鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁收宿徐變控制技術(shù)探索

劉寶濤

【摘要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路發(fā)展越來(lái)越快，鐵路技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁收宿徐變控制技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。這就要求我們要不斷的創(chuàng)新和探索，本文主要對(duì)鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁收宿徐變控制技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

【關(guān)鍵字】鐵路；混凝土；徐變；

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路發(fā)展越來(lái)越快，鐵路技術(shù)也越來(lái)越先進(jìn)，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁收宿徐變控制技術(shù)在鐵路中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛

一、鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁概述

鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋指的是以預(yù)應(yīng)力混凝土作為上部結(jié)構(gòu)主要建筑材料的鐵路橋梁。預(yù)應(yīng)力混凝土橋出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代，50年代以來(lái)不斷取得巨大發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土橋主跨90米，在中、小跨度范圍內(nèi)現(xiàn)已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在大跨度范圍內(nèi)它正在同鋼橋展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)。它是主要承重結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的橋梁。其優(yōu)點(diǎn)是

（1）節(jié)省鋼材，降低橋梁的材料費(fèi)用；

（2）由于采用預(yù)施應(yīng)力工藝，能使混凝土結(jié)構(gòu)的工地接頭安全可靠，因而以往只適應(yīng)于鋼橋架設(shè)的各種不要支架的施工方法，現(xiàn)在也能用于這種混凝土橋，從而使其造價(jià)明顯降低；

（3）同鋼橋相比，其養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較省，行車噪聲小；

（4）同鋼筋混凝土橋相比，其自重和建筑高度較小，其耐久性則因采用高質(zhì)量的材料及消除了活載所致裂紋而大為改進(jìn)。

除此之外也有一些缺點(diǎn)，例如：自重要比鋼橋大，施工工藝有時(shí)比鋼橋復(fù)雜，工期較長(zhǎng)。但這些缺點(diǎn)屬次要問(wèn)題，且仍在不斷地克服。因此，在20世紀(jì)50年代以來(lái)所出現(xiàn)的一些新型橋梁中，它的適用范圍最廣，其發(fā)展方向是非常好的。

二、我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁的發(fā)展

我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土鐵路橋梁的發(fā)展大體上經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：

1、 第一階段，從1950到1956年，我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)展剛剛起步，1951年，鐵道部做出了跨度16米以及16米以下的橋梁應(yīng)采用普通鋼筋混凝土代替鋼梁結(jié)構(gòu)的重要決定，1954年鐵路部提出發(fā)展更大跨度的混凝土橋梁進(jìn)一步取代鋼梁結(jié)構(gòu)的要求。1955年順利完成了跨度為12米的預(yù)應(yīng)力混凝土試驗(yàn)橋梁的試制和研究工作。從1956年起，大力發(fā)展預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁建設(shè)階段。

2、 第二階段，從1956年到1965年，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁逐步取代32米以下的鋼梁。

3、 第三階段，1965年以后，進(jìn)入了預(yù)應(yīng)力混凝土梁的改進(jìn)與提高發(fā)展階段。在這個(gè)階段，預(yù)應(yīng)力混凝土的改進(jìn)與提高取得了巨大成果，具體表現(xiàn)如下：A、各種張力體系的擴(kuò)大使用并逐步向大隊(duì)過(guò)渡。B、材料品種的多樣化。C、打破了幾十年來(lái)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁跨度始終在32米以下停滯不前的局面。D、由簡(jiǎn)支梁擴(kuò)大到連續(xù)梁，而且還上升為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。E、截面形式的多樣化。F、無(wú)渣橋面預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的應(yīng)用。G、由分片式向縱向多片式、橫向分段式或整孔式的演變。H、直線配筋、折線配筋先張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)與推廣。

總之，近50年以來(lái)，我國(guó)中小跨度鐵路橋梁的發(fā)展取得的巨大成就，在我國(guó)鐵路建設(shè)中起到了重要作用。

預(yù)應(yīng)力混凝土梁的優(yōu)點(diǎn)：預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件可延緩混凝土構(gòu)件的開(kāi)裂，提高構(gòu)件的抗裂度和剛度，高強(qiáng)度鋼筋和高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用，可取的節(jié)約鋼筋、減輕構(gòu)件自重的效果，且承載力不變。

