《预应力混凝土》第一讲 · 课程引入：为什么要给混凝土"预先加压"
2026-09-30 课程笔记 英法双语授课，术语保留原文
0 本讲定位
- 本课研究对象是预应力混凝土（béton précontraint / prestressed concrete）。混凝土＋钢材的组合有两条路线：钢筋混凝土（béton armé / reinforced concrete）与预应力混凝土，本课走后者。
- 第一讲为纯引入，依次讲材料优缺点、钢筋混凝土的裂缝问题、预应力原理、优点与缺点、使用荷载与超载两段状态、两种张拉工艺与预应力体系分类。
- 课堂分组讨论三题（本讲主线，也是最可能的出题方式）：
- 预应力混凝土有哪些优点？
- 预应力混凝土有哪些缺点？
- 做预应力有哪两种方法？各自怎么做？
1 混凝土与钢材：优缺点互补是全部出发点
| 材料 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 混凝土（béton / concrete） | 抗压（compression / compression）性能好；易施工成型（easy to construct）；便宜（cheap） | 抗拉（tension / tension）差 → 受拉即开裂 |
| 钢材（acier / steel） | 抗拉/拉伸性能好，结构受拉就交给它 | 很贵（expensive）→ 用多了结构造价失控 |
材料组合的逻辑链：
混凝土耐压不耐拉 + 钢材耐拉但太贵、不能多用
→ 两者结合、各用所长 → 受压交给混凝土、受拉交给钢材
混凝土所有问题的总根源：拉应力一旦出现，就产生裂缝（fissures / cracks）。
2 钢筋混凝土（béton armé）：钢筋是"被动"的
做法： 把钢筋（barre en acier / steel bar）放在构件下部受拉区，与混凝土浇筑在一起，此外不做任何处理。
受力过程：
小荷载（charges de service 量级）：变形小、下缘拉力不大 → 不裂
大荷载：下缘受拉 → 超过混凝土抗拉能力 → 底部出现裂缝
卸载后：裂缝不会闭合，仍然存在 → 构件已"带病"
裂缝带来的四类问题：
- 承载力（capacité portante / load capacity）下降：带裂缝工作，能承担的荷载减小；
- 腐蚀（corrosion / corrosion）：水沿裂缝渗入、接触钢筋，钢筋锈蚀；
- 观感与安全恐慌：人们看到裂缝就害怕，误认为结构不安全；
- 连带损伤：与大结构连接的其他部件（如窗扇）会因变形、裂缝而破坏。
【考点】钢筋混凝土 vs 预应力混凝土的关键差异：钢筋混凝土只是"把钢筋放进去"，荷载来了先开裂、钢筋才开始抗拉；预应力混凝土在使用之前就主动对钢材施加力，让混凝土提前建立压力储备。
3 预应力混凝土（précontrainte / prestressing）的核心原理
唯一差别在"顺序"： 预应力混凝土先把钢筋张拉（tension），张拉力通过锚固传给混凝土，于是未加载时受拉区（下缘）已存在预压应力（compression préalable），梁整体向上反拱（flèche inverse / camber）；使用荷载上来后，先把反拱"压平"，才可能产生向下的拉力，压与拉叠加抵消，所以不裂、变形很小。
应力叠加（本讲核心公式）： 预应力等效为轴力 N 全截面均匀受压，使用荷载弯矩 M 在上缘加压、下缘加拉，两者叠加控制下缘不出现拉应力：
① 轴力 N（预应力）：σ = N/A，全截面均匀受压
② 弯矩 M（使用荷载）：σ = M/W，上缘压、下缘拉
③ 叠加：σ下 = N/A − M/W ≥ 0 → 下缘不出现拉应力 → 全截面受力（section entièrement efficace / fully effective section）→ 不裂
课堂两次强调的定性结论（易错）：
