預應力

在工程結構構件承受外荷載之前，對受拉模塊中的鋼筋，施加預壓應力，提高構件的剛度，推遲裂縫出現的時間，增加構件的耐久性。對於機械結構來看，其含義為預先使其產生應力，其好處是可以提高構造本身剛性，減少振動和彈性變形。這樣做可以明顯改善受拉模塊的彈性強度，使原本的抗性更強。

在結構承受外荷載之前，預先對其在外荷載作用下的受拉區施加壓應力，以改善結構使用的性能的結構型式稱之為預應力結構。

如木桶，在還沒裝水之前採用鐵箍或竹箍套緊桶壁，便對木桶壁產生一個環向的壓應力，若施加的壓應力超過水壓力引起的拉應力，木桶就不會開裂漏水。在圓形水池上作用預應力就像木桶加箍一樣。同樣，在受彎構件的荷載加上去之前給構件施加預應力就會產生一個和與荷載作用產生的變形相反的變形，荷載要構件沿作用方向發生變形之前必須最先把這個與荷載相反的變形抵消，才能繼續使構件沿荷載方向發生變形。這樣，預應力就像給構件多施加了一道防護一樣。

預應力是任何膜結構設計的必要荷載，按長期荷載考慮，同恆載效應分析。膜結構中預應力是一個十分複雜的因素，主要與膜材、建築形式、安裝方法等有關。

膜結構設計時，可採用下列方法合理施加預應力：在邊緣直接張緊膜面（如圖a）；拉緊周圍邊索（如圖b）；拉緊穩定索（如圖c）；頂升中間支柱（如圖d）。

體外預應力是后張預應力體系的重要分支之一，體外預應力砼結構有很多優點，預應力筋套管布置簡單，調整容易，簡化了后張法的操作程序，大大縮短了施工時間；同時由於預應力筋布置於腹板外面，使得澆築砼方便；由於預應力筋的位置，減少了施工過程中的摩擦損失且更換預應力筋方便易行。但目前國內對這一方面的研究很少，對於體外預應力筋的受力性能研究不多，因此為了使得體外預應力技術得到更大的使用，有必要對這一結構形式進行研究。體外和體內預應力結構在結構構造上的根本區別就是預應力筋位於混凝土結構的外部，僅在錨固及轉向塊處可能與結構相連，因此，體外索的應力是由結構的整體變形所決定的；而在體內有粘結預應力結構中，力筋位於混凝土結構的內部，與結構完全粘結，在任意截面處都與結構變形協調，因此力筋的應力是與某個混凝土截面息息相關的。傳統上來說，體內預應力筋是不被看作一個單獨構件的。而體外筋在混凝土體外，自然成為一個相對於組成結構整體的單獨構件，其較體內筋要重要許多。所以在承受動力荷載的體外預應力結構設計中，必須考慮到體外筋與結構是獨立振動的，應防止二者共振，而且當體外預應力筋在動力荷載（如車輛等）作用下發生共振時，就易發生錨具的疲勞破壞和轉向構件處的預應力筋的彎折疲勞破壞。在地震區時設計還必須考慮採取相應措施，提高體外預應力結構的抗震性能。如圖為某橋體外預應力的布置形式。

1、截面計算和預應力損失計算

體外預應力鋼筋與混凝土截面變形不協調，在應力計算中不能將體外預應力鋼束面積計入換算截面的特徵。

由於管道在結構體外，直線段體外預應力鋼束的摩阻損失小，幾乎可以忽略不計，而曲線段體外預應力鋼束的摩擦係數與採用的體外預應力鋼束類型有關。

由於截面變形造成的預應力損失需根據體外預應力體系與結構的粘結關係來計算。這部分包括混凝土彈性壓縮損失和混凝土徐變、收縮引起的預應力損失。若體外預應力鋼束為無粘結形式，則這部分損失計算與錨固點間相對位移差有關。故其計算方法與體內預應力鋼束不同。

2、體外預應力鋼束在轉向結構處的滑移

體外預應力鋼束在轉向結構處是否產生滑移以及由於滑移引起的應力重分佈，需根據體外預應力體系與結構的粘結關係來判斷。若鋼束在轉向點固定，則體外預應力鋼束在轉向結構處無滑移發生；若在轉向處可以滑移，則需要根據轉向結構兩端的鋼束拉力差和鋼束在轉向處的摩阻來判斷是否發生滑移。

