第14章部分预应力混凝土受弯构件

第14章 部分预应力混凝土受弯构件

预应力混凝土结构，早期都是按照全预应力混凝土来设计的。根据当时的认识，预应力

的目的只是为了用混凝土承受的预压应力来抵消使用荷载引起的混凝土拉应力。混凝土不受

拉，当然就不会出现裂缝。这种在使用荷载作用下必须保持构件截面混凝土受压的设计，通

常称为全预应力设计，“零应力”或“无拉应力”则为全预应力混凝土的设计基本准则。

全预应力混凝土结构虽有抗裂刚度大，抗疲劳，防渗漏等优点，但是在工程实践中也发

现一些严重缺点，例如，主梁的反拱变形大，以至于桥面铺装施工的实际厚度变化较大，易

造成桥面损坏，影响行车顺适；当预加力过大时，锚下混凝土横向拉应变超出了极限拉应变，

易出现沿预应力钢筋纵向不能恢复的裂缝。

部分预应力混凝土结构的出现是工程实践的结果，它是介于全预应力混凝土结构和普通

钢筋混凝土结构之间的预应力混凝土结构。部分预应力混凝土结构在工程中不仅充分发挥预

应力钢筋的作用，而且注意了利用非预应力钢筋的作用，从而节省了预应力钢筋，进一步改

善了预应力混凝土的使用性能。同时，它也促进了预应力混凝土结构设计思想的重大发展，

使设计人员可以根据结构使用要求来选择预应力度的高低，进行合理的结构设计。

在第13章介绍的内容基础上，本章先介绍部分预应力混凝土结构的受力性能，然后着

重介绍B 类预应力混凝土受弯构件的计算与设计特点及方法。

部分预应力混凝土结构的受力特性

《公路桥规》按预应力度λ的不同，将预应力混凝土结构分为两类：全预应力混凝土结

构和部分预应力混凝土结构。全预应力混凝土结构指构件在作用（或荷载）短期效应组合下

控制的正截面的受拉边缘不出现拉应力的预应力混凝土结构，其1λ≥；部分预应力混凝土

结构指构件在作用（或荷载）短期效应组合下控制的正截面的受拉边缘可出现拉应力的预应

力混凝土结构，其10λ>>。《公路桥规》对部分预应力混凝土结构分为A 类构件和B 类构

件这两类,详见第12.1.2节。

对于A 类预应力混凝土构件，第13章中已经介绍设计原理与方法，本章节主要介绍B

类预应力混凝土构件。

荷载－挠度曲线是梁工作性能的综合反映。为了理解部分预应力混凝土梁的性能，需要

观察不同预应力程度条件下梁的荷载－挠度曲线。图14-1中，曲线1，2和3分别表示具有

相同正截面承载能力u M 的全预应力混凝土，部分预应力混凝土和普通钢筋混凝土梁的弯矩

－挠度关系示意图。从图中可以看出，部分预应力混凝土梁的受力特性，介于全预应力混凝

土梁与钢筋混凝土梁之间。

在荷载作用较小时，部分预应力混凝土梁（曲线2）受力特性与全预应力混凝土梁（曲

线1）相似：在自重与有效预加力pe N （扣除相应的预应力损失）作用下，它具有反拱度b ∆，

但其值较全预应力混凝土梁的反拱度a ∆小；随着外加荷载作用增加，弯矩M 达到B 点，这

时表示外荷载作用下产生的梁下挠度与预应力反拱度相等，两者正好相互抵消，此时梁的挠

度为零，但此时受拉区边缘的混凝土应力并不为零。

图14-1 弯矩－挠度关系曲线

当荷载作用继续增加，达到曲线2的C 点时，外荷载作用产生的梁底混凝土拉应力正好

与梁底有效预压应力pc σ互相抵消，使梁底受拉边缘的混凝土应力为零，此时相应的外荷载

作用产生的弯矩，就称为消压弯矩0M 。

梁的截面下边缘消压后，如继续加载至D 点，混凝土的边缘拉应力达到极限抗拉强度。

随着外荷载增加，受拉区混凝土就进入塑性阶段，构件的刚度下降，达到D ′点时表示构件

即将出现裂缝,此时相应的弯矩就称为部分预应力混凝土构件的抗裂弯矩pcr M ,显然（pcr

M －0M ）就相当于相应的钢筋混凝土梁的截面抗裂弯矩cr M ，即cr M =pcr M －0M 。

从D ′点开始，外荷载作用加大，裂缝开展，刚度继续下降，挠度增加速度加快。而到

达E 点时，受拉钢筋屈服。E 点以后裂缝进一步扩展，刚度进一步降低，挠度增加速度更快，

直到F 点，这时构件达到极限承载能力状态而破坏。

部分预应力混凝土结构的发展与特点

部分预应力混凝土结构的想法出现在法国工程师E ·Freyssinet 对全预应力混凝土结构

理论做出关键性突破研究不久。1939年，奥地利的V ·Emperger 就提出了引进少量非预应力

钢筋以改善裂缝和挠度性能的部分预应力的概念。而后，英国的P ·W ·Abeles 又进一步提

出，在全部使用荷载下允许混凝土出现拉应力，甚至出现微细裂缝的更为具体的部分预应力

设计概念。

但是，部分预应力混凝土结构的发展，开始十分缓慢，真正被重视并得以发展还是近30

年来的事。究其原因，应该说是与过去把全预应力混凝土和钢筋混凝土，作为两种截然不同

的材料处理、两者之间不存在什么过渡的传统观念分不开的。然而，在预应力混凝土结构的

长期使用过程中，经过不断深入的研究结果表明，部分预应力混凝土结构的工作性能是完全

可以满足要求的。

1962年在意大利罗马召开的欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土协会（CEB-FIP ）联

