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第10章 预应力混凝土结构（第1页）

　　10。1预应力混凝土的基本概念与分类

　　普通钢筋混凝土的主要缺点是抗裂性能差。混凝土的受拉极限应变只有0。1x10-3～0。15x10-3，而在使用荷载作用下，合适的钢筋拉应力大致是其屈服强度的50%～60%，相应的拉应变为0。6x10-3～1。0x10-3，大大超过了混凝土的受拉极限应变。所以配筋率适中的普通钢筋混凝土构件在使用阶段总会出现裂缝。虽然在一般情况，只要裂缝宽度不超过0。20～0。30mm，并不影响构件的使用和耐久性。但是，对于某些使用上需要严格限制裂缝宽度或不允许出现裂缝的构件，普通钢筋混凝土就无法满足要求。

　　在普通钢筋混凝土结构中，为了不影响正常使用，常需将裂缝宽度限制在0。20～0。30mm以内，由此钢筋的工作应力要控制在150～200nmm2以下。所以，虽然采用高强度钢筋是降低造价和节省钢材的有效措施，但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无法充分利用。

　　采用预应力混凝土结构是解决上述问题的良好方法。

　　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部分或全部抵消外荷载所引起的拉应力。这样，在外荷载作用下，裂缝就能延缓或不致发生，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10-1所示的梁来说明。在外荷载作用下，梁下缘产生拉应力σ3［图10-1（b）］。如果在荷载作用以前，给梁施加一对偏心压力n，使得梁的下缘产生预压应力σ1［图10-1（a）］，那么在外荷载作用后，截面的应力分布将是两者的叠加［图10-1（c）］。梁的下缘压力可为压应力（如σ1-σ3>0）或数值很小的拉应力（如σ1-σ3

　　由此可见，施加预应力能使裂缝推迟出现或根本不发生，所以就有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比较，可节省钢材30%～50%。同时由于采用了高强度的混凝土，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，在预加偏心压力时又有反拱产生，从而可减少构件的总挠度。特别是其可从根本上解决裂缝问题，对水工建筑物的意义尤为重大。

　　图10-1预应力简支梁的基本受力原理

　　（a）预压力作用；（b）荷载作用；（c）预压力与荷载共同作用

　　预应力混凝土已广泛地应用于工业与民用建筑及交通运输建筑中。例如，预应力空心楼板、П形屋面板、屋面大梁、屋架、吊车梁、预应力桥梁、铁路轨枕等已被大量采用。在水工建筑中也用来修建码头、栈桥、桩、闸墩、调压室、压力水管、输水隧洞、渡槽、圆形水池、工作桥、水电站厂房的屋面梁及吊车梁等结构构件，也可用预加应力的方法来加固大坝、船闸等结构。

　　图10-2所示为某水电站拱坝深孔的预应力闸墩，闸墩除布置了非预应力钢筋外，还布置了6根环形预应力钢筋束，以避免闸墩在闸门水推力作用下出现裂缝。每根预应力钢筋束的张拉吨位为3000kn。

　　图10-2预应力闸墩

　　1—深孔；2—闸墩；3—闸门；4—预应力钢筋束；5—坝体

　　图10-3预应力整体坞式结构

　　1—廊道；2—底板；3—墩墙；4—航道；5—预应力钢筋束

　　图10-3所示为一预应力整体闸首结构（坞式结构）的横剖面。该闸首结构的底板除了布置了6层

　　36水平间距200mm的非预应力钢筋外，还布置5层水平间距700mm的预应力钢筋束，每根预应力钢筋束的张拉吨位为3000kn，用于减小底板的拉应力，防止裂缝出现或限制裂缝宽度。

