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                橋梁預應力混凝土現狀與發展

                預應力混凝土是在第二次世界大戰后迫切要求恢復戰爭創傷,從西歐迅速發展起來的。半個多世紀以來,從理論,材料,工藝到土建工程中的應用,都取得了巨大的發展。尤其是隨著部分預應力概念的逐步成熟,突破了混凝土不能受拉與開裂的約束,大大擴展了它的應用范圍。目前預應力混凝土已成為國內外土建工程最主要的一種結構材料,而且預應力技術已擴大應用到型鋼,磚,石,木等各種結構材料,并用以處理結構設計,施工中用常規技術難以解決的各種疑難問題。我國預應力混凝土的起步比西歐大約晚10年,但發展迅速,應用數量龐大。我國近年來在土木工程投資方面,建設規模方面均居世界前列。在混凝土工程技術,預應力技術應用方面取得了巨大進步。近來二三十年來,我國預應力混凝土橋梁發展很快,無論在橋型,跨度以及施工方法與技術方面都有突破性發展,不少預應力混凝土橋梁的修建技術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應力混凝土發展現狀及前景。

                  混凝土從我國已建成的預應力混凝土橋梁來看,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,并發展了泵送混凝土工藝。隨著橋梁跨度的增加,為減少橋梁結構的自重,混凝土逐漸向高強,輕質方向發展。日本早在70年代采用80混凝土修建了幾座跨徑為45的簡支預應力混凝土鐵路橋,德國在主跨136的富林格爾橋上采用了輕質混凝土。我國目前在高強,輕質混凝土方面已經有所成就。如建設中的重慶大佛寺長江大橋,是一座主跨450米的雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋。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,長期穩定及強度高等特點,可提高建筑的內在質量,在橋梁建筑市場上具有極大的推廣應用價值。

                  鋼材目前使用的預應力鋼材主要有高強鋼絲,鋼絞線及高強度粗鋼筋三大類。橋梁上使用的預應力鋼材一直在朝著高強度,低松弛,大直徑的方向發展。80年代中期以前,我國的預應力鋼材的性能比國際上落后較多,近20年差距逐漸縮小。預應力鋼材的生產過程由于工廠的不斷改進而成為性能更好,更經濟的材料。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。強度較高的預應力鋼材,有時會增加氫的應力腐蝕的危險。這些不利的特性應予以重視。新型材料如纖維增強塑料,過去主要用于航天和航空工業,現已進入建筑工業。采用這些材料主要由于下列優點:在各種環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。

                  大噸位預應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,每一循環預應力束數可大大減少,且通過預應力束平彎使錨點位置在斷面上的布置固定,大大節省了穿束,張拉,壓漿等工序所用的時間,從而加快施工進度。另外采用大噸位預應力束,布束容易,經合理選擇后可以做到因不易布束而加大結構尺寸,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。無粘結預應力筋是指帶潤滑防銹涂層的后張預應力筋,施工時這種預應力筋可以和普通鋼筋一樣直接安裝在模板中。無粘結預應力筋無需預留孔道,后期穿束,壓漿等工序并可節省材料,加快施工進度。因此具有施工簡便,施工效率高等優點。但其強度和剛度與相應的有粘結預應力筋相比稍低。從耐久性能看,應對其防銹及認真處理錨具封端。有粘結預應力筋由于壓漿工藝問題也存在耐久性問題,預應力管道壓漿往往存在壓漿不滿或不密實等問題,由此可能導致的預應力筋銹蝕問題不容忽視。

                  在我國無粘結預應力筋在大跨徑橋梁上的應用正日益增加。無粘結筋因其自身的優點將會越來越受到重視,但關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。體外索在預應力混凝土結構中的使用是近來建筑工業發展的方向之一。用體外預應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,由于技術的進步,體外預應力技術幾經改進后,日趨完善,其應用也越來越多。從預加應力方式來看,它把絕大部分的預應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加應力。該方法不但可以應用于新建結構,還可以用來加固原有結構。在預應力使用早期,體外預應力筋已被應用于橋梁建設,不過,由于當時技術條件的制約,這種方法在20世紀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的發展,為體外預應力技術的再次興起提供了有利的條件。

                  使用體外預應力技術的橋梁工程具有以下優點:

                  1)由于板內沒有安裝管道,減小了板的厚度,從而減輕了橋梁的重量;

                  2)預應力索安裝簡便;

                  3)易于檢查預應力索,有利于索的養護;

                  4)預應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,特別是使用預制分段拼裝方法施工的橋梁。體外預應力技術廣泛應用于混凝土橋梁建設中。并已被用于高速公路和高架鐵路分段預制橋梁建設。體外預應力技術另一個極具潛力的用途是對原有混凝土結構進行加固與修復。近年來,該技術已應用于許多新型結構中,其中包括:在大偏心結構設置體外預應力索以提高結構的受力性能,可以被應用于由混凝土翼緣與波形鋼腹板構成的組合結構之中,高性能輕質材料的使用減輕了結構的自重。

                  施工工藝預應力混凝土橋梁的發展與施工技術的發展是密不可分的,施工技術水平直接影響橋梁的跨徑,線型,截面形式等。預應力混凝土連續梁在初期大多采用滿布支架法施工,其跨度一般在40以內,且施工周期長,施工用料多。60年代預應力混凝土橋梁引入懸臂施工法以后,預應力連續梁橋得以迅速發展,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,特別對于多跨長聯橋(跨度在100以內)是一種效率高而且經濟的施工方法。預應力連續梁的施工方法還有頂推法,移動模架法,逐孔架設法等。近年來由烏克蘭的工程師發明的新型預應力技術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應力,混凝土在壓力的情況下固結。施加這種預應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噸的橋梁結構中使用。

                  預應力混凝土結構抗震問題當前國際混凝土結構工程界對預應力混凝土結構的抗震問題給予了重視。日本在1995年神戶大阪地震之后,結合混凝土結構(包括預應力混凝土結構)在地震中的實際表現進行了調查并作了大量研究工作,其它國家也作了不少研究工作。研究表明預應力結構在地震區是能夠應用的,和普通鋼筋混凝土結構一樣,需要的是合理的設計和施工。采用豎向預應力加固普通鋼筋混凝土結構可提高結構抗震性能。采用豎向預應力的混凝土結構,可以提高結構抵抗水平荷載的能力,并在地震之后又能很快的復原。在地震作用下,預制的預應力混凝土結構會發生屈服,產生塑性鉸,提高整個結構的延性和耗能能力而避免損壞,因而具有良好抗震性能。

                  展望為適應我國經濟的發展,緩解交通問題給人們生產生活帶來的不便,預應力混凝土結構的應用范圍將更加廣闊,因此我們應加強提高預應力技術水平的科研工作。和發達國家相比,我們預應力混凝土工程的研究相對落后。憑借我們已有的強大隊伍,和一些單位在預應力技術推廣應用中的創收實力完全可以承擔和完成這項重要的科研任務。同時,設計和施工的分離也是影響我國預應力混凝土結構迅速發展的因素之一。因此有必要成立大型強而有力的預應力混凝土工程公司,承擔重大預應力混凝土工程,并擔負新技術開發研究,并做好與設計和施工之間的聯系,以提高我國的預應力技術水平。

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