[导读]预应力结构因其具有强度高、刚度大、抗裂性好等优点,而成为建造大、高、重、特重等工程的主要结构形式。

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摘要:预应力结构因其具有强度高、刚度大、抗裂性好等优点,而成为建造大、高、重、特重等工程的主要结构形式。所以,建筑工程领域的技术进步在很大程度上有赖于预应力技术的发展。现代预应力技术迅速发展,以高强度、低松弛预应力钢丝、钢绞线及 FRP 筋为代表的新型预应力材料以及以缓粘结和横张预应力技术为代表的新型预应力施工技术已成为现代预应力技术发展的方向。预应力混凝土梁桥因具有良好的受力性能而在桥梁工程中得到广泛应用。混凝土桥梁的开裂和挠度过大已经逐步成为普遍现象,桥梁结构的加固改造已经成为学术研究和工程应用的热点。
关键词:桥梁结构;预应力;加固;应用与发展
在桥梁结构中,预应力技术的优势体现得尤为突出。据了解,世界范围内的各种大型桥梁结构,几乎都不同程度上采用了预应力技术,与其它建筑工程结构有所不同,桥梁结构对大跨的需求更加突出,所承受荷载也以动荷载为主,施工环境和条件也更加复杂,这就形成了桥梁结构预应力技术的鲜明特点,故而分析了桥梁结构预应力技术的特点。
然而,由于这种结构自重大和混凝土抗裂性能差等因素的影响,由于设计、施工和使用等方面的原因,预应力混凝土桥梁普遍存在开裂严重和挠曲变形不断增大的问题,有些甚至出现承载力不足等安全隐患。因此,伴随着预应力混凝土桥 梁应用的日益增加,现役混凝土桥梁结构的工程加固已经成为社会普遍关注的问题,混凝土桥梁结构的加固设计和相关课题研究也发展成为目前国内外桥梁专家学者的重点研究领域之一。
一、桥梁结构预应力技术的特点
基于桥梁结构本身的特点,其预应力技术也有着鲜明的特点,主要体现在以下几个方面:
①充分体现预应力技术建造超大跨度结构的优势。由于预应力结构充分利用了高强度材料,所以构件截面小,自重弯矩占总弯矩的比例也被大大减小,桥梁的跨越能力得到提高。目前,预应力技术已被广泛应用到各种形式的桥梁结构中,以提高其跨径。
② 充分体现预应力结构耐疲劳性能的优势。桥梁结构是特殊结构,在车辆等动荷载的作用下,结构体不可避免地产生振动,易使结构发生疲劳破坏,从而影响结构的使用寿命。使用预应力结构后,预应力作用可以降低结构中的应力循环幅度,进而改善结构受力情况,提高结构抗疲劳性能。
③预应力结构技术与施工架设工艺融为一体。桥梁结构领域中,预应力技术既是一种结构手段,又是与施工方法结合形成一整套以节段式施工为主体的预应力施工方法,主要有预应力悬臂分段施工技术、分段顶推施工技术、移动模架逐孔施工技术、块体节段拼装技术、大节段预制吊装技术等,这些施工技术与预应力技术是紧密相关的。
④便于采用体外预应力技术。采用体外预应力筋取消了繁杂的制孔、穿束和压浆工序,简化了施工工艺,加快了施工进度。由于钢束布置在体外,梁肋中不设管道,避免了截面削弱,有利于混凝土浇注,混凝土质量从而可以得到保证。
二、桥梁加固设计的基本原则
(1)加固设计应依据原桥竣工图和设计图及检测 评估报告进行,并经现场核对。
(2)加固设计计算应考虑结构病害影响、材料劣 化、新旧材料的结合性能差异。材料、几何等参数的 取值应采用桥梁现状的检查结果。
(3)加固设计应进行各施工阶段构件的强度、稳 定性及结构变形的验算。
(4)加固后的结构验算应考虑附加荷载的影响。
(5)改变结构体系加固时,结构构件任意一截面 上的应力不宜超过材料强度的设计值。
(6)加固验算时,应根据桥梁建设年代的设计荷 载、材料性能进行相应的计算。
三、桥梁结构加固的方法
预应力混凝土桥梁结构的具体加固方法多种多样,根据被加固对象的受力性质不同,加固可以分为结构性加固和非结构性加固。所谓结构性加固,是指对桥梁结构受力构件的加固,这直接关系到桥梁的安全,例如桥梁承载力不足的加固、挠度过大和梁体裂缝过宽的处理等。所谓非结构性加固,是指对影响桥梁使用但不影响结构安全性方面的加固,如混凝土桥面铺装层的修复、伸缩缝的更新改造和桥梁围护结构的修复等。对于结构性加固,从本质的工作原理上又可分为被动加固和主动加固两大类。被动加固就是加固后增加的构件的受力是被动的,只有当加固后的结构再次发生变形后,受新旧结构变形协调的影响,加固部分才与原有结构共同受力,只承担活载和后加恒载引起的内力。主动加固是指在加固施工的过程中,对新增加的构件采取一定的措施,使其主动受力,加固部件不仅能够承受后加恒载和活载,而且可以承受原有结构的恒载,甚至可以根据需 要完全改变原有结构的内力分布和受力体系,改善原桥梁的工作状态,实现桥梁加固。