　　对于某些有独特要求的结构，例如需防止海水腐蚀的海上采油平台，需耐高温高压的核电站大型压力容器等，采用预应力混凝土结构更有它的优越性，而非其他结构所能比拟。

　　采用预应力混凝土也有它的缺陷或需要加以解决的问题，如施工工序多，技术要求高，锚具和张拉设备以及预应力钢筋等材料较贵；完全采用预应力钢筋配筋的构件，由于预加应力过大而使得构件的开裂荷载与破坏荷载过于接近，破坏前无明显预兆；某些结构构件，如大跨度桥梁结构施加预压力时会产生过大的反拱，在预压力的长期作用下还会继续增大，以致影响正常使用。

　　为了克服采用过多预应力钢筋所带来的问题，国内外通过试验研究和工程实践，对预应力混凝土早期的设计准则——“预应力混凝土构件在使用阶段不允许出现拉应力”进行了修正和补充，提出了预应力混凝土构件可根据不同功能的要求，分成不同的类别进行设计。

　　在我国，预应力混凝土结构是根据裂缝控制等级来分类设计的，规范规定预应力混凝土结构构件设计时，应根据环境类别选用不同的裂缝控制等级：

　　（1）一级——严格要求不出现裂缝的构件，要求构件受拉边缘混凝土不应产生拉应力。

　　（2）二级——一般要求不出现裂缝的构件，要求构件受拉边缘混凝土的拉应力不超过规定混凝土抗拉应力限值。

　　（3）三级——允许出现裂缝的构件，要求构件正截面最大裂缝宽度计算值不超过规定的限值。

　　上述一级控制的预应力混凝土结构也常称为全预应力混凝土结构，二级与三级控制的也常称为部分预应力混凝土结构。

　　部分预应力混凝土是介于全预应力混凝土和普通钢筋混凝土之间的一种预应力混凝土。它有如下的一些优点：1由于部分预应力混凝土所施加的预应力比较小，可较全预应力混凝土减少预应力钢筋数量，或可用一部分中强度的非预应力钢筋来代替高强度的预应力钢筋（混合配筋），这使得总造价有所降低；2部分预应力混凝土可以减少过大的反拱；3从抗震的观点来说，全预应力混凝土的延性较差，而部分预应力混凝土的延性比较好一些。由于部分预应力混凝土有这些特点，近年来受到普遍重视。

　　若按预应力钢筋与混凝土的粘结状况，预应力混凝土结构可分为有粘结预应力混凝土与无粘结预应力混凝土两种。

　　有粘结预应力混凝土是指预应力钢筋与周围的混凝土有可靠的粘结强度，使得预应力钢筋与混凝土在荷载作用下有相同的变形。先张法和后张灌浆的预应力混凝土都是有粘结预应力混凝土。

　　在无粘结预应力混凝土中，预应力钢筋与周围的混凝土没有任何粘结强度。预应力钢筋的应力沿构件长度变化不大，若忽略摩阻力影响则可认为是相等的。无粘结预应力混凝土的预应力钢筋有塑料套管或塑料包膜（内涂防腐和润滑用的油脂）包裹，不需在制作构件时预留孔道和灌浆，施工时可像普通钢筋一样放入模板即可浇筑混凝土，张拉工序简单，施工非常方便。但试验表明，无粘结预应力钢筋的钢材强度不能充分发挥，破坏时钢筋拉应力仅为有粘结预应力钢筋的70%～90%。无粘结预应力混凝土结构设计时，为了综合考虑对其结构性能的要求，必须配置一定数量的有粘结的非预应力钢筋。

　　无粘结预应力混凝土已广泛应用于多层与高层建筑的楼板结构中，但在水利工程中采用得还不多，如需采用必须经过论证。这是因为在预应力混凝土结构中，预应力钢筋始终处于高应力状态，出现一点腐蚀损伤就易发生脆性断裂。水利建筑物一般处于潮湿环境中，一旦混凝土开裂预应力钢筋容易锈蚀，从而引起脆性断裂。而无粘结预应力混凝土的预应力钢筋与周围混凝土没有粘结，只要有一处预应力钢筋出现断裂，预应力就完全失效。

　　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。还需验算施工阶段（制作、运输、安装）混凝土的强度和抗裂性能。因此，设计预应力混凝土构件时，计算内容包括下列几方面：