建筑设计论文:浅谈桥梁施工材料的应用与前景

浅谈桥梁施工材料的应用与前景
左顺磊1 奎艳晶1 李军2
（1.襄樊市交通规划设计院 441000；2. 中交第二公路勘察设计研究院有限公司 430056）
摘要: 本文从桥梁施工材料开始介绍，从组成混凝土的材料、抗震性能、施工方法及耐久性研究等的发展状况来进行阐述，并探讨了预应力混凝土桥发展现状及前景。
关键词: 桥梁；预应力；混凝土；施工工艺
作者简介：左顺磊（1983.1-）男，本科，助理工程师，研究方向：桥梁工程。
引言
所谓预应力混凝土结构，是在结构构件受外力荷载作用前，先人为地对它施加压力，由此产生的预应力状态用以减小或抵消外荷载所引起的拉应力，即借助于混凝土较高的抗压强度来弥补其抗拉强度的不足，达到推迟受拉区混凝土开裂的目的。目前预应力混凝土已成为国内外土建工程最主要的一种结构材料，而且预应力技术已扩大应用到型钢、砖、石、木等各种结构材料，并用以处理结构设计，施工中用常规技术难以解决的各种疑难问题。
预应力混凝土结构由于其具有能充分利用材料的高强度性能，有效防止混凝土裂缝，减轻结构自重，增大桥梁跨径，刚度大行车舒适等优点，在公路桥梁上得到普遍的应用。尤其在大跨度和重荷载结构以及不允许开裂的结构中被广泛的应用。
1.桥梁施工材料
1.1 混凝土
从我国已建成的预应力混凝土桥梁来看，大多都采用C40-C50混凝土，进而采用减水剂等添加剂制备塑性混凝土，并发展了泵送混凝土工艺。随着桥梁跨度的增加，为减少桥梁结构的自重，混凝土逐渐向高强、轻质方向发展。作为混凝土的改性材料，微硅粉高强混凝土具有易浇注，整体密实，长期稳定及强度高等特点，可提高建筑的内在质量，在桥梁建筑市场上具有极大的推广应用价值。混凝土将继续朝高强、高性能方向发展，免振混凝土、密筋混凝土可能在结构中试用。
1.2 钢材
目前使用的预应力钢材主要有高强钢丝，钢绞线及高强度粗钢筋三大类。桥梁上使用的预应力钢材一直在朝着高强度，低松弛，大直径的方向发展。20世纪80年代中期以前，我国的预应力钢材的性能比国际上落后较多；在80年代后期，国内开始生产1860MPa的低松弛预应力钢绞线，加上与其配套的大吨位预应力锚具和张拉设备的研制成功，C50与C60混凝土的应用，使得预应力连续梁桥结构轻型化，跨越能力得到很大提高。近年来，材料强度有所增加，但在某些情况下，强度的增加是以降低材料的延性与韧性为代价的，而且强度较高的预应力钢材，有时会增加氢的应力腐蚀的危险，这些不利的特性应予以重视。
1.3 预应力钢束
大吨位预应力钢束的采用大大简化了后张拉工艺。对于采用悬浇施工的桥梁，每一循环预应力束数可大大减少，且通过预应力束平弯使锚点位置在断面上的布置固定，大大节省了穿束、张拉、压浆等工序所用的时间，从而加快施工进度。另外采用大吨位预应力束，布束容易，经合理选择后可以做到因不易布束而加大结构尺寸，造成材料浪费，可减少繁杂的锚固齿块，便于简化模板，加快工期。无粘结预应力筋是指带润滑防锈涂层的后张预应力筋，施工时这种预应力筋可以和普通钢筋一样直接安装在模板中。无粘结预应力筋无需预留孔道，后期穿束，压浆等工序并可节省材料，加快施工进度。因此具有施工简便，施工效率高等优点。但其强度和刚度与相应的有粘结预应力筋相比稍低。从耐久性能看，应对其防锈及认真处理锚具封端。有粘结预应力筋，由于压浆工艺问题也存在耐久性问题，预应力管道压浆往往存在压浆不满或不密实等问题，由此可能导致的预应力筋锈蚀问题不容忽视。
1.4 其他新型材料以及各种材料结合应用
