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摘要：通过对预应力混凝土结构的设计研究分析，文章分析了预应力混凝土的工程应用，认为应结合经济发展的实际情况，进一步探讨既能为工程界所接受，又能满足耐久性要求的裂缝控制标准，以推动高效预应力混凝土结构的发展。
关键词：:预应力混凝土；；设计方法；工程应用
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
在普通钢筋混凝土受拉构件和受弯构件中，一般都存在混凝土的受拉区，而混凝土本身的抗拉强度及极限拉应变却很小(混凝土抗拉强度约为抗压强度1/10，抗拉极限应变约为极限压应变的1/12)，其极限拉应变约为(0.1一0.15)xl0-3，因此，对使用中不允许出现裂缝的构件，受拉钢筋的应力仅为20-30N/mn2;对于允许开裂的构件，当裂缝宽度限制在0.2~0.3mm时，受拉钢筋的应力也只能在250 N/mn2左右。所以，如果采用高强度的钢筋，在使用阶段钢筋达到屈服时其拉应变很大，约在2x10-3以上，与混凝土极限拉应变相差悬殊，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。因而在普通钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥作用的。由于无法充分利用高强度钢材和高强度等级混凝土，使普通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。另外，对于处于高湿度或侵蚀性环境中的构件，为了满足变形和裂缝控制的要求，则须增加构件的截面尺寸和用钢量，将导致自重过大，也不很经济，甚至无法建造。由此可见，在普通钢筋混凝土构件中，高强混凝土和高强钢筋是不能充分发挥作用的。
为了充分利用高强混凝土及钢筋，可以在混凝土构件的受拉区预先施加压应力，造成人为的压应力状态。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消混凝土的预压应力，然后随着荷载的增加，混凝土才受拉并随着荷载继续增加而出现裂缝，因而可推迟裂缝的出现，减小裂缝的宽度，满足使用要求。这种在构件受荷前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为“预应力混凝土结构”。将预应力原理用于混凝土的实践始于十九世纪八十年代，但由于当时对混凝土和钢筋在应力状态下的性能缺少认识，施加的预应力太小，效果不是很明显，所以都没能得到推广应用。预应力混凝土进入实用阶段与法国工程师弗雷西奈(Freyssinet)的贡献是分不开的。他在对混凝土和钢材性能进行大量研究和总结前人经验的基础上，考虑到混凝土收缩和徐变产生的损失，于1928年指出了预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土。弗氏这一论断是预应力混凝土在理论上的关键性突破，从此，对预应力混凝土的认识开始进入新的阶段。预应力混凝土的大量推广，开始于第二次世界大战结束后的1945年。当时西欧由于战争对工业、交通、城市建设造成的大量破坏，急待恢复或重建，而钢材供应异常紧张，一些原来用钢结构的工程纷纷采用改用预应力混凝土结构代替，几年之内西欧和东欧各国都取得了蓬勃地发展。其应用的范围，开始是桥梁和工业厂房，后来扩大到土木建筑工程的各个领域。70年代后预应力混凝土更是在土建结构的各个领域扮演着重要的角色。混凝土是一种抗压强度高而抗拉强度低的脆性结构材料，它的抗拉强度比抗压强度要低很多。因此，素混凝土只适用于抗压而不适用于抗拉、抗弯的结构或构件。但如对混凝土构件的受拉部分预先施加压应力，用预压应力以抵消外荷作用下所产生的拉应力，就可以克服混凝土抗拉强度过低的缺点。
