预应力结构设计原理要点总结

钢筋混凝土虽然改善了混凝土抗拉强度过低的缺点，但仍存在两个不能解决的问题:一是在带裂缝土作状态下，裂缝的存在不仅造成受拉区混凝土材料不能充分利用、结构刚度下降和自重比例上升，而且限制了它的使用范围;二是从保证结构耐久性的要求出发，必须限制混凝土裂缝开展的宽度，这就使高强度钢筋无法在钢筋混凝上结构中充分发挥其作用，相应也不可能使高强混凝土的作用发挥出来。

(l)第一种概念—预加应力能使混凝j几在使用状态下成为弹性材料

经过预压混凝土，使原先抗拉弱、抗压强的脆性材料变为一种既能抗压又能抗拉的弹性材料。由此，混凝上被看作承受两个力系，即内部预应力和外部荷载。若预应力所产生的压应力将外荷载所产生的拉应力全部抵消，则在正常使用状态下混凝土没有裂缝甚至不出现拉应力。在这两个力系的作用下，混凝土构件的应力、应变及变形均可按材料力学公式计算，并可在需要时采用叠加原理。

(2)第二种概念—预加应力能使高强钢材和混凝十共同上作并发挥两者的潜力这种概念是将预应力混凝十看作高强钢材和混凝土两种材料的一种协调结合。在混凝土构件中采用高强钢筋，要使高强钢筋的强度充分发挥，就必须使其有很大的伸长变形。如果高强钢筋只是简单地浇筑在混凝上体内，那么在使用荷载作用下混凝上势必严重开裂，构件将出现不能允许的宽裂缝和大挠度。预应力混凝土构件中的高强钢筋只有在与混凝土结合之前预先张拉，使在使用荷载作用下受拉的混凝土预压、储备抗拉能力，才能使受拉的高强钢筋的强度进一步发挥、因此，预加应力是一种充分利用高强钢材的能力、改变混凝土工作状态的有效手段，预应力混凝_上可看作钢筋混凝_L应用的扩展:但也应明确，预应力混凝土不能超越材料本身的强度极限。

(3)第三种概念—预加应力实现荷载平衡

预加应力的作用可以认为是对混凝土构件预先施加与使用荷载(外力)方向相反的荷载，用以抵消部分或全部使用荷载效应的一种方法。预应力筋位置的调整可对混凝土构件造成横向力。

四、预应力混凝土结构的优缺点

(1)提高了构件的抗裂性和刚度。构件施加预应力之后，裂缝的出现将大大推迟;在使用荷载作用下，构件可不出现裂缝或推迟出现，因而构件的刚度相应提高，结构的耐久性增强。(Z)可以节省材料，减少自重。预应力混凝上由于必须采用高强度材料，因而可以减少钢筋用量和减小构件截面尺寸，节省钢材和混凝土，从而降低结构物的自重。对于自重占总荷载比例很大的大跨径公路桥梁来说，采用预应力混凝土有着显著的优越性。一般大跨度或重荷载结构，采用预应力混凝土是比较经济合理的。(3)可以减小混凝上梁的剪力和主拉应力。预应力混凝土梁的曲线筋(束)，可使混凝土梁在支座附近承受的剪力减小，又由于混凝土截面上预压应力的存在，使荷载作用厂的主拉应力也相应减小，有利于减薄混凝土梁腹的厚度，这也是预应力混凝上梁能减轻自重的原因之一。(4}结构安全、质量可靠。施加预应力时，预应力筋(束)与混凝土都将经受一次强度检验。如果在预应力筋张拉时预应力筋和混凝土都表现出良好的质量，那么，在使用时一般也可以认为是安全可靠的《

此外，预应力混凝土还能提高结构的耐劳性能。因为具有强大预应力筋、混凝上全截面或基本全截面参加工作的构件，在使用阶段因加荷或卸荷所引起的应力相对变化很小，因而引起疲劳破坏的可能性也小。这对于承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。

预应力混凝土结构也存在着一些缺点:

s}}工艺较复杂，质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。

cZ)需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。

r}}预应力反拱不易控制，它将随混凝土的徐变增加而加大，可能影响结构使用效果。

(4)预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数量少的工程，成本较高。

但是，以上缺点是可以设法克服的。例如应用于跨径较大的结构，或跨径虽不大但构件数量很大时，采用预应力混凝土就比较经济:总之，只要我们从实际出发，合理地进行设计和妥善安排，预应力混凝土结构就能充分发挥其优越性。

在设计、制造或选择锚固体系时，原则上应注意满足下列要求:

