高效混凝土在桥梁工程中的应用

一、高效混凝土
高效混凝土（HPC）是具有高质量和高耐久性的混凝土，具有四个方面的特征，即①高强度。15mm立方体标准强度值高于60MPa；②高耐久性。密实性好、抗渗性好、抗碳化能力强、抗腐蚀能力高，使用年限大于设计基准期；②高体积稳定性。较小的混凝土徐变变形和收缩变形；③高工艺性。综合而言，高性能混凝土即是能更好地满足结构功能要求和施工工艺要求的混凝土，使混凝土结构能提高使用年限，降低工程成本的混凝土。

二、高效混凝土应用及发展
多年来，在预应力混凝土桥梁领域一直采用40～50MPa的混凝土，然而实践中常常出现28d实际强度超过50MPa的情况。由于高效混凝土具有更高的强度、更高的弹性模量、更高的抗拉强度、较小的徐变和更好的耐久性，高强混凝土梁较之普通混凝土梁具有较小的初始挠度热高的允许抗拉强度激小的预应力损失激小的上拱度变化和更长的使用寿命，最近几年，世界各国对高效混凝土产生较大兴趣并开始应用于桥梁实践。
国际范围内高效混凝土在桥梁上的应用近十年时间，典型工程实例为挪威跨径220m的BΦdo连续刚构桥以及丹麦大带桥，索塔、预应力主梁和预应力隧道节段均采用强度50～60N／平方毫米高强混凝土；在加拿大已有100余座桥梁采用了高效混凝土，如连接爱德华王子岛和新布兰斯威克长达8英里的 Northumberland Strait Crossing桥采用 55N／平方毫米的高强度混凝土，主跨达250m。
1993年美国高速公路管理局开始高效预应力混凝土桥梁的研究工作。德克萨斯SanAngelo桥是此研究工程项目之一。此桥的特殊之处是东西两侧分别采用强度为70～100N／平方毫米高效混凝土梁（图1）和强度为35～40N／平方毫米常规混凝土梁，以便对不同混凝土进行造价比较。经比较，对于常规混凝土跨径37m的梁，当采用高效混凝土时跨径可达44m。

由于高效混凝土具有较高的强度，由引可加大跨径或当跨径不变时可采用较小的梁高。此外，高效混凝土抗渗能力较强，因而氯化物的渗入可减少一半，从而提高结构的耐久性。在桥梁结构中采用高效混凝土，效果十分明显。
美联邦公路管理局（FHWA）对常用的预应力混凝土梁进行优化设计。经费用户改益分析（图3），提出图2所示的T梁作为预应力梁国家标准采用。

对于图3所示的曲线分三部分讨论。第一部分针对跨径小于27.4m的梁。此类梁的控制条件为预加应力阶段的初始预应力。由于预加应力阶段的恒载长久起作用，对于所述跨径采用高胆混凝土无实际意义。第二部分针对跨径27.4～30.5m，混凝土强度41～55MPa和跨径27.4～33.5m，混凝土强度≥55MPa的情况。由于采用高强混凝土，梁距可以加大。在此范围存在着梁距加大带来的节约及由此引起单位桥面费用增加的平衡点。第三部分则是针对跨径大于30.5m，混凝土强度在41～55MPa和跨径大于33.5m，混凝土强度大于55MPa的情况。这个范围代表了所分析断面高强混凝土的最优效益。
图3还反映出：①随着梁混凝土强度的递增，最优造价曲线右移。这意味着在单位造价不增加的情况下，梁的跨径增大了；②梁混凝土强度超过 69MPa效益减小心高强混凝土用于较小跨径时无明显效益。
目前，高效混凝土又有新的发展。强度120N／平方毫米的混凝土用于一座人行桥，它不需机械震捣。在加拿大，采用强度200N/平方毫米的纤维加强混凝土修建了一座人行天桥。

在我国，近五年来，高效混凝土（≥C60级）在桥梁工程中得到越来越广泛的应用。长江、黄河上的一些公路桥梁均成功地采用了60号混凝土。关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询有限公司对采用高效预应力高强混凝土在桥梁工程中的应用进行了较为深入的研究。
由表1可以看出，采用高性能混凝土空心板较普通PC空心板可节省混凝土 35％以上，可节省钢铰线15％以上，在16～30m跨径范围内，材料费用节省20％。因此对于公路桥梁工程中大量使用的空心板采用高性能混凝土井进行优化设计，其经济效益十分可观。


三、限制条件
为了发挥高效混凝土的作用，需要设置较强的预应力。因此必须选择高强低松驰钢绞线。采用2070MPa（300级）的钢绞线比采用1860MPa（270 级）钢绞线效益更高。
截面尺寸主要是底翼缘（马蹄）的尺寸选择，增加下翼缘的尺寸可以容纳更多的钢束，因此引起混凝土体积及相应重量的增加，但当混凝土强度超过55MPa时才会体现出较佳的费用效益比。
钢绞线规格、间距及其强度对高强混凝土的效益均有一定影响。一般而言，采用较大钢绞线直径（15.2mm）较小钢束间距时效益较明显。
限于运输条件，当梁跨径较大时会引起费用的增加。

四、结论与建议
（1）采用高效混凝土梁板断面高度可以降低，从而较少工程投资，这对于新建和重建桥梁均具有重要意义。
（2）采用高效混凝土，因材料数量减少，对保护自然资源、减少环境污染、保护环境十分有益。
（3）在不久的将来，应集中应用强度达60MPa的混凝土。对现有采用270级直径12.7mm净距和保护层均为50mm的钢铰绞线断面，采用70MP4的混凝土时可以加大梁板跨径，结构更为经济。至少各公路部门对较大跨径的梁应采用50MPa的抗压强度。事实上许多预制梁已经达到此水平。
（4）在成功应用强度大于70MPa混凝土之前，就开展梁的传力长度、挠度、横向稳定性和动力特性、预应力损失、梁的抗剪强度、设计寿命以及桥面系研究。

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