鋼筋混凝土雖然改善了混凝土抗拉強(qiáng)度過低的缺點(diǎn)，但仍存在兩個(gè)不能解決的問題:一是在帶裂縫土作狀態(tài)下，裂縫的存在不僅造成受拉區(qū)混凝土材料不能充分利用、結(jié)構(gòu)剛度下降和自重比例上升，而且限制了它的使用范圍;二是從保證結(jié)構(gòu)耐久性的要求出發(fā)，必須限制混凝土裂縫開展的寬度，這就使高強(qiáng)度鋼筋無法在鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)中充分發(fā)揮其作用，相應(yīng)也不可能使高強(qiáng)混凝土的作用發(fā)揮出來。
(l)第一種概念—預(yù)加應(yīng)力能使混凝j幾在使用狀態(tài)下成為彈性材料
經(jīng)過預(yù)壓混凝土，使原先抗拉弱、抗壓強(qiáng)的脆性材料變?yōu)橐环N既能抗壓又能抗拉的彈性材料。由此，混凝上被看作承受兩個(gè)力系，即內(nèi)部預(yù)應(yīng)力和外部荷載。若預(yù)應(yīng)力所產(chǎn)生的壓應(yīng)力將外荷載所產(chǎn)生的拉應(yīng)力全部抵消，則在正常使用狀態(tài)下混凝土沒有裂縫甚至不出現(xiàn)拉應(yīng)力。在這兩個(gè)力系的作用下，混凝土構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變及變形均可按材料力學(xué)公式計(jì)算，并可在需要時(shí)采用疊加原理。
(2)第二種概念—預(yù)加應(yīng)力能使高強(qiáng)鋼材和混凝十共同上作并發(fā)揮兩者的潛力 這種概念是將預(yù)應(yīng)力混凝十看作高強(qiáng)鋼材和混凝土兩種材料的一種協(xié)調(diào)結(jié)合。在混凝土構(gòu)件中采用高強(qiáng)鋼筋，要使高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度充分發(fā)揮，就必須使其有很大的伸長變形。如果高強(qiáng)鋼筋只是簡單地澆筑在混凝上體內(nèi)，那么在使用荷載作用下混凝上勢必嚴(yán)重開裂，構(gòu)件將出現(xiàn)不能允許的寬裂縫和大撓度。預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中的高強(qiáng)鋼筋只有在與混凝土結(jié)合之前預(yù)先張拉，使在使用荷載作用下受拉的混凝土預(yù)壓、儲(chǔ)備抗拉能力，才能使受拉的高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)度進(jìn)一步發(fā)揮、因此，預(yù)加應(yīng)力是一種充分利用高強(qiáng)鋼材的能力、改變混凝土工作狀態(tài)的有效手段，預(yù)應(yīng)力混凝_上可看作鋼筋混凝_L應(yīng)用的擴(kuò)展:但也應(yīng)明確，預(yù)應(yīng)力混凝土不能超越材料本身的強(qiáng)度極限。
(3)第三種概念—預(yù)加應(yīng)力實(shí)現(xiàn)荷載平衡
預(yù)加應(yīng)力的作用可以認(rèn)為是對混凝土構(gòu)件預(yù)先施加與使用荷載(外力)方向相反的荷載，用以抵消部分或全部使用荷載效應(yīng)的一種方法。預(yù)應(yīng)力筋位置的調(diào)整可對混凝土構(gòu)件造成橫向力。
四、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)
(1)提高了構(gòu)件的抗裂性和剛度。構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力之后，裂縫的出現(xiàn)將大大推遲;在使用荷載作用下，構(gòu)件可不出現(xiàn)裂縫或推遲出現(xiàn)，因而構(gòu)件的剛度相應(yīng)提高，結(jié)構(gòu)的耐久性增強(qiáng)。 (Z)可以節(jié)省材料，減少自重。預(yù)應(yīng)力混凝上由于必須采用高強(qiáng)度材料，因而可以減少鋼筋用量和減小構(gòu)件截面尺寸，節(jié)省鋼材和混凝土，從而降低結(jié)構(gòu)物的自重。對于自重占總荷載比例很大的大跨徑公路橋梁來說，采用預(yù)應(yīng)力混凝土有著顯著的優(yōu)越性。一般大跨度或重荷載結(jié)構(gòu)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土是比較經(jīng)濟(jì)合理的。 (3)可以減小混凝上梁的剪力和主拉應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的曲線筋(束)，可使混凝土梁在支座附近承受的剪力減小，又由于混凝土截面上預(yù)壓應(yīng)力的存在，使荷載作用廠的主拉應(yīng)力也相應(yīng)減小，有利于減薄混凝土梁腹的厚度，這也是預(yù)應(yīng)力混凝上梁能減輕自重的原因之一。 (4}結(jié)構(gòu)安全、質(zhì)量可靠。施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋(束)與混凝土都將經(jīng)受一次強(qiáng)度檢驗(yàn)。如果在預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)預(yù)應(yīng)力筋和混凝土都表現(xiàn)出良好的質(zhì)量，那么，在使用時(shí)一般也可以認(rèn)為是安全可靠的《
