淺談體外預應力混凝土梁的研究現狀

周俊

（三門峽市照平建材有限責任公司，河南 三門峽 427000）

0 引言

體外預應力混凝土結構屬于后張法無粘結預應力混凝土結構大類中的小類，是使用預應力束在混凝土截面處進行作用，對混凝土結構施加縱向的預應力的一種結構體系。橋梁工程是將體外預應力應用最廣泛的領域。

傳統結構中的混凝土和體外預應力筋是一種相互分離的狀態，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強度及耐久性。因此體外預應力能有效對現有建筑結構進行加固及修復。當下體外預應力已大規模應用在高性能要求構件及建筑承重結構的配制、維護及加固領域。結合橋梁工程施工的傳統工藝，發展出了更多適應性強和針對性強的創新性的橋梁施工工藝，例如體外預應力逐孔施工法、懸臂施工法以及頂推施工法等。在這些技術工藝的基礎上建設了眾多知名橋梁，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 首次提出了體外預應力的概念，并成功實現了體外預應力埋入式的首次應用。第一個體外無黏結預應力技術的專利由德國工程師Franz Dischinger[1]于 1934 年申請并獲得，三年后便設計出了世界上第一座預應力混凝土橋梁——Aue 橋。體外預應力的發展在上世界五六十年代停滯了，于 1980年后開始迅猛發展[1]。

1989 年，Muller. 和 Gauthiner. Y[2]編寫了通過有限元分析方法對體外預應力部分箱梁受力分布的電子計算機代碼程序，可用于計算和預測連續梁及簡支梁從單個結點開裂至極限載荷狀態的整個彎矩—曲率關系，設置的默認條件是認為體內體外的無粘結預應力梁的受力性能在本質上是相同的。

1993 年，Mohamed H. Haraajli[3]開展了梁疲勞試驗，施加循環載荷于混凝土梁上直至失效，然后施加體外預應力，單調增加荷載直至破壞。混凝土梁的疲勞試驗結果表明體外預應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應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、整體或節斷式體外在不同條件下荷載的實際預應力鋼筋應力值進行計算模擬。

1.2 國內研究進展

我國在體外預應力混凝土梁領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應力等因素對 17 根體外預應力混凝土加固梁的 T形截面工作效果，明確了構件施加的荷載在不同應力階段下無黏結預應力混凝土的設計參照規則，并進一步設計了過程中所需要的計算形式。2004 年，同濟大學徐棟等[6]設計了以條帶法和分層模型為依據的有限元非線性模擬分析程序，可對體外預應力梁在整個荷載的不同階段反應做模擬分析。

2 體外預應力混凝土梁的力學研究

2.1 極限承載力的研究

如今在計算體外預應力的極限承載力的研究方面是當前的一個薄弱環節，國內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，研究二次效應對梁體外預應力極限承載的影響，主要的方法有彎矩—曲率法、塑性鉸區長度法、通過試驗結果對構件內是否有粘結預應力方程進行的修正系數法及計算數字模型的非線性有限元方法。

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

2.2 動力問題的研究

（1）動力特性的研究

體外預應力結構在靜力特性領域的研究已有很多成果，在動力特性領域的研究很少，而動力學特性由體外筋加固后的彎曲和振動所產生。Miyamoto 等[8]在加固梁的振動熱研究中，重點對體外預應力加固組合的受彎特性進行動力特性研究。國內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荷載，從而造成結構的疲勞形變，這屬于動力學問題研究的一個方面，國外有一些科研人員在做一些研究，開展的試驗規模小，我國在此方面還沒有相關報導。

在往復疲勞載荷下，混凝土受壓區域發生循環蠕動，這會使混凝土構件在結構高度上的應力發生重分配，導致受力的鋼筋應變變大。混凝土受壓區小，循環蠕變的應力增量在鋼絞線的增量比在低碳鋼上更明顯。結果表明混凝土的受彎鋼筋壽命能夠決定受彎構件的壽命。

2.3 錨具系統及預應力損失的研究

（1）錨具系統的研究

錨具系統的研究在預應力研究體系中占有重要的地位，錨具系統在由德國頒布的《體外預應力混凝土橋準則》中做出了相應的解釋和規定。由文獻 [9]中所用的有限元分析方法，能夠發現在錨具系統中的摩擦系數影響單孔錨具的彈塑性，試驗結果表明摩擦系數越大時，應力、應變、變形和塑性區面積會隨之減小。

錨具系統的體外預應力研究還有待更多的試驗數據對其進行補充完善數據體系，才能建立相應的數學模型進行預測分析，從而建立用于體外預應力的錨具系統，降低體外預應力結構的經濟成本。

（2）預應力損失的研究

預應力損失在短期、長期過程中的變化是設計預應力結構時所要重視的一個重要因素。目前國內在先張法及后張法內無粘結構件的損失研究有了大量的理論基礎，許多研究成果有對各個環節的對應的計算機數值公式模型，可根據實際情況相應調控預應力損失值。在計算體外預應力的研究中，現在主要是基于體內無粘結預應力損失方法進行。

王彤等[10]對體外預應力自身特點開展了相關研究，構建計算機模型分析了同時具有兩個轉向塊的體外預應力簡支梁。研究過程中將體外預應力簡支梁設為柔性拉桿的一次內部超靜定體系，研究結果表明體外預應力結構在預應力損失過程變化中能用數學公式進行計算。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，建立體外預應力構建的總體全過程預應力損失的公式模型是非常重要的。

3 體外預應力混凝土梁尚待解決的問題

（1）混凝土耐久性及預應力筋的銹蝕問題。

混凝土梁存在許多病害現象，國外出現過后張法制預應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心的問題，我們國內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構的受力問題。

幾何非線性、材料非線性及制動力分配在多跨連續梁中影響大跨徑混凝土梁的預應力應變、混凝土收縮及徐變，導致引力的重新分配、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據完善。

（3）抗風、抗振設計及塔索的防銹問題。

目前抗風性能的評測主要是通過風動試驗進行研究，設定的風力參數與實際參數會存在一定的偏差，所得結果也僅作為實際應用的參考；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用。

4 結語

通過對國內外預應力混凝土研究進展情況的綜述分析可知：

（1）國內外對體外預應力混凝土梁極限承載力已經開展了許多的研究，我國體外預應力混凝土梁受彎性能的研究成果較多，但在分析體外預應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，我國體外預應力混凝土梁在工程建設中漸漸拓廣應用范圍，在體外有無粘結應力的領域研究相對較少。隨著我國的不斷發展，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下通過體外預應力加固的技術需求。在以后的研究中，應關注體外預應力混凝土梁整體過程的變量，需要進一步深入探索體外預應力體系的工作性，在承載力、長短期剛度和應力損失等方面定出簡單適用且規范統一的計算公式。