9.1 预应力混凝土结构概述

对普通钢筋混凝土构件来说，因为混凝土的抗拉强度比较低，故而在使用荷载作用下通常带裂缝工作，这样在一定程度上影响构件的耐久性和功能性，同时还会降低构件的刚度。为了克服普通混凝土的以上缺点，人们发明了预应力混凝土结构。

我国古代已经自觉不自觉的运用了预应力的概念。实例如:①木制浴桶的铁制桶箍；②用手搬一摞书时，要用双手对书施加一个预压力以确保书不会掉落；③鲁班锯的锯条；④自行车车圈与辐条。

将预应力的概念应用于混凝土结构中，就产生了预应力混凝土结构。最早提出预应力混凝土概念的是美国加利福尼亚旧金山工程师 P.H.Jackson，他于1886年申请了在混凝土拱内张紧钢拉杆作楼板的专利。但早期的混凝土和钢筋强度较低，且对预应力损失问题缺乏认识，一直未能实现工程应用。直到1928年法国工程师E.Freyssinet考虑混凝土收缩和徐变产生的预应力损失，提出预应力混凝土必须采用高强钢材和高强混凝土，这是预应力混凝土在理论上关键的突破。1939年，E.Freyssinet 发明了短部锚固用的锥形契等，在工艺上提供了切实可行的方法，使预应力结构得到工程应用的真正推广，并于1940年代形成了较成熟的预应力体系及相关技术。

9.1.1预应力混凝土基本原理

预应力混凝土是怎样工作的呢？让我们看一下预应力混凝土的基本原理：在结构承受外荷载作用之前，在其可能开裂的部位预先人为的施加压应力，以抵消或减少外荷载所引起的拉应力，使结构在使用荷载作用下不开裂或者推迟开裂，或减小裂缝开展宽度，提高构件的抗裂度和刚度。预应力的作用可用图9-2的简支梁来说明。

9.1.2预应力混凝土的特点

与钢筋混凝土结构相比，预应力混凝土结构具有如下的特点：

（1）抗裂性好、刚度大。  （2）提高构件的抗剪承载能力。（3）提高结构的抗疲劳性能。（4）改善结构的耐久性。（5）节约材料、减轻自重。

预应力混凝土也存在着一些缺点，如制作工艺复杂、施工技术要求高，需要专门的张拉机具、灌浆设备和锚具，施工时的预应力反拱不易控制等。

9.1.3预应力混凝土的应用

预应力混凝土结构己广泛应用于土木工程中，例如预应力空心楼板、Π形屋面板、屋面大梁、屋架、吊车梁、预应力桥梁、电杆、桩、闸门、压力水管、储罐和铁路轨枕等已大量采用，预应力结构工程在房屋建筑、路面路桥、特种结构和工程加固等方面广泛应用。

9.1.4预应力混凝土的分类

在桥隧工程专业,预应力混凝土是通过预应力度来分类的，预应力度是由预加应力大小确定的消压弯矩M₀与外荷载产生的弯矩M的比值。分为全预应力混凝土,有限预应力混凝土, 部分预应力混凝土和普通钢筋混凝土.

(1)在建筑工程专业,《规范》根据构件受拉边缘的应力或正截面裂缝宽度，将预应力混凝土构件分为三类：

①一级¾¾严格要求不出现裂缝的构件，在荷载标准组合下构件受拉边缘不允许出现拉应力。这种预应力混凝土构件又称“全预应力混凝土”构件。

②二级¾¾一般要求不出现裂缝的构件，在荷载标准组合下构件受拉边缘允许出现拉应力，但拉应力不超过设计允许值；在荷载准永久组合下构件受拉边缘不允许出现拉应力。这种预应力混凝土构件称为“有限预应力混凝土”构件。

③三级¾¾允许出现裂缝的构件，按荷载效应的标准组合，并且考虑荷载长期作用影响的最大裂缝宽度不应超过最大裂缝宽度的允许值。这种预应力混凝土构件称为“部分预应力混凝土”构件。

