預(yù)應(yīng)力技術(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力技術(shù)與橋梁結(jié)構(gòu)摘要：預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)因其具有強(qiáng)度高、剛度大、抗裂性好等優(yōu)點，而成為建造大、高、重、特重等工程的主要結(jié)構(gòu)形式。所以，建筑工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步在很大程度上有賴于預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展。現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)迅速發(fā)展，以高強(qiáng)度、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲、鋼絞線及FRP筋為代表的新型預(yù)應(yīng)力材料以及以緩粘結(jié)和橫張預(yù)應(yīng)力技術(shù)為代表的新型預(yù)應(yīng)力施工技術(shù)已成為現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展的方向。預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋因具有良好的受力性能而在橋梁工程中得到廣泛應(yīng)用?；炷翗蛄旱拈_裂和撓度過大已經(jīng)逐步成為普遍現(xiàn)象，橋梁結(jié)構(gòu)的加固改造已經(jīng)成為學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用的熱點。關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)；預(yù)應(yīng)力；加固；應(yīng)用與發(fā)展在橋梁結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)得尤為突出。據(jù)了解，世界范圍內(nèi)的各種大型橋梁結(jié)構(gòu)，幾乎都不同程度上采用了預(yù)應(yīng)力技術(shù)，與其它建筑工程結(jié)構(gòu)有所不同，橋梁結(jié)構(gòu)對大跨的需求更加突出，所承受荷載也以動荷載為主，施工環(huán)境和條件也更加復(fù)雜，這就形成了橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的鮮明特點，故而分析了橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點。然而，由于這種結(jié)構(gòu)自重大和混凝土抗裂性能差等因素的影響，由于設(shè)計、施工和使用等方面的原因，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁普遍存在開裂嚴(yán)重和撓曲變形不斷增大的問題，有些甚至出現(xiàn)承載力不足等安全隱患。因此，伴隨著預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁應(yīng)用的日益增加，現(xiàn)役混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的工程加固已經(jīng)成為社會普遍關(guān)注的問題，混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計和相關(guān)課題研究也發(fā)展成為目前國內(nèi)外橋梁專家學(xué)者的重點研究領(lǐng)域之一。一、橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的特點基于橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點，其預(yù)應(yīng)力技術(shù)也有著鮮明的特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：充分體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力技術(shù)建造超大跨度結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)充分利用了高強(qiáng)度材料，所以構(gòu)件截面小，自重彎矩占總彎矩的比例也被大大減小，橋梁的跨越能力得到提高。目前，預(yù)應(yīng)力技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各種形式的橋梁結(jié)構(gòu)中，以提高其跨徑。充分體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐疲勞性能的優(yōu)勢。橋梁結(jié)構(gòu)是特殊結(jié)構(gòu)，在車輛等動荷載的作用下，結(jié)構(gòu)體不可避免地產(chǎn)生振動，易使結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，從而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。使用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)后，預(yù)應(yīng)力作用可以降低結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力循環(huán)幅度，進(jìn)而改善結(jié)構(gòu)受力情況，提高結(jié)構(gòu)抗疲勞性能。