12.3.2 预应力钢材
预应力混凝土构件中设置有预应力钢筋和非预应力钢筋（即普通钢筋）。普通钢筋已在第1章中作了介绍，这里对预应力钢筋作一简要介绍。
1）对预应力钢筋的要求
（1）强度要高。预应力钢筋必须采用高强度钢材，这已从预应力混凝土结构本身的发展历史作了极好的说明。早在一百余年前，就有人提出了在钢筋混凝土梁中建立预应力的设想，并进行了试验。但当时采用的是普通钢筋，强度不高，经过一段时间，由于混凝土的收缩、徐变等原因，所施加的预应力丧失殆尽，使这种努力一度遭到失败。又过了约半个世纪，直到1928年，法国工程师E·弗莱西奈采用高强钢丝进行试验才获得成功，并使预应力混凝土结构有了实用的可能。这说明，不采用高强度预应力筋，就无法克服由于各种因素所造成的应力损失（见第13章），也就不可能有效地建立预应力。
（2）有较好的塑性。为了保证结构物在破坏之前有较大的变形能力，必须保证预应力钢筋有足够的塑性性能。
（3）要具有良好的与混凝土粘结性能。
（4）应力松弛损失要低。与混凝土一样，钢筋在持久不变的应力作用下，也会产生随持续加荷时间延长而增加的徐变变形（又称蠕变）；在一定拉应力值和恒定温度下，钢筋长度固定不变，则钢筋中的应力将随时间延长而降低，一般称这种现象为钢筋的松弛或应力松弛。
预应力钢材今后发展的总要求就是高强度、粗直径、低松弛和耐腐蚀。 2）预应力钢筋的种类
《公路桥规》推荐使用的预应力筋有钢绞线、消除应力钢丝和精轧螺纹钢筋。钢绞线和消除应力钢丝单向拉伸应力—应变关系曲线无明显的流幅（图1-21），精轧螺纹钢筋则有明显的流幅（图1-19）。
（1）钢绞线 钢绞线是由2、3或7根高强钢丝扭结而成并经消除内应力后的盘卷状钢丝束（图12-12）。最常用的是由6根钢丝围绕一根芯丝顺一个方向扭结而成的7股钢绞线。芯丝直径常比外围钢丝直径大（5~7）％，以使各根钢丝紧密接触，钢丝扭距一般为钢绞线公称直径的（12~16）倍。
《公路桥规》根据国家标准《GB/T 5224—1995》选用的钢绞线有两股钢绞线、三股钢绞线和七股钢绞线三种规格，其抗拉强度标准值为（1470~1860）MPa，并依松弛性能不同分成普通钢绞线和低松弛钢绞线两种。普通钢绞线工艺较简单，钢绞线绞捻而成后，仅需在400℃左右的熔铅中进行回火处理；而低松弛钢绞线则需进行稳定化处理，即在（350~400）℃的温度下进行热处理的同时，还给钢绞线施加一定的拉力，使其达到兼有热处理与预拉处理的效果，不仅可以消除内应力，而且可以提高其强度，使结构紧密，切断后断头不松散，可使应力松弛损失率大大降低，伸直性好。
钢绞线具有截面集中，比较柔软、盘弯运输方便，与混凝土粘结性能良好等特点，可大大简化现场成束的工序，是一种较理想的预应力钢筋。普通钢绞线的强度与弹性模量均较单根钢丝略小，但低松弛钢绞线已有改变。据国外统计，钢绞线在预应力筋中的用量约占75%，而钢丝与粗钢筋共约占25%。国内使用高强度、低松弛钢绞线也已经成为主流。
英国和日本还研究生产了一种“模拔成型钢绞线”，它是在捻制成型时通过模孔拉拔而成。它可使钢丝互相挤紧成近于六边形，使钢绞线的内部空隙和外径大大减小，在相同预留孔道的条件下，可增加预拉力约20%，且周边与锚具接触的面积增加，有利于锚固。
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图12-12 几种常见的预应力钢绞线
a）三股钢绞线 b）七股钢绞线 c）七股拔模钢绞线 d）无粘结钢绞线
（2）高强度钢丝