- 预应力 ≠ 提高承载力（résistance / strength）；它的直接作用是减小变形（déformations / deformations），从而减少/控制裂缝。
- 受拉区先建立的预压，与荷载引起的拉部分或全部抵消；
- 但实际结构荷载种类多、有时很大，一般只能把拉力减小，不能完全消除（完全消除是"全预应力"的设计目标，见第 10 节）；
- 反过来做设计，先估算结构会承受什么荷载，据此决定施加多大的预压力，把开裂控制在允许水平。
两个基本问题（本讲问答）：
| 问题 | 答案 |
|---|---|
| 为什么预压（为什么做预应力）？ | 抵消/减小荷载拉力，消除或控制裂缝，减小变形 |
| 在哪里预压？ | 拉力出现在哪里，压力就加在哪里。简支受弯构件（如桥梁）下缘受拉 → 预压加在下缘 |
4 工程应用：哪里用预应力
总原则：荷载大 → 拉力大 → 易裂的场合才值得用（普通建筑用预应力太贵、不划算）。
| 应用对象 | 为什么需要预应力 |
|---|---|
| 建筑（楼盖等） | 仅限高荷载建筑；荷载大→拉力大→裂缝多 |
| 地下结构 | 四周荷载大 → 变形大，需控裂 |
| 高层结构 | 如非常高的柱，受力大 |
| 水池/水罐（réservoir d’eau / water reservoir） | 内部水压大 → 变形、开裂风险高 |
| 海上结构（structures off-shore / offshore structures） | 环境荷载严酷 |
| 核反应堆安全壳（structure nucléaire） | 大压力下必须不裂（防渗/防护） |
| 桥梁梁体 | 典型：梁底受拉区布置预应力钢材并预压 |
5 优点（课堂讨论题 1）
| 优点 | 机理/表现 |
|---|---|
| 不出现裂缝 | 下缘受拉区压力与荷载拉力抵消 → 无裂缝 |
| 钢筋不腐蚀 | 无裂缝 → 水进不去 → 钢材不锈蚀（corrosion） |
| 全截面受力，承担更大荷载 | 未开裂的完整截面（section entièrement efficace / fully effective section）全部参与工作 → 承载能力提高 |
| 变形小、刚度提高 | 预压抵消部分挠度 → moins de déformations（减少变形）、提高刚度 |
| 抗剪（cisaillement / shear）能力提高 | 不开裂状态下构件的抗剪性能更好 |
| 柱距大、空间开阔 | 两根柱之间的跨度可以做到很大 → 少柱、中间大空间 |
| 梁更矮、更轻、更省 | 减小梁高（profondeur / depth）→ 自重减小 → 省材料 → 造价下降 |
| 适合预制（préfabrication / prefabrication） | 工厂浇筑+张拉，运至现场装配：工期快、质量可控、构件可重复利用、模板（coffrage / formwork）反复周转进一步降成本 |
链条记法：
不裂 → 不渗水 → 不腐蚀 → 耐久性（durabilité / durability）好
不裂 → 全截面有效 → 承载力↑、刚度↑、变形↓ → 梁可以做得更扁、跨可以更大 → 轻、省、便宜
6 缺点（课堂讨论题 2）
- 非常规施工：需要专门技术（technologie spécialisée）与专用设备，设备昂贵；
- 材料贵：必须用高强度、高质量的钢材/钢筋（acier à haute résistance），材料单价高，设备贵＋材料贵 → 整体造价高；
- 管理要求高：张拉、浇筑等施工过程和质量必须严格控制。
7 正常使用荷载 vs 超载：两段受力特征
预应力不改变"超载最终也会坏"这一事实，它改变的是使用荷载下的工作状态。
| 对比项 | 正常使用荷载（charges de service / service load） | 超载（surchage / overload） |
|---|---|---|
| 混凝土状态 | 保持在线弹性范围（régime élastique linéaire / linear elastic） | 下缘拉力超过混凝土抗拉能力 → 开裂 → 力学行为变非线性 |
