高效预应力结构在桥梁工程领域中的应用

收稿日期:2002 01 10
作者简介:马亚丽(1973 ),女,河南洛阳人,郑州大学土建学院硕士研究生,主要从事结构耐久性等方面的研究。

文章编号:1004 3918(2002)02 0169 05高效预应力结构在桥梁工程领域中的应用
马亚丽, 马智永, 王东炜
(郑州大学土木工程学院,河南郑州 450002)
摘 要:随着大跨径桥梁的建造,高强混凝土、高强、低松弛钢绞线和钢丝开始广泛采用,为了了解高效预应力结构
的特性,本文详细阐述了高强混凝土、高强钢丝、高强钢绞线及预应力技术等在桥梁工程领域的发展状况
和应用前景,对推广高效预应力技术在我国的应用起着重要的作用。

关键词:高效预应力;桥梁结构;高强混凝土;预应力技术
中图分类号:T U 378 文献标识码:A
随着科学技术和生产的发展,混凝土材料的应用技术越来越广泛,由于大跨径桥梁建设的需求及发展以及公路、铁路交通事业的蓬勃兴起,同时对既有建筑物桥梁等的维修、加固的增加,预应力技术广泛应用于多种结构当中。

高效预应力结构即指采用高强度混凝土、高强度预应力钢材用先进的设计思想、先进的施工工艺制造的预应力混凝土结构。

我国自80年代后期以来,特别自进入90年代以来预应力混凝土技术得到了很大的发展,预应力混凝土技术的应用与发展走上了一个新的台阶。

高强混凝土的采用使桥梁结构的自重大大减轻,可显著提高桥梁跨越能力,新型预应力技术的采用以及新的施工工艺的不断创新,计算理论的不断完善、新的设计思想的不断发展,将推动桥梁工程的发展。

1 预应力混凝土桥梁的发展
在我国,予应力技术在50年代中期应用于公路桥梁,近二十年来,发展迅速,从预应力砼桥梁的设计理论计算,结构分析、预应力材料、工艺设备、施工工艺、试验研究等均取得了很大的进步。

予应力技术不仅应用新建工程当中,还广泛应用于已建结构的维修、加固等当中。

1957年在北京至周口店公路的哑吧河上修建了第一座跨径20米装配式后张预应力砼简支梁桥,为以后公路桥梁应用预应力技术开创了先例。

60年代中,我国首次采用平衡悬臂施工法建成一座T 型刚构桥。

之后于1971年用此法建成的福建乌龙江大桥,为我国修建大跨径预应力桥梁迈出一大步。

进入80年代,用平衡悬臂法施工的大跨度预应力混凝土箱形连续梁桥也获得了迅速的发展,1986年建成的湖南常德沅水大桥,主桥跨径为84m+3 120m+84m,全长1408m,1991年建成的云南省六库怒江大桥,主桥跨径85m+154m+85m 。

用平衡悬臂法施工的大跨度预应力混凝土箱形连续 刚构体系桥梁在国内也得到了迅速发展。

1988年建成的广东省番禺洛溪大桥,主桥为四跨(65m+125+180+110),具有双壁墩的不对称连续刚构桥,其最大跨径流180m 居当时亚洲同类桥梁之冠。

1996年又建成的湖北黄石长江大桥,主跨为245m,主桥全长达标1060m,1997年建成的广东虎门辅航道桥,主跨达到270m,已跃居世界同类桥梁的首位。

2 高强度混凝土的应用
用普通水泥、砂石原材料和常规工艺配制具有良好的工作度(能满足预拌运输和泵送要求)、且强度等级在C50~C100之间的高强混凝土,近年来在国际范围内得到迅速的发展。

80年代,在许多跨江、跨河等大型桥梁工程中,应用标号为50~55号的泵送砼,如:浙江杭州钱塘江大桥 80m 跨预应力砼连续箱梁桥,开封黄河公路大桥 单跨50m T 梁,广东番禺落溪大桥 180m 跨预应力砼连续刚构桥,90年代,已广泛采用标号为55~60的泵送砼,如:广东虎门大桥,广东汕头海湾大桥等。

现如今,上海、广东等地已在桥梁建设中广泛采用C80砼。

第20卷 第2期2002年4月
河 南 科 学HENAN SCIENCE Vol 20 N o.2Apr 2002
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高强混凝土具有强度高、耐久性好、变形小等优点。

它的采用,可降低工程造价减少截面尺寸,减少混凝土用量和自重,减少预应力和地震力,提高混凝土耐久性,加快结构施工速度等间接的经济效益。

在高层建筑、大跨度桥梁、海上平台、漂浮结构等工程中显示出其独特的优越性,在工程安全使用性、经济合理性、环境条件的适用性等方面产生了明显的效益,因此被各国学者所接受,被认为是今后混凝土技术的发展方向。

