预应力影响抗弯承载力吗（II）？

2025年，我们提出对课本预应力是否影响抗弯承载力的质疑，()。经过接近一年的计算分析，尝试回答这个问题，请同行批评指正。

01

有限元模型

选用了文献[1]中的3.1m矩形截面预应力混凝土试件，如图1所示，文中材料参数如表1所示。另外按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）考虑了C50混凝土材料塑性损伤模型和钢筋理想弹塑性模型。

图1 矩形截面预应力混凝土试件

表1 材料基本参数

建立了相应的三维实体有限元模型，按照论文方式在跨中设置钢板，并施加位移荷载。将预应力分别定为1395MPa和0MPa以探究预应力的影响，在梁端设置锚固钢板，以避免局部应力集中。另考虑了有、无箍筋的情况，探究箍筋对构件承载力的影响。模型概况如图2所示。

（a）有箍筋

（b）无箍筋

图2 三维实体静力有限元模型

02

结果分析

支反力-跨中位移曲线如图3所示。结果表明，构件表现出较明显延性特征，与无预应力工况相比，施加预应力后，构件极限承载力明显提高。该结论与文献[2]类似，如图4所示。其中，有箍筋构件的承载力提升为16.78%，无箍筋构件的承载力提升为54.65%。

图3 支反力-跨中位移曲线

图4 不同预应力水平的荷载-位移曲线（预应力水平0%-45%）

预应力可以提升抗弯承载力，主要原因是：

（1）预应力限制了受拉区裂缝开展，提升了预应力筋与混凝土之间的粘结。由于缺乏轴向预压力，无预应力构件的受拉区混凝土裂缝发展程度远大于有预应力构件，破坏（受压区混凝土压碎）时的裂缝状态如图5所示。

（a）无预应力

（b）有预应力

图5 达到极限承载力时的裂缝状态

受拉区大量开裂会导致混凝土-预应力筋粘结失效位置增多，无预应力用高强钢绞线，极限承载力与无粘结预应力混凝土破坏模式相似。多篇文献[3]-[5]表明：对于有粘结预应力梁，荷载作用下两者协同变形，预应力筋的应变随截面曲率同步增加，应力增量显著，能充分发挥材料强度，构件破坏时可以达到屈服强度；对于无粘结预应力梁，与相邻混凝土变形不协同，允许相互滑动，应力增量小于有粘结预应力梁，难以充分发挥材料强度。

预应力筋强度充分发挥方面，文献[6]指出，无粘结预应力筋在受压区混凝土压碎时甚至达不到屈服强度，且预应力张拉水平越低，破坏时的应力越低，如图6所示。该结论与模拟结果相匹配：粘结失效严重的无预应力梁在破坏时预应力筋尚未达到屈服强度；有预应力梁在破坏前就达到了屈服强度，如图7所示。

图6 预应力-位移曲线

（a）无预应力构件：预应力筋未屈服

（b）有预应力构件：预应力筋屈服

图7 构件破坏时的预应力筋应力水平

（2）预应力为混凝土提供的预压力提高了构件抗剪承载力。文献[7]指出：预应力的竖向分力可直接抗剪，水平分力则使中性轴处微元体应力状态发生改变，减小混凝土主拉应力，抑制裂缝发展，并增加剪压区高度，提高混凝土抗剪贡献。根据图3，在有预应力状态下，有无箍筋情况下的力-位移曲线基本重合；无预应力情况下，无箍筋构件的承载力降低程度（54.65%）远大于有箍筋构件（16.78%）。这表明在缺少箍筋（承担重要抗剪作用）时，预应力发挥了显著抗剪作用。若无箍筋无预应力，抗剪主要依靠混凝土自身承担，构件过早出现弯剪斜裂缝，刚度降低，导致受压区混凝土过早被压碎，如图8所示。

（a）大量弯剪斜裂缝

（b）受压区混凝土压碎

图8 无箍筋无预应力构件破坏状态

03

结论

从传统桥梁中预应力混凝土构件上看，采用高强钢绞线作为预应力可以显著提升抗弯承载力。

直接原因为：

不施加预应力，受拉区混凝土裂缝充分发展，破坏了钢绞线与混凝土之间的粘结，高强钢绞线屈服前，受压区混凝土已经被压碎。

间接原因为：

在受弯区裂缝充分发展后，无预应力混凝土梁抗剪承载力显著降低，受剪破坏成为荷载作用下控制性破坏模式。

在裂缝充分发展的大跨预应力桥梁中，如果跨中下挠持续变大，抗弯承载力将显著降低。

考虑到是上述结论源自有限元分析和参考同行研究，实际桥梁构件的足尺实验数据较少。请各位同行不吝给出建议。

参考文献

[1] C. Jeon, C. Shim. Flexural behavior of post-tensioned concrete beams with multiple internal corroded strands. Applied Sciences. 2020. 10(22): 7994.

[2] X. Wu, O. Xuexin, J. Tian, et al. Self-sensing mechanism and theoretical model of prestressed FRP-ECC multifunctional composite beams under bending loads. Structures. 2026. 87: 111585.

[3] 王宇威, 潘钻峰, 曾滨, 等. 疲劳荷载作用对预应力长期损失影响试验研究与理论分析. 工程力学, 2025, 42(11): 1-9.

[4] 王作虎, 杜修力, 詹界东. 有粘结和无粘结相结合的预应力FRP筋混凝土梁抗弯承载力研究. 工程力学, 2012, 29(3): 67-74.

[5] Y. Wang, M. He, Z. Li. Flexural behavior of glulam beams reinforced by bonded prestressing tendons. Engineering Structures. 2024, 315: 118436.

[6] M. Pang, X. Liu, Y. Dong, et al. Numerical Assessment on Bonded and Unbonded Prestressed Concrete Beams. Buildings. 2022, 12(10), 1658.

[7] 李仁强, 戚家南, 衣忠强, 等. 考虑预应力提高效应的混凝土梁抗剪承载力. 东南大学学报(自然科学版), 2022, 52(3): 455-460.