如您所知，承载能力极限状态校核表明结构在破坏前能承受多大荷载。荷载效应由力臂上的一对内力来抵抗，这一原则是成立的。
无论是预应力混凝土还是钢筋混凝土，这一原则均适用。在钢材用量相同、屈服强度相同的情况下，预应力结构与钢筋混凝土结构在达到承载能力之前能承受相同的荷载。预应力混凝土中额外的压应力并不能帮助结构承受更长时间的荷载。那么，预应力的优势究竟体现在哪里？
深入了解
通过施加预应力，我们在混凝土中引入压应力，从而显著改变材料的受力行为。 裂缝的形成被延迟，因为应力储备抵抗了初始荷载。随着荷载的增加，混凝土达到消压状态。此后，混凝土继续承受拉力，直至超过抗拉强度。
因此，与钢筋混凝土相比，裂缝的出现要晚得多。在相同荷载下，预应力混凝土的裂缝发展也更为缓慢，裂缝宽度更小。这一点对于防止钢筋腐蚀非常重要，同时也与结构刚度密切相关。预应力结构较高的刚度可带来更小的变形。
下图为预应力构件与钢筋混凝土构件在外部轴向拉力作用下的理论对比。假设钢绞线与钢筋采用相同的钢材，屈服强度相同，用量也相互对应，唯一的区别在于钢绞线施加了张拉。
- 状态 1 - 施加第一级荷载增量。预应力混凝土利用应力储备抵抗荷载。钢筋混凝土也在抵抗荷载，直至超过抗拉强度。
- 状态 2 - 钢筋混凝土中的抗拉强度被超过后，裂缝出现。此时，钢筋的承载比随应变一同增大。而在预应力混凝土中，应力储备仍在抵消荷载效应。
- 状态 3 - 预应力混凝土中的抗拉强度被超过后，裂缝出现。此时，钢筋的承载比随应变一同增大，与钢筋混凝土情况相同。
- 状态 4 - 钢材屈服强度被超过。
由此可见，理论上两种结构将同时发生破坏。换言之，额外的压应力不影响承载能力极限状态的校核结果。
相比之下，在相同荷载下，钢筋混凝土结构会比预应力结构更早出现明显裂缝和应变。因此，设计将无法满足正常使用极限状态的校核要求。
此外，值得一提的是，除上述预应力混凝土的优点外，我们还可以通过预应力构件的位置来影响内力分布。这在后张结构中得到了广泛应用。
理论与实践
让我们来验证上述逻辑与IDEA StatiCa 软件计算结果的对应关系。我们将在 IDEA StatiCa Detail 中观察两个算例。第一个算例为先张梁，第二个算例与之完全相同，但不施加预应力。
与理论情况不同，此处构件同时承受弯矩作用。在破坏前，我们将观察到更大的变形。除此之外，基本原理应保持不变。
IDEA StatiCa Detail
下图显示了混凝土、钢筋和钢绞线的承载比。两种结构均能传递所施加的荷载。正如预期，即使是钢筋混凝土梁，其承载能力极限状态校核也以相近的承载比通过。
在正常使用极限状态校核方面，两者存在显著差异。
钢筋混凝土中的裂缝发展更为充分，如前所述，这影响了结构的刚度，进而影响变形。
为什么需要了解这些？
需要指出的是，这是一个理论算例。在实际应用中，我们无法用具有相同性能的钢筋来替代预应力钢筋。同时，由于正常使用极限状态的要求，这种替代也不可行。那么，了解这些为何重要？
对预应力混凝土受力行为的正确理解，有助于简化其应用。能够判断是增加预应力大小还是增加预应力钢绞线数量/后张钢束，抑或修改设计方案，这一点至关重要。
掌握正确的知识，预应力技术使我们能够以更少的材料、更优雅的形式跨越更大的跨度。无论是土木工程领域的桥梁（主要为后张混凝土设计），还是结构工程领域的预应力梁和后张楼板，均是如此。
哪款软件适合预应力设计？
如需设计一般预应力构件（先张或后张），可使用 IDEA StatiCa Beam 软件。该软件提供完整的解决方案，包括施工阶段分析和预应力损失计算。
我们推荐使用 IDEA StatiCa Detail 软件，其适用范围不仅限于非连续区域。