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)與施工架設(shè)工藝融為一體。橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中，預(yù)應(yīng)力技術(shù)既是一種結(jié)構(gòu)手段，又是與施工方法結(jié)合形成一整套以節(jié)段式施工為主體的預(yù)應(yīng)力施工方法，主要有預(yù)應(yīng)力懸臂分段施工技術(shù)、分段頂推施工技術(shù)、移動模架逐孔施工技術(shù)、塊體節(jié)段拼裝技術(shù)、大節(jié)段預(yù)制吊裝技術(shù)等，這些施工技術(shù)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)是緊密相關(guān)的。便于采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)。采用體外預(yù)應(yīng)力筋取消了繁雜的制孔、穿束和壓漿工序，簡化了施工工藝，加快了施工進(jìn)度。由于鋼束布置在體外，梁肋中不設(shè)管道，避免了截面削弱，有利于混凝土澆注，混凝土質(zhì)量從而可以得到保證。二、橋梁加固設(shè)計的基本原則（1）加固設(shè)計應(yīng)依據(jù)原橋竣工圖和設(shè)計圖及檢測評估報告進(jìn)行，并經(jīng)現(xiàn)場核對。（2）加固設(shè)計計算應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)病害影響、材料劣化、新舊材料的結(jié)合性能差異。材料、幾何等參數(shù)的取值應(yīng)采用橋梁現(xiàn)狀的檢查結(jié)果。（3）加固設(shè)計應(yīng)進(jìn)行各施工階段構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)變形的驗算。（4）加固后的結(jié)構(gòu)驗算應(yīng)考慮附加荷載的影響。（5）改變結(jié)構(gòu)體系加固時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件任意一截面上的應(yīng)力不宜超過材料強(qiáng)度的設(shè)計值。（6）加固驗算時，應(yīng)根據(jù)橋梁建設(shè)年代的設(shè)計荷載、材料性能進(jìn)行相應(yīng)的計算。三、橋梁結(jié)構(gòu)加固的方法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的具體加固方法多種多樣，根據(jù)被加固對象的受力性質(zhì)不同，加固可以分為結(jié)構(gòu)性加固和非結(jié)構(gòu)性加固。所謂結(jié)構(gòu)性加固，是指對橋梁結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件的加固，這直接關(guān)系到橋梁的安全，例如橋梁承載力不足的加固、撓度過大和梁體裂縫過寬的處理等。所謂非結(jié)構(gòu)性加固，是指對影響橋梁使用但不影響結(jié)構(gòu)安全性方面的加固，如混凝土橋面鋪裝層的修復(fù)、伸縮縫的更新改造和橋梁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的修復(fù)等。對于結(jié)構(gòu)性加固，從本質(zhì)的工作原理上又可分為被動加固和主動加固兩大類。被動加固就是加固后增加的構(gòu)件的受力是被動的，只有當(dāng)加固后的結(jié)構(gòu)再次發(fā)生變形后，受新舊結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)的影響，加固部分才與原有結(jié)構(gòu)共同受力，只承擔(dān)活載和后加恒載引起的內(nèi)力。主動加固是指在加固施工的過程中，對新增加的構(gòu)件采取一定的措施，使其主動受力，加固部件不僅能夠承受后加恒載和活載，而且可以承受原有結(jié)構(gòu)的恒載，甚至可以根據(jù)需要完全改變原有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和受力體系，改善原橋梁的工作狀態(tài)，實現(xiàn)橋梁加固。橋梁結(jié)構(gòu)的加固材料主要分為兩大類：鋼材類和非鋼材類預(yù)應(yīng)力筋。其中，鋼材類加固材料主要包括各種鋼板、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋；非鋼材類預(yù)應(yīng)力筋主要是指纖維加勁塑料，它主要包括玻璃纖維加勁塑料、芳綸纖維加勁塑料和碳素纖維加勁塑料等三種。四、體外預(yù)應(yīng)力加固體外預(yù)應(yīng)力方法是指對布置于承載結(jié)構(gòu)主體之外的鋼束張拉而產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的后張法，鋼束僅在錨固區(qū)域設(shè)置在結(jié)構(gòu)本體內(nèi)的預(yù)應(yīng)力施加方法。通過轉(zhuǎn)向塊改變方向，呈折線形布置，力筋僅在轉(zhuǎn)向塊處與砼接觸，可大幅度減小預(yù)應(yīng)力摩擦損失，提高預(yù)應(yīng)力作用效果。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)能大大縮短大跨度裝配式預(yù)制橋梁的施工工期。