預應力混凝土結構設計基礎
2024-08-21
預應力混凝土結構是配置受力的預應力筋，通過張拉或其他方法建立預加應力的混凝土結構。采用此種方式能夠在一定程度上消除或部分消除由于荷載產生的拉應力，從而有效減少結構裂縫等現象出現。按預應力度（抗裂等級）來劃分，預應力混凝土結構可分為：1.全預應力混凝土構件：在使用荷載下，截面不出現拉應力；2.部分預應力混凝土A類構件：在使用荷載下，截面出現拉應力，但拉應力不超過混凝土的抗拉強度；3.部分預應力混凝土B類構件：使用荷載大于開裂荷載，即構件出現裂縫，但最大裂縫寬度控制在容許范圍內。
全預應力混凝土構件具有抗裂、抗疲勞性能好，剛度大，設計計算簡單等特點。適用于對抗裂有很高要求的結構，如有防滲漏要求的壓力容器（核反應堆壓力容器和安全殼）和在嚴重腐蝕環境下需防止鋼材銹蝕的結構，以及承受高頻反復荷載易產生疲勞破壞的結構。早期的預應力混凝土構件一般為全預應力混凝土構件，但全預應力混凝土也存在著一些不足，如：抗裂要求過高、反拱過大、開裂到破壞之間過程很短且破壞后延性小、對張拉設備及錨具有較高要求等。事實上，結構產生的裂縫不僅僅是荷載的原因，溫度、收縮徐變以及其他因素產生變形受到約束時（如沉降、水化熱等），都可能使全預應力混凝土構件產生裂縫。因此，要完全靠預應力來保證結構中不出現裂縫，不僅技術很難做到，而且在經濟上也是不合理的。
部分預應力混凝土構件即使出現裂縫，當活荷載移去后，裂縫還可以閉合，裂縫的開展是短暫的；因此從滿足結構功能要求的角度，很多情況不必采用全預應力混凝土。采用部分預應力混凝土可以節約預應力鋼材、有效地控制反拱、提高延性，也有助于結構內力的調整，以減小由于約束變形（如溫差、不均勻沉降等）而產生的內力。因此，適當降低預壓應力，容許混凝土出現拉應力甚至開裂，做成部分預應力混凝土，有時可以使設計更加合理和經濟。
在預應力混凝土結構設計中，其材料的選擇與布置需滿足一定要求：混凝土強度等級應符合設計要求，不宜低于C40，且不應低于C30；預應力筋宜采用預應力鋼絲、鋼絞線和預應力螺紋鋼筋，也可采用纖維增強復合材料預應力筋，其質量應符合相關標準，并具有足夠的抗拉強度和疲勞性能，布置應滿足設計要求，不得隨意更改，同時應保證預應力筋的間距和保護層厚度；錨具和連接件是預應力混凝土結構中用于固定預應力筋的關鍵部件，其中錨具應根據預應力筋的規格和長度進行選擇，以保證預應力筋的有效錨固，連接件應選用高強度材料，如不銹鋼、鋁合金等，以保證結構的整體性和穩定性，其質量應符合相關標準，并經過嚴格的質量檢測和認證。
預應力筋在張拉到控制應力后，由于多重原因，會產生預應力損失，最終在混凝土中建立相應的有效預應力。準確計算預應力損失對結構至關重要，直接影響到結構的抗裂度、裂縫與反拱；損失估計過大，會導致實際的反拱大，相反，會導致結構構件過早開裂，甚至承載力不足，影響結構安全。引起預應力損失的因素有：（1）張拉端錨具變形和預應力筋內縮；（2）預應力筋的摩擦（與孔道壁之間的摩擦、張拉端錨口損失、在轉向處的摩擦）；（3）混凝土加熱養護時，受張拉的鋼筋與承受拉力的設備之間的溫差；（4）預應力筋的應力松弛；（5）混凝土的收縮和徐變；（6）混凝土彈性壓縮。上述因素引起的預應力損失均有各自的計算公式（詳見《預應力混凝土結構設計規范》JGJ 369）及減小措施，其中為了減少錨具變形引起的損失，可以選擇變形小的錨具和墊板、減少墊板數量、進行超張拉；為了減少摩擦引起的損失，可以采用兩端張拉、超張拉、清理孔道壁、彎道處設轉向裝置的方式；為了減少溫差引起的損失，可以采用二次升溫的養護方法；為了減少預應力筋松弛引起的損失，可以采用低松弛預應力筋或采用超張拉及增加持荷時間；為了減少混凝土收縮、徐變引起的損失，可以提高混凝土質量、增加非預應力鋼筋；為了減少混凝土彈性壓縮引起的損失，后張構件可采用重復張拉。
在預應力混凝土結構的設計過程中，需要滿足安全適用性、耐久性、施工方便和經濟合理的基本原則，保證構件具有足夠的強度、剛度和穩定性。設計時需進行承載能力極限狀態計算、正常使用極限狀態以及施工階段驗算，其計算結果均應符合國家標準要求，設計方法如圖一所示。預應力混凝土結構分析可根據結構類型、材料性能和受力特點等，選擇彈性分析方法、塑性內力重分布分析方法、彈塑性分析方法、塑性極限分析方法、試驗分析方法等進行分析計算。
圖一 預應力混凝土結構的設計方法