新型材料如纤维增强塑料，具有在各种环境下具有耐久和抗腐蚀的特性，重量轻，高强度和无磁性等优点，过去主要用于航天和航空工业，现已进入建筑工业；预应力混凝土与钢筋混凝土的结合，预应力混凝土与纤维混凝土的结合以及其它材料的结合；无粘结预应力筋其自身的优点将会越来越受到重视，在大跨径桥梁上的应用正日益增加，但关于其强度和耐久性问题仍然需要进一步加强研究，不断完善。
2.预应力混凝土施工工艺
施工工艺预应力混凝土桥梁的发展与施工技术的发展是密不可分的，施工技术水平直接影响桥梁的跨径、线型、截面形式等。工艺分先张法和后张法两类。先张法先张拉预应力筋再灌筑混凝土，待混凝土达到一定程度后放松预应力筋，利用预应力筋和混凝土的粘结力将预应力传递到混凝土上。其制造工序为：张拉预应力筋、立模、安装钢筋、灌筑混凝土、养护、拆模、放松预应力筋等。后张法先灌筑混凝土后张拉预应力筋。其制造工序为：立模、安装钢筋、孔道成形、灌筑混凝土、养护、拆模、张拉预应力筋、孔道压浆等。桥位现浇混凝土桥一般采用后张法。钢筋混凝土桥的制造工序为：立模、安装钢筋、灌筑混凝土、养护、拆模等。
3.预应力混凝土抗震性能
当前国际混凝土结构工程界对预应力混凝土结构的抗震问题给予了重视。日本在1995年神户大阪地震之后，对混凝土结构(包括预应力混凝土结构) 在地震中的实际表现进行了调查并作了大量研究工作，其它国家也作了不少研究工作。研究表明通过合理的设计和施工，预应力结构在地震区是可以应用的。采用竖向预应力的混凝土结构，可以提高结构抵抗水平荷载的能力，预应力混凝土结构会发生屈服，产生塑性铰，提高整个结构的延性和耗能能力而避免损坏，并在地震之后又能很快的复原，具有良好抗震性能。
4. 预应力混凝土桥的耐久性研究
近年来，各国均在预应力混凝土桥的耐久性方面加大的研究力度。发现氯化物溶液，不仅侵蚀着混凝土桥面板，而且也使混凝土中的钢筋受到腐蚀。由于锈蚀使钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋和混凝土之间的粘结等均发生了变化，锈蚀对钢筋混凝土结构动力性能(例如疲劳性能和抗震性能) 的不利影响将更为严重。印度孟买Thane河上的第一座桥是后张预应力混凝土桥，由于预应力筋过早地发生严重腐蚀，现在不得不更换，重修第二座桥。由于该桥预应力筋在安装前就被大气中的盐份所污染，灌注的水泥浆体又用了含盐的河水，因而不到10年，所有钢筋、预应力筋及其套管都遭到了严重的腐蚀破坏。由于各国在冬季为防止桥面结冰，都会用含有氯化物的除雪剂进行处理。因此，预应力混凝土桥的耐久性研究成为当务之急。
5.预应力混凝土发展
随着桥梁所用材料的不断进步，跨度从不足百米到逼近2000m。对交通的需求推动人类去征服大江、深谷和海峡。预应力混凝土桥梁的施工技术得到了广泛的推广，更普遍地采用先进技术、先进设备，新工艺新技术新材料，使桥梁建设水平普遍提高一个新的台阶。在预应力混凝土连续梁桥的设计理论与计算方面,进行了深入研究与分析,提供了自动化程度较高的电算程序。对于采用各种施工方法的连续梁,在不断转换体系的形成过程中的内力与变形,预应力混凝土超静定结构的各项次内力(预加应力、混凝土收缩与恢复、温度变形、支座沉降等) 以及设计内力组合、配筋、调整设计重新计算等都能自动在程序中计算完成,可以优化结构尺寸和方案。为设计出受力合理,尺寸和谐提供了优化条件。
参考文献
[1]项海帆.21世纪世界桥梁工程的展望[J].土木工程学报,2000.
[2]宋玉普.21世纪土木工程实用技术丛书——新型预应力混凝土结构[M].北京:机械工业出版社,2006.