三、混凝土收縮徐變的定義

混凝土是以水泥為主要膠結(jié)材料，拌合一定比例的砂、石和水，有時(shí)還加入少量的添加劑，經(jīng)過(guò)攪拌、注模、振搗、養(yǎng)護(hù)等工序后，逐漸凝固硬化而成的人工混合材料。各組成材料的成分、性質(zhì)和相互比例，以及制備和硬化過(guò)程中各種條件和環(huán)境因素，都對(duì)混凝土的力學(xué)性能有不同程度的影響。所以，混凝土比其它單一性結(jié)構(gòu)材料（如鋼、木等）具有更為復(fù)雜多變的力學(xué)性能，但它卻是工程中最常用的建筑材料之一。 混凝土的收縮是指混凝土體內(nèi)水泥凝膠體中游離水蒸發(fā)而使本身體積縮小的一種物理化學(xué)現(xiàn)象，它是一種不依賴于荷載而與時(shí)間、氣候等因素有關(guān)的干燥變形。混凝土的收縮應(yīng)變值超過(guò)其軸心受拉峰值應(yīng)變（，tp）的 3～5 倍，成為其內(nèi)部微裂縫和外表宏觀裂縫發(fā)展的主要原因。混凝土的徐變是指在持續(xù)荷載作用下，混凝土結(jié)構(gòu)變形將隨時(shí)間增長(zhǎng)而不斷增加的現(xiàn)象。徐變?cè)诩虞d初期發(fā)展較快，而后逐漸減慢，其延續(xù)時(shí)間可達(dá)數(shù)十年?；炷两Y(jié)構(gòu)在受拉、受壓、受彎時(shí)都會(huì)產(chǎn)生徐變，并且最終趨于收斂的極限徐變變形一般要比瞬時(shí)彈性變形大 1～3 倍。因此，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中徐變是一個(gè)不可忽略的重要因素混凝土的收縮是指混凝土在硬化過(guò)程中所發(fā)生的體積變化。

四、混凝土收縮徐變對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響

總的來(lái)說(shuō)，收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）結(jié)構(gòu)在受壓區(qū)的徐變和收縮將引起變形的增加； （2）偏壓柱由于徐變使彎矩增加，增大了初始偏心，降低其承載能力； （3）預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件中，收縮和徐變導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失； （4）結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，如為組合截面，收縮和徐變引起截面應(yīng)力重分布； （5）超靜定結(jié)構(gòu)，引起內(nèi)力重分布； （6）收縮使較厚構(gòu)件的表面開(kāi)裂。

五、影響徐變收縮的因素

混凝土的徐變是在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的，而混凝土收縮的產(chǎn)生則與應(yīng)力無(wú)關(guān)。徐變、收縮雖各有自身的特點(diǎn)，但他們都可以與混凝土內(nèi)水化水泥漿的特性聯(lián)系起來(lái)?；瘜W(xué)成分截然不同的水泥制造的混凝土，所反映的徐變、收縮性能并沒(méi)有本質(zhì)上的差異，這說(shuō)明徐變、收縮的機(jī)理在于混凝土水化水泥漿的物理結(jié)構(gòu)，而不在于水泥的化學(xué)性質(zhì)。 關(guān)于混凝土收縮的原因及機(jī)理可歸納為：

（1）自發(fā)收縮：自發(fā)收縮是在沒(méi)有水分轉(zhuǎn)移下的收縮，是一種因水泥水化產(chǎn)生的固有收縮，其根本原因是由于水泥水化物的體積小于參與水化的水泥和水的體積。自發(fā)收縮對(duì)于普通混凝土而言，由于遠(yuǎn)小于干燥收縮對(duì)總縮量的影響，所以不予考慮，對(duì)于高強(qiáng)混凝土而言，由于具有較高的水泥含量，自生收縮對(duì)總縮量的影響較大，所以應(yīng)予考慮。例如：早期水泥水化所產(chǎn)生的自生收縮，應(yīng)予以考 慮；

（2）干燥收縮：干燥收縮的原因是混凝土內(nèi)部水分的散失，但是需要指出的是，干燥開(kāi)始時(shí)自由水的損失是不會(huì)引起混凝土的收縮的，干燥收縮的主要原因是吸附水的消失；

（3）碳化收縮：這是由混凝土中的水泥水化物與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的。 關(guān)于徐變的機(jī)理，美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)209委員會(huì)在1972年的報(bào)告中將其分為：（1）在應(yīng)力和吸附水層潤(rùn)滑的作用下，水泥膠凝體的滑動(dòng)或剪切產(chǎn)生的粘稠變形； （2）應(yīng)力作用下，由于吸附水的滲流或?qū)娱g水轉(zhuǎn)動(dòng)引起的緊縮； （3）水泥膠凝體對(duì)骨架彈性變形的約束作用所引起的滯后彈性應(yīng)變；

（4）局部發(fā)生微裂、結(jié)晶破壞及重新結(jié)晶與新的連結(jié)所產(chǎn)生的永久變形。 根據(jù)混凝土徐變收縮的機(jī)理及原因，影響混凝土徐變與收縮的因素主要包括構(gòu)件性質(zhì)（材料性質(zhì)、構(gòu)件幾何性質(zhì)、制造養(yǎng)護(hù)）、環(huán)境條件（溫度、濕度、環(huán)境介質(zhì)）和荷載條件（加載歷史和荷載性質(zhì)）

總之，混凝土收縮與徐變，是混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)重要內(nèi)容。徐變、收縮對(duì)混凝土橋梁的影響，時(shí)間跨度長(zhǎng)且與結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面組成方式，以及施工方法等因素有關(guān)。根據(jù)目前的試驗(yàn)與理論研究水平，估算的徐變與收縮一般有15%—20%的偏差。影響混凝土徐變、收縮的因素眾多，其機(jī)理在于混凝土水化水泥漿的物理結(jié)構(gòu)。徐變、收縮有許多相同的影響因素，但收縮與混凝土的外加應(yīng)力無(wú)關(guān)則區(qū)別于徐變。表達(dá)徐變、收縮隨時(shí)間發(fā)展的數(shù)學(xué)模型不是唯一的，并且會(huì)隨著研究的深入不斷改進(jìn)。