在工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受外荷載之前,對(duì)受拉模塊中的鋼筋，施加預(yù)壓應(yīng)力，提高構(gòu)件的剛度，推遲裂縫出現(xiàn)的時(shí)間,增加構(gòu)件的耐久性。對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)看，其含義為預(yù)先使其產(chǎn)生應(yīng)力，其好處是可以提高構(gòu)造本身剛性，減少振動(dòng)和彈性變形。這樣做可以明顯改善受拉模塊的彈性強(qiáng)度，使原本的抗性更強(qiáng)。

在結(jié)構(gòu)承受外荷載之前，預(yù)先對(duì)其在外荷載作用下的受拉區(qū)施加壓應(yīng)力，以改善結(jié)構(gòu)使用的性能的結(jié)構(gòu)型式稱之為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

如木桶，在還沒(méi)裝水之前采用鐵箍或竹箍套緊桶壁，便對(duì)木桶壁產(chǎn)生一個(gè)環(huán)向的壓應(yīng)力，若施加的壓應(yīng)力超過(guò)水壓力引起的拉應(yīng)力，木桶就不會(huì)開裂漏水。在圓形水池上作用預(yù)應(yīng)力就像木桶加箍一樣。同樣，在受彎構(gòu)件的荷載加上去之前給構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和與荷載作用產(chǎn)生的變形相反的變形，荷載要構(gòu)件沿作用方向發(fā)生變形之前必須最先把這個(gè)與荷載相反的變形抵消，才能繼續(xù)使構(gòu)件沿荷載方向發(fā)生變形。這樣，預(yù)應(yīng)力就像給構(gòu)件多施加了一道防護(hù)一樣。

預(yù)應(yīng)力是任何膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要荷載，按長(zhǎng)期荷載考慮，同恒載效應(yīng)分析。膜結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力是一個(gè)十分復(fù)雜的因素，主要與膜材、建筑形式、安裝方法等有關(guān)。

膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可采用下列方法合理施加預(yù)應(yīng)力：在邊緣直接張緊膜面（如圖a）；拉緊周圍邊索（如圖b）；拉緊穩(wěn)定索（如圖c）；頂升中間支柱（如圖d）。

體外預(yù)應(yīng)力是后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支之一,體外預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力筋套管布置簡(jiǎn)單，調(diào)整容易，簡(jiǎn)化了后張法的操作程序，大大縮短了施工時(shí)間；同時(shí)由于預(yù)應(yīng)力筋布置于腹板外面，使得澆筑砼方便；由于預(yù)應(yīng)力筋的位置，減少了施工過(guò)程中的摩擦損失且更換預(yù)應(yīng)力筋方便易行。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)這一方面的研究很少，對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力筋的受力性能研究不多，因此為了使得體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)得到更大的使用，有必要對(duì)這一結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行研究。體外和體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上的根本區(qū)別就是預(yù)應(yīng)力筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的外部，僅在錨固及轉(zhuǎn)向塊處可能與結(jié)構(gòu)相連，因此，體外索的應(yīng)力是由結(jié)構(gòu)的整體變形所決定的；而在體內(nèi)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，力筋位于混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，與結(jié)構(gòu)完全粘結(jié)，在任意截面處都與結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，因此力筋的應(yīng)力是與某個(gè)混凝土截面息息相關(guān)的。傳統(tǒng)上來(lái)說(shuō)，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋是不被看作一個(gè)單獨(dú)構(gòu)件的。而體外筋在混凝土體外，自然成為一個(gè)相對(duì)于組成結(jié)構(gòu)整體的單獨(dú)構(gòu)件，其較體內(nèi)筋要重要許多。所以在承受動(dòng)力荷載的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，必須考慮到體外筋與結(jié)構(gòu)是獨(dú)立振動(dòng)的，應(yīng)防止二者共振，而且當(dāng)體外預(yù)應(yīng)力筋在動(dòng)力荷載（如車輛等）作用下發(fā)生共振時(shí)，就易發(fā)生錨具的疲勞破壞和轉(zhuǎn)向構(gòu)件處的預(yù)應(yīng)力筋的彎折疲勞破壞。在地震區(qū)時(shí)設(shè)計(jì)還必須考慮采取相應(yīng)措施，提高體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的抗震性能。如圖為某橋體外預(yù)應(yīng)力的布置形式。

1、截面計(jì)算和預(yù)應(yīng)力損失計(jì)算

體外預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土截面變形不協(xié)調(diào)，在應(yīng)力計(jì)算中不能將體外預(yù)應(yīng)力鋼束面積計(jì)入換算截面的特征。