预应力混凝土能发展到当前这样高度的水平，是由于过去一个世纪以来无数工程师和科学家继续不断钻研和实践的结果。回顾历史，预应力混凝土的概念几乎是与钢筋混凝土的概念同时产生的，无论采用钢筋还是施加预应力，其目的都是为了加强混凝土的抗拉能力以弥补抗拉强度过低的缺点。预应力混凝土结构是上个世纪土木工程界的一项重大发明之一，它具有优良的结构性能，在房屋建筑、桥梁及水利等各种土木工程中都得到了广泛的应用。尽管预应力混凝土的概念在19世纪后期就提出了，但直到1928年，法国工程师弗莱西奈(Freyssient)发现了由于混凝土的收缩徐变引起过大的预应力损失后，采用高强度钢丝作为预应力筋，预加应力才一得以保证。自此预应力混凝土结构理论的发展进入了一个新的历史时期。特别是进入上世纪80年代中后期以来，经过各国学者和工程师的努力，预应力混凝土结构的性能研究、计算理论、设计方法及工程实践取得了长足发展。
预应力混凝土结构的优点:
(l)克服了混凝土抗拉能力低的缺点，提高了构件的抗裂性和刚度，减小了构件在使用荷载作用下裂缝和变形的发展，有效改善了构件的使用性能，增强了结构的耐久性。
(2)可以节约材料、减轻结构的自重并减小所受到的地震作用。
(3)提高了构件的抗剪能力。纵向预应力及弯起预应力筋的竖向分力可使荷载作用下构件的主拉应力减小，从而提高了斜截面的抗裂性。
(4)提高了构件的耐疲劳性能。预应力作用可降低钢筋中应力循环幅度，而混凝土结构的疲劳破坏一般是由钢筋的疲劳所控制的。
(5)预加应力的方法更有利于装配式混凝土结构的推广。通过预应力筋还可将预制构件拼装成整体构件，形成大型预制整体预应力建筑。
(6)可以解决其他结构材料难以解决的技术问题，建造各种大型、大跨、重载、高耸的土木工程。
预应力混凝土结构是使高强钢材和高强混凝土能动地结合在一起的高效的工程结构。国内外大量的土木工程實践己充分证明了预应力混凝土结构是当代工程建设中一种不可替代的重要结构。预应力混凝土技术的应用，不只是简单的节省了钢材和钢筋混凝土，还解决了很多使用其他结构材料难以解决的工程问题。大力开发和推广高效预应力混凝土结构，对改善结构的使用性能，节约钢材和资源，具有极其重大的社会经济效益。
在建筑工程中，预应力技术是建造大跨度公共建筑、大型会议展览中心及大开间住宅的重要技术，也是高层、超高层建筑和承受特重荷载的不可缺少的关键技术。总之，预应力技术在解决大、高、重、新建筑工程的设计和建造难题中将继续发挥其独特的优势。
在桥梁和隧道工程中，预应力技术的应用更为广阔。不论是超大跨的悬索桥(1000m以上，甚至达2000m)、特大跨的斜拉桥(500~1000m)，还是大中跨度的系杆拱桥(<500m)、连续梁桥、刚构桥及小跨度的简支梁桥、板桥，都可有效地应用预应力技术。在我国今后的地铁车站等地下工程中也将应用预应力技术。在特种结构工程及海洋工程中，预应力混凝土抗裂性高、耐久性好等优越性将得到充分的发挥。世界上几座最高的电视塔，如多伦多塔、莫斯科塔及上海塔等，都是采用预应力技术建造的，否则解决不了抗风防裂等难题。预应力混凝土更是建造海洋工程的最好材料。预应力技术在海洋采油平台、海洋储罐，海上运输船以及海上防波堤、跨海大桥等海洋工程中将发挥更高的效能。此外，预应力技术也将在水利工程或其它工程如旧建筑的加固改造、加层和拆除中获得更多的应用。
参考文献:
[1] 刘洪雨.超静定预应力混凝土梁非线性有限元分析[D]. 哈尔滨工程大学 2008
[2] 李世辉.大跨度预应力混凝土空心板结构的研究与应用[D]. 哈尔滨工程大学 2007
