橋梁預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)狀與發(fā)展

摘 要：本文從組成混凝土的材料，張拉技術(shù)和施工方法及結(jié)構(gòu)抗震性能上的發(fā)展?fàn)顩r來進行闡述,提出了提高預(yù)應(yīng)力混凝土工藝水平的建議。

關(guān)鍵詞：混凝土 鋼材 施工工藝 抗震性能

中圖分類號：U448.35 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-797301-0122-02

一、引言

預(yù)應(yīng)力混凝土是在第二次世界大戰(zhàn)后迫切要求恢復(fù)戰(zhàn)爭創(chuàng)傷，從西歐迅速發(fā)展起來的。半個多世紀(jì)以來,從理論，材料，工藝到土建工程中的應(yīng)用,都取得了巨大的發(fā)展。尤其是隨著部分預(yù)應(yīng)力概念的逐步成熟,突破了混凝土不能受拉與開裂的約束,大大擴展了它的應(yīng)用范圍。目前預(yù)應(yīng)力混凝土已成為國內(nèi)外土建工程最主要的一種結(jié)構(gòu)材料,而且預(yù)應(yīng)力技術(shù)已擴大應(yīng)用到型鋼，磚，石，木等各種結(jié)構(gòu)材料,并用以處理結(jié)構(gòu)設(shè)計，施工中用常規(guī)技術(shù)難以解決的各種疑難問題。我國預(yù)應(yīng)力混凝土的起步比西歐大約晚10 年,但發(fā)展迅速,應(yīng)用數(shù)量龐大。我國近年來在土木工程投資方面，建設(shè)規(guī)模方面均居世界前列。在混凝土工程技術(shù)，預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用方面取得了巨大進步。近來二三十年來,我國預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)展很快,無論在橋型，跨度以及施工方法與技術(shù)方面都有突破性發(fā)展,不少預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的修建技術(shù)已達到國際先進水平。本文著重從其組成材料和特性上探討預(yù)應(yīng)力混凝土發(fā)展現(xiàn)狀及前景。

二、混凝土

從我國已建成的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁來看,大多都采用40~50 混凝土,進而采用減水劑等添加劑制備塑性混凝土,并發(fā)展了泵送混凝土工藝。隨著橋梁跨度的增加,為減少橋梁結(jié)構(gòu)的自重,混凝土逐漸向高強，輕質(zhì)方向發(fā)展。日本早在70年代采用80 混凝土修建了幾座跨徑為45 的簡支預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋,德國在主跨136 的富林格爾橋上采用了輕質(zhì)混凝土。我國目前在高強，輕質(zhì)混凝土方面已經(jīng)有所成就。如建設(shè)中的重慶大佛寺長江大橋,是一座主跨450 米的雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋。由重慶大佛寺長江大橋試驗忠心研制成功的60 微硅粉高強混凝土首次在該橋主梁澆注使用。作為混凝土的改性材料,微硅粉高強混凝土具有易澆注，整體密實，長期穩(wěn)定及強度高等特點,可提高建筑的內(nèi)在質(zhì)量,在橋梁建筑市場上具有極大的推廣應(yīng)用價值。

三、鋼材

目前使用的預(yù)應(yīng)力鋼材主要有高強鋼絲，鋼絞線及高強度粗鋼筋三大類。橋梁上使用的預(yù)應(yīng)力鋼材一直在朝著高強度，低松弛，大直徑的方向發(fā)展。80 年代中期以前,我國的預(yù)應(yīng)力鋼材的性能比國際上落后較多,近20 年差距逐漸縮小。預(yù)應(yīng)力鋼材的生產(chǎn)過程由于工廠的不斷改進而成為性能更好，更經(jīng)濟的材料。為提高效率,近年來,材料強度有所增加,但在某些情況下,強度的增長是以降低材料的延性與韌性為代價的。強度較高的預(yù)應(yīng)力鋼材,有時會增加氫的應(yīng)力腐蝕的危險。這些不利的特性應(yīng)予以重視。新型材料如纖維增強塑料,過去主要用于航天和航空工業(yè),現(xiàn)已進入建筑工業(yè)。采用這些材料主要由于下列優(yōu)點:在各種環(huán)境下具有耐久和抗腐蝕的特性,重量輕,高強度和無磁性等性能。纖維增強塑料可用作預(yù)應(yīng)力與非預(yù)應(yīng)力材料。這些材料具有線彈性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,直到拉斷。它們的性能與鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼材性能不同,還需要采用新的設(shè)計方法。