预应力混凝土桥梁随着跨径的增大,造价急剧增加,而且随着梁截面尺寸的增大,桥身自重加大,其所占设计内力比重日益增大,地震时遭受较大的地震力。

高强混凝土在桥梁的上部结构中应用,可以显著的改善上述不利情况。

尽管提高混凝土强度并不能明显增加受弯构件的抗弯能力,但它能降低受弯构件截面的压区混凝土高度,提高构件的延性,允许有较高的配筋率,进而通过提高配筋率来增加构件的抗弯能力;高强混凝土还由于变形小,使构件的刚度得以提高,进而可以降低构件的截面高度。

至于预应力混凝土构件,则能从高强混凝土获得很多好处,可以施加在更大的预应力混凝土结构中,尽量采用高强度等级的混凝土的好处是:(1)保证预应力筋与混凝土之间要有足够的粘结力,(2)能够施加更高的预应力,(3)可有效减少截面尺寸,减轻重量,节省材料,(4)增强张拉端混凝土的局部承压能力,(5)减少徐变引起的预应力损失,(6)可使混凝土有较高的早期强度,便于提前张拉。

与普通强度混凝土相比,高强混凝土在原材料选择和施工质量控制上需要比较严格的要求,其力学性能呈显著脆性。

随着建筑材料业的不断发展以及为了满足更高性能的要求,高强砼正向更高的目标迈进。

掺入少量硅灰和超级塑化剂,可以大大提高砼的强度。

强度高达C100的砼已经在一些发达国家中采用。

这些技术的突破主要是通过采用高效减水剂和具有高活性的硅灰或其它超细活性掺合料来降级水灰比,目的都是为了减少砼微结构中的孔隙,改善骨料和浆体之间的界面性能,并尽量增加其密实程度。

粉煤灰、矿渣、F矿粉(沸石粉)和硅粉等一般还有改善拌料工作度、减少凝结过程中体积变化、降低碱骨料反应、和增加混凝土耐久性的作用。

从而大幅度提高砼的强度。

与普通砼相比,高强能砼在成分上主要区别是:(1)用水量大大减少,(2)减水剂显著提高,(3)水泥用量提高,(4)最大粗骨料粒径降低。

高强砼所用的水泥一般为不小于525号的低碱水泥、硅酸盐水泥等,水泥用量宜小于500kg/m3,砂易用细度模量为2.3~ 3.3的中砂,含泥量不大于3%,石料宜用花岗岩、石灰岩碎石,石料的比重宜大于2.6,吸水率不大于2%。

增强剂可用F矿粉,其用量是水泥用量的10%,可提高强度约10%,高效减水剂(UNF5,UNFS 25等)的用量是水泥用量的0.5~1%。

表1 国内外高强、高性能砼配合比[2][7]
T able1 M ix ratio of high strength and high performance concrete at home and abroad
序号水泥(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)硅粉(kg/m3)高效减水剂水灰比抗压强度(M Pa)
1451--11.3(L/m3)0.3780
2400-2415.8(L/m3)0.3576
3426107--0.373
4420-- 1.25%0.3266
说明:1、法国若尼桥;2、法国Elorn斜拉桥;3、北京二环路西车公庄立交桥;4、哈同公路依兰牡丹江大桥
从一些统计资料来看,预应力结构所用的混凝土,正不断向高强、轻质、匀质、耐久和多功能的方向发展,近几十年来,高强混凝土、人造轻骨料混凝土、纤维混凝土、聚合物浸渍混凝土等的研究和应用进步较大。

随着混凝土强度的增加,脆性也随着增加,因此,加入各种纤维材料与有机高分子复合、改善钢筋性能与配筋,采用复合材料及结构使高强混凝土在克服脆性上受到了显著的提高。

硅灰是一种很好的超细矿物掺合料,但数量有限且价格昂贵,而粉煤灰量大,价廉,不须(或稍加工)即可满足配置高性能砼的要求。

近几年大量的粉煤灰用于配置高强砼。

超高强砼强度达300MPa甚至更高,同时还具有渗透性低和化学侵蚀性高等特点。

活性细料砼(Reactive Pow der Concrete)简称RPC,它能减少构件尺寸,改变构件断面形状,减轻结构质量,并节省钢筋,它的强度介于砼和钢之间,价格比一般砼贵很多。