由于管道在結(jié)構(gòu)體外，直線段體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩阻損失小，幾乎可以忽略不計(jì)，而曲線段體外預(yù)應(yīng)力鋼束的摩擦系數(shù)與采用的體外預(yù)應(yīng)力鋼束類型有關(guān)。

由于截面變形造成的預(yù)應(yīng)力損失需根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力體系與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)關(guān)系來(lái)計(jì)算。這部分包括混凝土彈性壓縮損失和混凝土徐變、收縮引起的預(yù)應(yīng)力損失。若體外預(yù)應(yīng)力鋼束為無(wú)粘結(jié)形式，則這部分損失計(jì)算與錨固點(diǎn)間相對(duì)位移差有關(guān)。故其計(jì)算方法與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束不同。

2、體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處的滑移

體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處是否產(chǎn)生滑移以及由于滑移引起的應(yīng)力重分布，需根據(jù)體外預(yù)應(yīng)力體系與結(jié)構(gòu)的粘結(jié)關(guān)系來(lái)判斷。若鋼束在轉(zhuǎn)向點(diǎn)固定，則體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)處無(wú)滑移發(fā)生；若在轉(zhuǎn)向處可以滑移，則需要根據(jù)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)兩端的鋼束拉力差和鋼束在轉(zhuǎn)向處的摩阻來(lái)判斷是否發(fā)生滑移。

3、體外預(yù)應(yīng)力鋼束的二次效應(yīng)

體外預(yù)應(yīng)力鋼束僅在錨固和轉(zhuǎn)向位置處，才能與結(jié)構(gòu)的豎向位移相協(xié)調(diào)，豎向約束點(diǎn)越少，結(jié)構(gòu)變形時(shí)體外預(yù)應(yīng)力鋼束偏離原位置就越多，這就是體外預(yù)應(yīng)力鋼束的二次效應(yīng)。二次效應(yīng)是體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在彈性階段區(qū)別于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特征之一。由于二次效應(yīng)考慮的是體外預(yù)應(yīng)力鋼束與結(jié)構(gòu)豎向變形的差異，故這種效應(yīng)是非線性的，對(duì)二次效應(yīng)的研究必須考慮結(jié)構(gòu)的非線性影響。

體外預(yù)應(yīng)力在有限元計(jì)算中的實(shí)現(xiàn)

目前體外預(yù)應(yīng)力的有限元計(jì)算主要有兩種方法：

1、以等效荷載的形式添加體外預(yù)應(yīng)力；

2、單獨(dú)建立體外束單元的方式實(shí)現(xiàn)。

方法1能近似的計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失，但無(wú)法考慮轉(zhuǎn)向塊的作用（粘結(jié)滑移），且由于方法1是以荷載形式表達(dá)的（沒(méi)有實(shí)際的結(jié)構(gòu)），所以難以考慮鋼束的二次效應(yīng)。

方法2用結(jié)構(gòu)來(lái)模擬預(yù)應(yīng)力，因此能較好的考慮鋼束的二次效應(yīng)，但預(yù)應(yīng)力損失的計(jì)算與轉(zhuǎn)向塊的模擬存在一定的技術(shù)門檻，但是這并不是不能克服的，這一點(diǎn)在WISEPLUS中已經(jīng)提供了相關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