3、體外預應力鋼束的二次效應

體外預應力鋼束僅在錨固和轉向位置處，才能與結構的豎向位移相協調，豎向約束點越少，結構變形時體外預應力鋼束偏離原位置就越多，這就是體外預應力鋼束的二次效應。二次效應是體外預應力結構在彈性階段區別於體內預應力結構的特徵之一。由於二次效應考慮的是體外預應力鋼束與結構豎向變形的差異，故這種效應是非線性的，對二次效應的研究必須考慮結構的非線性影響。

體外預應力在有限元計算中的實現

目前體外預應力的有限元計算主要有兩種方法：

1、以等效荷載的形式添加體外預應力；

2、單獨建立體外束單元的方式實現。

方法1能近似的計算預應力損失，但無法考慮轉向塊的作用（粘結滑移），且由於方法1是以荷載形式表達的（沒有實際的結構），所以難以考慮鋼束的二次效應。

方法2用結構來模擬預應力，因此能較好的考慮鋼束的二次效應，但預應力損失的計算與轉向塊的模擬存在一定的技術門檻，但是這並不是不能克服的，這一點在WISEPLUS中已經提供了相關技術的實現。

體外預應力鋼束體系疲勞評價是決定鋼束在使用階段應力限值的最主要因素。目前，世界各國對此應力限值的規定有較大的不同：如美國AASHTO規範規定對於后張的低鬆弛鋼絞線，使用極限狀態的體外預應力鋼束應力不超過0.72fpu；日本規範的體外預應力鋼束限定值為0.70fpu，德國規範原規定體外預應力鋼束限定值為0.55fpu，后將該值修訂成0.70fpu，為預應力鋼束的極限抗拉強度；法國規定除合同指定外，體外預應力鋼束限定值為0.60 GUTS（Guaranteed Ultimate Tensile Strength 保證極限抗拉強度）。我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》（JTG D62-2004）尚沒有對體外預應力鋼束的應力限值做規定，對於體內預應力鋼束規定的預應力限值為0.65，為預應力鋼筋抗拉強度標準值。由此可見，結合我國工程實際，確定合理的體外預應力鋼束使用階段應力限值是很有必要的。而體外預應力鋼束使用階段應力限值一旦確定，便也可以使體外預應力鋼束張拉控制應力、體外預應力鋼束有效應力及極限應力均有了取用基礎。體外預應力鋼束疲勞性能的研究分為兩個方面：一是通過對體外預應力鋼束在活載作用下的應力變化幅度的分析，來研究體外預應力鋼束組件（包括錨夾具、連接器）的整體疲勞性能；二是分析在轉向處體外預應力鋼束的局部應力變化，來研究體外預應力鋼束本身的局部疲勞特性。另外，對於由單根無粘結鋼束組成的體外預應力體系（如OVM－TJ.E），尚有另外一種特殊的局部問題，即鋼束在轉向處由於來回滑動，造成鋼絞線會對外包PE在高壓應力情況下不斷摩擦，可能導致外包PE層磨損甚至損壞，從而失去對鋼絞線的保護。這個現象雖然與真正的疲勞無關，但卻與活載作用下體外預應力鋼束在轉向處的局部滑移密切相關，也屬於使用性能範疇。

表1：

房屋建築中的預應力砼技術發展歷史

五十年代初，大量工業廠房和民用建築需要興建，而結構材料，特別是型鋼和木材奇缺，由於難以解決廠房鋼結構屋蓋與鋼吊車梁的型鋼用料，迫切需要改用預應力混凝土來代替。按照預應力經典理論，生產預應力混凝土必須要用高強鋼材(鋼絲和鋼筋)和高強混凝土，要用專門的張拉千斤頂、錨夾具及其配套的專用機械與零部件。要從國外進口，既缺外匯，又受技術封鎖，沒有國家願意在人力物力上無償對我援助。在這一艱難時刻，原建築工程部建築科學技術研究所(中國建築科學研究院前身)接受了國家計委的任務，沿著自力更生、土法上馬、走不同於國外的具有中國特色的低強鋼材預應力的發展道路，開始了預應力混凝土的研究。

從五十年代初至七十年代末，我國房屋結構中開發研製了一整套預製預應力砼構件技術，如屋面梁、屋架、吊車梁、大型屋面板、空心樓板等，其中預應力空心板年產量達一千萬立方米以上。這一時期的預應力技術特點是採用中、低強預應力鋼材，採用中國特色的預應力砼張拉錨固工藝技術。

