横张预应力混凝土技术的研究与应用

　　（重庆交通学院X重庆高速公路建设有限公司）（北方高速公路有限公司X重庆市交通委员会）种新型的预应力混凝土技术横张预应力混凝土，文中概要介绍了横张预应力混凝土的施工方法、原理、研究工作及工程应用。实践表明横张预应力混凝土在保持常规后张预应力混凝土良好的力学特性的条件下，能明显节省钢材、简化工艺、提篼工效，具有很好的技术经济效益。

　　一、现有预应力混凝土技术综述现有技术，常用的预应力混凝土的实现方法可归纳为：先张法、后张法（含中张法）和预弯复合梁三类，现将其主要方法分类简述如下：先张法即先张拉预应力钢筋，再浇筑构件混凝土，待混凝土达到一定强度后放松钢筋，混凝土构件借助钢筋的弹性回缩而获得预压应力。张拉钢筋的方法主要是借助张拉台座用千斤顶对钢筋预加应力。此法工艺简单，施工方便，但需专用预制场和构件就位的吊运设备，通常适用于批量生产的中、小型构件。

　　后张法即先浇筑混凝土构件，再张拉钢预应力筋，混凝土构件在张拉钢筋的同时受到预压，待张拉到预定吨位时，将预应力钢筋在构件端部锚固。在实际工程中主要有如下几种实现方法：（1）常规后张预应力混凝土：优点是布筋灵活，适用于现浇或预制大、中型构件，在桥梁工程中得到广泛的应用，缺点是工序繁多，工艺复；（2）无粘结预应力混凝土：此法减少了孔道成型、穿束和灌浆等工序，施工较简单，但构件的极限强度及使用性能有所降低，目前多用于预应力混凝土板式结构；（3）体外预应力：此法简化了预应力工艺，但结构的受力特性较常规有粘结预应力混凝土差，钢材用量也较大，目前主要用于较大跨度的桥梁工程或维修加固工程中；中张法预应力：即先浇筑构件之部分待张拉预应力束后再完成构件剩余部分的浇筑，此法减少了孔道成型、穿束和灌浆工艺，并保持了常规预应力混凝土应有的极限强度和良好的使用性能，但因预加应力阶段构件截面的削弱而可能成为控制因素，致使用材增大、成本提高，故此法并未得到积极的推广应用；（5）双预应力混凝土：即在简支梁的上缘设置预压应力钢棒，在下缘设置预拉应力钢筋，该法的大特点是梁的建筑篼度小。其代表作品为奥地利的阿尔姆桥（74m跨径的公路简支梁桥，跨中截面仅高2.5m）；但其预压应力钢棒的施工锚固可谓艰难，故这种结构并未能得到广泛的应用。（6）竖张法预应力：即力筋的两端先锚固于梁体端部上，再以梁底为反力承压面对力筋施加竖向力来张拉力筋而使梁体获得预应力，此法的特点是用较小的竖向张拉力即可在预应力钢筋内产生很大的拉力，属体外预应力体系，结构受力性能较常规预应力混凝土有所降低，另因其既未避免常规预应力混凝土梁端部锚固，又增加了竖向张拉后的定位构造，迄今仅见用于旧梁加固中。

　　预弯复合梁也叫预弯预应力钢一混凝土组合梁，是对一根屈服强度较高且具有一定预拱大。但由于其用钢量巨大，工艺较复杂，所需预加载设备庞大，占用周期长，目前尚未在钢产量有限的大多数国家和地区得到推广应用。

　　综上所述，已有的各种预应力混凝土技术均各在某一（些）方面有其的优势，而在另一（些）方面则存在明显的不足，为此笔者在近20年对预应力混凝土研究工作的基础上提出“横张预应力混凝土”，求得全面兼顾良好的使用性能、用料的经济性和施工的简易性的预应力混凝土技术。

　　二、横张预应力混凝土的基本概念横张预应力混凝土的构思钢筋混凝土梁，在进一步研究和实践中，针对其存在的问题，于1994年提出“横张预应力混凝土梁”的构想：将预弯预应力钢筋混凝土梁通过预加载条件下二次浇注混凝土来建立预应力转变为以梁底为反力承压面，沿垂直于力筋的竖向张拉预应力钢束来建立预应力。将先张法的粘结力自锚省去专用锚具，后张法的以梁体自身为张拉预应力钢束的反力承压体无需专用预制场、张拉台座和吊运设备，体外预应力的在混凝土梁体外张拉预应力钢束避免了管道摩阻引起的预应力损失，旧梁加固中曾采用的竖向紧固力筋法一~用较小的竖向拉力在力筋纵向获得较大的拉力等已有常用预应力混凝土技术的优点有机地融于一体。