预应力混凝土结构常用的高强钢丝（图12-13）是用优质碳素钢（含碳量为0.7%~1.4%）轧制成盘圆经温铅浴淬火处理后，再冷拉加工而成的钢丝。对于采用冷拔工艺生产的高强钢丝，冷拔后还需经过回火矫直处理，以消除钢丝在冷拔中所存在的内部应力，提高钢丝的比例极限、屈服强度和弹性模量。《公路桥规》中采用的消除应力高强钢丝有光面钢丝、螺旋肋钢丝和刻痕钢丝。
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图12-13 几种常见的预应力高强钢丝
a）光面钢丝 b）两面刻痕钢丝 c）三面刻痕钢丝 d）无粘结钢丝束
（3）精轧螺纹钢筋
精轧螺纹粗钢筋在轧制时沿钢筋纵向全部轧有规律性的螺纹肋条，可用螺丝套筒连接和螺帽锚固，因此不需要再加工螺丝，也不需要焊接。目前，这种高强钢筋仅用于中、小型预应力混凝土构件或作为箱梁的竖向、横向预应力钢筋。
《公路桥规》对预应力筋强度设计值和强度标准值的规定如附表2-1；预应力钢筋的弹性模量见附表2-2。
值得一提的是，近年来，非金属材料制成的预应力筋，如玻璃纤维增强塑料（GFRP）、芳纶纤维增强塑料（AFRP）及碳纤维增强塑料（CFRP）等材料制成的预应力筋已开始在处于某些特殊环境和条件下的桥梁中使用。这些材料的特点是：强度高、重量轻、抗腐蚀、抗磁性、耐疲劳、热膨胀系数与混凝土接近、弹性模量低、抗剪强度低等。目前，FRP预应力筋以及FRP预应力混凝土结构的力学性能仍处于研究和试用阶段，但可以预言，FRP预应力筋在未来将具有广阔的应用前景。
12.4 预应力混凝土结构的三种概念
按照预应力钢筋与混凝土之间的粘结情况，预应力混凝土结构可分为有粘结预应力混凝土结构和无粘结预应力混凝土结构。按照预应力钢筋是否布置在混凝土截面内，预应力混凝土结构可分为体内预应力混凝土结构和体外预应力混凝土结构。本教材所涉及的内容均指体内有粘结的预应力混凝土结构，它是先张预应力混凝土结构和管道内灌浆后实现粘结的后张预应力结构的总称。
为了全面理解体内有粘结预应力混凝土的基本概念，可以引用林同炎提出的三种概念来分析预应力混凝土结构
1）预加应力的目的是将混凝土变成弹性材料 预加应力的目的只是为了改变混凝土的性能，变脆性材料为弹性材料。这种概念认为预
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应力混凝土与普通钢筋混凝土是两种完全不同的材料，预应力钢筋的作用不是配筋而是施加预压应力以改变混凝土性能的一种手段。如果预压应力大于荷载产生的拉应力，则混凝土就不承受拉应力。这种概念要求将无应力或零应力作为预应力混凝土设计准则。这样可以用材料力学公式计算混凝土的应力、应变和挠度、上拱，并在需要时可采用叠加原理，计算十分方便。
现考察一简支矩形梁。预应力钢筋的重心与梁的重心轴重合，通过预应力钢筋使梁承受预压应力（图12-14），梁上再作用有外荷载。预应力钢筋的预拉力F在混凝土中产生一大小相等的预压力F，此压力也作用在预应力钢筋的重心处，作用线通过截面的重心。预拉力和预压力是成对存在的，分别作用于预应力钢筋和混凝土截面，它们通常也称为预加力。由于预压力F的作用，在面积为A的截面上将产生一均匀压应力为
??F （12-15） A如果M为梁上荷载及自重在某一截面处所引起的外弯矩，则该截面任意一点处由M引起的应力为
??My （12-16） IFMy （12-17） ?AI其中y为该点到截面重心轴的距离，I为截面的惯性矩。因此，叠加后的应力分布表示为
??如图12-14所示。