體外預(yù)應(yīng)力鋼束體系疲勞評(píng)價(jià)是決定鋼束在使用階段應(yīng)力限值的最主要因素。目前，世界各國(guó)對(duì)此應(yīng)力限值的規(guī)定有較大的不同：如美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定對(duì)于后張的低松弛鋼絞線，使用極限狀態(tài)的體外預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力不超過(guò)0.72fpu；日本規(guī)范的體外預(yù)應(yīng)力鋼束限定值為0.70fpu，德國(guó)規(guī)范原規(guī)定體外預(yù)應(yīng)力鋼束限定值為0.55fpu，后將該值修訂成0.70fpu，為預(yù)應(yīng)力鋼束的極限抗拉強(qiáng)度；法國(guó)規(guī)定除合同指定外，體外預(yù)應(yīng)力鋼束限定值為0.60 GUTS（Guaranteed Ultimate Tensile Strength 保證極限抗拉強(qiáng)度）。我國(guó)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）尚沒(méi)有對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼束的應(yīng)力限值做規(guī)定，對(duì)于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束規(guī)定的預(yù)應(yīng)力限值為0.65，為預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。由此可見，結(jié)合我國(guó)工程實(shí)際，確定合理的體外預(yù)應(yīng)力鋼束使用階段應(yīng)力限值是很有必要的。而體外預(yù)應(yīng)力鋼束使用階段應(yīng)力限值一旦確定，便也可以使體外預(yù)應(yīng)力鋼束張拉控制應(yīng)力、體外預(yù)應(yīng)力鋼束有效應(yīng)力及極限應(yīng)力均有了取用基礎(chǔ)?！◇w外預(yù)應(yīng)力鋼束疲勞性能的研究分為兩個(gè)方面：一是通過(guò)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力鋼束在活載作用下的應(yīng)力變化幅度的分析，來(lái)研究體外預(yù)應(yīng)力鋼束組件（包括錨夾具、連接器）的整體疲勞性能；二是分析在轉(zhuǎn)向處體外預(yù)應(yīng)力鋼束的局部應(yīng)力變化，來(lái)研究體外預(yù)應(yīng)力鋼束本身的局部疲勞特性。另外，對(duì)于由單根無(wú)粘結(jié)鋼束組成的體外預(yù)應(yīng)力體系（如OVM－TJ.E），尚有另外一種特殊的局部問(wèn)題，即鋼束在轉(zhuǎn)向處由于來(lái)回滑動(dòng)，造成鋼絞線會(huì)對(duì)外包PE在高壓應(yīng)力情況下不斷摩擦，可能導(dǎo)致外包PE層磨損甚至損壞，從而失去對(duì)鋼絞線的保護(hù)。這個(gè)現(xiàn)象雖然與真正的疲勞無(wú)關(guān)，但卻與活載作用下體外預(yù)應(yīng)力鋼束在轉(zhuǎn)向處的局部滑移密切相關(guān)，也屬于使用性能范疇。

表1 ^[2]  ：

房屋建筑中的預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)發(fā)展歷史

五十年代初，大量工業(yè)廠房和民用建筑需要興建，而結(jié)構(gòu)材料，特別是型鋼和木材奇缺，由于難以解決廠房鋼結(jié)構(gòu)屋蓋與鋼吊車梁的型鋼用料，迫切需要改用預(yù)應(yīng)力混凝土來(lái)代替。按照預(yù)應(yīng)力經(jīng)典理論，生產(chǎn)預(yù)應(yīng)力混凝土必須要用高強(qiáng)鋼材(鋼絲和鋼筋)和高強(qiáng)混凝土，要用專門的張拉千斤頂、錨夾具及其配套的專用機(jī)械與零部件。要從國(guó)外進(jìn)口，既缺外匯，又受技術(shù)封鎖，沒(méi)有國(guó)家愿意在人力物力上無(wú)償對(duì)我援助。在這一艱難時(shí)刻，原建筑工程部建筑科學(xué)技術(shù)研究所(中國(guó)建筑科學(xué)研究院前身)接受了國(guó)家計(jì)委的任務(wù)，沿著自力更生、土法上馬、走不同于國(guó)外的具有中國(guó)特色的低強(qiáng)鋼材預(yù)應(yīng)力的發(fā)展道路，開始了預(yù)應(yīng)力混凝土的研究。

從五十年代初至七十年代末，我國(guó)房屋結(jié)構(gòu)中開發(fā)研制了一整套預(yù)制預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件技術(shù)，如屋面梁、屋架、吊車梁、大型屋面板、空心樓板等，其中預(yù)應(yīng)力空心板年產(chǎn)量達(dá)一千萬(wàn)立方米以上。這一時(shí)期的預(yù)應(yīng)力技術(shù)特點(diǎn)是采用中、低強(qiáng)預(yù)應(yīng)力鋼材，采用中國(guó)特色的預(yù)應(yīng)力砼張拉錨固工藝技術(shù)。

從八十年代初至九十年代末，房屋建筑中預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)得到巨大發(fā)展，其顯著特點(diǎn)是采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力砼鋼材及相應(yīng)工藝技術(shù)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，技術(shù)水平接近發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平。二十年間建設(shè)了一大批預(yù)應(yīng)力砼工程，其中有代表性的工程有63層預(yù)應(yīng)力砼樓面的廣東國(guó)際大廈；241米高的青島中銀大廈；單體預(yù)應(yīng)力砼面積最大的首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)新航站樓等。