體外預(yù)應(yīng)力筋僅在錨固區(qū)域和折角處與結(jié)構(gòu)相連結(jié)。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的適用范圍和設(shè)計原則，適合于混凝土強(qiáng)度較高的梁，加固技術(shù)的實施不得影響橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用，加固體系應(yīng)作為永久結(jié)構(gòu)考慮，實施加固技術(shù)后不得使既有結(jié)構(gòu)局部受損或變形過大等。五、裂縫的處理方法開裂是預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁和普通鋼筋混凝土橋梁的普遍現(xiàn)象。裂縫產(chǎn)生的原因有多種多樣，涉及混凝土原材料特性及配合比、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝、氣候條件、日常養(yǎng)護(hù)等各個方面，有些裂縫是荷載原因引起的，有些則與荷載無關(guān)。從裂縫對結(jié)構(gòu)的受力和耐久性能影響來看，裂縫可分為有害裂縫和無害裂縫兩大類。對于有害裂縫和影響外觀的無害裂縫，通常都要采取一定的措施進(jìn)行處理。處理方法主要包括表面封閉法、灌漿法和粘貼加固法等。實際工程中應(yīng)用最多的表面封閉法。表面封閉法就是對混凝土裂縫表面進(jìn)行封閉處理的一類方法，通常用于處理不影響結(jié)構(gòu)承載力安全的裂縫。根據(jù)處理手段的不同，表面封閉處理法又可分為表面涂抹、槽口充填和表面噴漿等三種方法。（1）表面涂抹法，就是在裂縫部位的混凝土表面涂抹樹脂保護(hù)膜，達(dá)到封閉裂縫目的的裂縫處理方法。（2）槽口充填法，就是在混凝土表面沿裂縫方向鑿出“噬或“U形槽口，然后用樹脂砂漿充填修補(bǔ)裂縫的方法。（3）表面噴漿法，就是在經(jīng)鑿毛處理的混凝土裂縫表面，噴射一層密實而且強(qiáng)度高的水泥砂漿來封閉裂縫的一種修補(bǔ)方法。六、預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性預(yù)應(yīng)力橋梁有良好的使用性能和較好的跨越能力，在橋梁建設(shè)中廣泛應(yīng)用，以可靠度基本理論為出發(fā)點應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)耐久性中，可以提高橋梁的使用年限和使用質(zhì)量。隨著橋梁的長大化、輕柔化和行車速度的提高以及工作環(huán)境的復(fù)雜化，橋梁在運營階段可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動過大以及構(gòu)件的疲勞、老化失效、開裂問題，并由此危及橋梁的正常使用和安全.尤其值得注意的是，目前許多橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題十分突出。橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素：混凝土碳化腐蝕，空氣中的二氧化碳會逐漸進(jìn)入到表面混凝土材料，和其中的堿性化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣，也即是混凝土的碳化反應(yīng)；氯離子的擴(kuò)散侵蝕，氯離子主要通過混入和擴(kuò)散兩種方式進(jìn)入到混凝土結(jié)構(gòu)中，包括混凝土外加劑、海砂以及含氯離子的水等，壞主要變現(xiàn)在鋼筋表面的鈍化膜會遭到破壞，失去保護(hù)作用，在混凝土內(nèi)部形成腐蝕電池，導(dǎo)致鋼筋表面因電化學(xué)作用形成局部腐蝕坑；鋼筋銹蝕作用，壞主要變現(xiàn)在鋼筋表面的鈍化膜會遭到破壞，失去保護(hù)作用，在混凝土內(nèi)部形成腐蝕電池，導(dǎo)致鋼筋表面因電化學(xué)作用形成局部腐蝕坑；預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕，預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕可以分為三個階段，第一階段應(yīng)力腐蝕發(fā)生初期，鋼筋局部發(fā)生腐蝕，在拉應(yīng)力的作用下出現(xiàn)金屬裂紋；第二階段裂紋開始發(fā)展，局部微小的裂紋逐步發(fā)育擴(kuò)展，發(fā)展為小的裂縫；第三階段為破壞階段，拉應(yīng)力作用下，細(xì)小裂紋急劇增長，最終導(dǎo)致鋼筋材料的整體強(qiáng)度下降而破壞。七、橋梁結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用由于預(yù)應(yīng)力技術(shù)能夠提供優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和便利的施工架設(shè)工藝，因而被廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、斜拉橋、懸索橋、預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋、橫張橋、剛構(gòu)橋、拱橋等各種形式的橋梁結(jié)構(gòu)中。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋是預(yù)應(yīng)力橋梁中的一種，具有整體性能好、結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、抗震性能好、行車舒適等優(yōu)點。