（2）按粘结方式，可分为有粘结预应力混凝土和无粘结预应力混凝土两种。

（3）按施工工艺，可分为先张法和后张法两种。

①先张法预应力混凝土。先张拉预应力钢筋后浇筑混凝土。

②后张法预应力混凝土。先浇筑混凝土，待混凝土达到规定强度后再张拉预应力钢筋。

9.1.5预应力的施工工艺

预应力的施加方法，按混凝土浇筑成型和预应力钢筋张拉的先后顺序，可分为先张法和后张法两大类。

1.先张法:先张法即先张拉预应力钢筋，后浇筑混凝土的方法。先张法是将张拉后的预应力钢筋直接浇筑在混凝土内，依靠预应力钢筋与周围混凝土之间的粘结力来传递预应力。先张法需要有用来张拉和临时固定钢筋的台座，因此初期投资费用较大。但先张法施工工序简单，钢筋靠粘结力自锚，在构件上不需设永久性锚具，临时固定的锚具都可以重复使用。因此在大批量生产时先张法构件比较经济，质量易保证。为了便于吊装运输，先张法一般宜于生产中小型构件。

2.后张法:后张法是先浇筑混凝土构件，当构件混凝土达到一定的强度后，在构件上张拉预应力钢筋的方法。预应力混凝土的预应力钢筋完全依靠端头锚具来传递预压力，所以对锚具的质量及防腐蚀要后张法求较高。后张法不需要台座，构件可以在工厂预制，也可以在现场施工，应用比较灵活，但是对构件施加预应力需要逐个进行，操作比较麻烦。而且每个构件均需要永久性锚具，用钢量大，因此成本比较高。后张法适用于运输不方便的大型预应力混凝土构件。

9.1.6锚具与孔道成型材料

1.锚具:通常把在构件制作完毕后，能够取下重复使用的称为夹具；锚固在构件端部，与构件联成一体共同受力，不能取下重复使用的称为锚具。

锚具的制作和选用应满足下列要求：①安全可靠，锚具要有足够的强度和刚度，要满足结构要求的静载锚固性能、疲劳性能和抗震性能；②构造简单，便于机械高精度加工；③施工简便，预应力损失小；④使用方便，省材料，价格低。

锚具的种类很多，常用的锚具有以下几种：

（1）支承式锚具，依靠承压锚固:如①螺丝端杆锚具; ②镦头锚具.③夹片式锚具

（2）锥形锚具:利用钢丝在锚塞与锚圈之间的摩擦力锚固。

（3）固定端锚具，依靠粘结力锚固。①H型锚具；②P型锚具

预应力锚具的选用，可根据预应力筋品种和锚固部位的不同，以及锚具的锚固性能和结构的受力条件按表9-1选用。

表9-1预应力锚具选用表

施工时需要锚具代换的，必须经设计单位同意。代换原则是：较高强度等级预应力筋用锚、夹具可用于较低强度等级的预应力筋；较低强度等级预废力筋用锚、夹具不得用于较高强度等级的预应力筋。

2.孔道成型与灌浆材料

后张有粘结预应力钢筋的孔道成型方法分抽拔性和预埋型两类。

抽拔型是在浇筑混凝土前预埋钢管或充水（充压）的橡胶管，在浇筑混凝土后并达到一定强度时拔抽出预埋管，便形成了预留在混凝土中的孔道。适用于直线形孔道。

预埋型是在浇筑混凝土前预埋金属波纹管（或塑料波纹管），在浇筑混凝土后不再拔出而永久留在混凝土中，便形成了预留孔道。适用于各种线形孔道。

预留孔道的灌浆材料应具有流动性、密实性和微膨胀性，一般采用32.5或32.5以上标号的普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4～0.45，宜掺入0.01%水泥用量的铝粉作膨胀剂。当预留孔道的直径大于150mm时，可在水泥浆中掺入不超过水泥用量30%的细砂或研磨很细的石灰石。