| 卸载后 | 变形完全恢复 | 留下裂缝 |
| 钢筋 | 也在弹性范围内 | 钢材"被动顶上"，替混凝土承担拉力 |
| 计算方法 | 可用叠加原理（superposition） | 叠加不再成立 |
| 继续加荷 | 始终无裂缝 | 裂缝→腐蚀等问题；再加荷→大变形→破坏（rupture / failure） |
【易错】“可以用叠加原理"的前提是线弹性＋不开裂，这正是预应力混凝土在使用阶段的常态；钢筋混凝土带裂缝工作，不能简单套用。 【考点】超载路径与钢筋混凝土几乎一样：裂 → 钢筋受力 → 继续加 → 破坏。预应力提高的是使用性能，不是免死金牌。
8 两种张拉工艺（课堂讨论题 3）
| 对比项 | 先张法（prétension / pre-tensioning） | 后张法（post-tension / post-tensioning） |
|---|---|---|
| 工序 | ① 台座/模板上先张拉钢筋 → ② 浇筑混凝土 → ③（硬化后）放张/松开，预应力传入混凝土 | ① 先浇筑混凝土（预留孔道）→ ② 穿入钢筋/束 → ③ 现场张拉并锚固，建立预压 |
| 典型场景 | 工厂预制，批量生产 | 施工现场现浇结构 |
| 经济性/管理 | 更经济，生产条件全程可控 | 工序多、组织复杂 |
| 对钢材的要求 | 直径较小；必须有良好的黏结（adhérence / bond）特性，与混凝土浇筑成一体 | 钢材与混凝土通常不接触（孔道内有空隙）→ 空隙可灌浆（coulis / grouting）：填充并保护钢材防腐 |
| 主要局限 | 预应力筋必须是直线，不能弯 → 适用结构形式受限 | 耗时长：现场浇筑后要等混凝土养护、达到强度后才能张拉 |
两条工序链：
先张法：台座上张拉钢筋 → 浇筑混凝土 → 养护 → 放张 → 靠黏结把预应力传给混凝土
后张法：浇筑混凝土（预留孔道）→ 养护达到强度 → 穿束 → 现场张拉＋锚固 →（有黏结时灌浆）
【选择题考点】记住两组绑定关系：先张法对应工厂、批量、黏结、直线；后张法对应现场、灌浆、费时。
9 有黏结 vs 无黏结（按钢材与混凝土的接触关系分）
| 类型 | 钢材与混凝土的关系 | 可实现的方法 |
|---|---|---|
| 有黏结（adhérent / bonded） | 浇筑成一体、相互接触黏结 | 先张法必然有黏结；后张法灌浆后也可以有黏结 |
| 无黏结（non adhérent / unbonded） | 之间留有空隙、不接触 | 只有后张法能做到 |
10 全预应力 vs 部分预应力
| 对比项 | 全预应力（précontrainte totale / full prestressing） | 部分预应力（précontrainte partielle / partial prestressing） |
|---|---|---|
| 目标 | 使用状态下完全不允许出现拉力 → 不允许开裂 | 允许出现少量变形与少量裂缝 |
| 预压量 | 初始在下缘施加大量压力 → 反拱明显 | 只施加较小预压 |
| 使用表现 | 荷载先压平反拱，全程下缘不出现拉力 → 无裂缝 | 变形、裂缝可控、量很小，不构成大问题 |
【易错】两者不是工艺差别，而是预加力量级与设计允诺的差别：全预应力=零拉力目标；部分预应力=有限开裂目标。
11 预应力损失（pertes de précontrainte / prestress losses）
预压应力会随时间损失（résistance perdue，性能随之下降），分长期与短期：
| 类别 | 损失原因 | 适用方法 |
|---|---|---|
| 长期损失 | ① 混凝土徐变（fluage / creep）② 混凝土收缩（retrait / shrinkage）③ 钢材松弛（relaxation de l’acier / steel relaxation） | 先张、后张都有，两者相同 |
