近年來，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題引起了國內(nèi)外土木工程界的廣泛關(guān)注。混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷、鋼筋不斷銹蝕等嚴(yán)重危及橋梁的使用安全。利用具有防腐保護(hù)措施的體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，是解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要途徑之一。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)于19世紀(jì)30年代開始應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)上，目前體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在國外應(yīng)用很廣。以法國和美國為代表修建了大量的體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，在提高橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案的競爭力方面收到了明顯的效果。
我國在20世紀(jì)60年代建成第一座體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋，當(dāng)時(shí)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)主要用于中小橋梁的加固工程。在大型橋梁的部分構(gòu)件(例如丹陽大橋系桿拱的加勁梁)采用了體外預(yù)應(yīng)力筋。2000年建成的吉林省牛欄子大橋，是哈爾濱工業(yè)大學(xué)與吉林省交通研究所合作設(shè)計(jì)的國內(nèi)第一座體外預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁試驗(yàn)橋。
隨著人們對混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題認(rèn)識的提高和體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步，體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁將在我國有較快的發(fā)展，由于應(yīng)用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的橋梁具有施工簡易、工程質(zhì)量高、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地廣泛采用。我國也將體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用于簡支箱梁、連續(xù)箱梁中，取得了不錯的效果。正如世界著名橋梁專家列翁哈特預(yù)言的那樣，可以不懷疑地說，外部預(yù)應(yīng)力技術(shù)將伴隨著高強(qiáng)度混凝土的發(fā)展，而成為技術(shù)上的必需品。更進(jìn)一步說，在21世紀(jì)，將開始把復(fù)合材料與外部預(yù)應(yīng)力結(jié)合起來，從而使土木工程從鋼筋銹蝕中解救出來。
1.工程簡介
鶴大公路雞西至牡丹江段是黑龍江省公路“OK”主骨架的一部分，是東部重要交通干線國道的一部分，是黑龍江省東部一條重要交通路線。路線全長164 km，按一級公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，不封閉，為便于聯(lián)系沿線主要城鎮(zhèn)，共設(shè)10條二、三級公路標(biāo)準(zhǔn)支線。牡丹江支線是鶴大公路的進(jìn)城通道，起點(diǎn)于牡丹江市東出口鐵嶺河大橋東橋頭中心線，終點(diǎn)于主線K340+758.63，全長2.3386 km。
2.鐵嶺河大橋
根據(jù)黑龍江省交通廳2001年重點(diǎn)科技項(xiàng)目計(jì)劃要求，在牡丹江支線應(yīng)用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)修建一座大橋。鐵嶺河大橋?qū)⒊蔀槲覈畲罂鐝襟w外預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁橋。牡丹江支線鐵嶺河大橋由哈爾濱建筑大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)。主梁內(nèi)采用結(jié)構(gòu)空間分析程序SAPQO計(jì)算，設(shè)計(jì)中考慮了多種荷載組合，包括恒載、預(yù)加力、活載、基礎(chǔ)沉降、溫度變化等。標(biāo)準(zhǔn)跨徑為25m+40m+25m，上部采用單箱單室箱梁。主梁呈拋物線形，跨中高度120 cm，中墩處220cm，施工采用滿堂紅支架現(xiàn)澆。鐵嶺河大橋地質(zhì)情況較好，河床7m以下基本為全風(fēng)化砂巖或強(qiáng)風(fēng)化砂巖。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為鉆孔灌注樁，下部采用采用肋板式臺，柱墩。該橋于2001年5月開工建設(shè)，目前已經(jīng)完成全部主體工程。
2.1 體外預(yù)應(yīng)力索
體外預(yù)應(yīng)力索有三種類型：全部體外預(yù)應(yīng)力，各跨預(yù)應(yīng)力鋼索連續(xù)；全部體外預(yù)應(yīng)力，各跨預(yù)應(yīng)力鋼索不連續(xù)；體外預(yù)應(yīng)力與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混合體系。牡丹江支線鐵嶺河大橋體外預(yù)應(yīng)力為第一種類型。其箱梁體外索設(shè)計(jì)為17標(biāo)準(zhǔn)型-15.24—1860—11—GB/TJ224—1995鋼絞線。7根為1股，每根外覆環(huán)氧樹脂涂膜0.15-0.20 mm，14股為一束用高密度聚乙烯管(HDPE)包裹，空隙中以黃油填充，防止腐蝕及氧化。該橋共設(shè)10根索，分為2組，每組5根，分設(shè)在兩側(cè)腹板附近。每根索長92 m，重1.6 t，給穿束帶來較大難度。在穿索過程中一定注意保護(hù)索盡量不要受損傷，影響PE層的防腐作用。在錨固端頭混凝土里面，將HDDE管剝落1458-1567 mm，沖洗凈黃油后，用3mm厚橡膠密封套筒與φ90(內(nèi)徑)t=2 mm鋼管相連，鋼管插入錨具喇叭管40mm，并與之周邊焊牢。
