由于混凝土的极限拉应变很小（为0.1×10-3～0.15×10-3），所以普通钢筋混凝土结构的抗裂性能较差。一般情况下，当钢筋的应力超过20～30MPa时，混凝土就会开裂。因此，普通钢筋混凝土结构在正常使用时一般都是带裂缝的。对于允许开裂的普通钢筋混凝土结构，当裂缝宽度限制在0.2～0.3mm时，受拉钢筋的应力只能达到250MPa左右。可见，在普通钢筋混凝土结构中若配置高强钢筋，钢筋的强度将远不能被充分利用。同时，由于构件开裂，将导致构件刚度降低、变形增大。这样，对于具有较高的密闭性或耐久性要求以及对裂缝控制要求较严格的结构，均不能采用普通钢筋混凝土结构，而应采用预应力混凝土结构。
预应力混凝土结构是指在构件承受荷载之前，预先对外荷载作用时的受拉区混凝土施加压应力，造成一种人为的应力状态，以抵消或减小外荷载作用下产生的拉应力，从而控制裂缝开展的结构。
图5-1 预应力混凝土简支梁的受力原理
下面举例说明预应力混凝土结构的基本原理。如图5-1所示，一简支梁在外荷载作用前，预先在其外荷载作用下的受拉区施加一对大小相等、方向相反的偏心压力N，梁跨中下边缘的预压应力为σpc[图5-1（a）]，而在外荷载单独作用下梁的下边缘将产生拉应力为σt[图5-1（b）]。预应力混凝土梁的受力即为上述两种状态的叠加[图5-1（c）]。此时，梁的下边缘的应力可能是数值很小的拉应力，也可能是压应力或应力为零。由此可见，由于预压应力σpc的作用，可全部或部分抵消外荷载引起的拉应力，从而延缓了混凝土构件的开裂。同时，由于偏心压力作用，梁使用前向上拱，使梁的挠度减小。
预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比，主要具有以下优点。
（1）抗裂和耐久性能好。由于混凝土中存在预压应力，可以避免开裂或限制裂缝的开展，从而减少外界有害因素对钢筋的侵蚀，提高构件的抗渗性、抗腐蚀性和耐久性。这对水工结构尤为重要。
（2）刚度大，变形小。因预压应力避免混凝土开裂或限制裂缝开展，从而提高了构件的刚度。预加偏心压力使受弯构件产生反拱，从而减小构件在荷载作用下的挠度。
（3）节省材料，减轻自重。由于预应力构件合理有效地利用高强钢筋和高强混凝土，截面尺寸相对减小，结构自重减轻，节省材料并降低了工程造价。预应力混凝土结构与普通混凝土结构相比，一般可减轻自重20%～30%，特别适合建造大跨度承重结构。
预应力混凝土结构虽然具有一系列的优点，但是也存在一些缺点，如设计计算及施工工艺较复杂、对施工机械设备与技术条件要求高等。上述缺点正在不断地得以克服，这将使预应力混凝土的发展前景更为广阔。
目前，预应力混凝土结构已广泛应用于建筑工程中，如预应力混凝土空心板、屋面梁、屋架及吊车梁等。同时，在交通、水利、海洋及港口工程中，预应力混凝土结构也得到了广泛的应用。预应力混凝土结构在水利方面的应用主要有渡槽、压力水管、水池、大型闸墩、水电站厂房吊车梁、门机轨道梁等。
（二）施加预应力的方法
施加预应力一般采用张拉钢筋的方法。根据张拉钢筋和浇筑混凝土的先后顺序不同，可分为先张法和后张法。
1.先张法
先张法是浇筑混凝土前张拉钢筋的方法。其主要工序为：先在台座上或钢模内张拉预应力钢筋，并作临时锚固，然后浇筑混凝土，当混凝土达到其设计强度的75%及其以上时切断预应力钢筋，预应力钢筋回缩挤压混凝土，使混凝土获得预压应力（图5-2）。先张法构件的预应力是靠预应力钢筋与混凝土之间的黏结力来传递的。
先张法适宜于工厂化的生产方式。当前采用较多的是在台座上张拉，台座越长，一次生产的构件就越多。先张法的工序少、工艺简单、成本低、质量容易保证。为方便运输，先张法一般用于生产小型构件中。
图5-2 先张法工序示意图
2.后张法
后张法是混凝土结硬后在构件上张拉钢筋的方法。其主要工序为：先浇筑混凝土构件，在构件中预留孔道，当混凝土达到其设计强度的75%及其以上后，在孔道中穿入预应力钢筋，然后利用构件本身作为加力台座，张拉预应力钢筋，则在张拉的同时混凝土受到挤压。张拉完毕，在张拉端用锚具锚住预应力钢筋，并在孔道内实行压力灌浆，使预应力钢筋与构件形成整体（图5-3）。若采用工厂专门制作的无黏结钢绞线制作无黏结预应力混凝土结构，张拉钢筋后不必压力灌浆。后张法的预应力是靠构件两端的锚具来保持的。
后张法的施工程序及工艺比较复杂，需要专用的张拉设备及大量的特制锚具，用钢量较大，但它不需要固定的张拉台座，可在现场施工，应用灵活。后张法适用于不便运输的大型构件。
