體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用潛力
【摘 要】本文簡(jiǎn)述了體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展歷史，介紹了其自身的優(yōu)勢(shì)，并詳細(xì)論述了體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用案例，展望我國體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)；起源與發(fā)展；優(yōu)勢(shì)；潛力
體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)，是相對(duì)于傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力筋布置在截面內(nèi)而言的，它是指預(yù)應(yīng)力筋布置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面之外的預(yù)應(yīng)力技術(shù)，屬于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力的一種，能提高結(jié)構(gòu)承載能力，提高剛度，降低撓度。該技術(shù)被認(rèn)為是現(xiàn)存結(jié)構(gòu)加固和重建最有利的技術(shù)之一。目前，它已廣泛應(yīng)用于建筑工程結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)的新建、加固和維護(hù)之中。
1. 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的起源與發(fā)展?fàn)顩r
1.1 起源與發(fā)展。近些年來，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)在歐洲一些國家及美國、日本等國得以蓬勃發(fā)展，特別是在橋梁方面，許多體外預(yù)應(yīng)力橋梁相繼出現(xiàn)。與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)出來，因而也引起人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。然而，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)并不是新近出現(xiàn)的，它伴隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的產(chǎn)生而出現(xiàn)，其應(yīng)用要早于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力技術(shù)。體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)首次登上歷史舞臺(tái)是在1934年，用于加固勒阿弗爾港的人行碼頭。然而，體外預(yù)應(yīng)力的推廣之路并不順利。由于存在體外束的防腐問題，工程事故頻發(fā)，在20世紀(jì)40年代至60年代期間，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)遭到業(yè)內(nèi)排斥，當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)人士均認(rèn)為應(yīng)盡可能少地使用體外預(yù)應(yīng)力。至此，體外預(yù)應(yīng)力的發(fā)展幾乎停滯了。直到20世紀(jì)70年代，一些體內(nèi)預(yù)應(yīng)力橋梁因?yàn)槌跏碱A(yù)應(yīng)力不足、超靜定徐變影響和溫度影響被忽視以及對(duì)摩阻預(yù)應(yīng)力損失和預(yù)應(yīng)力筋的松馳估計(jì)不足等原因出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫， 不得不進(jìn)行加固， 而加固的方法只能是采用體外預(yù)應(yīng)力索，即在現(xiàn)有橋梁上布設(shè)體外索。人們因此對(duì)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)有了新的認(rèn)識(shí)。與此同時(shí)，預(yù)應(yīng)力索的防腐問題也得到有效解決，影響預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展的最大障礙得以掃除。
1.2 體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的經(jīng)典案例。嘉興南湖革命紀(jì)念館新館因主樓的1層使用功能改變需進(jìn)行加固，在次案例中，考慮到地下空間的使用要求、施工影響范圍、造價(jià)等一系列因素，體外預(yù)應(yīng)力加固法成了此次加固的首選方案。體外預(yù)應(yīng)力是一種主動(dòng)的加固方法，能夠有效改善結(jié)構(gòu)受力性能，從而提高結(jié)構(gòu)剛度和極限承載力。本工程部分梁體外預(yù)應(yīng)力筋采用s15.2高強(qiáng)度低松弛有粘結(jié)鋼絞線，體外預(yù)應(yīng)力筋布置成折線型，均勻?qū)ΨQ地布置在梁的兩側(cè)，預(yù)應(yīng)力鋼絞線為一端固定，另一端張拉，張拉控制應(yīng)力：
σcon = 0.7fptk
體外預(yù)應(yīng)力加固施工工藝流程： 施工準(zhǔn)備→鋼配件的制作與安裝→鋼絞線的制作與安裝→鋼絞線張拉與錨固→切割多余的外露鋼絞線→鋼絞線及鋼配件防銹處理。其中，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)的主次梁均施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，應(yīng)先張拉次梁，后張拉主梁，梁中預(yù)應(yīng)力筋的張拉應(yīng)左右對(duì)稱進(jìn)行。鋼絞線張拉過程則是先根據(jù)鋼絞線束中的鋼絞線根數(shù)選擇并裝上錨板，并在每根鋼絞線周圍裝上夾片，接著安裝上經(jīng)標(biāo)定的千斤頂，張拉到0.1σcon值并保持這個(gè)壓力值，直至記下伸長量，然后千斤頂回油并重新就位，繼續(xù)張拉并把千斤頂?shù)膲毫υ黾拥?.7fptk，記下伸長量，之后鎖好夾片，千斤頂回油并拿出，開始下一根鋼絞線的張拉。該加固工程于2010年8月交付使用后，經(jīng)檢查，未發(fā)現(xiàn)體外預(yù)應(yīng)力加固的鋼筋混凝土大梁出現(xiàn)裂縫和其它異常情況，使用狀況良好。
2. 與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
