體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

與傳統(tǒng)的體內(nèi)支撐力預(yù)測結(jié)構(gòu)相比，這種外部預(yù)緊結(jié)構(gòu)具有橫截面小、重量輕、預(yù)補(bǔ)償和維護(hù)方便、預(yù)響應(yīng)損失小、縮短施工周期長、耐久性高等優(yōu)點(diǎn)。因此，不僅可以應(yīng)用于預(yù)制混凝土橋、特種結(jié)構(gòu)和建筑工程結(jié)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)，而且可以重建、加固和維修舊混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)，它還可以用作臨時(shí)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)或臨時(shí)鋼索的臨時(shí)結(jié)構(gòu)。隨著斜拉橋和混凝土技術(shù)的發(fā)展，二次預(yù)壓結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用是現(xiàn)代預(yù)壓結(jié)構(gòu)的主要趨勢之一。1體外預(yù)應(yīng)力束的概念體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)是后張預(yù)應(yīng)力體系的重要分支之一,它與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力即傳統(tǒng)的布置于混凝土截面內(nèi)的有粘結(jié)或無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)相對應(yīng).體外預(yù)應(yīng)力(externalprestressing)是指對布置于承載結(jié)構(gòu)主跨本體之外的鋼束(體外束,outsidecables)張拉而產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力,鋼束僅在錨固區(qū)域設(shè)置在結(jié)構(gòu)本體內(nèi),轉(zhuǎn)向塊可設(shè)在結(jié)構(gòu)體內(nèi)或體外.體外預(yù)應(yīng)力的概念及方法產(chǎn)生于法國,由Frayssinet完成了其首次應(yīng)用,而在工程中的大量應(yīng)用是從20世紀(jì)70年代末期開始的*,**.圖1為美國佛羅里達(dá)LongKey橋中體外預(yù)應(yīng)力束的布置.1.1體外預(yù)應(yīng)力體系體外預(yù)應(yīng)力體系由體外預(yù)應(yīng)力孔道管(高密度聚乙烯管HDPE或鋼管等)、漿體(防腐油脂或水泥漿體)、錨固體系和轉(zhuǎn)向塊等部件組成.體外預(yù)應(yīng)力經(jīng)過近20年的發(fā)展和工程應(yīng)用,目前已形成2種主要體系:①體系一:鋼絞線穿入孔道管內(nèi),張拉之后,灌入水泥漿,此種體系為有粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系.②體系二:體外預(yù)應(yīng)力筋由單根無粘結(jié)筋組成,將單根無粘結(jié)筋平行穿入管內(nèi),張拉之前,先完成灌漿工藝,由水泥漿體將單根無粘結(jié)筋定位,這種體系為無粘結(jié)體外預(yù)應(yīng)力體系.體系一的優(yōu)點(diǎn)是:由于孔道管在結(jié)構(gòu)體外,管道的鋪面質(zhì)量及其水密性容易檢查和控制,預(yù)應(yīng)力摩阻損失減少.體系二的優(yōu)點(diǎn)是:單根無粘結(jié)筋的摩阻損失極小,可采用單根張拉工藝,張拉設(shè)備體積小,容易操作;預(yù)應(yīng)力筋有多層防護(hù),因此,其耐腐蝕性和防護(hù)安全性可靠;另外,在使用期間,可重調(diào)預(yù)應(yīng)力值,更換預(yù)應(yīng)力筋.世界上著名的預(yù)應(yīng)力公司,如Freyssinet,VSL,BBRV均包括這2種體系.設(shè)計(jì)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)時(shí),可依據(jù)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件,選擇不同的體外預(yù)應(yīng)力體系.1.2體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn):1)因截面中只有體外力筋,很少或沒有體內(nèi)力筋,截面尺寸相應(yīng)減小,尤其是腹板,故減輕了恒載.2)主要的施工工序較為簡單,使?jié)沧⒒炷凛^方便,質(zhì)量容易得到保證.3)體外預(yù)應(yīng)力筋容易設(shè)置,使用期內(nèi)容易檢查和更換.4)體外力筋僅在錨固區(qū)和轉(zhuǎn)向塊與結(jié)構(gòu)相連,摩阻損失明顯減小.