| 短期损失 | 受压瞬间混凝土弹性压缩（影响弹性阶段性能） | 先张、后张都有 |
| 短期损失 | 预应力筋与孔道之间的摩擦 | 后张法特有 |
12 术语对照速查（中 / 法 / 英）
| 中文 | 法文 | 英文 |
|---|---|---|
| 预应力混凝土 | béton précontraint | pre-stressed concrete |
| 钢筋混凝土 | béton armé | reinforced concrete |
| 预应力 | précontrainte | prestressing |
| 裂缝 | fissures | cracks |
| 腐蚀 | corrosion | corrosion |
| 全截面受力 | section entièrement efficace | fully effective section |
| 反拱 | flèche inverse | camber |
| 先张法 | prétension | pre-tensioning |
| 后张法 | post-tension | post-tensioning |
| 黏结 | adhérence | bond |
| 灌浆 | coulis | grouting |
| 徐变 | fluage | creep |
| 收缩 | retrait | shrinkage |
| 松弛 | relaxation de l’acier | steel relaxation |
| 全预应力 / 部分预应力 | précontrainte totale / partielle | full / partial prestressing |
13 复习要点总结
必背知识点：
- 混凝土三优点（耐压、易成型、便宜）＋一致命缺点（抗拉差→裂）；钢材一优点（耐拉）＋一缺点（贵）→ 组合使用；
- 钢筋混凝土 vs 预应力混凝土的本质差别：钢筋被动放 vs 主动张拉在先；
- 预应力一句话原理：在下缘（受拉处）先建立预压，σ下 = N/A − M/W ≥ 0，压抵拉 → 不裂；
- 预应力不提高承载力，而是减小变形、控制裂缝（课堂强调两遍）；
- 两个基本问题：为什么预压——解决拉力；哪里预压——拉在哪压在哪（简支梁下缘）；
- 应用：重载建筑、地下结构、高层、水池、海上结构、核安全壳、桥梁；
- 优点 8 条（不裂/不锈/全截面/变形小刚度大/抗剪好/大柱距/矮轻省/可预制）；缺点 3 条（专用设备贵/高强度钢材贵/质量管控要求高）；
- 使用荷载=线弹性、可叠加、卸载复原；超载=开裂、非线性、钢筋顶替受拉、继续加则破坏；
- 两种工艺：先张（先张拉后浇筑，工厂，必须黏结、必须直线）vs 后张（先浇筑后张拉，现场，可灌浆，费时）；
- 体系分类：有黏结/无黏结（无黏结只能后张）；全预应力/部分预应力（允不允许出现拉应力/裂缝）；
- 预应力损失：长期三件（徐变、收缩、松弛，两法都有）＋短期两件（混凝土弹性压缩两法都有、后张孔道摩擦）。
易错点提醒：
- 预应力 ≠ 强度增强剂：不能回答"预应力提高承载力”，只能说提高刚度、抗裂性与耐久性；
- 实际结构中拉力一般减小而不消除，完全消除是"全预应力"的设计目标；
- 钢筋混凝土卸载后裂缝不闭合；预应力使用阶段才可用叠加原理；
- 先张法钢筋必须直线、必须与混凝土黏结良好；后张法可以灌浆成有黏结、也可保持无黏结；
- 长期损失（徐变/收缩/松弛）对先张、后张同样存在，别只记给某一种。
可能考题形式：
- 简答/列举：本讲课堂三题（优点、缺点、两种方法及做法）几乎可原样出题；
- 辨析题：钢筋混凝土 vs 预应力混凝土的区别；预应力是否提高承载力；
- 作图/推导：用"轴力均匀受压＋弯矩线性分布→叠加后下缘零应力/受压"解释原理（配本讲两图）；
- 判断/选择：有黏结与无黏结的实现方法；先张、后张各自局限；损失原因归类（长期/短期、哪种工艺）。