体外预应力技术的发展与应用

体外预应力技术的发展与应用

与传统的体内支撑力预测结构相比，这种外部预紧结构具有横截面小、重量轻、预补偿和维护方便、预响应损失小、缩短施工周期长、耐久性高等优点。因此，不仅可以应用于预制混凝土桥、特种结构和建筑工程结构等新结构，而且可以重建、加固和维修旧混凝土结构。同时，它还可以用作临时预制混凝土结构或临时钢索的临时结构。随着斜拉桥和混凝土技术的发展，二次预压结构技术的应用是现代预压结构的主要趋势之一。1体外预应力束的概念体外预应力结构技术是后张预应力体系的重要分支之一,它与体内预应力即传统的布置于混凝土截面内的有粘结或无粘结预应力结构技术相对应.体外预应力(externalprestressing)是指对布置于承载结构主跨本体之外的钢束(体外束,outsidecables)张拉而产生的预应力,钢束仅在锚固区域设置在结构本体内,转向块可设在结构体内或体外.体外预应力的概念及方法产生于法国,由Frayssinet完成了其首次应用,而在工程中的大量应用是从20世纪70年代末期开始的*,**.图1为美国佛罗里达LongKey桥中体外预应力束的布置.1.1体外预应力体系体外预应力体系由体外预应力孔道管(高密度聚乙烯管HDPE或钢管等)、浆体(防腐油脂或水泥浆体)、锚固体系和转向块等部件组成.体外预应力经过近20年的发展和工程应用,目前已形成2种主要体系:①体系一:钢绞线穿入孔道管内,张拉之后,灌入水泥浆,此种体系为有粘结体外预应力体系.②体系二:体外预应力筋由单根无粘结筋组成,将单根无粘结筋平行穿入管内,张拉之前,先完成灌浆工艺,由水泥浆体将单根无粘结筋定位,这种体系为无粘结体外预应力体系.体系一的优点是:由于孔道管在结构体外,管道的铺面质量及其水密性容易检查和控制,预应力摩阻损失减少.体系二的优点是:单根无粘结筋的摩阻损失极小,可采用单根张拉工艺,张拉设备体积小,容易操作;预应力筋有多层防护,因此,其耐腐蚀性和防护安全性可靠;另外,在使用期间,可重调预应力值,更换预应力筋.世界上著名的预应力公司,如Freyssinet,VSL,BBRV均包括这2种体系.设计体外预应力结构时,可依据结构所处的环境条件,选择不同的体外预应力体系.1.2体外预应力结构体外预应力结构具有如下优点:1)因截面中只有体外力筋,很少或没有体内力筋,截面尺寸相应减小,尤其是腹板,故减轻了恒载.2)主要的施工工序较为简单,使浇注混凝土较方便,质量容易得到保证.3)体外预应力筋容易设置,使用期内容易检查和更换.4)体外力筋仅在锚固区和转向块与结构相连,摩阻损失明显减小.体外预应力结构亦有缺陷:1)体外力筋易损坏和着火,并因为承受着振动要限制其自由长度.2)转向块和锚固区因承受着巨大的纵、横向力因而特别笨重.3)对于体外力筋,锚头失效则意味着预应力的丧失.4)体外力筋的实际偏心通常较小,极限状态下体外力筋的抗弯能力小于体内有粘结力筋.5)体外预应力结构在极限状态下可能因延性不足而产生没有预警的失效.2预应力混凝土桥梁用体外力筋建造混凝土桥梁比用传统体内布筋建造混凝土桥梁要早.体外预应力的应用始于法国,1928年德国设计建造了主跨68m的体外力筋预应力混凝土桥,在到1950年的这段时间内,欧洲各国虽然建造了为数不少的体外力筋预应力混凝土桥,但由于未能很好解决预应力筋的防腐问题,致使这些桥梁的维修、养护费用很高,从而阻碍了体外力筋预应力桥梁的发展.1950年后,体内布筋的技术发展起来.20世纪70年代,欧洲各国相继发现用体内布筋建造的预应力混凝土桥梁,由于对摩擦造成的钢筋预应力损失及混凝土徐变、温度影响估计不足,桥梁破损严重,致使多数需要补强;而这时又多采用了体外力筋补强技术,加之预应力钢筋的防腐技术也取得了突破性进展;因此,体外力筋预应力桥梁技术又引起了人们的重视,并在1980年后获得了迅速发展.由于美国及法国的积极努力,建造了以LongKey桥等为代表的一系列体外力筋桥梁.在法国建设部高速道路局最近规划的新建桥梁中,体外力筋的预应力混凝土桥就占了一半.在日本,1985年后建成了以东北新干线目川桥及四万十川桥为代表的体外力筋预应力混凝土桥梁.