預(yù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xiàn)裂縫。而鋼筋達到屈服強度時的應(yīng)變卻要大得多，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(gòu)件，受拉鋼筋的應(yīng)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(gòu)件，當受拉鋼筋應(yīng)力達到250N/mm2時，裂縫寬度已達0.2~ 0.3mm，構(gòu)件耐久性有所降低，不宜用于高濕度或侵蝕性環(huán)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(gòu)件通常是帶裂縫工作的。裂縫的存在，不僅使構(gòu)件剛度大為降低，而且不能應(yīng)用于不允許開裂的結(jié)構(gòu)中；二是從保證結(jié)構(gòu)耐久性出發(fā)，必須限制裂縫寬度。為了要滿足變形和裂縫控制的要求，則需增大構(gòu)件的截面尺寸和用鋼量，這將導致自重過大，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用于大跨度或承受動力荷載的結(jié)構(gòu)成為不可能或很不經(jīng)濟。從理論上講，提高材料強度可以提高構(gòu)件的承載力，從而達到節(jié)省材料和減輕構(gòu)件自重的目的。但在普通鋼筋混凝土構(gòu)件中，提高鋼筋強度卻難以收到預(yù)期的效果。這是因為，對配置高強度鋼筋的鋼筋混凝土構(gòu)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(gòu)件的撓度。當鋼筋應(yīng)力達到500~1000N/mm2時，裂縫寬度將很大，無法滿足使用要求。因而，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用高強度鋼筋是不能充分發(fā)揮其作用的。而提高混凝土強度等級對提高構(gòu)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(jié)構(gòu)的裂縫過早出現(xiàn)，充分利用高強度鋼筋及高強度混凝土，可以設(shè)法在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受使用荷載前，預(yù)先對受拉區(qū)的混凝土施加壓力，使它產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應(yīng)力，從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉應(yīng)力控制在較小范圍，甚至處于受壓狀態(tài)。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(xiàn)和開展，從而提高構(gòu)件的抗裂性能和剛度。這就是預(yù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xiàn)裂縫。而鋼筋達到屈服強度時的應(yīng)變卻要大得多，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(gòu)件，受拉鋼筋的應(yīng)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(gòu)件，當受拉鋼筋應(yīng)力達到250N/mm2時，裂縫寬度已達0.2~ 0.3mm，構(gòu)件耐久性有所降低，不宜用于高濕度或侵蝕性環(huán)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(gòu)件通常是帶裂縫工作的。裂縫的存在，不僅使構(gòu)件剛度大為降低，而且不能應(yīng)用于不允許開裂的結(jié)構(gòu)中；二是從保證結(jié)構(gòu)耐久性出發(fā)，必須限制裂縫寬度。為了要滿足變形和裂縫控制的要求，則需增大構(gòu)件的截面尺寸和用鋼量，這將導致自重過大，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用于大跨度或承受動力荷載的結(jié)構(gòu)成為不可能或很不經(jīng)濟。從理論上講，提高材料強度可以提高構(gòu)件的承載力，從而達到節(jié)省材料和減輕構(gòu)件自重的目的。但在普通鋼筋混凝土構(gòu)件中，提高鋼筋強度卻難以收到預(yù)期的效果。這是因為，對配置高強度鋼筋的鋼筋混凝土構(gòu)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(gòu)件的撓度。當鋼筋應(yīng)力達到500~1000N/mm2時，裂縫寬度將很大，無法滿足使用要求。因而，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中采用高強度鋼筋是不能充分發(fā)揮其作用的。而提高混凝土強度等級對提高構(gòu)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(jié)構(gòu)的裂縫過早出現(xiàn)，充分利用高強度鋼筋及高強度混凝土，可以設(shè)法在結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受使用荷載前，預(yù)先對受拉區(qū)的混凝土施加壓力，使它產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力來減小或抵消荷載所引起的混凝土拉應(yīng)力，從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拉應(yīng)力控制在較小范圍，甚至處于受壓狀態(tài)。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(xiàn)和開展，從而提高構(gòu)件的抗裂性能和剛度。這就是預(yù)應(yīng)力混凝土的基本原理。