從八十年代初至九十年代末，房屋建築中預應力砼技術得到巨大發展，其顯著特點是採用高強預應力砼鋼材及相應工藝技術，對整體結構施加預應力，技術水平接近發達國家先進水平。二十年間建設了一大批預應力砼工程，其中有代表性的工程有63層預應力砼樓面的廣東國際大廈；241米高的青島中銀大廈；單體預應力砼面積最大的首都國際機場新航站樓等。

橋樑結構中的預應力砼發展歷史

1955年，鐵路部門研製成功我國第一片跨度12米的預應力混凝土鐵路橋樑，1956年建成28孔24米跨的新沂河大橋，從而開始了預應力混凝土技術在我國鐵路上應用的篇章。四十多年來，經過鐵路系統工程技術人員的辛勤努力，預應力砼技術不斷擴大，技術水平不斷提高，製造架設跨度32米以下橋樑三萬多孔，橋樑跨度不斷突破，大跨徑橋樑不斷湧現，其中有代表性的工程有主跨為168米的攀枝花金沙江鐵路連續鋼構橋，頂推法施工的跨度80米連續箱梁橋杭州錢塘江二橋，此外在南昆鐵路線上新建了一大批各種類型的鐵路橋樑。

1957年，公路部門在北京周口店建造第一座預應力混凝土公路試驗橋，為單跨20米簡支T梁橋。1959年在蘭州建成七里河黃河橋，為7孔主跨37.5米懸臂樑橋。后又建成新城黃河橋，橋型為5孔33米T型簡支梁和孔66米系桿拱橋，奠定了我國建造預應力混凝土橋的基礎。

隨著我國交通運輸的蓬勃發展，四十多年來，公路上建造了大量預應力混凝土橋，尤以大跨徑橋樑居多數。如我國已建成主跨400以上斜拉橋七座，連續鋼構橋繼黃石大橋250米主跨后，虎門大橋達270米，主跨為世界之冠，這些橋型和其它橋型無論在跨度還是在施工方法上都已接近發達國家的先進水平。

城市立交橋中的預應力砼技術主要是七十年代開始起步的，目前僅北京修建的立交橋就已達200座，其中最早的立交橋是1974年建成的復興門橋，採用先簡支后連續方法施工；層次最多最高的是天寧寺立交橋；規模最大的是首都機場高速路上的四元橋。

特種工程中的預應力砼技術發展現狀

預應力砼技術在我國各種工程結構領域中均得到廣泛應用，其中主要有水利工程中的邊坡加固，建築物基坑開挖的支護等所採用的土層、岩層預應力錨桿技術，代表工程為雲南漫灣水電站左岸岩質高邊坡加固和北京京城大廈深基坑支護；有豎向超長預應力砼技術的應用，代表性工程有中央、天津、南京、上海等電視塔的預應力砼技術；有環形預應力砼技術的應用，代表性工程有阿爾及利亞球形水塔，秦山、大亞灣核電站安全殼，柴里煤礦煤倉，各種圓形及蛋形污水處理池，各種輸、排水管道；有超重、超高物體提升預應力砼技術，代表性工程有北京西客站主站房大跨鋼樑提升、上海歌劇院鋼屋蓋提升、虎門大橋鋼箱梁節段提升等。

五十年代中期，我國研製成功有中國特色的冷拉鋼筋預應力砼成套技術，主要有鋼筋冷拉工藝、設備、錨固技術及冷拉鋼筋物理力學性能的研究，冷拉鋼筋製作預應力砼構件的生產工藝，冷拉鋼筋預應力砼構件性能研究及設計方法。

六十年代前後，我國研製成功冷拔低碳鋼絲預應力成套技術，生產預製預應力空心樓板，由於冷拔絲費用低廉、工藝簡單，預應力空心樓板在全國得到廣泛應用。

七十年代初期至八十年代中期，我國相繼開發出熱軋低合金預應力鋼筋、熱處理預應力鋼筋和精軋螺紋預應力鋼筋，進一步促進了我國預應力技術的發展。

高強預應力鋼絲、鋼絞線技術

八十年代以後，我國相繼從國外引進了十多條低鬆弛、高強度預應力鋼絲、鋼絞線生產線，生產能力目前己達到年產量三十萬噸，這一技術的引進極大地促進了我國預應力工程技術的發展。