自從1939 年法國首創(chuàng)式體系與比利時首創(chuàng)體系后,預(yù)應(yīng)力技術(shù)實現(xiàn)了從先張到后張的進步,為各種大跨預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的發(fā)展開辟了道路。預(yù)應(yīng)力錨具與所錨固的預(yù)應(yīng)力筋相對應(yīng),分為粗鋼筋錨具，鋼絲束錨具及鋼絞線錨具3 類。近年來用于鋼絞線錨固的群錨體系,被廣泛采用。隨著質(zhì)量地不斷提高,其錨固性能也越來越好。使用時可根據(jù)需要由多根鋼絞線組成一束,整束張拉,國內(nèi)目前已發(fā)展到1200。大噸位預(yù)應(yīng)力鋼束的采用大大簡化了后張拉工藝。對于采用懸澆施工的橋梁,每一循環(huán)預(yù)應(yīng)力束數(shù)可大大減少,且通過預(yù)應(yīng)力束平彎使錨點位置在斷面上的布置固定,大大節(jié)省了穿束，張拉，壓漿等工序所用的時間,從而加快施工進度。另外采用大噸位預(yù)應(yīng)力束,布束容易,經(jīng)合理選擇后可以做到因不易布束而加大結(jié)構(gòu)尺寸,造成材料浪費,可減少繁雜的錨固齒塊,便于簡化模板,加快工期。

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋是指帶潤滑防銹涂層的后張預(yù)應(yīng)力筋,施工時這種預(yù)應(yīng)力筋可以和普通鋼筋一樣直接安裝在模板中。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋無需預(yù)留孔道，后期穿束，壓漿等工序并可節(jié)省材料，加快施工進度。因此具有施工簡便，施工效率高等優(yōu)點。但其強度和剛度與相應(yīng)的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋相比稍低。從耐久性能看,應(yīng)對其防銹及認(rèn)真處理錨具封端。有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋由于壓漿工藝問題也存在耐久性問題,預(yù)應(yīng)力管道壓漿往往存在壓漿不滿或不密實等問題,由此可能導(dǎo)致的預(yù)應(yīng)力筋銹蝕問題不容忽視。在我國無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋在大跨徑橋梁上的應(yīng)用正日益增加。無粘結(jié)筋因其自身的優(yōu)點將會越來越受到重視,但關(guān)于其強度和耐久性問題仍然需要進一步加強研究,不斷完善。

體外索在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的使用是近來建筑工業(yè)發(fā)展的方向之一。用體外預(yù)應(yīng)力的方式修建混凝土橋梁在國際上已有近90 年的歷史。但早期因防腐工藝不完善，造價高等原因,取得的效果并不理想。但自80 年代以來,由于技術(shù)的進步,體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)幾經(jīng)改進后,日趨完善,其應(yīng)用也越來越多。從預(yù)加應(yīng)力方式來看,它把絕大部分的預(yù)應(yīng)力鋼束布置在混凝土截面外,通過錨固端和變向裝置來傳遞預(yù)加應(yīng)力。該方法不但可以應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu),還可以用來加固原有結(jié)構(gòu)。在預(yù)應(yīng)力使用早期,體外預(yù)應(yīng)力筋已被應(yīng)用于橋梁建設(shè),不過,由于當(dāng)時技術(shù)條件的制約,這種方法在20 世紀(jì)50 年代幾乎被人們放棄了?？垢g(纖維增強塑料)索，高性能鋼索以及體外索防護系統(tǒng)的發(fā)展,為體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的再次興起提供了有利的條件。

