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(zhēng)創(chuàng)傷，從西歐迅速發(fā)展起來的。半個(gè)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(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。目前預(yù)應(yīng)力混凝土已成為國(guó)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(kuò)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(jì)，施工中用常規(guī)技術(shù)難以解決的各種疑難問題。我國(guó)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(guó)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(jìn)步。近來二三十年來,我國(guó)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(dá)到國(guó)際先進(jìn)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。
混凝土
從我國(guó)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(jìn)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(qiáng)，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(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋,德國(guó)在主跨136的富林格爾橋上采用了輕質(zhì)混凝土。我國(guó)目前在高強(qiáng)，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(zhǎng)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(zhǎng)江大橋試驗(yàn)忠心研制成功的60微硅粉高強(qiáng)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(qiáng)混凝土具有易澆注，整體密實(shí)，長(zhǎng)期穩(wěn)定及強(qiáng)度高等特點(diǎn),可提高建筑的內(nèi)在質(zhì)量,在橋梁建筑市場(chǎng)上具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。
鋼材
目前使用的預(yù)應(yīng)力鋼材主要有高強(qiáng)鋼絲，鋼絞線及高強(qiáng)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(qiáng)度，低松弛，大直徑的方向發(fā)展。80年代中期以前,我國(guó)的預(yù)應(yīng)力鋼材的性能比國(guó)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(jìn)而成為性能更好，更經(jīng)濟(jì)的材料。為提高效率,近年來,材料強(qiáng)度有所增加,但在某些情況下,強(qiáng)度的增長(zhǎng)是以降低材料的延性與韌性為代價(jià)的。強(qiáng)度較高的預(yù)應(yīng)力鋼材,有時(shí)會(huì)增加氫的應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)。這些不利的特性應(yīng)予以重視。新型材料如纖維增強(qiáng)塑料,過去主要用于航天和航空工業(yè),現(xiàn)已進(jìn)入建筑工業(yè)。采用這些材料主要由于下列優(yōu)點(diǎn):在各種環(huán)境下具有耐久和抗腐蝕的特性,重量輕,高強(qiáng)度和無磁性等性能。纖維增強(qiáng)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(jì)方法。自從1939年法國(guó)首創(chuàng)式體系與比利時(shí)首創(chuàng)體系后,預(yù)應(yīng)力技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從先張到后張的進(jìn)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(duì)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(shí)可根據(jù)需要由多根鋼絞線組成一束,整束張拉,國(guó)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(jiǎn)化了后張拉工藝。對(duì)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(diǎn)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(shí)間,從而加快施工進(jìn)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(fèi),可減少繁雜的錨固齒塊,便于簡(jiǎn)化模板,加快工期。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋是指帶潤(rùn)滑防銹涂層的后張預(yù)應(yīng)力筋,施工時(shí)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(jìn)度。因此具有施工簡(jiǎn)便，施工效率高等優(yōu)點(diǎn)。但其強(qiáng)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(duì)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(shí)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(guó)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(diǎn)將會(huì)越來越受到重視,但關(guān)于其強(qiáng)度和耐久性問題仍然需要進(jìn)一步加強(qiáng)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(guó)際上已有近90年的歷史。但早期因防腐工藝不完善，造價(jià)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(jìn)步,體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)幾經(jīng)改進(jìn)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(shí)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(qiáng)塑料)索，高性能鋼索以及體外索防護(hù)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(diǎn):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(jiǎn)便;3)易于檢查預(yù)應(yīng)力索,有利于索的養(yǎng)護(hù);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(gè)極具潛力的用途是對(duì)原有混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)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。
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(zhǎng),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(dá)200以上,適用范圍也不斷擴(kuò)大。懸臂拼裝法將大跨橋梁化整為零,施工簡(jiǎn)便,拼裝工期短，速度快,特別對(duì)于多跨長(zhǎng)聯(lián)橋(跨度在100以內(nèi))是一種效率高而且經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dá)30噸的橋梁結(jié)構(gòu)中使用。
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗震問題
當(dāng)前國(guó)際混凝土結(jié)構(gòu)工程界對(duì)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(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行了調(diào)查并作了大量研究工作,其它國(guó)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(jì)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(huì)發(fā)生屈服,產(chǎn)生塑性鉸,提高整個(gè)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。
展望
為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(qiáng)提高預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平的科研工作。和發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我們預(yù)應(yīng)力混凝土工程的研究相對(duì)落后。憑借我們已有的強(qiáng)大隊(duì)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(shí)力完全可以承擔(dān)和完成這項(xiàng)重要的科研任務(wù)。同時(shí),設(shè)計(jì)和施工的分離也是影響我國(guó)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(qiáng)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(jì)和施工之間的聯(lián)系,以提高我國(guó)的預(yù)應(yīng)力技術(shù)水平。
參考文獻(xiàn)
[1]項(xiàng)海帆.21世紀(jì)世界橋梁工程的展望[].土木工程學(xué)報(bào)2000,(33):3.
[2]項(xiàng)海帆.橋梁工程的宏偉發(fā)展前景.橋梁漫筆[].北京中國(guó)鐵道出版社,1997.
[3]中國(guó)公路學(xué)會(huì)橋梁與結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì).中國(guó)公路學(xué)會(huì)橋梁與結(jié)構(gòu)工程學(xué)會(huì)論文集().北京:人民交通出版社,2001
