淺談無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土及其在橋梁工程中的應(yīng)用

1、淺談無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土及其在橋梁工程中的應(yīng)用中鐵十一局集團(tuán)第六工程有限公司 劉德兵 湖北襄樊七里河路 441003【內(nèi)容提要】 本文簡要介紹了無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的性能、發(fā)展概況以及在橋梁工程中的應(yīng)用前景，并就存在的問題提出了自己的一些看法?！娟P(guān) 鍵 詞】 混凝土 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力1 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土及其性能無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土是后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的一個分支，是事先將由單根或高強(qiáng)鋼絲、剛絞線、鋼筋組成的預(yù)應(yīng)力筋沿全長涂刷防銹蝕材料，并用塑料套管或油紙包裹，以使之能與周圍混凝土發(fā)生縱向相對滑動，形成無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。在施工時，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋（即有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋）一樣，直接放入模板，澆注混凝土

2、，待混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后進(jìn)行張拉錨固。這樣，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋就同主體混凝土以及有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋構(gòu)成內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)來共同承擔(dān)外載荷。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)與后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)相比，在施工方面，它省去了預(yù)留孔道、穿束和灌漿等多道工序，簡化了現(xiàn)場施工工藝。同時無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋布置比較靈活，尤其在預(yù)應(yīng)力筋排列密集、交叉或不規(guī)則時，更能體現(xiàn)其布置靈活的優(yōu)越性。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的性能與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)是不同的。純無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土（既未配置有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋）受彎構(gòu)件開裂后，受力性能似帶拉桿的扁拱，破壞時多屬脆性破壞，實際中采用的構(gòu)件一般都是附有一定數(shù)量有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋的。試驗表明，當(dāng)附加適

3、當(dāng)數(shù)量有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋后，這種無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件（即無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件）的裂縫和破壞特征與純無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件相比，均有顯著改變，開裂前具有一般預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的良好的彈性性能；開裂后，裂縫寬度細(xì)而間距小，類似普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能。另外，反映構(gòu)件總體性能的荷載撓度曲線與相應(yīng)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的相近。2 國內(nèi)外無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展概況無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的概念，雖然早在本世紀(jì)二十年代就有德國的R.Farber明確提出并取得專利，但真正應(yīng)用于實際工程還是十幾年后的事。五十年代初，美國使用了這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)時主要用于房屋建筑的大跨平板結(jié)構(gòu)中，以便減少板厚和改善板的性能

4、。這以后又不斷擴(kuò)大應(yīng)用到其它結(jié)構(gòu)中。國內(nèi)，七十年代房屋建筑中開始采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。目前，在無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的生產(chǎn)及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的施工等方面已有一整套成熟的工藝，廣泛用于大開間、大跨度的工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)的成套技術(shù)列為“八五”期間重點推廣項目之一。應(yīng)該說，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用還是比較早的。最初，當(dāng)人們把預(yù)應(yīng)力的概念應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)物時，首先想到的施加預(yù)應(yīng)力方式，是采用體外預(yù)應(yīng)力鋼筋來施加，而體外預(yù)應(yīng)力筋本質(zhì)上仍屬于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。1936年，德國人狄辛格用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力法建造了奧厄橋，馬涅耳在1948年也用同樣的方法建造了斯卡林橋。隨著建橋材料質(zhì)量和預(yù)應(yīng)力混凝土工藝

5、水平的提高，五十年代體外預(yù)應(yīng)力在橋梁工程中的使用又得到進(jìn)一步的發(fā)展。1964年世界上第一次使用頂推法施工的委內(nèi)瑞拉卡羅尼橋，采用體外預(yù)應(yīng)力并取得了很大成功。七十年代后期，美國修建的長礁橋和七英里橋，以其高速度等特色而聞名世界，就其預(yù)應(yīng)力體系而言，也就體外預(yù)應(yīng)力。八十年代初建成的以其獨特的預(yù)應(yīng)力束布置形式而使人耳目一新的科威特布爾比延橋，也是體外預(yù)應(yīng)力。國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力主要應(yīng)用于舊橋加固。無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋國內(nèi)已修建數(shù)座，如北京四元立交橋、四川彭縣竹瓦大橋，貴州息烽陽朗壩大橋、陜西寶雞引渭渠橋等。通過這些橋梁在工程中的實踐，是國內(nèi)橋梁工程界進(jìn)一步認(rèn)識到，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)若設(shè)計合理，可