当今,体外预应力可以灵活地应用于各种桥梁结构设计,并与各种传统的桥梁施工方法相结合,形成了许多新颖高效的桥梁施工方法,如体外预应力预制节段(或现浇)桥逐跨施工工法、体外预应力悬臂施工法、体外预应力节段顶推工法等,体外预应力与体内预应力混合使用也是现代预应力混凝土桥梁设计与施工的一种常用方法,混合配置体内预应力和体外预应力,目的在于获得更好的结构延性和抗震性能,并改善其结构的受力性能.此外,体外预应力技术用于大跨度屋盖结构,使得结构受力明确,并能大幅度减轻结构自重;在结构维修和结构加固,特别是在桥梁修复和加固工程中可获得非常显著的效果.3预应力筋布置体外力筋预应力混凝土结构构件按其布筋方式可分为单纯型与混合型两类.单纯型即将全部预应力筋布置在混凝土构件截面的外面;混合型将一部分预应力筋布置在混凝土构件截面外面,而另一部分预应力筋布置在体内.体外结构的设计与应用和传统的体内预应力混凝土结构构件具有基本相同的共性,但由于体外预应力的特点,产生了不同于体内预应力结构的特殊性.3.1非预应力钢筋在体外预应力混凝土结构中的合理设计体外预应力混凝土结构一般采用简化的折线预应力束;体外预应力筋仅在锚固区域和折角块处与结构相连结,体外预应力结构的受力特性与无粘结预应力结构类似.在使用荷载状态下,可采用弹性分析方法设计.在极限状态下,体外预应力混凝土结构一般应按无粘结预应力混凝土结构分析设计.对于一般钢束布置在箱梁室内的体外预应力混凝土结构,由于结构纵向变形很小,故钢束的应力很小,钢束和所用的锚具不存在活载下的抗疲劳问题.体外预应力混凝土结构达到极限状态时,一般多由于结构的过量变形,而不是因体外预应力筋的断裂而破坏,因此,必须配置合理的最小钢筋量,以控制裂缝的分布及宽度,并保证结构产生塑性变形的特征.非预应力钢筋在体外预应力混凝土结构中有2个重要作用:一是由于结构的受力特征类似无粘结预应力混凝土结构,非预应力筋可改善结构受力特性;二是由于预应力曲线为折线型,而且预应力筋在结构混凝土之外,因此,某些区域存在拉应力,非预应力筋可以弥补体外预应力混凝土结构局部产生裂缝的问题.3.2节段施工体系结构的力学分析由于体外束的应力增量并非取决于截面上的应变,而是取决于整个结构变形,故其应力增量很小.尤其是对于采用于接缝的节段施工桥梁,混凝土的受压区局限在接缝截面之内,能够达到的极限压应变较小,导致了体外预应力结构的承载能力较低,延性也较差.对这种结构的分析必须来源于对结构的全过程仿真分析,才能较为精确地确定结构极限承载力.国外不少学者对体外无粘结构的极限应力计算进行深入研究,世界各国及有关协会的规范标准亦作了规定.由于节段施工体外预应力桥梁的变形较大,而且结构的变形会导致体外束对于结构的有效偏心距的改变,在分析中必须考虑结构的几何非线性.在节段施工中,接缝位置事实上已预先确定了结构受荷后的开裂位置,接缝的力学特性将对结构的力学性能产生很大的影响,必须正确有效地建立其力学模型;同时,还应考虑体外束在偏转位置上的滑移.对采用悬臂拼装的体外预应力混凝土结构,将有体内束穿过接缝,这些体内束的力学模型与具有完全粘结的体内预应力束是不同的,正确地对其进行分析,将对混合配束的桥梁结构的力学性能分析具有重要的意义.3.3预应力的材料和性能要求体外预应力结构的关键技术之一是体外预应力束的耐久性.早期体外预应力混凝土桥梁结构的失效或损坏大多数是由于预应力钢材的锈蚀而引起.由于体内预应力结构在腹板内往往布置大量的钢而且弯道也多,从而造成混凝土浇注的困难,灌浆质量也无法保证.而体外束线形简洁,灌浆容易,钢束暴露在外,可以随时方便地进行检测、修补乃至替换.近20年来,国际上的普遍看法已倾向于体外束的耐久性更好.鉴于耐久性在工程中的重要性,各国规范和各种外预应力体系对于预应力钢材的防护(包括体外预应力孔道管、孔道内浆体或防护材料)提出了一系列要求及指标.锚固系统和转向块导管构造由体外预应力体系提供可靠的耐久性保证.体外力筋在锚固处应做专门的钢索防锈处理.此外,需要开发既便于监视预应力筋工作状态,又易于撤换的锚固装置.3.4转向块的作用体外预应力混凝土结构的预应力筋必须通过转向块改变方向,从而形成预应力曲线配筋.在转向块与预应力筋的接触区域,由于摩擦和横向力的挤压作用,如果转向块设计不合理或构造措施不当,预应力钢材容易产生局部硬化和摩阻损失过大.