體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)亦有缺陷:1)體外力筋易損壞和著火,并因?yàn)槌惺苤駝?dòng)要限制其自由長度.2)轉(zhuǎn)向塊和錨固區(qū)因承受著巨大的縱、橫向力因而特別笨重.3)對于體外力筋,錨頭失效則意味著預(yù)應(yīng)力的喪失.4)體外力筋的實(shí)際偏心通常較小,極限狀態(tài)下體外力筋的抗彎能力小于體內(nèi)有粘結(jié)力筋.5)體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在極限狀態(tài)下可能因延性不足而產(chǎn)生沒有預(yù)警的失效.2預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁用體外力筋建造混凝土橋梁比用傳統(tǒng)體內(nèi)布筋建造混凝土橋梁要早.體外預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用始于法國,1928年德國設(shè)計(jì)建造了主跨68m的體外力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋,在到1950年的這段時(shí)間內(nèi),歐洲各國雖然建造了為數(shù)不少的體外力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋,但由于未能很好解決預(yù)應(yīng)力筋的防腐問題,致使這些橋梁的維修、養(yǎng)護(hù)費(fèi)用很高,從而阻礙了體外力筋預(yù)應(yīng)力橋梁的發(fā)展.1950年后,體內(nèi)布筋的技術(shù)發(fā)展起來.20世紀(jì)70年代,歐洲各國相繼發(fā)現(xiàn)用體內(nèi)布筋建造的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁,由于對摩擦造成的鋼筋預(yù)應(yīng)力損失及混凝土徐變、溫度影響估計(jì)不足,橋梁破損嚴(yán)重,致使多數(shù)需要補(bǔ)強(qiáng);而這時(shí)又多采用了體外力筋補(bǔ)強(qiáng)技術(shù),加之預(yù)應(yīng)力鋼筋的防腐技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展;因此,體外力筋預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)又引起了人們的重視,并在1980年后獲得了迅速發(fā)展.由于美國及法國的積極努力,建造了以LongKey橋等為代表的一系列體外力筋橋梁.在法國建設(shè)部高速道路局最近規(guī)劃的新建橋梁中,體外力筋的預(yù)應(yīng)力混凝土橋就占了一半.在日本,1985年后建成了以東北新干線目川橋及四萬十川橋?yàn)榇淼捏w外力筋預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁.當(dāng)今,體外預(yù)應(yīng)力可以靈活地應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并與各種傳統(tǒng)的橋梁施工方法相結(jié)合,形成了許多新穎高效的橋梁施工方法,如體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段(或現(xiàn)澆)橋逐跨施工工法、體外預(yù)應(yīng)力懸臂施工法、體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段頂推工法等,體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混合使用也是現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工的一種常用方法,混合配置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力和體外預(yù)應(yīng)力,目的在于獲得更好的結(jié)構(gòu)延性和抗震性能,并改善其結(jié)構(gòu)的受力性能.此外,體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu),使得結(jié)構(gòu)受力明確,并能大幅度減輕結(jié)構(gòu)自重;在結(jié)構(gòu)維修和結(jié)構(gòu)加固,特別是在橋梁修復(fù)和加固工程中可獲得非常顯著的效果.3預(yù)應(yīng)力筋布置體外力筋預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件按其布筋方式可分為單純型與混合型兩類.單純型即將全部預(yù)應(yīng)力筋布置在混凝土構(gòu)件截面的外面;混合型將一部分預(yù)應(yīng)力筋布置在混凝土構(gòu)件截面外面,而另一部分預(yù)應(yīng)力筋布置在體內(nèi).