　　制作工艺及预应力原理横张预应力混凝土梁（以箱型梁为例）的制作工艺及预应力原理如下：制作混凝土梁体，在箱型梁腹板内设预留明槽，在明槽内的设定高度处直线布置预应力钢束（图I-I的虚线所示），其两端伸入先浇梁体混凝土作为粘结锚固区段；安装张拉设备，以梁底为反力承压面沿竖向张拉预应力钢束至设计位置，梁体混凝土即在钢束伸长受拉的同时获得相应的预应力；插入钢插销以锁定预应力钢束的位置，卸除千斤顶等张拉设备后灌注预留明槽的混凝土与现有预应力混凝土技术的比较国内外土建工程中常用的预应力混凝土技术有：先张法预应力混凝土：工艺相对简单，无需专用锚具，但需专门的预制场地、张拉台座和吊运就位设备，故一般仅适用于中小型构件；常规后张预应力混凝土：无需专门的预制场地、张拉台座和吊运就位设备，力筋布置和张拉较灵活，在桥梁工程中广泛采用，但工艺复杂，技术要求高，预应力损失大，管道压浆质量难以保证；无粘结预应力及体外束预应力混凝土：较常规后张预应力混凝土省去了成孔、穿束、压浆等工序，施工相对简单，但结构的力学性能有明显降低；旧梁加固曾用的竖向紧固钢筋法：能以较小的竖向拉力使钢筋获得较大的纵向拉力，加固效果好，但施工复杂，技术要求篼，以致很少采用；预弯预应力复合梁：建筑高度小，自重轻、跨越能力较大，但其用钢量巨大，工艺复杂，所需预加载设备庞大且周转率低，目前仅在部分国家有少量应用；鉴于桥梁工程通常为大型结构的特点，目前国内外桥梁建设中均主要采用后张法预应力混凝土，横张预应力混凝土技术属后张法系列，与常规后张预应力混凝土相比具有如下三大特点：改传统的预留孔道为预留明槽：可节省成孔、定位材料及其工序；避免了由管道摩阻引起的预应力损失，避免了管道压浆质量不定性及其危害；改专用锚具锚固为粘结力自锚：节省了专用锚具、部分局部加强钢筋，预应力束无需伸出的张拉操作长度而节省了部分预应力钢筋；改纵向张拉为横向张拉：横张力仅需纵张力的1/5 ~1/7即可达到同等预应力效果，能将必须多次重复进行的纵向张拉简化为一次性横向张拉；避免了由分批张拉产生弹性压缩引起的预应力损失；避免了梁端张拉所需的操作空间，相邻跨梁的建造互不干扰；综上所述，横张预应力混凝土因节省了波纹管、灌浆料、锚具、锚下加强钢筋及部分预应力钢筋，可降低主梁造价2030，具有明显的经济效益；避免了管道摩阻和分批张拉引起的预应力损失，可使有效预应力提高10~20，相应的张拉控制应力由常规张拉的0.8（含超张拉）可降低到0.6和以下，提高了钢束张拉的安全储备；以灌注明槽混凝土取代了管道压浆，易于保证梁体质量和耐久性，具有明显的技术效益；改常规预应力混凝土的多次重复工序为一次性工序，简化了工艺及张拉设备，提高了工效，具有良好的社会效益。

　　横张预应力混凝土综合了先张法与后张法、体内束与体外束、有粘结与无粘结预应力混凝土技术的主要优点，全面兼顾了良好的使用性、施工的简易性及用料的经济性，具有很好的综合技术经济效益。

　　三、研究与应用概要在“横张预应力混凝土”的构思成熟并获准国家科委下达的1995年地方重点攻关计划（横张预应力混凝土梁工艺及性能试验研究）后，由重庆交通学院、重庆市高速公路建设有限责任公司、重庆市公路工程监理处、重庆市渝通公路工程总公司等四家单位联合组成了横张预应力混凝土专题研究课题组，先后开展了如下工作：在对已有预应力混凝土技术进行全面深入剖析的基础上，率先提出全面兼顾现有预应力混凝土技术优点的“横张预应力混凝土”技术，并以重庆长寿高速公路红槽房大桥为依托工程开展研究；进行计算机模拟分析，并就横张预应力混凝土梁的构想广泛地征求有关科研、设计和施工单位的意见，论证其在理论上的正确性和合理性；设计理论研究，针对依托工程提出初步的横张预应力混凝土梁设计计算方法：阅资料，确定以常用的高强低松弛钢绞线作为预应力筋，对钢绞线的几何构成及力学特性进行分析，提出具有安全储备的横张控制应力上限；对横张过程建立简化的计算模型，提出有效预应力的实用计算方法，并以计算机模拟分析结果进行校正；梁在施工阶段和使用阶段的应力计算、抗裂计算以及各区段的强度计算方法。