RPC主要由粉末和微钢纤维组成。

由于它的优异的力学性能和超强的耐久性,在工程界许多领域得到广泛使用。

如:高抗压强度的RPC用作钢绞线预应力锚头,低强但高耐久性和抗腐蚀的RPC用作工业污水
处理过滤板。

纤维砼 用钢纤维或其它纤维对改善高强砼延性十分有效。

当前用于砼的纤维已开始采用碳纤维。

碳纤维增强砼(CFRC)具有强度高、模量大、比重小、耐碱,对人畜无害,良好的导电性等优越性能,在复合材料领域中占有重要一席。

国外CFRC 的研制始于70年代,1978年,日本关羽化学公司生产了通用级沥青基碳纤维之后,CFRC 才得以迅速发展,我国碳纤维的研制工作始于60年代后期,至今已有30年历史。

由此制成的碳纤维增强砼,比不含碳纤维的普通水泥砼的抗拉强度高2~4倍,弹性模量高1.5~2倍,具有较高的力学性能。

实践表明,对于自重占较大比例的桥梁结构,采用轻混凝土的效果极为明显,不仅能减轻自重,节约材料,大大节省造价,而且能提高隔热保温效果和防火等级,改善结构抗震性能。

桥梁自重的减少还使桥墩和基础得到减少。

当采用密度为1400~2000kg/m 3
的轻砼时,抗压强度可达30~81M Pa,具有令人满意的收缩与徐变性能。

3 预应力技术的发展
土木工程建设的发展,推动新材料,新施工技术的方法、新理论思想方法的不断出现,并逐步完善原有的设计思维模式及施工工艺等技术的不断提高,混凝土将朝着高强、高延性、高性能以及新材料的使用等方面发展,预应力钢材也将有多方面的发展,高强度预应力筋、各种规格、强度的低松弛钢丝和钢绞线以及镀锌、环氧涂层钢绞线、不锈钢钢绞线的采用,与之配套的张拉设备逐步研制,使预应力技术水平得到了不断提高,为预应力技术广泛应用于公路桥梁上提供了保证。

现代预应力技术的发展主要可概括为三个方面:
3.1 高强超高强预应力筋的采用
在预应力构件中,预应力筋本身处于受拉状态,因此,其抗拉强度及弹性极限越高越好。

目前,桥梁上常用的预应力材料有高强钢丝、高强钢绞线和高强钢筋三大类。

常用的高强钢丝直径有 5、 7两种,标准强度在1570M Pa 以上。

高强钢绞线是d=15.70(7 5)和d =12.0(7 4)钢绞线,其抗拉强度标准值分别为1470N/mm 2和1570N/mm 2,延伸率为3.5%,主导产品均符合美国现行ASTM 标准。

为满足工程建设需要,近几年来,抗拉强度标准值为1860N/m m 2的低松弛钢绞线的产量也在迅速增长。

高强钢筋多采用标准强度750MPa 的精轧螺纹钢筋,直径有25、32m m 两种。

表2 精轧螺纹钢筋机械性能[6]
T able 2 M echanical performance of refine rolled screw bar
钢筋强度级别
s 或 0.02(M Pa) b (M Pa) 5(%)冷弯90!(d)75/100
∀750∀1000∀7795/100∀950∀1200∀88
3.2 高效率的张拉锚固体系
随着高强度预应力筋的广泛应用,与之配套的张拉锚固体系技术已臻完善。

预应力施加方便,安全可靠,锚固效率系数很高。

张拉锚固体系按锚具的原理大约可分为三种:支承式-螺丝端杆式锚(用于粗钢筋及镦头锚两种);锲紧式-夹片示或锥塞式锚,靠挤压和摩擦传力;环套式-由钢绞线(或钢丝)环和砼组成。

与高强钢绞线对应的夹片式锚具,用于接长钢绞线的连接器,可实现桥梁预应力束的分段张拉与接长。

预应力扁锚也属夹片式群锚体系,主要用作箱形梁桥的横向预应力,连续梁局部加强预应力等地方。

3.3 预应力施工工艺不断创新
(1)、70年代普遍采用的抽拔橡胶管成孔技术,目前已被预埋金属波纹管取代,橡胶管道成孔在特别需要减少摩阻损失的大曲率布束场合也获得应用。

(2)、在后张法孔道灌浆中,灌浆技术有了很大的突破,特别是灌浆设备的改进及真空灌浆技术的应用,确保了孔道灌浆的密实性。

(3)、无粘结预应力筋的使用使预应力工艺大为简化。

无粘结预应力筋可与普通非预应力筋同时布筋, 171 2002年4月 高效预应力结构在桥梁工程领域中的应用
然后浇捣砼,待砼达到预定的强度后,便可在构件端部张拉锚固预应力筋。

