高效混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用

侯申利

【摘 要】 本文討論了高效混凝土的一般概念及其特點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀。最后從結(jié)構(gòu)和造價(jià)的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，討論了使用高效混凝土的限制條件以及如何使高效混凝土更有效地用于橋梁結(jié)構(gòu)的一些方法。

【關(guān)鍵詞】 高效混凝土 應(yīng)用與發(fā)展 橋梁工程

一、高效混凝土

高效混凝土（HPC）是具有高質(zhì)量和高耐久性的混凝土，具有四個(gè)方面的特征，即①高強(qiáng)度。15mm立方體標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值高于60MPa；②高耐久性。密實(shí)性好、抗?jié)B性好、抗碳化能力強(qiáng)、抗腐蝕能力高，使用年限大于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期；③高體積穩(wěn)定性。較小的混凝土徐變變形和收縮變形；④高工藝性。綜合而言，高性能混凝土即是能更好地滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)功能要求和施工工藝要求的混凝土，使混凝土結(jié)構(gòu)能提高使用年限，降低工程成本的混凝土。

二、高效混凝土應(yīng)用及發(fā)展

多年來(lái)，在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁領(lǐng)域一直采用40～50MPa的混凝土，然而實(shí)踐中常常出現(xiàn)28d實(shí)際強(qiáng)度超過(guò)50MPa的情況。由于高效混凝土具有更高的強(qiáng)度、更高的彈性模量、更高的抗拉強(qiáng)度、較小的徐變和更好的耐久性，高強(qiáng)混凝土梁較之普通混凝土梁具有較小的初始撓度熱高的允許抗拉強(qiáng)度激小的預(yù)應(yīng)力損失激小的上拱度變化和更長(zhǎng)的使用壽命，最近幾年，世界各國(guó)對(duì)高效混凝土產(chǎn)生較大興趣并開(kāi)始應(yīng)用于橋梁實(shí)踐。

國(guó)際范圍內(nèi)高效混凝土在橋梁上的應(yīng)用近十年時(shí)間，典型工程實(shí)例為挪威跨徑220m的BΦdo連續(xù)剛構(gòu)橋以及丹麥大帶橋，索塔、預(yù)應(yīng)力主梁和預(yù)應(yīng)力隧道節(jié)段均采用強(qiáng)度50～60N/平方毫米高強(qiáng)混凝土；在加拿大已有100余座橋梁采用了高效混凝土，如連接愛(ài)德華王子島和新布蘭斯威克長(zhǎng)達(dá)8英里的 Northumberland Strait Crossing橋采用 55N/平方毫米的高強(qiáng)度混凝土，主跨達(dá)250m。

1993年美國(guó)高速公路管理局開(kāi)始高效預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的研究工作。德克薩斯SanAngelo橋是此研究工程項(xiàng)目之一。此橋的特殊之處是東西兩側(cè)分別采用強(qiáng)度為70～100N/平方毫米高效混凝土梁和強(qiáng)度為35～40N/平方毫米常規(guī)混凝土梁，以便對(duì)不同混凝土進(jìn)行造價(jià)比較。經(jīng)比較，對(duì)于常規(guī)混凝土跨徑37m的梁，當(dāng)采用高效混凝土?xí)r跨徑可達(dá)44m。

由于高效混凝土具有較高的強(qiáng)度，由引可加大跨徑或當(dāng)跨徑不變時(shí)可采用較小的梁高。此外，高效混凝土抗?jié)B能力較強(qiáng)，因而氯化物的滲入可減少一半，從而提高結(jié)構(gòu)的耐久性。在橋梁結(jié)構(gòu)中采用高效混凝土，效果十分明顯。

美聯(lián)邦公路管理局（FHWA）對(duì)常用的預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)費(fèi)用戶(hù)改益分析，提出T梁作為預(yù)應(yīng)力梁國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用。

第一部分針對(duì)跨徑小于27.4m的梁。此類(lèi)梁的控制條件為預(yù)加應(yīng)力階段的初始預(yù)應(yīng)力。由于預(yù)加應(yīng)力階段的恒載長(zhǎng)久起作用，對(duì)于所述跨徑采用高膽混凝土無(wú)實(shí)際意義。第二部分針對(duì)跨徑27.4～30.5m，混凝土強(qiáng)度41～55MPa和跨徑27.4～33.5m，混凝土強(qiáng)度≥55MPa的情況。由于采用高強(qiáng)混凝土，梁距可以加大。在此范圍存在著梁距加大帶來(lái)的節(jié)約及由此引起單位橋面費(fèi)用增加的平衡點(diǎn)。第三部分則是針對(duì)跨徑大于30.5m，混凝土強(qiáng)度在41～55MPa和跨徑大于33.5m，混凝土強(qiáng)度大于55MPa的情況。這個(gè)范圍代表了所分析斷面高強(qiáng)混凝土的最優(yōu)效益。