（三）预应力混凝土结构的材料
1.钢筋
预应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用螺纹钢筋或钢棒。预应力混凝土结构对预应力钢筋的要求如下。
图5-3 后张法工序示意图
（1）高强度。预应力钢筋具有较高的抗拉强度时，便可通过张拉钢筋对混凝土施加较大的预压应力，以保证在发生各项预应力损失后仍能满足要求。
（2）具有一定的塑性。钢材强度越高，其塑性越低。钢材塑性用拉断钢筋时的延伸率来度量，要求具有一定的塑性以便防止发生脆性破坏。对处于低温或承受冲击荷载的构件，更要求注意塑性及抗冲击性的要求。
（3）与混凝土之间具有良好的黏结强度。在先张法构件中，预应力的传递是靠钢筋和混凝土之间的黏结力来完成的，因此钢筋与混凝土之间必须具有良好的黏结强度。当采用光面高强度钢丝时，其表面应进行“刻痕”或“压波”处理。
（4）具有良好的加工性能。要求钢筋具有良好的可焊性，以及当采用镦头锚板时钢筋头部镦粗前后的力学性能应基本不变。
2.混凝土(www.xing528.com)
预应力混凝土结构对混凝土的要求如下。
（1）高强度。混凝土强度越高，则施加的预应力也可以越大，有利于控制构件的裂缝和变形，并能减小由于混凝土徐变引起的预应力损失。《水工混凝土结构设计规范》规定，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不应低于C30，当采用钢丝、钢绞线作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于C40。
（2）收缩、徐变小。这样可减少由于混凝土的收缩、徐变而引起的预应力损失。
（3）快硬、早强。在先张法中可提高设备的周转率，从而降低造价、加快施工进度。
（四）锚具与夹具
锚具和夹具是锚固与张拉预应力钢筋时所用的工具。先张法中，构件制作完毕后，可取下来重复使用的称为夹具。后张法中，把锚固在构件端部，与构件连成一体共同受力不再取下的称为锚具。
1.锚具
（1）锥形锚具。锥形锚具由锚圈及带齿的圆锥体锚塞组成，如图5-4（a）所示。它常与外夹式双作用千斤顶配合张拉钢丝束，如图5-4（b）所示。锥形锚具可张拉12～24根直径为5mm的碳素钢丝组成的钢丝束。
图5-4 锥形锚具及外夹式双作用千斤顶
1—钢丝束；2—锚塞；3—钢锚圈；4—垫板；5—孔道；6—套管；7—钢丝夹具；8—内活塞；9—锚板；10—张拉钢丝；11—油管
（2）JM12型锚具。JM12型锚具由锚环和楔形夹片组成，如图5-5所示。它常与穿心式双作用千斤顶配合张拉钢筋束和钢绞线束。夹片可为3～6片，用以锚固3～6根直径为12～14mm的钢筋或5～6根7股直径为4mm的钢绞线束。
图5-5 JM12型锚具
1—锚环；2—夹片；3—钢筋束
图5-6 XM型锚具、QM型锚具
1—锚环；2—夹片；3—钢绞线；4—灌浆孔；5—锥台孔洞
（3）XM型、QM型锚具。XM型、QM型锚具由锚环和夹片组成，如图5-6所示。它用于张拉钢绞线和钢丝束，一个锚具可夹3～10根钢绞线或钢丝束。
2.夹具
（1）锥形夹具、偏心夹具和楔形夹具。如果张拉单根预应力钢筋，则可利用偏心夹具夹住钢筋用卷扬机张拉（图5-7），再用锥形夹具或楔形夹具（图5-8）将钢筋临时锚固在台座的传力架上。
图5-7 先张法单根钢筋的张拉
1—预制构件；2—预应力钢筋；3—台座传力架；4—锥形夹具；5—偏心夹具；6—弹簧秤（控制张拉力）；7—卷扬机；8—电动机；9—张拉车；10—撑杆
图5-8 锥形夹具、偏心夹具和楔形夹具
1—套筒；2—锥销；3—预应力钢筋；4—锚板；5—楔块
（2）梳子板夹具。如果在钢模上张拉多根预应力钢丝，可用梳子板夹具，如图5-9所示。钢丝两端用镦头锚固，利用安装在普通千斤顶内活塞上的爪子勾住梳子板上两个孔洞施力于梳子板，张拉完毕后立即拧紧螺母，钢丝就临时锚固在钢模横梁上。
图5-9 梳子板夹具
1—梳子板；2—钢模横梁；3—钢丝；4—镦头（冷镦）；5—千斤顶张拉时爪钩孔及支撑位置示意；6—固定用螺母
（3）螺杆镦粗夹具和锥形锚块夹具。对于张拉多根预应力钢筋，则可采用螺杆镦粗夹具（图5-10）或锥形锚块夹具（图5-11）。
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