它的优点在于可在结构内按照需要任意布设,不需预留孔道,大量地减少现场施工工艺,降低了成本,提高了结构的施工水平和施工速度。

(4)、体外预应力配筋,减少了摩擦损失,在箱梁的壁内不存在预应力管道,使得砼容易浇注,对于某类型的结构,
使用体外索可以加速桥梁的建设速度以及降低建造成本。

图1 体外预应力锚具
Fig.1 External pre stressed anchorage
1.钢管
2.套管
3.螺旋筋
4.锚垫板
5.工作锚板
6.工作夹片
7.保护罩
8.预埋钢管
3.4 预应力材料的新进展:
3.4.1 纤维增强塑料筋
纤维增强塑料筋是当前国际上的研究热门,但仍然处于研制与试验阶段。

用于预应力砼的纤维增强塑料筋(FRP),所用的非金属纤维主要有玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)和芳纶纤维(AFRP),其由多股连续纤维以环氧树脂等作为基底材料胶合后,经过特制的模具挤压,拉拔成型。

塑料筋的应力 应变曲线没用条件屈服点而直到拉断都呈线弹性,它们的弹性模量仅为50~150GPa,而抗拉强度则接近于高强钢绞线。

纤维增强塑料筋与钢材相比特点如下:抗腐蚀性能好,且为非磁性材料,热膨胀系数低,能耗低,强度与质量密度之比很高,约比钢材高5倍,但它的缺点为价高,拉断时应变低,极限伸长率仅为2%~3%,长期的静力强度比短期的低,尤以GFRP 为甚,AFRP 吸收水分后性能容易衰退。

表3 纤维增强塑料筋的力学性能
Table 3 M echanical performan ce of FRP
FRP 类型
抗拉强度(M Pa)极限应变(%)弹性模量(M Pa)密度(kg/m 3)芳纶纤维
1610 2.5 6.4 1041300玻璃纤维
1750 3.4 5.1 1042000碳纤维
2400 1.6 1.5 1041500高强钢丝1800 4.0 2.0 1047850
3.4.2 环氧涂层钢绞线
环氧涂层钢绞线,是在正常的裸钢绞线表面上涂覆了有机环氧树脂,涂层厚度为0.64mm ~ 1.4mm 之间,涂层过薄,易受损伤,涂层过厚,则楔块及锚具尺寸将加大。

涂层方法有两种:一种是光滑型,另一种是表面沉砂型。

光滑型有较低的粘结特性,用于无粘结后张体系,外部后张体系和斜拉索,表面沉砂型用于粘结先张法和后张法体系。

目前,应用的较多的其它钢绞线是镀锌钢绞线和外表环氧涂层钢绞线,镀锌钢绞线与环氧喷涂钢绞线的主要区别是所用防腐材料与工艺不同,因而防腐效果与性能有所差别。

3.4.3 塑料管
1985年在英国曾发生因预应力腐蚀而引起的桥梁倒塌事故,此后,英国运输部决定1992~1996年暂停使用压浆的后张法预应力砼结构,此决定引起国际上对预应力砼耐久性的广泛重视,英国做出决定;后张预应力筋必须密封在耐磨和防渗漏的塑料管中,以形成多层防护。

在选择预应力钢索管道的壁厚和半径时,必须考虑其强度,耐久性、作业性、使用性能等,同时,在任何环境下,都不能与灌浆材料发生化学反应。

它的基本特点:耐腐蚀性好、强度高、不导电等。

172 河 南 科 学 第20卷第1期
4 结语
经过几十年的发展,我国预应力桥梁设计、施工总体技术已接近世界水平。

近年来,随着我国交通基础设施的投资加大,预应力技术在公路桥梁结构工程中的应用更为广泛,同时,预应力技术本身也在不断向前发展,各种预应力体系更加完善,我们凭借现代材料科学的发展,高强、超高强混凝土技术的应用,加上高强钢筋的开发,将大力推动重量轻,跨度大、承载力大、延性好的桥梁结构的建造。

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The application of high efficient pre stress structure in the bridge engineering
MA Ya li, MA Zhi yong, WANG Dong wei
(Zhengzhou University,Zh engz hou 450002,China)
Abstract:With the construction of large span bridge ,hig h strength concretes and w ire,low relaxation strands are w idely used.This paper states of the development and application prospect of high streng th concrete and w ire,strand and pre stress technology in the field of bridge engineering .It is in order to learn the characteristics of hig h efficient pre stress structure ,w hich will play an important role in promoting the application of high effi cient pre stress technolog y in our country.
Key words:high efficient pre stress;bridge structure;high strength concrete;pre stress technology 173 2002年4月 高效预应力结构在桥梁工程领域中的应用。