[3] 林元烁.后张预应力混凝土超静定结构侧向约束影响的分析研究[D]. 湖南大学 2011
[4] 龚政.预压装配式预应力混凝土框架弯矩调幅实验研究与理论分析[D]. 合肥工业大学 2005
[5] 何鹏.预压装配式预应力混凝土框架的变形分析[D]. 合肥工业大学 2007
关键词：:预应力混凝土；；设计方法；工程应用
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
在普通钢筋混凝土受拉构件和受弯构件中，一般都存在混凝土的受拉区，而混凝土本身的抗拉强度及极限拉应变却很小(混凝土抗拉强度约为抗压强度1/10，抗拉极限应变约为极限压应变的1/12)，其极限拉应变约为(0.1一0.15)xl0-3，因此，对使用中不允许出现裂缝的构件，受拉钢筋的应力仅为20-30N/mn2;对于允许开裂的构件，当裂缝宽度限制在0.2~0.3mm时，受拉钢筋的应力也只能在250 N/mn2左右。所以，如果采用高强度的钢筋，在使用阶段钢筋达到屈服时其拉应变很大，约在2x10-3以上，与混凝土极限拉应变相差悬殊，裂缝宽度将很大，无法满足使用要求。因而在普通钢筋混凝土结构中采用高强度钢筋是不能充分发挥作用的。由于无法充分利用高强度钢材和高强度等级混凝土，使普通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。另外，对于处于高湿度或侵蚀性环境中的构件，为了满足变形和裂缝控制的要求，则须增加构件的截面尺寸和用钢量，将导致自重过大，也不很经济，甚至无法建造。由此可见，在普通钢筋混凝土构件中，高强混凝土和高强钢筋是不能充分发挥作用的。
为了充分利用高强混凝土及钢筋，可以在混凝土构件的受拉区预先施加压应力，造成人为的压应力状态。当构件在荷载作用下产生拉应力时，首先要抵消混凝土的预压应力，然后随着荷载的增加，混凝土才受拉并随着荷载继续增加而出现裂缝，因而可推迟裂缝的出现，减小裂缝的宽度，满足使用要求。这种在构件受荷前预先对混凝土受拉区施加压应力的结构称为“预应力混凝土结构”。将预应力原理用于混凝土的实践始于十九世纪八十年代，但由于当时对混凝土和钢筋在应力状态下的性能缺少认识，施加的预应力太小，效果不是很明显，所以都没能得到推广应用。预应力混凝土进入实用阶段与法国工程师弗雷西奈(Freyssinet)的贡献是分不开的。他在对混凝土和钢材性能进行大量研究和总结前人经验的基础上，考虑到混凝土收缩和徐变产生的损失，于1928年指出了预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土。弗氏这一论断是预应力混凝土在理论上的关键性突破，从此，对预应力混凝土的认识开始进入新的阶段。预应力混凝土的大量推广，开始于第二次世界大战结束后的1945年。当时西欧由于战争对工业、交通、城市建设造成的大量破坏，急待恢复或重建，而钢材供应异常紧张，一些原来用钢结构的工程纷纷采用改用预应力混凝土结构代替，几年之内西欧和东欧各国都取得了蓬勃地发展。其应用的范围，开始是桥梁和工业厂房，后来扩大到土木建筑工程的各个领域。70年代后预应力混凝土更是在土建结构的各个领域扮演着重要的角色。混凝土是一种抗压强度高而抗拉强度低的脆性结构材料，它的抗拉强度比抗压强度要低很多。因此，素混凝土只适用于抗压而不适用于抗拉、抗弯的结构或构件。但如对混凝土构件的受拉部分预先施加压应力，用预压应力以抵消外荷作用下所产生的拉应力，就可以克服混凝土抗拉强度过低的缺点。
