預應力混凝土結構是在結構構件受外力荷載作用前，先人為地對它施加壓力，由此產生的預應力狀態用以減小或抵消外荷載所引起的拉應力，即藉助於混凝土較高的抗壓強度來彌補其抗拉強度的不足，達到推遲受拉區混凝土開裂的目的。以預應力混凝土製成的結構，因以張拉鋼筋的方法來達到預壓應力，所以也稱預應力鋼筋混凝土結構。
基本介紹
- 中文名：預應力混凝土結構
- 外文名：prestressed concrete structure
- 學科分類：建築學
- 套用領域：建築工程；橋樑工程
- 目的：提高抗拉強度；節約水泥鋼筋
- 別稱：預應力鋼筋混凝土結構
定義,基本原理,發展史,特點,分類,預應力筋,施工工藝,國內發展現狀,
定義
(1)先張法。即先張拉鋼筋，後澆灌混凝土，待混凝土達到規定強度時，放鬆鋼筋兩端；
(2)後張法。即先澆灌混凝土，達到規定強度時，再張拉穿過混凝土內預留孔道中的鋼筋，並在兩端錨固。
預應力能提高混凝土承受荷載時的抗拉能力，防止或延遲裂縫的出現，並增加結構的剛度，節省鋼材和水泥。
為了避免鋼筋混凝土結構的裂縫過早出現，充分利用高強材，人們在長期的生產實踐中創造了預應力混凝土結構。所謂預應力混凝土結構，是在結構構件受外力荷載作用前，先人為地對它施加壓力，由此產生的預應力狀態用以減小或抵消外荷載所引起的拉應力，即藉助於混凝土較高的抗壓強度來彌補其抗拉強度的不足，達到推遲受拉區混凝土開裂的目的。以預應力混凝土製成的結構，因以張拉鋼筋的方法來達到預壓應力，所以也稱預應力鋼筋混凝土結構。
基本原理
預應力混凝土雖然只有幾十年的歷史，然而人們對預應力原理的套用卻由來已久。也有利於恢復預應力筋與混凝土之間的粘結力。如工匠運用預應力的原理來製作木桶：木桶通過套竹箍緊，水對桶壁產生的環向拉應力不超過環向預壓應力，則桶壁木板之間將始終保持受壓的緊密狀態，木桶就不會開裂和漏水。 建築工地用磚鉗裝卸磚塊，被鉗住得一疊水平磚不會提落。旋緊腳踏車輪的鋼絲，使車輪受壓力後而鋼絲不折。
混凝土的抗壓強度雖高，而抗拉強度卻很低，預應力筋可先穿入套管也可以後穿。通過對預期受拉的部位施加預壓應力的方法，就能克服混凝土抗拉強度低的弱點，達到利用預壓應力建成不開裂的結構。
發展史
將預應力的概念用於混凝土結構是美國工程師P.H.傑克孫於1886年首先提出的，1928年法國工程師E.弗雷西內提出必須採用高強鋼材和高強混凝土以減少混凝土收縮與徐變（蠕變）所造成的預應力損失，使混凝土構件長期保持預壓應力之後，預應力混凝土才開始進入實用階段。1939年奧地利的V.恩佩格提出對普通鋼筋混凝土附加少量預應力高強鋼絲以改善裂縫和撓度性狀的部分預應力新概念。1940年，英國的埃伯利斯進一步提出預應力混凝土結構的預應力與非預應力配筋都可以採用高強鋼絲的建議。
預應力混凝土的大量採用是在1945年第二次世界大戰結束之後，當時西歐面臨大量戰後恢復工作。由於鋼材奇缺，一些傳統上採用鋼結構的工程以預應力混凝土代替。開始用於公路橋樑和工業廠房，逐步擴大到公共建築和其他工程領域。在50年代中國和蘇聯對採用冷處理鋼筋的預應力混凝土，作出了容許開裂的規定。直到1970年，第六屆國際預應力混凝土會議上肯定了部分預應力混凝土的合理性和經濟意義。認識到預應力混凝土與鋼筋混凝土並不是截然不同的兩種結構材料，而是同屬於一個統一的加筋混凝土系列。在以全預應力混凝土與鋼筋混凝土為兩個邊界之間的範圍，則為容許混凝土出現拉應力或開裂的部分預應力混凝土範圍。設計人員可以根據對結構功能的要求和所處的環境條件，合理選用預應力的大小，以尋求使用性能好、造價低的最優結構設計方案，是預應力混凝土結構設計思想上的重大發展。
