成本较低。先张法主要适用于工厂化大量生产，尤其适宜用于长线法生产中、小型构件。
2.后张法
先浇筑混凝土，待混凝土硬化后，在构件上直接张拉预应力钢筋，这种施工方法称为后张法。
后张法的主要工艺过程是：浇筑混凝土构件（在构件中预留孔道）并进行养护→穿预应力钢筋→张拉钢筋并用锚具锚固→往孔道内压力灌浆。钢筋的回弹力通过锚具作用到构件，从而使混凝土产生预压应力（图6.1.5）。后张法的预压应力主要通过工作锚传递。张拉钢筋时，混凝土的强度必须达到设计值的75％以上。
后张法的优点是预应力钢筋直接在构件上张拉，不需要张拉台座，所以后张法构件既可以在预制厂生产，也可在施工现场生产。大型构件在现场生产可以避免长途搬运，故我国大型预应力混凝土构件主要采用后张法。
后张法的主要缺点是生产周期较长；需要利用工作锚锚固钢筋，钢材消耗较多，成本较高；工序多，操作较复杂，造价一般高于先张法。
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