合会议上，首先提出了将全预应力混凝土和钢筋混凝土之间的中间状态连贯起来的设计思

想。1970年的CEB-FIP 布拉格国际预应力会议，进一步对预应力混凝土和钢筋混凝土之间的

整个范围进行了预应力分级，从而确立了部分预应力混凝土结构在配筋混凝土结构中的地位。

我国对部分预应力混凝土结构的应用和研究十分重视，在工业与民用建筑、公路桥梁上已广泛使用部分预应力混凝土构件。在总结部分预应力混凝土结构研究和使用的经验基础上，中国土木工程学会于1981年提出了《部分预应力混凝土结构设计建议》。而我国的《公路桥规》对部分预应力混凝土结构的构件设计及构造也制订了有关规定，这对加速部分预应力混凝土结构在公路桥梁中的应用，起到了重大推动作用。

部分预应力混凝土结构之所以受到重视，与其自身的特点是分不开的，现将其优点简述如下：

1）节省预应力钢筋与锚具

与全预应力混凝土结构比较，可以减小预压力，因此，预应力钢筋用量可以大大减少。当然，为了保证结构的极限强度，就必须补充适量的非预应力钢筋。当预应力钢筋与非预应力钢筋的单价比大于两者的强度时，将会取得一定的经济效益。例如河北平山冶河桥采用部分预应力设计，使10×40m一联的部分预应力混凝土单点顶推连续箱梁，比采用全预应力的混凝土梁节约锚具材料20％、施工临时束%，因而大大减少了张拉预应力钢筋、设置管道和压浆等工作量，既节省了建设费用，又方便了施工。

2）改善结构性能

(1) 由于预加力的减少，构件由弹性变形和徐变变形所引起的反拱度减少，锚下混凝土的局部应力降低。

(2) 构件开裂前刚度较大，而开裂后刚度降低，但卸荷后，刚度部分恢复，裂缝闭合能力强，故综合使用性能优于普通钢筋混凝土。

(3) 部分预应力混凝土构件，由于配置了非预应力钢筋，提高了结构的延性和反复荷载作用下结构的能量耗散能力，这对结构抗震极为有利。

采用全预应力混凝土结构还是采用部分预应力混凝土结构，应根据结构的使用要求及工程实际来选择。对于需防止渗漏的压力容器、水下结构或处于高度腐蚀环境的结构，以及承受高频反复荷载作用而预应力钢筋有疲劳危险的结构（例如铁路桥）等，需要用全预应力混凝土结构。而对于自重作用（恒载）效应相对于可变作用效应较小的结构，例如中、小跨径的桥梁，其主梁就适宜采用部分预应力混凝土结构。总之，是采用全预应力还是部分预应力、甚至是A类预应力混凝土构件还是B类构件，都应根据安全、适用、经济、合理的原则，因地制宜地选用，而不应硬性规定统一为一种形式的结构。

实现部分预应力，可行的方法主要有以下3种：

（1）全部采用高强钢筋，将其中的一部分拉到最大容许张拉应力，保留一部分作为非预应力钢筋，这样可以节省锚具和张拉工作量。

（2）将全部预应力钢筋都张拉到一个较低的应力水平。

（3）用普通钢筋（例如热轧HRB335、HRB400级钢筋）来代替一部分预应力高强钢筋。

对于B类预应力混凝土构件，采用第三种配筋方法（混合配筋）最多，由于采用了预应力高强钢筋与非预应力普通钢筋的混合配筋，既具有两种配筋的优点，又基本排除了两者的缺点。构件中的预应力筋可以平衡一部分荷载，提高抗裂度，减少挠度，并提供部分或大部分的承载力；非预应力钢筋则可分散裂缝，提高承载能力和破坏时的延性，以及加强结构中难以配置预应力钢筋的那些部分。非预应力钢筋的主要作用是：

（1）协助受力。为了获得较大的抵抗弯矩力臂，应该使预应力钢筋尽可能在靠近受拉边缘处布置，受压边缘应相应配置非预应力钢筋来承担偏心过大的预加力引起的拉应力和控制裂缝；对直线形预应力钢筋的梁，梁端上部亦可布置非预应力钢筋来承担可能出现的拉应力；如预压区预压应力过高，也可设置非预应力钢筋来分担预应力。

（2）承受意外荷载。对预制梁的某些部位配置非预应力钢筋来承担运输、堆置和吊装