2.1 從構(gòu)造角度來看，體外預(yù)應(yīng)力筋安裝在混凝土結(jié)構(gòu)體外，無須留孔與灌漿，預(yù)應(yīng)力筋可根據(jù)實(shí)際工程情況選用多種線形布置，預(yù)應(yīng)力筋僅在錨固與轉(zhuǎn)向處與混凝土結(jié)構(gòu)有協(xié)調(diào)變形關(guān)系。
2.2 從施工角度來看，體外預(yù)應(yīng)力構(gòu)件在預(yù)制廠里預(yù)制，精度容易控制，鋼束布置在外，不需要預(yù)留預(yù)應(yīng)力管道，因此構(gòu)件尺寸可以適當(dāng)減小，減輕了自重，這樣一來，不僅簡(jiǎn)化了施工工藝，而且因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋跟混凝土分離，提高了混凝土的施工整體質(zhì)量和耐久性。
2.3 從受力性能的角度來看，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)因鋼束變形發(fā)生在錨固點(diǎn)或轉(zhuǎn)向處，承載力是均勻分布的，而且預(yù)應(yīng)力損失較小，不會(huì)因?yàn)轭A(yù)留孔的存在而降低承壓能力。體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在正常使用極限狀態(tài)下， 結(jié)構(gòu)受力的最不利位置仍有一定數(shù)量的壓應(yīng)力儲(chǔ)備。結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)， 變形很小， 隨著荷載的增加到承載能力極限狀態(tài)時(shí)， 其力學(xué)性能將不同于體內(nèi)預(yù)應(yīng)力， 其鋼束應(yīng)力不會(huì)達(dá)到屈服而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能力的削弱。
2.4 從后期維護(hù)的角度來看，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的鋼束易于檢測(cè)與維護(hù)，可修、可查、可換。
3. 新時(shí)期體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)使用的潛力
體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展到今天， 已經(jīng)不僅僅作為一種加固措施， 而是作為新建結(jié)構(gòu)時(shí)一種可供選擇且具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的方案。
3.1 新時(shí)期科技快速發(fā)展給體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)展帶來的機(jī)遇。
3.1.1 材料發(fā)展。隨著預(yù)應(yīng)力砼（PC) 技術(shù)的不斷發(fā)展， 高質(zhì)量鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼材和高強(qiáng)、高性能砼的發(fā)展， 逐漸運(yùn)用到大跨PC 橋梁建設(shè)中。目前，我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中常用的混凝土強(qiáng)度從C40到C60，有的甚至在C80以上。高強(qiáng)度、高性 能混凝土具有耐久性好、超和易性、低水化熱、早高強(qiáng)等特點(diǎn)，其顯著的優(yōu)越性已逐漸引起各國的重視。
3.1.2 張拉技術(shù)以及設(shè)備發(fā)展。 在預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，張拉質(zhì)量是施工中最重要的一環(huán)。預(yù)應(yīng)力張拉施工比較多的是采用油泵驅(qū)動(dòng)千斤頂進(jìn)行張拉、壓力表讀數(shù)控制張拉力、人工測(cè)量控制張拉伸長值的施工工藝。然而，數(shù)控張拉技術(shù)的出現(xiàn)，為體外預(yù)應(yīng)力的發(fā)展開拓了更廣闊的天地。數(shù)控張拉技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的預(yù)應(yīng)力張拉錨固， 預(yù)應(yīng)力張拉力和預(yù)應(yīng)力筋伸長值的自動(dòng)雙重控制. 同時(shí)， 可以準(zhǔn)確測(cè)定預(yù)應(yīng)力瞬時(shí)損失值， 對(duì)張拉完成后的錨下有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控。
3.2 經(jīng)濟(jì)性能好，適用范圍廣。體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)通過減小截面尺寸來減輕恒載，因而可節(jié)省材料用量，經(jīng)濟(jì)性較好；能夠方便地進(jìn)行檢測(cè)和維護(hù)體外預(yù)應(yīng)力鋼束，明確地掌握其使用情況， 節(jié)約了后期費(fèi)用；采用逐跨施工的體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)， 增大了對(duì)空心板梁的跨徑， 從而減少了其下部結(jié)構(gòu)的工程量， 對(duì)連續(xù)粱則無需腳手架， 省卻了大量施工費(fèi)用。
3.3 安全隱蔽少，安全性能好。與體內(nèi)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相比，體外預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量更有保證。（1）張拉過程中， 施工人員能夠精確控制和調(diào)整鋼絞線的應(yīng)力；（2）投入使用后， 檢查人員能夠隨時(shí)對(duì)預(yù)應(yīng)力束進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)， 保證在必要時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換。安全隱患少，安全性能更高。
4. 結(jié)語
體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)有著悠久的使用歷史。經(jīng)過時(shí)代變遷技術(shù)革新，工程材料以及施工技術(shù)的發(fā)展給體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)提供了強(qiáng)大的支持。我國正面臨著道路、橋梁建設(shè)的新高潮，國內(nèi)外加固工程的廣泛使用都對(duì)體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展需求有著迫切的期待。它必將更加廣泛地進(jìn)入人們的視野，前景無可估量！
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