转向块的设计要求预应力筋在折角点的位置必须高度准确,避免产生附加应力,转向块在结构使用期内也不应对预应力钢材有任何损害.FIP标准和欧洲体外预应力规范均对转向块内预埋管道所需的最小弯曲半径作了规定.转向块的功能是传递体外束产生的水平和垂直横向力.体外束通过折角点产生集中荷载,这个荷载应能通过转向块安全地传递至混凝土结构.在预应力混凝土箱形桥梁中,转向块有3种基本型式:①隔梁;②肋梁;③折角块.转向块为钢筋混凝土或钢结构.美国学者对体外预应力混凝土后张桥的转向块特性和细部设计进行了深入的研究.3.5体外预应力法加固桥梁和房屋结构的优势在桥梁和建筑物加固领域中,体外预应力加固法已愈来愈受到人门的关注,它克服了采用其它方法加固时加固材料中普遍存在的应力滞后的弱点,保证了新旧材料和结构的整体性与协同工作.工程实践表明:采用体外预应力法加固桥梁和房屋结构,不仅能提高其承载力,还可以减小挠度和裂缝宽度,提高结构的弹性恢复能力,并且具有施工简便、不占用空间等特点.3.5.1预应力筋的布置特点采用体外预应力加固法可提高结构构件的受弯承载力.预应力筋布置应符合优化布置原则,即加固筋外形与外荷载产生的弯矩图形相似.因此,加固梁式结构时,体外预应力筋多采用折线形连续筋,以充分发挥加固筋的抗拉强度.体外筋的灵活布置,可以有效地补强加固不同受力情况的简支梁和连续梁.若连续梁中仅有个别跨需要加固,则可采取在这些跨上单独布置预应力筋进行局部加固;若连续梁普遍较差,则可用各跨布置给予整体加固,若连续梁普遍较弱,但个别跨更弱,则可采取通长布置与局部布置相结合的办法进行加固.3.5.2预应力钢筋的施加梁的剪切强度可通过外部加设扁钢、钢板和钢箍等方法来提高.扁钢通常箍在构件上用后张法拉紧,并已开发了一种后张不锈钢钢箍的方法.后张法能使新材料平分恒载及活载,这样就能更有效地利用新增材料.提高剪切强度的另外一种方法为采用后张的附加预应力钢筋.预应力钢筋可以加在垂直和倾斜方向上,而且既可安装在梁腹板内,又可安装在箱内.施加预应力时应当小心谨慎,避免结构某些部分出现超限应力.若构件中存在裂缝,一个好的实施方法是在施加预应力之前,先在裂纹上注射环氧树脂.4预应力钢束材料用量与施工效率的关系近20年来,我国预应力技术发展迅速,预应力混凝土结构技术已经成熟.目前,在桥梁建设中占很大比重的中小桥的竞争日趋激烈.应用新技术,完善新的施工方法,取得良好的经济效益和社会效益已成为现在和未来提高竞争力的关键因素.尽管体外预应力结构的钢束用量比体内预应力结构的要多,但由于体外预应力结构减轻了占恒载较大比重的箱梁腹板尺寸,节约了混凝土的用量.同时上部结构重量的减轻也导致了下部结构工程量的节省.更重要的是,施工方法及其所耗用材料、施工速度、管理费用以及成桥后的维护费用能真正反映其经济性.相对于上述因素组成的结构整体费用,预应力钢束材料用量稍多一些,但其影响非常小.特别是对于建设、设计和施工为一体的总承包集团公司,施工方法的简便,施工速度的加快,施工质量的容易控制可使施工管理更为有效.我国城市桥梁基本上采用20m左右的空心板梁或满堂脚手架的现浇箱梁2种形式,前者跨径较小,后者需要大量的施工费用.采用逐跨施工的体外预应力结构,跨径一般采用30～45m,增大了对空心板梁的跨径,从而减少了其下部结构的工程量;对连续梁则无须脚手架,省却了大量施工费用.同时,体外预应力的应用最大限度地发挥了节段施工的优点.采用预制节块组拼,上部结构的预制与下部结构的施工同时进行;节块间采用接缝,使速度快捷,施工方便,保证了施工质量与施工工期.成桥后能够方便地进行检测和维护体外预应力钢束,能较明确地掌握桥梁的使用情况,节约了后期费用.采用体外预应力的逐跨施工法,对周围环境的影响仅局限在桥墩位置及正在施工的一个跨径范围内.施工场地清洁,减少城市建筑污染,对现有交通影响小,预制块件运输方便,这对于城市高架道路和轻轨交通有着重要意义.在其他桥梁中,采用体外预应力技术所带来的新型结构体系,既展示了我国桥梁建设上的新成就,同时也增强了我国的桥梁建设在国际上的竞争力.5体外配束桥梁施工研究的缺失我国正处于道路与城市建设的高峰期,体外预应