桥梁结构的加固材料主要分为两大类:钢材类和 非钢材类预应力筋。其中,钢材类加固材料主要包括 各种钢板、普通钢筋和预应力钢筋;非钢材类预应力 筋主要是指纤维加劲塑料,它主要包括玻璃纤维加劲塑料、芳纶纤维加劲塑料和碳素纤维加劲塑料等三种。
四、体外预应力加固
体外预应力方法是指对布置于承载结构主体之外的钢束张拉而产生预应力的后张法,钢束仅在锚固区域设置在结构本体内的预应力施加方法。通过转向块改变方向,呈折线形布置,力筋仅在转向块处与砼接触,可大幅度减小预应力摩擦损失,提高预应力作用效果。体外预应力技术能大大缩短大跨度装配式预制桥梁的施工工期。体外预应力筋仅在锚固区域和折角处与结构相连结。
体外预应力加固技术的适用范围和设计原则,适合于混凝土强度较高的梁,加固技术的实施不得影响桥梁结构的正常使用,加固体系应作为永久结构考虑,实施加固技术后不得使既有结构局部受损或变形过大等。
五、裂缝的处理方法
开裂是预应力混凝土桥梁和普通钢筋混凝土桥梁的普遍现象。裂缝产生的原因有多种多样,涉及混凝土原材料特性及配合比、结构设计、施工工艺、气候条件、日常养护等 各个方面,有些裂缝是荷载原因引起的,有些则与荷载无关。
从裂缝对结构的受力和耐久性能影响来看,裂缝可分为有害裂缝和无害裂缝两大类。对于有害裂缝和影响外观的无害裂缝,通常都要采取一定的措施进行处理。
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处理方法主要包括表面封闭法、灌浆法和粘贴加固法等。实际工程中应用最多的表面封闭法。
表面封闭法就是对混凝土裂缝表面进行封闭处理 的一类方法,通常用于处理不影响结构承载力安全的裂缝。根据处理手段的不同,表面封闭处理法又可分为表面涂抹、槽口充填和表面喷浆等三种方法。(1)表面涂抹法,就是在裂缝部位的混凝土表面涂抹树脂保护膜,达到封闭裂缝目的的裂缝处理方法。(2)槽口充填法,就是在混凝土表面沿裂缝方向凿出“V”形或“U”形槽口,然后用树脂砂浆充填修补裂缝的方法。(3)表面喷浆法,就是在经凿毛处理的混凝土裂缝表面,喷射一层密实而且强度高的水泥砂浆来封闭裂缝的一种修补方法。
六、预应力桥梁结构耐久性
预应力桥梁有良好的使用性能和较好的跨越能力,在桥梁建设中广泛应用,以可靠度基本理论为出发点应用到桥梁结构耐久性中,可以提高桥梁的使用年限和使用质量。随着桥梁的长大化、轻柔化和行车速度的提高以及工作环境的复杂化,桥梁在运营阶段可能出现结构振 动过大以及构件的疲劳、老化失效、开裂问题,并由此危及桥梁的正常使用和安全.尤其值得注意的是,目前许多桥梁结构的耐久性问题十分突出。
桥梁结构耐久性影响因素:混凝土碳化腐蚀,空气中的二氧化碳会逐渐进入到表面混凝土材料,和其中的碱性化合物发生化学反应生成碳酸钙,也即是混凝土的碳化反应;氯离子的扩散侵蚀,氯离子主要通过混入和扩散两种方式进入到混凝土结构中,包括混凝土外加剂、海砂以及含氯离子的水等,坏主要变现在钢筋表面的钝化膜会遭到破坏,失去保护作用,在混凝土内部形成腐蚀电池,导致钢筋表面因电化 学作用形成局部腐蚀坑;钢筋锈蚀作用,坏主要变现在钢筋表面的钝化膜会遭到破 坏,失去保护作用,在混凝土内部形成腐蚀电池,导致钢筋表面因电化学作用形成局部腐蚀坑;预应力钢筋的应力腐蚀,预应力钢筋的应力腐蚀可以分为三个阶段,第一阶段应力腐蚀发生初期,钢筋局部发生腐蚀,在拉应力的作用下出现金属裂纹;第二阶段裂纹开始发展,局部微小的裂纹逐步发育扩展,发展为小的裂缝;第三阶段为破坏阶段,拉应力作用下,细小裂纹急剧增长,最终导致钢筋材料的整体强度下降而破坏。
七、桥梁结构预应力技术的应用
由于预应力技术能够提供优良的结构性能和便利的施工架设工艺,因而被广泛应用于预应力混凝土连续梁桥、斜拉桥、悬索桥、预弯预应力混凝土梁桥、横张桥、刚构桥、拱桥等各种形式的桥梁结构中。