橋梁結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力砼發(fā)展歷史

1955年，鐵路部門研制成功我國(guó)第一片跨度12米的預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁，1956年建成28孔24米跨的新沂河大橋，從而開始了預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)在我國(guó)鐵路上應(yīng)用的篇章。四十多年來(lái)，經(jīng)過(guò)鐵路系統(tǒng)工程技術(shù)人員的辛勤努力，預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平不斷提高，制造架設(shè)跨度32米以下橋梁三萬(wàn)多孔，橋梁跨度不斷突破，大跨徑橋梁不斷涌現(xiàn)，其中有代表性的工程有主跨為168米的攀枝花金沙江鐵路連續(xù)鋼構(gòu)橋，頂推法施工的跨度80米連續(xù)箱梁橋杭州錢塘江二橋，此外在南昆鐵路線上新建了一大批各種類型的鐵路橋梁。

1957年，公路部門在北京周口店建造第一座預(yù)應(yīng)力混凝土公路試驗(yàn)橋，為單跨20米簡(jiǎn)支T梁橋。1959年在蘭州建成七里河黃河橋，為7孔主跨37.5米懸臂梁橋。后又建成新城黃河橋，橋型為5孔33米T型簡(jiǎn)支梁和孔66米系桿拱橋，奠定了我國(guó)建造預(yù)應(yīng)力混凝土橋的基礎(chǔ)。

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展，四十多年來(lái)，公路上建造了大量預(yù)應(yīng)力混凝土橋，尤以大跨徑橋梁居多數(shù)。如我國(guó)已建成主跨400以上斜拉橋七座，連續(xù)鋼構(gòu)橋繼黃石大橋250米主跨后，虎門大橋達(dá)270米，主跨為世界之冠，這些橋型和其它橋型無(wú)論在跨度還是在施工方法上都已接近發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平。

城市立交橋中的預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)主要是七十年代開始起步的，目前僅北京修建的立交橋就已達(dá)200座，其中最早的立交橋是1974年建成的復(fù)興門橋，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)方法施工；層次最多最高的是天寧寺立交橋；規(guī)模最大的是首都機(jī)場(chǎng)高速路上的四元橋。

特種工程中的預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)在我國(guó)各種工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中均得到廣泛應(yīng)用，其中主要有水利工程中的邊坡加固，建筑物基坑開挖的支護(hù)等所采用的土層、巖層預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)，代表工程為云南漫灣水電站左岸巖質(zhì)高邊坡加固和北京京城大廈深基坑支護(hù)；有豎向超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)的應(yīng)用，代表性工程有中央、天津、南京、上海等電視塔的預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)；有環(huán)形預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)的應(yīng)用，代表性工程有阿爾及利亞球形水塔，秦山、大亞灣核電站安全殼，柴里煤礦煤倉(cāng)，各種圓形及蛋形污水處理池，各種輸、排水管道；有超重、超高物體提升預(yù)應(yīng)力砼技術(shù)，代表性工程有北京西客站主站房大跨鋼梁提升、上海歌劇院鋼屋蓋提升、虎門大橋鋼箱梁節(jié)段提升等。

五十年代中期，我國(guó)研制成功有中國(guó)特色的冷拉鋼筋預(yù)應(yīng)力砼成套技術(shù)，主要有鋼筋冷拉工藝、設(shè)備、錨固技術(shù)及冷拉鋼筋物理力學(xué)性能的研究，冷拉鋼筋制作預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件的生產(chǎn)工藝，冷拉鋼筋預(yù)應(yīng)力砼構(gòu)件性能研究及設(shè)計(jì)方法。

六十年代前后，我國(guó)研制成功冷拔低碳鋼絲預(yù)應(yīng)力成套技術(shù)，生產(chǎn)預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心樓板，由于冷拔絲費(fèi)用低廉、工藝簡(jiǎn)單，預(yù)應(yīng)力空心樓板在全國(guó)得到廣泛應(yīng)用。

七十年代初期至八十年代中期，我國(guó)相繼開發(fā)出熱軋低合金預(yù)應(yīng)力鋼筋、熱處理預(yù)應(yīng)力鋼筋和精軋螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋，進(jìn)一步促進(jìn)了我國(guó)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展。

八十年代以后，我國(guó)相繼從國(guó)外引進(jìn)了十多條低松弛、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力目前己達(dá)到年產(chǎn)量三十萬(wàn)噸，這一技術(shù)的引進(jìn)極大地促進(jìn)了我國(guó)預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)的發(fā)展。