周俊

（三門峽市照平建材有限責(zé)任公司，河南 三門峽 427000）

0 引言

體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)屬于后張法無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)大類中的小類，是使用預(yù)應(yīng)力束在混凝土截面處進行作用，對混凝土結(jié)構(gòu)施加縱向的預(yù)應(yīng)力的一種結(jié)構(gòu)體系。橋梁工程是將體外預(yù)應(yīng)力應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的混凝土和體外預(yù)應(yīng)力筋是一種相互分離的狀態(tài)，施工過程簡單，澆筑混凝土的工序簡易，同時可以提高混凝土的力學(xué)強度及耐久性。因此體外預(yù)應(yīng)力能有效對現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)進行加固及修復(fù)。當(dāng)下體外預(yù)應(yīng)力已大規(guī)模應(yīng)用在高性能要求構(gòu)件及建筑承重結(jié)構(gòu)的配制、維護及加固領(lǐng)域。結(jié)合橋梁工程施工的傳統(tǒng)工藝，發(fā)展出了更多適應(yīng)性強和針對性強的創(chuàng)新性的橋梁施工工藝，例如體外預(yù)應(yīng)力逐孔施工法、懸臂施工法以及頂推施工法等。在這些技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上建設(shè)了眾多知名橋梁，例如 Little 橋、Long Key 橋、Seven Mile橋、Bubian 橋以及 Chinan 橋等。

1 國內(nèi)外研究進展

1.1 國外研究進展

美國工程師 Eu-gene Freyssinet 首次提出了體外預(yù)應(yīng)力的概念，并成功實現(xiàn)了體外預(yù)應(yīng)力埋入式的首次應(yīng)用。第一個體外無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力技術(shù)的專利由德國工程師Franz Dischinger[1]于 1934 年申請并獲得，三年后便設(shè)計出了世界上第一座預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁——Aue 橋。體外預(yù)應(yīng)力的發(fā)展在上世界五六十年代停滯了，于 1980年后開始迅猛發(fā)展[1]。

1989 年，Muller. 和 Gauthiner. Y[2]編寫了通過有限元分析方法對體外預(yù)應(yīng)力部分箱梁受力分布的電子計算機代碼程序，可用于計算和預(yù)測連續(xù)梁及簡支梁從單個結(jié)點開裂至極限載荷狀態(tài)的整個彎矩—曲率關(guān)系，設(shè)置的默認條件是認為體內(nèi)體外的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁的受力性能在本質(zhì)上是相同的。

1993 年，Mohamed H. Haraajli[3]開展了梁疲勞試驗，施加循環(huán)載荷于混凝土梁上直至失效，然后施加體外預(yù)應(yīng)力，單調(diào)增加荷載直至破壞。混凝土梁的疲勞試驗結(jié)果表明體外預(yù)應(yīng)力能強化梁的抗彎強度和疲勞壽命等。

2002 年，Angel C. Aparicio 等[4]利用計算機模型對體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進行模擬分析，計算機模型分析可將簡支、連續(xù)、整體或節(jié)斷式體外在不同條件下荷載的實際預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)力值進行計算模擬。

1.2 國內(nèi)研究進展

我國在體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁領(lǐng)域的研究起步相較晚，主要的研究開始于 20 世紀 80 年代后期，與國外存在一定的差距。1985 年，張曉漪[5]等通過研究截面和體外預(yù)應(yīng)力等因素對 17 根體外預(yù)應(yīng)力混凝土加固梁的 T形截面工作效果，明確了構(gòu)件施加的荷載在不同應(yīng)力階段下無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土的設(shè)計參照規(guī)則，并進一步設(shè)計了過程中所需要的計算形式。2004 年，同濟大學(xué)徐棟等[6]設(shè)計了以條帶法和分層模型為依據(jù)的有限元非線性模擬分析程序，可對體外預(yù)應(yīng)力梁在整個荷載的不同階段反應(yīng)做模擬分析。

2 體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的力學(xué)研究

2.1 極限承載力的研究

如今在計算體外預(yù)應(yīng)力的極限承載力的研究方面是當(dāng)前的一個薄弱環(huán)節(jié)，國內(nèi)外的研究主要集中在攻克梁的正截面承載力計算問題，對斜截面的承載力計算欠缺。

目前我國的科研工作者通過不同的計算方法，研究二次效應(yīng)對梁體外預(yù)應(yīng)力極限承載的影響，主要的方法有彎矩—曲率法、塑性鉸區(qū)長度法、通過試驗結(jié)果對構(gòu)件內(nèi)是否有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力方程進行的修正系數(shù)法及計算數(shù)字模型的非線性有限元方法。

我國的體外預(yù)應(yīng)力的極限承載力計算起步晚，1993年，牛斌[7]從混凝土塑性鉸區(qū)理論開始研究，并通過試驗進行研究，在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上得到了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的極限應(yīng)力彎矩、撓度和計算體外預(yù)應(yīng)力筋增量的方法。

2.2 動力問題的研究

（1）動力特性的研究

體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在靜力特性領(lǐng)域的研究已有很多成果，在動力特性領(lǐng)域的研究很少，而動力學(xué)特性由體外筋加固后的彎曲和振動所產(chǎn)生。Miyamoto 等[8]在加固梁的振動熱研究中，重點對體外預(yù)應(yīng)力加固組合的受彎特性進行動力特性研究。國內(nèi)研究人員也可以盡快開展此方面的課題。