6、獲得良好的結(jié)構(gòu)性能和使用性能，具有一定的的經(jīng)濟(jì)效益，并在逐步推廣。3 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土在橋梁中的應(yīng)用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的顯著特點是施工簡便、快速、布筋靈活。在一般的后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中，預(yù)留梁體內(nèi)力筋孔道，常用的制孔方法，如：鋼管抽芯、橡皮管抽芯和埋設(shè)鐵皮管等，雖各有特點，但仍是一項技術(shù)性強(qiáng)，費工費時的工序。簡便靈活的施工方法便是我們追求的目標(biāo)之一。雖說無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件一般比相應(yīng)有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度低，并且無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋比有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋價格貴，但是作為工程結(jié)構(gòu)物，材料、工藝和結(jié)構(gòu)形式是密切相關(guān)的，我們通過合理選擇，可以使三者達(dá)到完善和統(tǒng)一。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土

7、構(gòu)件，由于勿需預(yù)留孔道，這就有可能減小截面尺寸或增大力筋的力臂，從而抵消部分抗彎強(qiáng)度降低的不利影響。城市立交橋或公路跨線橋，更多的是受建筑高度的約束，其應(yīng)用跨徑一般在20米左右即可較好地適應(yīng)路網(wǎng)交通要求。另外，這些橋大都是交通繁忙地段建造的，施工期間應(yīng)最大限度地減少交通影響，故一般采用預(yù)制裝配構(gòu)件。而后張預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁由于建筑高度低、重量輕、又是優(yōu)先選取的對象之一，同時預(yù)應(yīng)力空心板梁是分散布筋，很適合使用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。一方面分散布筋需要的孔道多，而無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)卻不需要預(yù)留孔道，與有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土相比，制做無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋所增加的費用及其極限強(qiáng)度的降低代價，可由省去預(yù)留孔道、穿

8、索、灌漿等多道工序的費用得到補(bǔ)償；另一方面，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可以很容易地布置為曲線形式，從而提高構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度，減小或消除構(gòu)件端部的不利負(fù)彎矩。在需要施加橫向或豎向預(yù)應(yīng)力及曲線橋梁中，采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，其優(yōu)越性自不待言。事實上，已經(jīng)有對箱梁頂板用無粘結(jié)筋施加橫向預(yù)應(yīng)力的報道。湖南的沅陵沅水大橋就是一例。該橋箱梁頂板采用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋后，板厚度由原設(shè)計的30cm減薄至26cm，全橋共節(jié)省400余立方混凝土，取得了比較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時也簡化了施工。無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土不能也不可能全部取代有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，但是將無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)用于一些適合于發(fā)揮其優(yōu)越性的橋梁工程中，仍是一件很有意義的工作。4

9、 存在的問題與解決的途徑無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁承受載荷時，由于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可以在混凝土中滑動，構(gòu)件在各截面上產(chǎn)生的不均勻應(yīng)變會在其兩端錨具間的長度上不斷調(diào)整，并趨于均勻分布，故無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)變不僅與單個截面的平衡有關(guān)，而且與整個構(gòu)件的變形也有關(guān)。因此在設(shè)計計算方面，關(guān)鍵是如何確定正常使用及承載能力兩個極限狀態(tài)下無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力。目前，關(guān)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的極限應(yīng)力（構(gòu)件破壞時無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力）試驗研究較多，并有相應(yīng)的計算公式。而正常使用狀態(tài)下無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力分析研究卻很少。在無粘結(jié)部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計中，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋與有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋，在結(jié)構(gòu)中所占的比例如何，甚為重要。雖然

10、有人提出按有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋的截面積與無粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋的截面積相等（即）來設(shè)計，但筆者認(rèn)為，作為設(shè)計時有粘結(jié)非預(yù)應(yīng)力筋截面積的下限是可以的，不應(yīng)小于（因試驗表明，如果不小于的25，則構(gòu)件破壞時無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋才能比較好的發(fā)揮其強(qiáng)度。其中、分別為非預(yù)應(yīng)力筋及預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計強(qiáng)度）。但作為部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，根據(jù)實際需要，須采用相應(yīng)的預(yù)應(yīng)力度，自然與的比例也相應(yīng)的不同。另外，據(jù)資料介紹，美國已發(fā)生了為數(shù)很少的幾次無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)損壞事故，究其原因，主要是因為對錨固區(qū)的處理不當(dāng)而引起無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋銹蝕所致。因此，在實際中采用無粘結(jié)應(yīng)力混凝土構(gòu)件時，當(dāng)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋集中成束（多根無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力組成一束）布置時，簡易采用局部灌漿來解決無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的錨固問題。具體做法是：清除構(gòu)件兩端一定長度（根據(jù)粘結(jié)力要求決定）無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的防護(hù)涂料，在這一長度內(nèi)，采用和有粘