a）同轴预应力钢筋（力＝F）截面重心线b）c）d）MF?—c—(—AI)My——IF—AMc——IyMF?—(——A?I)MF?—c(——AI)cc
图12-14 同轴预应力混凝土截面的应力分布
a)受预加力及外荷载作用的梁 b)预压力F作用的应力 c)外弯矩M作用的应力 d)F及M共同作用的应力
如果预应力钢筋偏离混凝土截面重心布置（图12-15），其解稍复杂。预压力F作用在预应力钢筋的重心处，离梁重心轴的距离为e。由于是偏心的预压力，混凝土截面除承受轴压作用外还要承受弯矩作用。预压力产生的弯矩为Fe，此弯矩在混凝土截面上任意一点处引起的应力为
??而叠加后的应力表示为
Fey （12-18） IFFeyMy （12-19） ??AII?? 12-19
a）截面重心线偏心预应力钢筋b）c）d）e）Mcec?—F—F?——(—I)AIeyF——IMy——IMyey?—F—F?—(——A?I?I)F—AecF——IMc——IMcec—F—F—(——A+I-I)cec 图12-15 偏心预应力混凝土截面的应力分布
a）偏心预应力及加外荷载的梁 b）预压力F轴压作用下的应力 c）预压力偏心矩作用下的应力
d）外弯矩M作用下的应力 e）偏心预压力及外弯矩共同作用下的应力
如果预应力钢筋是弯曲的或弯折的［图12-16a）］，为了方便，常常取构件的左边或右边部分作为隔离体来计算预应力效应。此时，混凝土上的预压力和作用在偏心距为e处的预应力钢筋的预拉力F相等，因此，在图12-16b）中可由水平力平衡条件得出混凝土所受的压力等于钢筋中的预拉力F，因此偏心力F在混凝土内引起的应力可表示为
??a）FF?e?y （12-20） ?AIa）预应力钢筋重心线预应力钢筋重心线b）截面重心线A压力C=Fb）截面重心线A压力C=Fee预拉力F预应力钢筋重心线预拉力F预应力钢筋重心线AA图12-16 常高度预应力简直梁 图12-17 不等高度预应力混凝土简支梁
a）预应力梁 b）隔离体 a）预应力梁 b）隔离体
所以，预应力在任一截面处引起的混凝土应力仅取决于F在该截面处的大小和位置，而与预应力钢筋沿梁在其他纵断面上的位置无关。例如，若图12-17所示梁的截面A－A和图12-16中梁的截面A－A相等，则这两个截面上由偏心距为e的预加力引起的混凝土应力是相同的，而不管A－A截面以外梁形状或预应力钢筋沿纵断面如何变化（这仅对静定结构构件才正确，因为静定结构中构件支承反力不受内部预加力的影响）。
2）预加应力的目的是使高强度钢筋和混凝土能够共同工作。
这种概念是将预应力混凝土看作是高强钢筋与混凝土两种材料组成的一种特殊的钢筋混凝土。预先将预应力钢筋张拉到一定的应力状态，在使用阶段预应力钢筋的应力（应变）增加的幅度较小，混凝土不开裂或裂缝较细，这样高强钢材就可以与混凝土一起正常工作。
在钢筋混凝土梁中，用钢筋承受拉力、混凝土承受压力以形成一抵抗外弯矩的力偶，如图12-18 a）。在预应力混凝土中也存在同样的性能,如图12-19 b）。在预应力混凝土中采用的是高强度钢筋，在其强度被充分利用之前将必须有很大的伸长。若此高强度钢筋还像在普通钢筋混凝土梁中那样简单地埋置于混凝土内，周围的混凝土必将在钢筋全部被利用之前非常严重地开裂，如图12-19 a）。因此需要将高强钢筋相对于混凝土预张拉。抵着混凝土张拉钢筋并加以锚固，就可以在结构中产生预期的应力和应变：混凝土中的压应力和压应变及钢筋
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