此外，預(yù)應(yīng)力混凝土還能提高結(jié)構(gòu)的耐勞性能。因?yàn)榫哂袕?qiáng)大預(yù)應(yīng)力筋、混凝上全截面或基本全截面參加工作的構(gòu)件，在使用階段因加荷或卸荷所引起的應(yīng)力相對變化很小，因而引起疲勞破壞的可能性也小。這對于承受動(dòng)荷載的橋梁結(jié)構(gòu)來說是很有利的。
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)也存在著一些缺點(diǎn):
s}}工藝較復(fù)雜，質(zhì)量要求高，因而需要配備一支技術(shù)較熟練的專業(yè)隊(duì)伍。
cZ)需要有一定的專門設(shè)備，如張拉機(jī)具、灌漿設(shè)備等。
r}}預(yù)應(yīng)力反拱不易控制，它將隨混凝土的徐變增加而加大，可能影響結(jié)構(gòu)使用效果。
(4)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的開工費(fèi)用較大，對于跨徑小、構(gòu)件數(shù)量少的工程，成本較高。
但是，以上缺點(diǎn)是可以設(shè)法克服的。例如應(yīng)用于跨徑較大的結(jié)構(gòu)，或跨徑雖不大但構(gòu)件數(shù)量很大時(shí)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土就比較經(jīng)濟(jì):總之，只要我們從實(shí)際出發(fā)，合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)和妥善安排，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)就能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。
在設(shè)計(jì)、制造或選擇錨固體系時(shí)，原則上應(yīng)注意滿足下列要求:
錨固體系受力安全可靠，確保構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力要求;(})引起的預(yù)應(yīng)力損失和在錨具附近的局部壓應(yīng)力小;(3)構(gòu)造簡單，加工制作方便，重量輕、節(jié)約鋼材; (4根據(jù)設(shè)計(jì)取用的預(yù)應(yīng)力筋種類、預(yù)壓力大小及布束的需要選擇錨具體系;(5)預(yù)應(yīng)力筋張拉操作方便，設(shè)備簡單。
預(yù)應(yīng)力筋與孔道壁之間摩擦引起的應(yīng)力損失
錨具變形、預(yù)應(yīng)力筋回縮和分塊拼裝構(gòu)件接縫壓密引起的應(yīng)力損失
混凝土加熱養(yǎng)護(hù)時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋和臺(tái)座之間溫差引起的應(yīng)力損失
混凝士彈性壓縮引起的應(yīng)力損失
預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的應(yīng)力損失
混凝土收縮和徐變引起的應(yīng)力損失
1.減少預(yù)應(yīng)力筋與孑L道間摩擦引起的應(yīng)力損失的措施
{1)采用兩端張拉。這樣，曲線的切線夾角B以及管道計(jì)算長度x即可減少一半;
(2)進(jìn)行超張拉。這時(shí)端部應(yīng)力最大，傳到跨中截面的預(yù)應(yīng)力也較大。但當(dāng)張拉端回到控制應(yīng)力后，由于受到反向摩擦力的影響，這個(gè)回松的應(yīng)力并沒有傳到跨中截面，仍保持較大的超拉應(yīng)力。
2。減少錨具、鋼筋回縮和接縫壓密引起的應(yīng)力損失的措施
為了減少此項(xiàng)應(yīng)力損失，可以采用下列兩種方式:
〔l)選擇變形量較小的錨具及盡可能少用錨墊板; {z)采用超張拉施工方法。 3.減少預(yù)應(yīng)力筋與臺(tái)座間溫差引起的應(yīng)力損失
為了減小這項(xiàng)預(yù)應(yīng)力損失，先張法構(gòu)件在養(yǎng)護(hù)時(shí)可采用兩次升溫的措施。
4.減少混凝土彈性壓縮引起的應(yīng)力損失的措施
一般情況下，對于后張法構(gòu)件可盡量采用較少的分批張拉次數(shù)。
5，減少預(yù)應(yīng)力筋松弛引起的應(yīng)力損失的措施