體外結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用和傳統(tǒng)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有基本相同的共性,但由于體外預(yù)應(yīng)力的特點(diǎn),產(chǎn)生了不同于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的特殊性.3.1非預(yù)應(yīng)力鋼筋在體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中的合理設(shè)計(jì)體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)一般采用簡化的折線預(yù)應(yīng)力束;體外預(yù)應(yīng)力筋僅在錨固區(qū)域和折角塊處與結(jié)構(gòu)相連結(jié),體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力特性與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)類似.在使用荷載狀態(tài)下,可采用彈性分析方法設(shè)計(jì).在極限狀態(tài)下,體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)一般應(yīng)按無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì).對于一般鋼束布置在箱梁室內(nèi)的體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),由于結(jié)構(gòu)縱向變形很小,故鋼束的應(yīng)力很小,鋼束和所用的錨具不存在活載下的抗疲勞問題.體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),一般多由于結(jié)構(gòu)的過量變形,而不是因體外預(yù)應(yīng)力筋的斷裂而破壞,因此,必須配置合理的最小鋼筋量,以控制裂縫的分布及寬度,并保證結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性變形的特征.非預(yù)應(yīng)力鋼筋在體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中有2個(gè)重要作用:一是由于結(jié)構(gòu)的受力特征類似無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),非預(yù)應(yīng)力筋可改善結(jié)構(gòu)受力特性;二是由于預(yù)應(yīng)力曲線為折線型,而且預(yù)應(yīng)力筋在結(jié)構(gòu)混凝土之外,因此,某些區(qū)域存在拉應(yīng)力,非預(yù)應(yīng)力筋可以彌補(bǔ)體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)局部產(chǎn)生裂縫的問題.3.2節(jié)段施工體系結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析由于體外束的應(yīng)力增量并非取決于截面上的應(yīng)變,而是取決于整個(gè)結(jié)構(gòu)變形,故其應(yīng)力增量很小.尤其是對于采用于接縫的節(jié)段施工橋梁,混凝土的受壓區(qū)局限在接縫截面之內(nèi),能夠達(dá)到的極限壓應(yīng)變較小,導(dǎo)致了體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的承載能力較低,延性也較差.對這種結(jié)構(gòu)的分析必須來源于對結(jié)構(gòu)的全過程仿真分析,才能較為精確地確定結(jié)構(gòu)極限承載力.國外不少學(xué)者對體外無粘結(jié)構(gòu)的極限應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行深入研究,世界各國及有關(guān)協(xié)會(huì)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)亦作了規(guī)定.由于節(jié)段施工體外預(yù)應(yīng)力橋梁的變形較大,而且結(jié)構(gòu)的變形會(huì)導(dǎo)致體外束對于結(jié)構(gòu)的有效偏心距的改變,在分析中必須考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性.在節(jié)段施工中,接縫位置事實(shí)上已預(yù)先確定了結(jié)構(gòu)受荷后的開裂位置,接縫的力學(xué)特性將對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生很大的影響,必須正確有效地建立其力學(xué)模型;同時(shí),還應(yīng)考慮體外束在偏轉(zhuǎn)位置上的滑移.