预应力混凝土能发展到当前这样高度的水平，是由于过去一个世纪以来无数工程师和科学家继续不断钻研和实践的结果。回顾历史，预应力混凝土的概念几乎是与钢筋混凝土的概念同时产生的，无论采用钢筋还是施加预应力，其目的都是为了加强混凝土的抗拉能力以弥补抗拉强度过低的缺点。预应力混凝土结构是上个世纪土木工程界的一项重大发明之一，它具有优良的结构性能，在房屋建筑、桥梁及水利等各种土木工程中都得到了广泛的应用。尽管预应力混凝土的概念在19世纪后期就提出了，但直到1928年，法国工程师弗莱西奈(Freyssient)发现了由于混凝土的收缩徐变引起过大的预应力损失后，采用高强度钢丝作为预应力筋，预加应力才一得以保证。自此预应力混凝土结构理论的发展进入了一个新的历史时期。特别是进入上世纪80年代中后期以来，经过各国学者和工程师的努力，预应力混凝土结构的性能研究、计算理论、设计方法及工程实践取得了长足发展。
预应力混凝土结构的优点:
(l)克服了混凝土抗拉能力低的缺点，提高了构件的抗裂性和刚度，减小了构件在使用荷载作用下裂缝和变形的发展，有效改善了构件的使用性能，增强了结构的耐久性。
(2)可以节约材料、减轻结构的自重并减小所受到的地震作用。
(3)提高了构件的抗剪能力。纵向预应力及弯起预应力筋的竖向分力可使荷载作用下构件的主拉应力减小，从而提高了斜截面的抗裂性。
(4)提高了构件的耐疲劳性能。预应力作用可降低钢筋中应力循环幅度，而混凝土结构的疲劳破坏一般是由钢筋的疲劳所控制的。
(5)预加应力的方法更有利于装配式混凝土结构的推广。通过预应力筋还可将预制构件拼装成整体构件，形成大型预制整体预应力建筑。
(6)可以解决其他结构材料难以解决的技术问题，建造各种大型、大跨、重载、高耸的土木工程。
预应力混凝土结构是使高强钢材和高强混凝土能动地结合在一起的高效的工程结构。国内外大量的土木工程實践己充分证明了预应力混凝土结构是当代工程建设中一种不可替代的重要结构。预应力混凝土技术的应用，不只是简单的节省了钢材和钢筋混凝土，还解决了很多使用其他结构材料难以解决的工程问题。大力开发和推广高效预应力混凝土结构，对改善结构的使用性能，节约钢材和资源，具有极其重大的社会经济效益。
在建筑工程中，预应力技术是建造大跨度公共建筑、大型会议展览中心及大开间住宅的重要技术，也是高层、超高层建筑和承受特重荷载的不可缺少的关键技术。总之，预应力技术在解决大、高、重、新建筑工程的设计和建造难题中将继续发挥其独特的优势。
在桥梁和隧道工程中，预应力技术的应用更为广阔。不论是超大跨的悬索桥(1000m以上，甚至达2000m)、特大跨的斜拉桥(500~1000m)，还是大中跨度的系杆拱桥(<500m)、连续梁桥、刚构桥及小跨度的简支梁桥、板桥，都可有效地应用预应力技术。在我国今后的地铁车站等地下工程中也将应用预应力技术。在特种结构工程及海洋工程中，预应力混凝土抗裂性高、耐久性好等优越性将得到充分的发挥。世界上几座最高的电视塔，如多伦多塔、莫斯科塔及上海塔等，都是采用预应力技术建造的，否则解决不了抗风防裂等难题。预应力混凝土更是建造海洋工程的最好材料。预应力技术在海洋采油平台、海洋储罐，海上运输船以及海上防波堤、跨海大桥等海洋工程中将发挥更高的效能。此外，预应力技术也将在水利工程或其它工程如旧建筑的加固改造、加层和拆除中获得更多的应用。
参考文献:
[1] 刘洪雨.超静定预应力混凝土梁非线性有限元分析[D]. 哈尔滨工程大学 2008
[2] 李世辉.大跨度预应力混凝土空心板结构的研究与应用[D]. 哈尔滨工程大学 2007
[3] 林元烁.后张预应力混凝土超静定结构侧向约束影响的分析研究[D]. 湖南大学 2011
[4] 龚政.预压装配式预应力混凝土框架弯矩调幅实验研究与理论分析[D]. 合肥工业大学 2005
[5] 何鹏.预压装配式预应力混凝土框架的变形分析[D]. 合肥工业大学 2007