(1)采用低松弛預(yù)應(yīng)力筋;(2)采用超張拉方法及增加持荷時(shí)間:
6，減少混凝土收縮和徐變引起的應(yīng)力損失的措施
}})采用一般普通硅酸軟水泥，控制每立方混凝土中的水泥用量及混凝土的水灰比;(2)采用延長混凝土的受力時(shí)間，即控制混凝土的加載齡期。
預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件截面承載能力計(jì)算
(1}平截面假定 即受彎前后，沿截面高度混凝土應(yīng)變與離開中性軸的距離成正比。
(2)不考慮混凝土的抗拉強(qiáng)度 即從正截而裂縫頂端到中性軸間有一小部分受拉區(qū)混凝土抗拉強(qiáng)度所承擔(dān)的拉力很小，故偏安全又適應(yīng)于簡化而將其忽略不計(jì)。
(3)變形協(xié)調(diào)假定 即預(yù)應(yīng)力鋼材與混凝土有很好的粘結(jié)強(qiáng)度，由荷載引起的鋼材應(yīng)變與相同位置混凝土應(yīng)變相同。 (4混凝土的極限壓應(yīng)變和應(yīng)力一應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系
根據(jù)國內(nèi)外受彎構(gòu)件和偏心受壓構(gòu)件試驗(yàn)表明，混凝土的極限壓應(yīng)變與混凝土的標(biāo)號(hào)、鋼
}5)預(yù)應(yīng)力鋼材極限應(yīng)變和極限強(qiáng)度
對于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，預(yù)應(yīng)力筋的極限拉應(yīng)變是以混凝土消壓時(shí)開始起算。
一個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求:
(1]構(gòu)件應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以滿足構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)時(shí)具有一定的安全儲(chǔ)備，即構(gòu)件在最不利的條件下能夠承受所出現(xiàn)的最大內(nèi)力。
(2]在正常使用條件下，構(gòu)件的應(yīng)力(混凝土的正截面應(yīng)力、斜截面應(yīng)力、預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力、、結(jié)構(gòu)的變形都不超過規(guī)定的極限。如果允許構(gòu)件出現(xiàn)裂縫，則裂縫寬度也應(yīng)在一定的范圍內(nèi)。
(3]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件外型美觀、適用。對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)來講，錨固構(gòu)造的設(shè)計(jì)盡叮能不影響結(jié)構(gòu)的外型，并且不影響結(jié)構(gòu)其它部位的功能。
(4]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)物是經(jīng)濟(jì)合理的。結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟(jì)合理不僅要考慮材料上的耗費(fèi)，還要考慮到施工成本;不僅要考慮建造成本，而且應(yīng)考慮其在預(yù)計(jì)使用年限內(nèi)的維護(hù)費(fèi)用。
具體的設(shè)計(jì)大體上分以下幾個(gè)步驟:
[1)根據(jù)使用要求，參照已有設(shè)計(jì)和有關(guān)資料，初步擬定截面尺寸;
}2)根據(jù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的荷載組合，計(jì)算控制截面最大的設(shè)計(jì)內(nèi)力;
S3)根據(jù)控制截面在承載能力極限狀態(tài)下的極限內(nèi)力和正常使用極限狀態(tài)下的使用內(nèi)力，估算預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)最，并進(jìn)行合理的布置;
(4)計(jì)算截面幾何特征;
(5)預(yù)應(yīng)力損失、錨固張拉力、有效預(yù)加力計(jì)算;
(6)控制截面的正截面強(qiáng)度和斜截面強(qiáng)度計(jì)算;
(7)使用荷載階段和施工階段的應(yīng)力驗(yàn)算;
}$)變形(撓度和反拱度)計(jì)算;
}9)梁端部局部承壓與錨固區(qū)設(shè)計(jì)計(jì)算。
束界-為了不使構(gòu)件截面上、下緣混凝土出現(xiàn)超限的拉應(yīng)力，可以按照最小外荷載(即構(gòu)件自重gl}作用下和最不利荷載(即梁自重g1,J期恒載g2和活載Ll)作用下的兩種情況，分別確定 。在各截面上偏心矩的極限值。由此可以繪出如圖