此外這種橋型的設(shè)計施工技術(shù)較成熟，施工質(zhì)量和施工工期便于控制，成橋后養(yǎng)護(hù)工作量比較小。懸索橋又名吊橋，是以承受拉力的纜索或鏈索作為主要承重構(gòu)件的橋梁，懸索橋由懸索、索塔、錨碇、吊桿、橋面系等部分組成。懸索橋的主要承重構(gòu)件是懸索，它主要承受拉力，一般用抗拉強(qiáng)度高的鋼材制作，懸索橋錨固系統(tǒng)一般采用雙向（豎向、橫向）散索預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)，由索股錨固拉桿構(gòu)造和預(yù)應(yīng)力鋼束錨固構(gòu)造組成，由于懸索橋可以充分利用材料的強(qiáng)度，并具有用料省、自重輕的特點，因此懸索橋在各種體系橋梁中的跨越能力最大。預(yù)彎預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)承載力大、吊裝重量輕、剛度大、抗裂性能好、施工速度快、結(jié)構(gòu)耐久性好、整體性好、制作簡單等。其最大的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)高度小，這對城市立交橋來說可以有效減小橋梁的總高度，使高等級公路路堤高度明顯降低，從而帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。八、現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展預(yù)應(yīng)力混凝土在世界范圍內(nèi)無論在材料、張拉設(shè)備和錨具、結(jié)構(gòu)的配筋體系、結(jié)構(gòu)形式及施工方法，乃至設(shè)計理論和應(yīng)用領(lǐng)域都得到很大的發(fā)展，特別是近20年來其發(fā)展更快，形成了現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和技術(shù)。當(dāng)今和今后預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)歸結(jié)起來將會在下列諸方面得到重視和發(fā)展：（1）結(jié)構(gòu)外觀和耐久性方面。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁由于其輕巧美觀的外形使它具有獨特的優(yōu)越性；預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁作為永久的大規(guī)模"人工建筑物”，會給人們在心理上帶來很大的影響。所以考慮它的外形美觀，其意義是很重要的。（2）現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土材料、設(shè)備及錨具方面。預(yù)應(yīng)力混凝土材料其總的發(fā)展趨勢是：高強(qiáng)、低塑、輕質(zhì)、大直徑、低松弛及耐腐蝕等?；炷粒阂邚?qiáng)和輕質(zhì)，要早強(qiáng)、流動性好、低塑性及耐腐蝕的高性能混凝土。（3）結(jié)構(gòu)的配筋形式方面，現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁及結(jié)構(gòu)的配筋形式形成了多樣化：如普通鋼筋與預(yù)應(yīng)力鋼筋混合配筋、有粘結(jié)及無粘結(jié)配筋形式、體外配筋形式、雙預(yù)應(yīng)力配筋以及勁性配筋形式等等。（4）預(yù)應(yīng)力混凝土組合結(jié)構(gòu)方面；組合預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁是從兩方面而言：一是橋跨結(jié)構(gòu)的橫截面的組合，即主梁的橫截面由預(yù)應(yīng)力混凝土和型鋼的組合；另一種沿橋跨結(jié)構(gòu)的縱向分段組合，全橋由預(yù)應(yīng)力混凝土梁和鋼梁的分段組合而成。（5）預(yù)應(yīng)力混凝土的施工技術(shù)方面；對于稍大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的施工，目前通常采用就地懸臂灌注和拼裝、頂推以及采用架橋機(jī)在橋上連續(xù)制造預(yù)應(yīng)力混凝土梁的方法施工。（6）設(shè)計理論和手段方面，以往把預(yù)應(yīng)力混凝土由于施加了預(yù)應(yīng)力在外荷載作用下構(gòu)件截面不開裂，故認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土是一種彈性材料，而近代由于部分預(yù)應(yīng)力混凝土的應(yīng)用，也容許預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拉應(yīng)力和微小的裂縫，因此，上述彈性材料的說法也就不再存在了。隨著電子計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)1699年第1期設(shè)計的先進(jìn)化、自動化和系列化，國內(nèi)外都已取得了相當(dāng)可觀的成果。結(jié)語：預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁工程領(lǐng)域有著強(qiáng)大的生命力和競爭力，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力技術(shù)及其在橋梁工程上的應(yīng)用必將受到很大的影響和推動。國內(nèi)外建筑市場的需要，也進(jìn)一步促進(jìn)了預(yù)應(yīng)力混凝土