對采用懸臂拼裝的體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),將有體內(nèi)束穿過接縫,這些體內(nèi)束的力學(xué)模型與具有完全粘結(jié)的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力束是不同的,正確地對其進(jìn)行分析,將對混合配束的橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析具有重要的意義.3.3預(yù)應(yīng)力的材料和性能要求體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一是體外預(yù)應(yīng)力束的耐久性.早期體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的失效或損壞大多數(shù)是由于預(yù)應(yīng)力鋼材的銹蝕而引起.由于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在腹板內(nèi)往往布置大量的鋼而且彎道也多,從而造成混凝土澆注的困難,灌漿質(zhì)量也無法保證.而體外束線形簡潔,灌漿容易,鋼束暴露在外,可以隨時(shí)方便地進(jìn)行檢測、修補(bǔ)乃至替換.近20年來,國際上的普遍看法已傾向于體外束的耐久性更好.鑒于耐久性在工程中的重要性,各國規(guī)范和各種外預(yù)應(yīng)力體系對于預(yù)應(yīng)力鋼材的防護(hù)(包括體外預(yù)應(yīng)力孔道管、孔道內(nèi)漿體或防護(hù)材料)提出了一系列要求及指標(biāo).錨固系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向塊導(dǎo)管構(gòu)造由體外預(yù)應(yīng)力體系提供可靠的耐久性保證.體外力筋在錨固處應(yīng)做專門的鋼索防銹處理.此外,需要開發(fā)既便于監(jiān)視預(yù)應(yīng)力筋工作狀態(tài),又易于撤換的錨固裝置.3.4轉(zhuǎn)向塊的作用體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋必須通過轉(zhuǎn)向塊改變方向,從而形成預(yù)應(yīng)力曲線配筋.在轉(zhuǎn)向塊與預(yù)應(yīng)力筋的接觸區(qū)域,由于摩擦和橫向力的擠壓作用,如果轉(zhuǎn)向塊設(shè)計(jì)不合理或構(gòu)造措施不當(dāng),預(yù)應(yīng)力鋼材容易產(chǎn)生局部硬化和摩阻損失過大.轉(zhuǎn)向塊的設(shè)計(jì)要求預(yù)應(yīng)力筋在折角點(diǎn)的位置必須高度準(zhǔn)確,避免產(chǎn)生附加應(yīng)力,轉(zhuǎn)向塊在結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)也不應(yīng)對預(yù)應(yīng)力鋼材有任何損害.FIP標(biāo)準(zhǔn)和歐洲體外預(yù)應(yīng)力規(guī)范均對轉(zhuǎn)向塊內(nèi)預(yù)埋管道所需的最小彎曲半徑作了規(guī)定.轉(zhuǎn)向塊的功能是傳遞體外束產(chǎn)生的水平和垂直橫向力.體外束通過折角點(diǎn)產(chǎn)生集中荷載,這個(gè)荷載應(yīng)能通過轉(zhuǎn)向塊安全地傳遞至混凝土結(jié)構(gòu).在預(yù)應(yīng)力混凝土箱形橋梁中,轉(zhuǎn)向塊有3種基本型式:①隔梁;②肋梁;③折角塊.轉(zhuǎn)向塊為鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu).美國學(xué)者對體外預(yù)應(yīng)力混凝土后張橋的轉(zhuǎn)向塊特性和細(xì)部設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究.3.5體外預(yù)應(yīng)力法加固橋梁和房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在橋梁和建筑物加固領(lǐng)域中,體外預(yù)應(yīng)力加固法已愈來愈受到人門的關(guān)注,它克服了采用其它方法加固時(shí)加固材料中普遍存在的應(yīng)力滯后的弱點(diǎn),保證了新舊材料和結(jié)構(gòu)的整體性與協(xié)同工作.工程實(shí)踐表明:采用體外預(yù)應(yīng)力法加固橋梁和房屋結(jié)構(gòu),不僅能提高其承載力,還可以減小撓度和裂縫寬度,提高結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)能力,并且具有施工簡便、不占用空間等特點(diǎn).3.5.1預(yù)應(yīng)力筋的布置特點(diǎn)采用體外預(yù)應(yīng)力加固法可提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受彎承載力.預(yù)應(yīng)力筋布置應(yīng)符合優(yōu)化布置原則,即加固筋外形與外荷載產(chǎn)生的彎矩圖形相似.