特點
與鋼筋混凝土相比，預應力混凝土的優點：由於採用了高強度鋼材和高強度混凝土，預應力混凝土構件具有抗裂能力強、抗滲性能好、剛度大、強度高、抗剪能力和抗疲勞性能好的特點，對節約鋼材(可節約鋼材40%～50%、混凝土20%～40%)、減小結構截面尺寸、降低結構自重、防止開裂和減少撓度都十分有效，可以使結構設計得更為經濟、輕巧與美觀。
預應力混凝土結構
預應力混凝土結構預應力混凝土缺點：預應力混凝土構件的生產工藝比鋼筋混凝土構件複雜，技術要求高，需要有專門的張拉設備、灌漿機械和生產台座等以及專業的技術操作人員；預應力混凝土結構的開工費用較大，對構件數量少的工程成本較高。
分類
預應力混凝土的分類：
1.預應力混凝土按預應力度大小分：全預應力混凝土和部分預應力混凝土。
2.預應力混凝土按施工方式分：預製預應力混凝土、現澆預應力混凝土和疊合預應力混凝土等。
3.按預加應力的方法分：先張法預應力混凝土和後張法預應力混凝土。
預應力筋
預應力筋得種類：預應力筋通常由單根或成束的鋼絲、鋼絞線或鋼筋組成。 按性質劃分，預應力筋包括金屬預應力筋和非金屬預應力筋兩類。常用的金屬預應力筋可分為鋼絲、鋼絞線和熱處理鋼筋。非金屬預應力筋主要指纖維增強塑膠預應力筋。
先張法
先張法常用的預應力筋：鋼絲冷拔低碳鋼絲，直徑：3～5mm；碳素鋼絲，直徑：3～8mm；鋼絞線：由7根碳素鋼絲纏繞而成；熱處理鋼筋：直徑：6～10mm；熱軋螺紋鋼筋，直徑：25~32mm。
施工工藝
設計與製作 ：預應力混凝土結構的設計，除驗算承載能力和使用階段兩個極限狀態外，還要計算預應力筋的各項瞬時和長期預應力損失值，及驗算施工階段，如構件製作、運輸、堆放和吊裝等工序中構件的強度和抗裂度。
預應力混凝土構件的施工方法：
1.先張法。在混凝土灌築之前，先將由鋼絲鋼絞線或鋼筋組成的預應力筋張拉到某一規定應力，並用錨具錨於台座兩端支墩上,接著安裝模板、構造鋼筋和零件,然後灌築混凝土並進行養護。當混凝土達到規定強度後，放鬆兩端支墩的預應力筋，通過粘結力將預應力筋中的張拉力傳給混凝土而產生預壓應力。先張法以採用長的台座較為有利，最長有用到一百多米的，因此有時也稱作長線法。
2.後張法。先灌築構件，然後在構件上直接施加預應力的方法。一般做法多是先安置後張預應力筋成孔的套管、構造鋼筋和零件，然後安裝模板和灌築混凝土。預應力筋可先穿入套管也可以後穿。等混凝土達到強度後，用千斤頂將預應力筋張拉到要求的應力並錨於梁的兩端，預壓應力通過兩端錨具傳給構件混凝土。為了保護預應力筋不受腐蝕和恢復預應力筋與混凝土之間的粘結力，預應力筋與套管之間的空隙必須用水泥漿灌實。水泥漿除起防腐作用外，也有利於恢復預應力筋與混凝土之間的粘結力。為了方便施工，有時也可採用在預應力筋表面塗刷防鏽蝕材料並用塑膠套管或油紙包裹的無粘結後張預應力。
國內發展現狀
中國於1956年開始推廣預應力混凝土。20世紀50年代，主要採用冷拉鋼筋作為預應力筋，生產預製預應力混凝土屋架、吊車梁等工業廠房構件。70年代，在民用建築中開始推廣冷拔低碳鋼絲配筋得預應力混凝土中小型構件。20世紀80年代以來，預應力混凝土大量套用於大型公共建築、高層及超高層建築、大跨度橋樑和多層工業廠房等現代工程。經過50多年的努力探索，中國在預應力混凝土的設計理論、計算方法、構件系列、結構體系、張拉錨固體系、預應力工藝、預應力筋和混凝土材料等方面，已經形成一套獨特的體系；在預應力混凝土的施工技術與施工管理方面，已經積累了豐富得經驗。