1．《混凝土结构设计规范》规定，预应力混凝土构件的混凝土强度等级不应低于（  D   ）。

A.C20 ；  B.C30 ；  C.C35 ；  D.C40 。

2．其他条件相同时，预应力混凝土构件的延性比普通混凝土构件的延性（ C   ）。

A. 相同；

B. 大些；

C. 小些；

D. 大很多。

3．全预应力混凝土构件在使用条件下，构件截面混凝土（ A    ）。

A. 不出现拉应力；

B. 允许出现拉应力；

C. 不出现压应力；

D. 允许出现压应力。

【作业】

1.何为预应力？预应力混凝土结构的优缺点是什么？

2.为什么预应力混凝土构件所选用的材料都要求有较高的强度？

                预应力混凝土结构中的中国人

1972年12月23日，拉丁美洲尼加拉瓜的首都马那瓜发生了强烈的地震。霎时间，地动山摇，石破天惊。市中心地陷十余毫米，市区511个街区的房屋纷纷倒塌了，只有一幢60米高的18层美洲银行大厦岿然屹立!而这座大厦位于震中区，连大厦门前的街道都已下沉了。人们对这一奇迹不禁叹为观止，不能不对这一奇迹的创造者衷心敬佩。他就是名震全球的美籍华裔桥梁结构工程学家、被尊称为“美国预应力的功勋人”或“预应力混凝土先生(Mr,Pre-Stressed Concrete)"的林同炎教授。

林同炎（1919~2003），原名林同棪，西方常称之为T.Y.Lin或Tung-yenLin。华裔美国工程专家，美国加州大学伯克利分校教授，美国林同炎中国公司董事长，美国林同炎国际顾问公司名誉董事长。是预应力工程理论的研究者及最早实施者，被誉为“预应力先生”。他是第一位亚裔美国工程院院士，同时也是中国科学院外籍院士，“中央研究院院士”。

林同炎先生一生获奖无数，每一项世界大奖都具有开创性。1969年，美国土木工程师学会（ASCE）将该学会的“预应力混凝土奖”改名为“林同炎奖”，这是美国科技史上第一次以一个华人名字命名的科学奖项。1974年，他获得每4年一届的国际预应力协会（FIP）“弗雷西涅奖”，开创了美国工程师、亚裔工程师获得此奖项的先河。1986年他荣获了由美国总统里根在白宫内颁发的美国国家科学奖（National Medal of Science）。1987年，美国咨询工程师学会（ACEC）授予他“杰出成就奖”，并对他赋予最高的评价：“林同炎是工程界的先驱。他高瞻远瞩，他所涉及的工程具有的创造性和优美造型，是一份使全人类都能受益的国际性遗产，也使所有工程界人士都能分享到职业的荣誉感”。该奖自1952年起，规定每年只发给一个人，获奖者包括美国前任的两位总统胡佛及艾森豪威尔。1995年，他获得法国建设协会（AFGC）“艾伯特•卡克特奖”，这是世界上第一位欧洲以外的工程师获得此奖项。1999年，他被世界权威杂志《工程新闻纪录》选为“125年来125位最杰出的工程人士”。2000年，在美国土木工程学会（ASCE）设立首届“杰出工程与领袖（OPAL）奖的四个杰出奖项中，他又是第一名”设计类“奖的得主。

林同炎先生著书丰硕。他所著工程书籍共有三本问世（《预应力混凝土结构》，《钢结构》及《房屋与桥梁系统》），都已译成欧、亚各文，风行世界。特别是1956年他完成的力作《预应力混凝土结构》一书，被公认为预应力学术界的权威著作，被美国土木工程学会评选为大学最好教科书之一，被译成日、俄、西班牙等多种文字出版。他首创的“荷载平衡法”设计理论，称为预应力混凝土设计三大基础理论之一，被全世界尊为现代建筑的一代宗师。

