预应力混凝土结构的概念(Prestressed Concrete)
1 引言
这个笔记follow着课程进度[5/3/2021至5/9/2021 Week 9], 简要描述了预应力混凝土(Prestressed Concrete)的基本概念, 仅为教学使用. 在先前的***文章中, 已经部分地提到了预应力混凝土, 这些讨论出现在下面的链接中. 同时, 在这个笔记中也展示了三本流行的钢筋混凝土教材中关于预应力混凝土的讨论.
桥梁结构设计: (2) 桥的类型(Types of Bridge)
局部承压(Partial/Local Compression)
David Darwin et al. (2016) Design of Concrete Structures (15th edition). 801p.
2 普通钢筋混凝土存在的问题
钢筋混凝土结构在使用中存在如下两个问题：(1) 由于裂缝的存在，不仅使构件刚度下降，而且使得钢筋混凝土构件不能应用于不允许开裂的场合；(2) 无法充分利用高强材料。靠增加钢筋混凝土构件的截面尺寸或增加钢筋用量的方法来控制构件的裂缝和变形是不经济的，因为这必然使构件自重（恒载）增加，特别是对于桥梁结构，随着跨度的增大，自重作用所占的比例也增大。钢筋混凝土结构在桥梁工程中的使用范围受到很大限制。
3 预应力混凝土结构的基本原理
由配置预应力钢筋再通过张拉或其他方法建立预应力的结构，就称为预应力混凝土结构。
预应力混凝土结构基本原理图
预压力Np必须针对外荷载作用下可能产生的应力状态有计划地施加。要有效地抵消外荷载作用所产生的拉应力，不仅与Np的大小有关，而且也与Np所施加的位置(即偏心距e的大小)有关。
Jack C. Mccormac et al. (2016) Design of Reinforced Concrete (10th Edition) 671p.
4 配筋混凝土结构的分类
国内通常把全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土结构总称为配筋混凝土结构系列。
4.1 国外配筋混凝土结构的分类
I级：全预应力—在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土不出现拉应力；
II级：有限预应力—在全部荷载最不利组合作用下，正截面上混凝土允许出现拉应力，但不超过其抗拉强度（即不出现裂缝）；在长期持续荷载作用下，混凝土不出现拉应力；
III级：部分预应力—在全部荷载最不利组合作用下，构件正截面上混凝土允许出现裂缝，但裂缝宽度不超过规定容许值；
IV级：钢筋混凝土结构。
4.2 国内配筋混凝土结构的分类
根据国内工程习惯，我国对以钢材为配筋的配筋混凝土结构系列，采用按其预应力度分成全预应力混凝土、部分预应力混凝土和钢筋混凝土等三种结构的分类方法。
(1) 预应力度的定义
《公路桥规》将受弯构件的预应力度(λ)定义为由预加应力大小确定的消压弯矩M0与外荷载产生的弯矩Ms的比值，即
(2) 配筋混凝土构件的分类
全预应力混凝土构件——在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘不允许出现拉应力(不得消压)，即λ≥1；
部分预应力混凝土构件——在作用（荷载）短期效应组合下控制的正截面受拉边缘出现拉应力或出现不超过规定宽度的裂缝，即1＞ λ ＞0；
钢筋混凝土构件——不预加应力的混凝土构件，λ =0。
(3) 部分预应力混凝土构件的分类
部分预应力混凝土构件就是指其预应力度介于以全预应力混凝土构件和钢筋混凝土构件为两个界限的中间广阔领域内的预应力混凝土构件。
为了设计的方便，《公路桥规》又将在作用(荷载)短期效应组合下控制的正截面受拉边缘允许出现拉应力的部分预应力混凝土构件分为以下两类：
A类：当对构件控制截面受拉边缘的拉应力加以限制时，为A类预应力混凝土构件；
B类：当构件控制截面受拉边缘拉应力超过限值，直到出现不超过限值宽度的裂缝时，为B类预应力混凝土构件。
Arthur H. Nilson et al. (2010) Design of Concrete Structures (14th edition) 813p.
5 预应力混凝土结构的优缺点
优点: (1) 提高了构件的抗裂度和刚度。(2) 可以节省材料，减少自重。(3) 可以减小混凝土梁的竖向剪力和主拉应力。(4) 预应力可做为结构构件连接的手段，促进了桥梁结构新体系与施工方法的发展。预应力还可以提高结构的耐疲劳性能,这对承受动荷载的桥梁结构来说是很有利的。
缺点: 预应力混凝土结构施工工艺较复杂，对施工质量要求甚高，同时需要有专门设备，如张拉机具、孔道压浆设备等，先张法需要有张拉台座，因而需要配备技术较熟练的专业队伍。预应力混凝土结构主要缺点有：(1) 预应力上拱度不易控制。预制梁存梁时间过久再进行安装，就可能因预应力作用使上拱度很大，造成桥面不平顺。(2) 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。