因此,加固梁式結(jié)構(gòu)時(shí),體外預(yù)應(yīng)力筋多采用折線形連續(xù)筋,以充分發(fā)揮加固筋的抗拉強(qiáng)度.體外筋的靈活布置,可以有效地補(bǔ)強(qiáng)加固不同受力情況的簡支梁和連續(xù)梁.若連續(xù)梁中僅有個(gè)別跨需要加固,則可采取在這些跨上單獨(dú)布置預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行局部加固;若連續(xù)梁普遍較差,則可用各跨布置給予整體加固,若連續(xù)梁普遍較弱,但個(gè)別跨更弱,則可采取通長布置與局部布置相結(jié)合的辦法進(jìn)行加固.3.5.2預(yù)應(yīng)力鋼筋的施加梁的剪切強(qiáng)度可通過外部加設(shè)扁鋼、鋼板和鋼箍等方法來提高.扁鋼通常箍在構(gòu)件上用后張法拉緊,并已開發(fā)了一種后張不銹鋼鋼箍的方法.后張法能使新材料平分恒載及活載,這樣就能更有效地利用新增材料.提高剪切強(qiáng)度的另外一種方法為采用后張的附加預(yù)應(yīng)力鋼筋.預(yù)應(yīng)力鋼筋可以加在垂直和傾斜方向上,而且既可安裝在梁腹板內(nèi),又可安裝在箱內(nèi).施加預(yù)應(yīng)力時(shí)應(yīng)當(dāng)小心謹(jǐn)慎,避免結(jié)構(gòu)某些部分出現(xiàn)超限應(yīng)力.若構(gòu)件中存在裂縫,一個(gè)好的實(shí)施方法是在施加預(yù)應(yīng)力之前,先在裂紋上注射環(huán)氧樹脂.4預(yù)應(yīng)力鋼束材料用量與施工效率的關(guān)系近20年來,我國預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展迅速,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)已經(jīng)成熟.目前,在橋梁建設(shè)中占很大比重的中小橋的競爭日趨激烈.應(yīng)用新技術(shù),完善新的施工方法,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益已成為現(xiàn)在和未來提高競爭力的關(guān)鍵因素.盡管體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的鋼束用量比體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的要多,但由于體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)減輕了占恒載較大比重的箱梁腹板尺寸,節(jié)約了混凝土的用量.同時(shí)上部結(jié)構(gòu)重量的減輕也導(dǎo)致了下部結(jié)構(gòu)工程量的節(jié)省.更重要的是,施工方法及其所耗用材料、施工速度、管理費(fèi)用以及成橋后的維護(hù)費(fèi)用能真正反映其經(jīng)濟(jì)性.相對于上述因素組成的結(jié)構(gòu)整體費(fèi)用,預(yù)應(yīng)力鋼束材料用量稍多一些,但其影響非常小.特別是對于建設(shè)、設(shè)計(jì)和施工為一體的總承包集團(tuán)公司,施工方法的簡便,施工速度的加快,施工質(zhì)量的容易控制可使施工管理更為有效.我國城市橋梁基本上采用20m左右的空心板梁或滿堂腳手架的現(xiàn)澆箱梁2種形式,前者跨徑較小,后者需要大量的施工費(fèi)用.采用逐跨施工的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),跨徑一般采用30～45m,增大了對空心板梁的跨徑,從而減少了其下部結(jié)構(gòu)的工程量;對連續(xù)梁則無須腳手架,省卻了大量施工費(fèi)用.同時(shí),體外預(yù)應(yīng)力的應(yīng)用最大限度地發(fā)揮了節(jié)段施工的優(yōu)點(diǎn).采用預(yù)制節(jié)塊組拼,上部結(jié)構(gòu)的預(yù)制與下部結(jié)構(gòu)的施工同時(shí)進(jìn)行;節(jié)塊間采用接縫,使速度快捷,施工方便,保證了施工質(zhì)量與施工工期.成橋后能夠方便地進(jìn)行檢測和維護(hù)體外預(yù)應(yīng)力鋼束,能較明確地掌握橋梁的使用情況,節(jié)約了后期費(fèi)用.采用體外預(yù)應(yīng)力的逐跨施工法,對周圍環(huán)境的影響僅局限在橋墩位置及正在施工的一個(gè)跨徑范圍內(nèi).施工場地清潔,減少城市建筑污染,對現(xiàn)有交通影響小,預(yù)制塊件運(yùn)輸方便,這對于城市高架道路和輕軌交通有著重要意義.在其他橋梁中,采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)所帶來的新型結(jié)構(gòu)體系,既展示了我國橋梁建設(shè)上的新成就,同時(shí)也增強(qiáng)了我國的橋梁建設(shè)在國際上的競爭力.5體外配束橋梁施工研究的缺失我國正處于道路與城市建設(shè)的高峰期,體外預(yù)應(yīng)