2.2 錨具
錨具采用OVM -15-14型張拉體系，張拉千斤為YCW350，油泵為ZB41500型。錨固端預(yù)埋稅0螺旋筋，直徑350mm，螺距60 mm，靠梁端220mm螺旋筋內(nèi)預(yù)埋喇叭管以用于張拉。體外預(yù)應(yīng)力索的錨固較一般體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索困難。體內(nèi)預(yù)應(yīng)力索錨固處預(yù)應(yīng)力進(jìn)入混凝土內(nèi)，而體外索預(yù)應(yīng)力與腹板平行，且偏心，產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力與正應(yīng)力。體外索的拉力全部由錨具傳遞至箱梁混凝土。
2.3 張拉
預(yù)應(yīng)力索為17標(biāo)準(zhǔn)型-15.24-1860-Ⅱ-GB/TJ224-1995低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度ψ=1860 MPa，預(yù)應(yīng)力鋼索的張拉力為N=2730 kN。由于所用千斤頂?shù)挠行谐虨?0cm，不能達(dá)到張拉應(yīng)力時(shí)的33.1 cm。為了實(shí)現(xiàn)雙控，采取中間預(yù)錨措施，即倒頂。重新在已經(jīng)張拉的伸長量基礎(chǔ)上，再張拉到設(shè)計(jì)噸位。根據(jù)計(jì)算，索的張拉程序?yàn)椋?br />
2.4 轉(zhuǎn)向肋的構(gòu)造及受力分析
鐵嶺河大橋體外索貫穿于整個橋長，全橋預(yù)應(yīng)力連續(xù)。箱梁不同截面其所受應(yīng)力值不同，跨中最大，支撐處如墩頂處其彎拉應(yīng)力為負(fù)值。為了發(fā)揮體外索的最大效率。使用轉(zhuǎn)向肋與轉(zhuǎn)向鋼管使體外索始終處于結(jié)構(gòu)受拉區(qū)。轉(zhuǎn)向肋是與梁體腹板同時(shí)澆筑的高標(biāo)號混凝土塊，在距中墩中心線兩側(cè)各10 m處開始，每隔5 m在左右腹板對稱連續(xù)設(shè)置3個轉(zhuǎn)向肋，與梁體同時(shí)現(xiàn)澆，注意布設(shè)加強(qiáng)鋼筋和預(yù)埋轉(zhuǎn)向鋼管。轉(zhuǎn)向肋的布設(shè)既實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力值在不同截面的轉(zhuǎn)換，又起到提高腹板強(qiáng)度，加強(qiáng)梁體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度的作用。
3 體外預(yù)應(yīng)力的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)
3.1 優(yōu)點(diǎn)
(1)在設(shè)計(jì)上預(yù)應(yīng)力索布置簡單，避免結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的復(fù)雜性?；炷馏w內(nèi)不設(shè)置或少設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，使普通鋼筋布置容易，因而使施工工藝簡化，提高工作效率，并提高工程質(zhì)量。
(2)箱梁腹板內(nèi)不設(shè)預(yù)應(yīng)力索管道，同時(shí)體外索預(yù)應(yīng)力又能抵抗腹板的剪力，因而腹板厚度可以減少，減少工程數(shù)量，降低工程造價(jià)。鋼索管道灌漿的事故減少或不發(fā)生問題，即使發(fā)生問題也容易解決。
(3)在橋梁使用期間，可以經(jīng)常使用x射線或其他技術(shù)監(jiān)測鋼索的應(yīng)力狀態(tài)和混凝土截面的受力情況。
(4)利用換索方案橋梁，可以延長2O一3O年，同時(shí)可以提高橋梁的承載能力，延長橋梁使用壽命。
3.2 缺點(diǎn)
(1)對于梁體任意部位的變形、腐蝕等使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低的變化，其受力會集中于強(qiáng)度薄弱面或點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)易于受災(zāi)禍破壞和火災(zāi)的傷害。
(2)無粘結(jié)無束縛的體外預(yù)應(yīng)力索對抵抗破壞荷載和保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的能力減弱。
4.動靜荷載試驗(yàn)
橋梁施工完成后，為驗(yàn)證體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的實(shí)際理論與實(shí)際受力和變形是否一致，哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院專家對鐵嶺河體外預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行了動、靜載試驗(yàn)，檢驗(yàn)成橋后主橋結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，全部活載作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)是否符合設(shè)計(jì)要求。測試內(nèi)容包括：
(1)混凝土應(yīng)變：活載作用下，主梁控制斷面上混凝土的縱向應(yīng)力。
(2)主梁變形：活載作用下，主橋控制斷面的豎向撓度。
(3)索應(yīng)力增量：活載作用下，各體外索的應(yīng)力增量及分布情況。
通過試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)橋各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)與設(shè)計(jì)理論數(shù)據(jù)基本吻合，實(shí)測中跨跨中最大撓度13.79 mm，小于《規(guī)范》規(guī)定容許值L/600=40000/600=66.67mm。各種車輛在不同車速下激振頻率大約為3.4-4.2 Hz左右，平均值為3.94Hz，大于結(jié)構(gòu)自振頻率2.657 Hz，結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生臨界共振現(xiàn)象。