20 世纪50 年代初, 预应力是一种新技术, 林同炎将其作为自己发展的天地。林同炎1953 年到比利时,在Gheu 大学Prof .Gustave Magnel 的指导下, 在GustaveMagnel实验室从事预应力混凝土研究。在欧洲工作一年期间, 林同炎学到了很多东西, 发展了预应力混凝土理论, 赋予预应力混凝土全新的概念, 创立了科学的、概念清晰的、易懂的、应用简捷的预应力混凝土构件的分析计算方法—荷载平衡法。林同炎摒弃了那些繁琐的数学公式, 从工程技术的角度来解释预应力混凝土的特性。林教授将预应力混凝土概括为三个基本概念。

概念之一, 通过施加预压力, 使混凝土这种脆性材料成为弹性材料, 外荷载在构件截面产生的拉应力被预应力产生的压应力所抵消, 构件可以按弹性材料进行分析。

概念之二, 预应力将高强钢材与混凝土有效结合。通过张拉和锚固预应力筋, 在预应力筋中产生拉力、混凝土中产生压力, 拉力和压力组成的内力偶抵抗外力弯矩。林同炎教授强调预应力混凝土构件的内力抵抗矩是主动的, 内力抵抗矩的力臂是随外弯矩的大小变化的。

概念之三, 用预应力平衡外荷载。荷载平衡法提出了预应力混凝土的一个最重要的设计概念, 即可以将受弯构件转化为受轴压力的构件。

林教授关于预应力混凝土的理论和计算分析方法很快为美国工程界所接受, 推动了预应力混凝土在美国的应用和发展, 使美国成为当时全世界预应力混凝土用量最大的国家。当时盛行的预制预应力混凝土构件有单T 板、双T 板、I 型梁等。美国预应力界将林教授的预应力宽翼缘单T 板誉为林T，在预应力协会编辑的预应力应用手册中分类为单T 板。为了使宽翼缘单T 板在工程中得到广泛应用, 林教授放弃了申请宽翼缘单T 板的专利。

他为了在美国大规模推行预应力学而引进先行经验，发动社会舆论，并筹备1957年在旧金山召开世界预应力混凝土讨论大会。在美国国家研究所的赞助下，集资亿万元，邀请了27个国家和地区的专家共1,200人到美集会。林同炎为大会主席，并致了开幕词和草拟了决议。事实上，他已经众望所归，成为国际预应力混凝土界的盟主了。

林同炎在大会开幕词中，用莎氏比亚的诗体赞美预应力混凝土，并把它写入《预应力混凝土设计》第二版的序言中。他在这首史划为七个阶段:

第一阶段:预应力混凝土刚诞生。

第二阶段:开始应用于工程，但是代价高昂，只是工程师的初步实践。

第三阶段:预应力混凝土开始成熟了，赞成者固然有，但是反对者更多。

第四阶段:经过顽强的竞争，预应力混凝土终于在工程界站住了脚，在若干国家得以推广，显示了它的优越性。

第五阶段:预应力混凝土的规范制定了，计算公式通俗化了，成为一种“常规武器”，然而它的发展却停滞了。

第六阶段:通过精密的研究，大胆的设计，使预应力学登上了工程技术的大雅之堂，成为现代化工程科学的重要组成部份。

第七阶段:预应力混凝土得到普遍地应用，但是，在人类认识自然的过程中还会有更新的材料与工艺取而代之。

虽然林同炎的科学技术成就在第四、五阶段中已崭露头角，做出了卓越的贡献，但是我们认为林同炎应当作为第六阶段的里程碑的代表人物载入工程技术的发展史册。

从1953年到1963年的10年间，林同炎发表了34篇论文和若干单行本，其中《钢结构设计》和《预应力混凝土结构设计》两书同时被选入美国土木工程学会(ASCE)所推荐的12本最优秀的工程书籍之列。林同炎的独创，打破了第五阶段的停滞状态，为过渡到第六阶段创造了条件。林同炎满怀希望地要“把预应力混凝土提高一步，使它不仅是一种主要的材料，而且成为一种工程结构的新概念”(《预应力混凝土结构物的设计》1963年重印版本)。他自己确实做到了这一点，被他的同事们尊称为概念设计师。