一級結構輔導：預應力混凝土的基本原理
發布時間：2010-01-14 共1頁
預應力混凝土的基本原理
鋼筋混凝土是由混凝土和鋼筋兩種物理力學性能不同的材料所組成的彈塑性材料。混凝土抗拉強度及極限拉應變值都很低，其抗拉強度只有抗壓強度的1/10～1/18，極限拉應變僅為0.1×～0.15×，即每米只能拉長0.1~ 0.15mm，超過后就會出現裂縫。而鋼筋達到屈服強度時的應變卻要得多，約為0.5×～1.5×，如HPB235級鋼筋就達0.1×10-2.對使用上不允許開裂的構件，受拉鋼筋的應力只能用到20~30N/mm2，不能充分利用其強度。對于允許開裂的構件，當受拉鋼筋應力達到250N/mm2時，裂縫寬度已達0.2~ 0.3mm，構件耐久性有所降低，不宜用于高濕度或侵蝕性環境中。
由于混凝土的抗拉性能很差，使鋼筋混凝土存在兩個無法解決的問題：一是在使用荷載作用下，鋼筋混凝土受拉、受彎等構件通常是帶裂縫工作的。裂縫的存在，不僅使構件剛度為降低，而且不能應用于不允許開裂的結構中；二是從保證結構耐久性出發，必須限制裂縫寬度。為了要滿足變形和裂縫控制的要求，則需增構件的截面尺寸和用鋼量，這將導致自重過，使鋼筋混凝土結構用于跨度或承受動力荷載的結構成為不可能或很不經濟。從理論上講，提高材料強度可以提高構件的承載力，從而達到節省材料和減輕構件自重的目的。但在普通鋼筋混凝土構件中，提高鋼筋強度卻難以收到預期的效果。這是因為，對配置高強度鋼筋的鋼筋混凝土構件而言，承載力可能已不是控制條件，起控制作用的因素可能是裂縫寬度或構件的撓度。當鋼筋應力達到500~1000N/mm2時，裂縫寬度將很，無法滿足使用要求。因而，鋼筋混凝土結構中采用高強度鋼筋是不能充分發揮其作用的。而提高混凝土強度等級對提高構件的抗裂性能和控制裂縫寬度的作用也極其有限。
為了避免鋼筋混凝土結構的裂縫過早出現，充分利用高強度鋼筋及高強度混凝土，可以設法在結構構件承受使用荷載前，預先對受拉區的混凝土施加壓力，使它產生預壓應力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應力，從而將結構構件的拉應力控制在較小范圍，甚至處于受壓狀態。也就是借助混凝土較高的抗壓能力來彌補其抗拉能力的不足，以推遲混凝土裂縫的出現和開展，從而提高構件的抗裂性能和剛度。這就是預應力混凝土的基本原理。
鋼筋混凝土是由混凝土和鋼筋兩種物理力學性能不同的材料所組成的彈塑性材料。混凝土抗拉強度及極限拉應變值都很低，其抗拉強度只有抗壓強度的1/10～1/18，極限拉應變僅為0.1×～0.15×，即每米只能拉長0.1~ 0.15mm，超過后就會出現裂縫。而鋼筋達到屈服強度時的應變卻要得多，約為0.5×～1.5×，如HPB235級鋼筋就達0.1×10-2.對使用上不允許開裂的構件，受拉鋼筋的應力只能用到20~30N/mm2，不能充分利用其強度。對于允許開裂的構件，當受拉鋼筋應力達到250N/mm2時，裂縫寬度已達0.2~ 0.3mm，構件耐久性有所降低，不宜用于高濕度或侵蝕性環境中。
由于混凝土的抗拉性能很差，使鋼筋混凝土存在兩個無法解決的問題：一是在使用荷載作用下，鋼筋混凝土受拉、受彎等構件通常是帶裂縫工作的。裂縫的存在，不僅使構件剛度為降低，而且不能應用于不允許開裂的結構中；二是從保證結構耐久性出發，必須限制裂縫寬度。為了要滿足變形和裂縫控制的要求，則需增構件的截面尺寸和用鋼量，這將導致自重過，使鋼筋混凝土結構用于跨度或承受動力荷載的結構成為不可能或很不經濟。從理論上講，提高材料強度可以提高構件的承載力，從而達到節省材料和減輕構件自重的目的。但在普通鋼筋混凝土構件中，提高鋼筋強度卻難以收到預期的效果。這是因為，對配置高強度鋼筋的鋼筋混凝土構件而言，承載力可能已不是控制條件，起控制作用的因素可能是裂縫寬度或構件的撓度。當鋼筋應力達到500~1000N/mm2時，裂縫寬度將很，無法滿足使用要求。因而，鋼筋混凝土結構中采用高強度鋼筋是不能充分發揮其作用的。而提高混凝土強度等級對提高構件的抗裂性能和控制裂縫寬度的作用也極其有限。
為了避免鋼筋混凝土結構的裂縫過早出現，充分利用高強度鋼筋及高強度混凝土，可以設法在結構構件承受使用荷載前，預先對受拉區的混凝土施加壓力，使它產生預壓應力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應力，從而將結構構件的拉應力控制在較小范圍，甚至處于受壓狀態。也就是借助混凝土較高的抗壓能力來彌補其抗拉能力的不足，以推遲混凝土裂縫的出現和開展，從而提高構件的抗裂性能和剛度。這就是預應力混凝土的基本原理。