　　对预应力钢束的粘结锚固区、张拉时的局部承压区和张拉后的插销定位区局部用非线性有限元分析，提出局部加强构造措施；工艺流程研究，拟定了一套横张预应力混凝土梁施工工艺，编制了初步的横张预应力混凝土梁施工技术要求；配套设备研制，研制出一整套横张设备及定位配件；工艺试验研究：完成了30m跨径横张预应力混凝土T型梁（足尺试验梁）和5m跨径横张预应力混凝土小梁的制作工艺全过程试验研究，并对横张过程进行了现场测试，取得如下进展：完善和丰富了横张预应力混凝土梁施工技术要求；通过多次试验和改进，研制出一整套可操作性较强的横张设备及定位配件；完善和丰富了施工期间预应力损失估算和有效预应力的计算方法；总结编制了针对T型梁桥的横张预应力混凝土梁质量检验条文；受载性能试验研究，对30m跨径横张预应力混凝土试验梁进行了现场加载试验，首先对梁进行了六次至使用荷载的重复加载试验，然后加载至开裂，再加载至破坏；加载过程中对梁的变形、混凝土应变、普通钢筋应变、预应力混凝土钢束应变、抗裂强度、裂缝开展和破坏情况进行了全面测试。结果表明：开裂前实测挠度值与按全截面刚度（含后浇明槽混凝土）得到的挠度理论计算值吻合较好，证明横张预应力混凝土梁具有足够的刚度；卸载后梁的残余变形为1~ 0.1mm，表明其具有很强的弹性恢复能力；实测开裂弯矩与理论预期弯矩值相吻合，证明了其预期的预应力效果；裂缝开展和破坏表现与高质量的常规预应力混凝土梁的情况无异；人工凿开后浇明槽混凝土查明，其与预应力钢绞线及先浇梁体混凝土结合很好；完善和丰富了横张预应力混凝土梁的设计理论及构造措施；开展了横张预应力混凝土技术在桥梁中的应用研究：设计并建成了座横张预应力混凝土T型梁桥（渝长篼速公路红槽房大桥）；对其实施的前5根梁进行了现场监控，酌情调整了张拉时承压钢垫板的厚度和定位配件形式；完善了T型梁桥的实施细则，使后续施工得以顺利进行；利用横张预应力混凝土张拉效率高的优势，创造性地提出全跨一次性浇注混凝土，一次性同步竖向张拉的新工艺；提出了在腹板中设置预留明槽的寒施方法；设计并建成了座横张预应力混凝土空心板桥（渝长篼速公路徐家沟大桥）；对其施工的跨和后一跨空心板桥进行了现场监控；完善了横张预应力混凝土空心板的实施细则；首次采用横张预应力混凝土箱型梁对既有钢筋混凝土梁桥进行拓宽加固改造，设计并指导实施了四川省荥经大桥的改造工程；创造性地构思和设计了横张预应力混凝土连续梁桥（重庆童家院子人行天桥），进一步拓展了横张预应力混凝土技术的应用范围；横张预应力混凝土的设计理论、施工工艺、配套设备及实施细则在上述工程实践中得到进一步发展和完善。

　　长期性能研究：自1999年3月开始对已建成的红槽房大桥进行长期性能监测，目前正与重庆大学联合研制桥梁性态的远程智能监测系统，已有的监测数据表明桥梁工作正常。

　　正式列人交通部1999年度公路建设标准编制计划的横张预应力混凝土桥梁设计规范的相关专题研究正在进行之中，其中，横张预应力混凝土梁的疲劳试验已完成：结果表明在设计荷载下不产生疲劳破坏；‘于1996年12月和1999年5月分别就“横张预应力混凝土梁工艺及性能试验研究”和“横张预应力混凝土技术在T型梁和箱型梁（板）桥中的应用研究”进行了鉴定，得到与会专家的高度评价，列入1998年交通部科技成果推广应用推荐项目，获得1999年度重庆市科技进步一等奖。

　　四、结语三大特点：改预留孔道为预留明槽（节省成孔和定位材料及工序，减小预应力损失）；改专用锚具锚固为粘结力自锚（节省锚具、局部加强钢筋和部分预应力筋）；改纵向张拉为横向张拉（仅需1/51/7的拉力即达同等效果，降低设备要求，提高工效）。

　　故横张预应力混凝土技术在其适用范围内具有明显的技术、经济和社会效益。

　　课题组经过近6年的研究工作，主要取得如下成果：提出一套预应力混凝土技术，开展了试验和理论研究，针对试点工程首次编制了：A、横张预应力混凝土梁设计计算方法，B、横张预应力混凝土梁施工技术要求，C、横张预应力混凝土梁质量检验条文；研制出一整套安全可靠、操作简易的横张设备及定位配件；提出了施工中保证钢束安装长度和伸直度，腹板中预留明槽的具体措施；明确了粘结锚固区、局部承压区和插销定位区的局部构造要求；设计并成功地建造了座横张预应力混凝土T型梁桥、空心板桥和箱型梁桥；设计了座人行横张预应力混凝土连续梁桥，创造性地提出：分区段采用无粘结束和有粘结束来适应该类桥梁的受力及施工特点；通过固定件达到实现逐跨横张和根据受力需要调节各跨钢束预应力的目的。

　　本课题组正着手进行交通部行业标准横张预应力混凝土桥梁设计规范的编制工作。

　　横张预应力混凝土作为一种新型的预应力技术经历了构思、研究到实际应用的过程，正向成熟化迈进，我们恳请各位同行们的批评指正，也衷心地欢迎对此有兴趣的同行们共同研究。