①隨著梁混凝土強(qiáng)度的遞增，最優(yōu)造價(jià)曲線(xiàn)右移。這意味著在單位造價(jià)不增加的情況下，梁的跨徑增大了；②梁混凝土強(qiáng)度超過(guò) 69MPa效益減小心高強(qiáng)混凝土用于較小跨徑時(shí)無(wú)明顯效益。

目前，高效混凝土又有新的發(fā)展。強(qiáng)度120N/平方毫米的混凝土用于一座人行橋，它不需機(jī)械震搗。在加拿大，采用強(qiáng)度200N/平方毫米的纖維加強(qiáng)混凝土修建了一座人行天橋。

在我國(guó)，近五年來(lái)，高效混凝土（≥C60級(jí)）在橋梁工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。長(zhǎng)江、黃河上的一些公路橋梁均成功地采用了60號(hào)混凝土。關(guān)于高效混凝土的科研工作已取得了喜人的成就。如河南焦作市公路局和海威工程咨詢(xún)有限公司對(duì)采用高效預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究。

采用高性能混凝土空心板較普通PC空心板可節(jié)省混凝土 35%以上，可節(jié)省鋼鉸線(xiàn)15%以上，在16～30m跨徑范圍內(nèi)，材料費(fèi)用節(jié)省20%。因此對(duì)于公路橋梁工程中大量使用的空心板采用高性能混凝土井進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其經(jīng)濟(jì)效益十分可觀(guān)。

三、限制條件

為了發(fā)揮高效混凝土的作用，需要設(shè)置較強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力。因此必須選擇高強(qiáng)低松馳鋼絞線(xiàn)。采用2070MPa（300級(jí)）的鋼絞線(xiàn)比采用1860MPa（270 級(jí)）鋼絞線(xiàn)效益更高。

截面尺寸主要是底翼緣（馬蹄）的尺寸選擇，增加下翼緣的尺寸可以容納更多的鋼束，因此引起混凝土體積及相應(yīng)重量的增加，但當(dāng)混凝土強(qiáng)度超過(guò)55MPa時(shí)才會(huì)體現(xiàn)出較佳的費(fèi)用效益比。

鋼絞線(xiàn)規(guī)格、間距及其強(qiáng)度對(duì)高強(qiáng)混凝土的效益均有一定影響。一般而言，采用較大鋼絞線(xiàn)直徑（15.2mm）較小鋼束間距時(shí)效益較明顯。

限于運(yùn)輸條件，當(dāng)梁跨徑較大時(shí)會(huì)引起費(fèi)用的增加。

四、結(jié)論與建議

（1）采用高效混凝土梁板斷面高度可以降低，從而較少工程投資，這對(duì)于新建和重建橋梁均具有重要意義。

（2）采用高效混凝土，因材料數(shù)量減少，對(duì)保護(hù)自然資源、減少環(huán)境污染、保護(hù)環(huán)境十分有益。

（3）在不久的將來(lái)，應(yīng)集中應(yīng)用強(qiáng)度達(dá)60MPa的混凝土。對(duì)現(xiàn)有采用270級(jí)直徑12.7mm凈距和保護(hù)層均為50mm的鋼鉸絞線(xiàn)斷面，采用70MP4的混凝土?xí)r可以加大梁板跨徑，結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)。至少各公路部門(mén)對(duì)較大跨徑的梁應(yīng)采用50MPa的抗壓強(qiáng)度。事實(shí)上許多預(yù)制梁已經(jīng)達(dá)到此水平。

（4）在成功應(yīng)用強(qiáng)度大于70MPa混凝土之前，就開(kāi)展梁的傳力長(zhǎng)度、撓度、橫向穩(wěn)定性和動(dòng)力特性、預(yù)應(yīng)力損失、梁的抗剪強(qiáng)度、設(shè)計(jì)壽命以及橋面系研究。