预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种,具有整体性能好、结构刚度大、变形小、抗震性能好、行车舒适等优点。此外这种桥型的设计施工技术较成熟,施工质量和施工工期便于控制,成桥后养护工作量比较小。
悬索桥又名吊桥,是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁,悬索桥由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。悬索桥的主要承重构件是悬索,它主要承受拉力,一般用抗拉强度高的钢材制作,悬索桥锚固系统一般采用双向(竖向、横向)散索预应力锚固系统,由索股锚固拉杆构造和预应力钢束锚固构造组成,由于悬索桥可以充分利用材料的强度,并具有用料省、自重轻的特点,因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大。
预弯预应力混凝土梁桥的优点是结构承载力大、吊装重量轻、刚度大、抗裂性能好、施工速度快、结构耐久性好、整体性好、制作简单等。其最大的优势在于结构高度小,这对城市立交桥来说可以有效减小桥梁的总高度,使高等级公路路堤高度明显降低,从而带来明显的经济效益和社会效益。
八、现代预应力混凝土桥梁结构的发展
预应力混凝土在世界范围内无论在材料、张拉设备和锚具、结构的配筋体系、结构形式及施工方法,乃至设计理论和应用领域都得到很大的发展,特别是近 2 0 年来其发展更快,形成了现代预应力混凝土结构和技术。当今和今后预应力混凝土桥梁结构归结起来将会在下列诸方面得到重视和发展:
(1)结构外观和耐久性方面。预应力混凝土桥梁由于其轻巧美观的外形使它具有独特的优 越性;预应力混凝土桥梁作为永久的大规模“ 人工建筑物”,会给人们在心理上带来很大的影响。所以考虑它的外形美观,其意义是很重要的。
(2)现代预应力混凝土材料、设备及锚具方面。预应力混凝土材料其总的发展趋势是:高强、低塑、轻质、大直径、低松弛及耐腐蚀等。混凝土:要高强和轻质,要早强、流动性好、低塑性及耐腐蚀的高性能混凝土。
(3)结构的配筋形式方面,现代预应力混凝土桥梁及结构的配筋形式形成了多样化:如普通钢筋与预应力钢筋混合配筋、有粘结及无粘结配筋形式、体外配筋形式、双预应力配筋以及劲性配筋形式等等。
(4)预应力混凝土组合结构方面;组合预应力混凝土桥梁是从两方面而言:一是桥跨结构的横截面的组合,即主梁的横截面由预应力混凝土和型钢的组合;另一种沿桥跨结构的纵向分段组合,全桥由预应力混凝土梁和钢梁的分段组合而成。
(5)预应力混凝土的施工技术方面;对于稍大跨度预应力混凝土桥梁的施工,目前通常采用就地悬臂灌注和拼装、顶推以及采用架桥机在桥上连续制造预应力混凝土梁的方法施工。
(6)设计理论和手段方面,以往把预应力混凝土由于施加了预应力在外荷载作用 下构件截面不开裂,故认为预应力混凝土是一种弹性材料,而近代由于部分预应力混凝土的应用,也容许预应力混凝土结构出现拉应力和微小的裂缝,因此,上述弹性材料的说法也就不再存在了。随着电子计算机技术的发展 与应用,预应力混凝土桥梁结构桥梁建设 1 6 9 9 年第 1 期设计的先进化、自动化和系列化,国内外都已取得了相当可观的成果。
结语:预应力技术在桥梁工程领域有着强大的生命力和竞争力,随着现代科学技术的发展,现代预应力技术及其在桥梁工程上的应用必将受到很大的影响和推动。国内外建筑市场的需要,也进一步促进了预应力混凝土桥梁技术的发展。但与国外相比,我们桥梁中的应用中还有很多问题没有解决,尚有一定的差距。为了使现代预应力理论和预应力混凝土桥梁设计和施工技术达到世界先进水平,是我国桥梁工程技术和学术界的迫切任务,相信在不长的时间内,现代 预应力混凝土桥梁技术在我国会有更大的发展,其前景是非常广阔的。
参考文献
[1]《混凝土结构耐久性研究现状及趋势》 程云红
[2]《混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展》金伟良
[3]《混凝土结构耐久性研究的回顾与展望》 金伟良
[4]《混凝土桥梁耐久性设计原则与构造措施探讨》 吴海军
[5]《混凝土结构耐久性浅谈》