(I)锚固体系受力安全可靠，确保构件的预应力要求;(})引起的预应力损失和在锚具附近的局部压应力小;(3)构

造简单，加工制作方便，重量轻、节约钢材; (4根据设计取用的预应力筋种类、预压力大小及布束的需

要选择锚具体系;(5)预应力筋张拉操作方便，设备简单。

预应力筋与孔道壁之间摩擦引起的应力损失

锚具变形、预应力筋回缩和分块拼装构件接缝压密引起的应力损失

混凝土加热养护时，预应力筋和台座之间温差引起的应力损失

混凝士弹性压缩引起的应力损失

预应力筋松弛引起的应力损失

混凝土收缩和徐变引起的应力损失

1.减少预应力筋与孑L道间摩擦引起的应力损失的措施

{1)采用两端张拉。这样，曲线的切线夹角B以及管道计算长度x即可减少一半;

(2)进行超张拉。这时端部应力最大，传到跨中截面的预应力也较大。但当张拉端回到控制应力后，由于受到反向摩擦力的影响，这个回松的应力并没有传到跨中截面，仍保持较大的超拉应力。

2。减少锚具、钢筋回缩和接缝压密引起的应力损失的措施

为了减少此项应力损失，可以采用下列两种方式:

〔l)选择变形量较小的锚具及尽可能少用锚垫板; {z)采用超张拉施工方法。 3.减少预应力筋与台座间温差引起的应力损失

为了减小这项预应力损失，先张法构件在养护时可采用两次升温的措施。

4.减少混凝土弹性压缩引起的应力损失的措施

一般情况下，对于后张法构件可尽量采用较少的分批张拉次数。

5，减少预应力筋松弛引起的应力损失的措施

(1)采用低松弛预应力筋;(2)采用超张拉方法及增加持荷时间:

6，减少混凝土收缩和徐变引起的应力损失的措施

}})采用一般普通硅酸软水泥，控制每立方混凝土中的水泥用量及混凝土的水灰比;(2)采用延长混凝土的受力时间，即控制混凝土的加载龄期。

预应力混凝土构件截面承载能力计算

(1}平截面假定即受弯前后，沿截面高度混凝土应变与离开中性轴的距离成正比。

(2)不考虑混凝土的抗拉强度即从正截而裂缝顶端到中性轴间有一小部分受拉区混凝土抗拉强度所承担的拉力很小，故偏安全又适应于简化而将其忽略不计。

(3)变形协调假定即预应力钢材与混凝土有很好的粘结强度，由荷载引起的钢材应变与相同位置混凝土应变相同。(4混凝土的极限压应变和应力一应变本构关系

根据国内外受弯构件和偏心受压构件试验表明，混凝土的极限压应变与混凝土的标号、钢

}5)预应力钢材极限应变和极限强度

对于预应力混凝土构件，预应力筋的极限拉应变是以混凝土消压时开始起算。

一个预应力混凝土结构及构件的设计应满足以下几个要求:

(1]构件应有足够的强度，以满足构件达到承载能力极限状态时具有一定的安全储备，即构件在最不利的条件下能够承受所出现的最大内力。

(2]在正常使用条件下，构件的应力(混凝土的正截面应力、斜截面应力、预应力筋的应力、、结构的变形都不超过规定的极限。如果允许构件出现裂缝，则裂缝宽度也应在一定的范围内。

(3]设计的结构及构件外型美观、适用。对于预应力结构来讲，锚固构造的设计尽叮能不影响结构的外型，并且不影响结构其它部位的功能。

(4]设计的结构物是经济合理的。结构物的经济合理不仅要考虑材料上的耗费，还要考虑到施工成本;不仅要考虑建造成本，而且应考虑其在预计使用年限内的维护费用。

具体的设计大体上分以下几个步骤:

[1)根据使用要求，参照已有设计和有关资料，初步拟定截面尺寸;

}2)根据结构可能出现的荷载组合，计算控制截面最大的设计内力;

S3)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，估算预应力筋的数最，并进行合理的布置;

(4)计算截面几何特征;

(5)预应力损失、锚固张拉力、有效预加力计算;

(6)控制截面的正截面强度和斜截面强度计算;

(7)使用荷载阶段和施工阶段的应力验算;

}$)变形(挠度和反拱度)计算;

}9)梁端部局部承压与锚固区设计计算。

束界-为了不使构件截面上、下缘混凝土出现超限的拉应力，可以按照最小外荷载(即构件自重gl}作用下和最不利荷载(即梁自重g1,J期恒载g2和活载Ll)作用下的两种情况，分别确定。在各截面上偏心矩的极限值。由此可以绘出如图