使用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的橋梁工程具有以下優(yōu)點:1)由于板內(nèi)沒有安裝管道,減小了板的厚度,從而減輕了橋梁的重量;2)預(yù)應(yīng)力索安裝簡便;3)易于檢查預(yù)應(yīng)力索,有利于索的養(yǎng)護;4)預(yù)應(yīng)力索的替換或者再次張拉成為可能;5)大大地縮短施工工期,特別是使用預(yù)制分段拼裝方法施工的橋梁。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)廣泛應(yīng)用于混凝土橋梁建設(shè)中。并已被用于高速公路和高架鐵路分段預(yù)制橋梁建設(shè)。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)另一個極具潛力的用途是對原有混凝土結(jié)構(gòu)進行加固與修復(fù)。近年來,該技術(shù)已應(yīng)用于許多新型結(jié)構(gòu)中,其中包括:在大偏心結(jié)構(gòu)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力索以提高結(jié)構(gòu)的受力性能,可以被應(yīng)用于由混凝土翼緣與波形鋼腹板構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)之中,高性能輕質(zhì)材料的使用減輕了結(jié)構(gòu)的自重。

四、施工工藝

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的發(fā)展與施工技術(shù)的發(fā)展是密不可分的,施工技術(shù)水平直接影響橋梁的跨徑，線型，截面形式等。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁在初期大多采用滿布支架法施工,其跨度一般在40 以內(nèi),且施工周期長,施工用料多。60 年代預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁引入懸臂施工法以后,預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋得以迅速發(fā)展,其跨越能力達200 以上,適用范圍也不斷擴大。懸臂拼裝法將大跨橋梁化整為零,施工簡便,拼裝工期短，速度快,特別對于多跨長聯(lián)橋(跨度在100 以內(nèi))是一種效率高而且經(jīng)濟的施工方法。預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁的施工方法還有頂推法，移動模架法，逐孔架設(shè)法等。近年來由烏克蘭的工程師發(fā)明的新型預(yù)應(yīng)力技術(shù)是介于先張拉法和后張拉法之間的工藝。它是在澆搗混凝土尚未凝固的時候施加預(yù)應(yīng)力,混凝土在壓力的情況下固結(jié)。施加這種預(yù)應(yīng)力需要用特殊的可滑動的模板及能把壓力傳給混凝土的裝置。它可使同樣配筋率情況下梁的承載力提高25-34%，柱的承載力提高75%,抗裂度不變。該方法已在重達30 噸的橋梁結(jié)構(gòu)中使用。

五、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震問題

當(dāng)前國際混凝土結(jié)構(gòu)工程界對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震問題給予了重視。日本在1995 年神戶大阪地震之后,結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)(包括預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu))在地震中的實際表現(xiàn)進行了調(diào)查并作了大量研究工作,其它國家也作了不少研究工作。

研究表明預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在地震區(qū)是能夠應(yīng)用的,和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一樣,需要的是合理的設(shè)計和施工。采用豎向預(yù)應(yīng)力加固普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可提高結(jié)構(gòu)抗震性能。采用豎向預(yù)應(yīng)力的混凝土結(jié)構(gòu),可以提高結(jié)構(gòu)抵抗水平荷載的能力,并在地震之后又能很快的復(fù)原。在地震作用下,預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)會發(fā)生屈服,產(chǎn)生塑性鉸,提高整個結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力而避免損壞,因而具有良好抗震性能。

六、展望

為適應(yīng)我國經(jīng)濟的發(fā)展,緩解交通問題給人們生產(chǎn)生活帶來的不便,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍將更加廣闊,因此我們應(yīng)加強提高預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平的科研工作。和發(fā)達國家相比,我們預(yù)應(yīng)力混凝土工程的研究相對落后。憑借我們已有的強大隊伍,和一些單位在預(yù)應(yīng)力技術(shù)推廣應(yīng)用中的創(chuàng)收實力完全可以承擔(dān)和完成這項重要的科研任務(wù)。同時,設(shè)計和施工的分離也是影響我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展的因素之一。因此有必要成立大型強而有力的預(yù)應(yīng)力混凝土工程公司,承擔(dān)重大預(yù)應(yīng)力混凝土工程,并擔(dān)負(fù)新技術(shù)開發(fā)研究,并做好與設(shè)計和施工之間的聯(lián)系,以提高我國的預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平。

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