（2）疲勞性能的研究

建筑物在服役過程中常會受到往復(fù)荷載，從而造成結(jié)構(gòu)的疲勞形變，這屬于動力學(xué)問題研究的一個方面，國外有一些科研人員在做一些研究，開展的試驗規(guī)模小，我國在此方面還沒有相關(guān)報導(dǎo)。

在往復(fù)疲勞載荷下，混凝土受壓區(qū)域發(fā)生循環(huán)蠕動，這會使混凝土構(gòu)件在結(jié)構(gòu)高度上的應(yīng)力發(fā)生重分配，導(dǎo)致受力的鋼筋應(yīng)變變大?；炷潦軌簠^(qū)小，循環(huán)蠕變的應(yīng)力增量在鋼絞線的增量比在低碳鋼上更明顯。結(jié)果表明混凝土的受彎鋼筋壽命能夠決定受彎構(gòu)件的壽命。

2.3 錨具系統(tǒng)及預(yù)應(yīng)力損失的研究

（1）錨具系統(tǒng)的研究

錨具系統(tǒng)的研究在預(yù)應(yīng)力研究體系中占有重要的地位，錨具系統(tǒng)在由德國頒布的《體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋準則》中做出了相應(yīng)的解釋和規(guī)定。由文獻 [9]中所用的有限元分析方法，能夠發(fā)現(xiàn)在錨具系統(tǒng)中的摩擦系數(shù)影響單孔錨具的彈塑性，試驗結(jié)果表明摩擦系數(shù)越大時，應(yīng)力、應(yīng)變、變形和塑性區(qū)面積會隨之減小。

錨具系統(tǒng)的體外預(yù)應(yīng)力研究還有待更多的試驗數(shù)據(jù)對其進行補充完善數(shù)據(jù)體系，才能建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型進行預(yù)測分析，從而建立用于體外預(yù)應(yīng)力的錨具系統(tǒng)，降低體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟成本。

（2）預(yù)應(yīng)力損失的研究

預(yù)應(yīng)力損失在短期、長期過程中的變化是設(shè)計預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)時所要重視的一個重要因素。目前國內(nèi)在先張法及后張法內(nèi)無粘結(jié)構(gòu)件的損失研究有了大量的理論基礎(chǔ)，許多研究成果有對各個環(huán)節(jié)的對應(yīng)的計算機數(shù)值公式模型，可根據(jù)實際情況相應(yīng)調(diào)控預(yù)應(yīng)力損失值。在計算體外預(yù)應(yīng)力的研究中，現(xiàn)在主要是基于體內(nèi)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力損失方法進行。

王彤等[10]對體外預(yù)應(yīng)力自身特點開展了相關(guān)研究，構(gòu)建計算機模型分析了同時具有兩個轉(zhuǎn)向塊的體外預(yù)應(yīng)力簡支梁。研究過程中將體外預(yù)應(yīng)力簡支梁設(shè)為柔性拉桿的一次內(nèi)部超靜定體系，研究結(jié)果表明體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力損失過程變化中能用數(shù)學(xué)公式進行計算。但由于該試驗是針對簡單的簡支梁進行模擬計算，并且模型中所引入的因素較少，因此在對試驗進行理論分析時，建立體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)建的總體全過程預(yù)應(yīng)力損失的公式模型是非常重要的。

3 體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁尚待解決的問題

（1）混凝土耐久性及預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕問題。

混凝土梁存在許多病害現(xiàn)象，國外出現(xiàn)過后張法制預(yù)應(yīng)力混凝土梁無征兆性崩塌的案例，這如今已成為全球各國關(guān)心的問題，我們國內(nèi)也要著重解決混凝土耐久性以及混凝土中鋼筋耐腐蝕性的問題。

（2）建材的性能及某些結(jié)構(gòu)的受力問題。

幾何非線性、材料非線性及制動力分配在多跨連續(xù)梁中影響大跨徑混凝土梁的預(yù)應(yīng)力應(yīng)變、混凝土收縮及徐變，導(dǎo)致引力的重新分配、V 撐墩梁連接部位等的研究還需要進一步深層次的分析和數(shù)據(jù)完善。

（3）抗風(fēng)、抗振設(shè)計及塔索的防銹問題。

目前抗風(fēng)性能的評測主要是通過風(fēng)動試驗進行研究，設(shè)定的風(fēng)力參數(shù)與實際參數(shù)會存在一定的偏差，所得結(jié)果也僅作為實際應(yīng)用的參考；斜拉橋的不同部位如塔、索、梁對本身的抗震性能有不同的要求，且對斜拉橋的抗震分析還未完全研究清楚，斜索的防銹問題也長期困擾著工程應(yīng)用。

4 結(jié)語

通過對國內(nèi)外預(yù)應(yīng)力混凝土研究進展情況的綜述分析可知：

（1）國內(nèi)外對體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁極限承載力已經(jīng)開展了許多的研究，我國體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎性能的研究成果較多，但在分析體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的短期剛度、裂縫、撓度方面還是缺少研究成果。

（2）近三十年，我國體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁在工程建設(shè)中漸漸拓廣應(yīng)用范圍，在體外有無粘結(jié)應(yīng)力的領(lǐng)域研究相對較少。隨著我國的不斷發(fā)展，越來越多舊建筑需要進行加固，此方面的研究成果不能滿足當(dāng)下通過體外預(yù)應(yīng)力加固的技術(shù)需求。在以后的研究中，應(yīng)關(guān)注體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁整體過程的變量，需要進一步深入探索體外預(yù)應(yīng)力體系的工作性，在承載力、長短期剛度和應(yīng)力損失等方面定出簡單適用且規(guī)范統(tǒng)一的計算公式。