高效混凝土在橋梁工程中的應用

侯申利

【摘 要】 本文討論了高效混凝土的一般概念及其特點、國內外應用及發展現狀。最后從結構和造價的觀點出發，討論了使用高效混凝土的限制條件以及如何使高效混凝土更有效地用于橋梁結構的一些方法。

【關鍵詞】 高效混凝土 應用與發展 橋梁工程

一、高效混凝土

高效混凝土（HPC）是具有高質量和高耐久性的混凝土，具有四個方面的特征，即①高強度。15mm立方體標準強度值高于60MPa；②高耐久性。密實性好、抗滲性好、抗碳化能力強、抗腐蝕能力高，使用年限大于設計基準期；③高體積穩定性。較小的混凝土徐變變形和收縮變形；④高工藝性。綜合而言，高性能混凝土即是能更好地滿足結構功能要求和施工工藝要求的混凝土，使混凝土結構能提高使用年限，降低工程成本的混凝土。

二、高效混凝土應用及發展

多年來，在預應力混凝土橋梁領域一直采用40～50MPa的混凝土，然而實踐中常常出現28d實際強度超過50MPa的情況。由于高效混凝土具有更高的強度、更高的彈性模量、更高的抗拉強度、較小的徐變和更好的耐久性，高強混凝土梁較之普通混凝土梁具有較小的初始撓度熱高的允許抗拉強度激小的預應力損失激小的上拱度變化和更長的使用壽命，最近幾年，世界各國對高效混凝土產生較大興趣并開始應用于橋梁實踐。

國際范圍內高效混凝土在橋梁上的應用近十年時間，典型工程實例為挪威跨徑220m的BΦdo連續剛構橋以及丹麥大帶橋，索塔、預應力主梁和預應力隧道節段均采用強度50～60N/平方毫米高強混凝土；在加拿大已有100余座橋梁采用了高效混凝土，如連接愛德華王子島和新布蘭斯威克長達8英里的 Northumberland Strait Crossing橋采用 55N/平方毫米的高強度混凝土，主跨達250m。

1993年美國高速公路管理局開始高效預應力混凝土橋梁的研究工作。德克薩斯SanAngelo橋是此研究工程項目之一。此橋的特殊之處是東西兩側分別采用強度為70～100N/平方毫米高效混凝土梁和強度為35～40N/平方毫米常規混凝土梁，以便對不同混凝土進行造價比較。經比較，對于常規混凝土跨徑37m的梁，當采用高效混凝土時跨徑可達44m。

由于高效混凝土具有較高的強度，由引可加大跨徑或當跨徑不變時可采用較小的梁高。此外，高效混凝土抗滲能力較強，因而氯化物的滲入可減少一半，從而提高結構的耐久性。在橋梁結構中采用高效混凝土，效果十分明顯。

美聯邦公路管理局（FHWA）對常用的預應力混凝土梁進行優化設計。經費用戶改益分析，提出T梁作為預應力梁國家標準采用。

第一部分針對跨徑小于27.4m的梁。此類梁的控制條件為預加應力階段的初始預應力。由于預加應力階段的恒載長久起作用，對于所述跨徑采用高膽混凝土無實際意義。第二部分針對跨徑27.4～30.5m，混凝土強度41～55MPa和跨徑27.4～33.5m，混凝土強度≥55MPa的情況。由于采用高強混凝土，梁距可以加大。在此范圍存在著梁距加大帶來的節約及由此引起單位橋面費用增加的平衡點。第三部分則是針對跨徑大于30.5m，混凝土強度在41～55MPa和跨徑大于33.5m，混凝土強度大于55MPa的情況。這個范圍代表了所分析斷面高強混凝土的最優效益。

①隨著梁混凝土強度的遞增，最優造價曲線右移。這意味著在單位造價不增加的情況下，梁的跨徑增大了；②梁混凝土強度超過 69MPa效益減小心高強混凝土用于較小跨徑時無明顯效益。

目前，高效混凝土又有新的發展。強度120N/平方毫米的混凝土用于一座人行橋，它不需機械震搗。在加拿大，采用強度200N/平方毫米的纖維加強混凝土修建了一座人行天橋。

在我國，近五年來，高效混凝土（≥C60級）在橋梁工程中得到越來越廣泛的應用。長江、黃河上的一些公路橋梁均成功地采用了60號混凝土。關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詢有限公司對采用高效預應力高強混凝土在橋梁工程中的應用進行了較為深入的研究。

采用高性能混凝土空心板較普通PC空心板可節省混凝土 35%以上，可節省鋼鉸線15%以上，在16～30m跨徑范圍內，材料費用節省20%。因此對于公路橋梁工程中大量使用的空心板采用高性能混凝土井進行優化設計，其經濟效益十分可觀。

三、限制條件

為了發揮高效混凝土的作用，需要設置較強的預應力。因此必須選擇高強低松馳鋼絞線。采用2070MPa（300級）的鋼絞線比采用1860MPa（270 級）鋼絞線效益更高。

截面尺寸主要是底翼緣（馬蹄）的尺寸選擇，增加下翼緣的尺寸可以容納更多的鋼束，因此引起混凝土體積及相應重量的增加，但當混凝土強度超過55MPa時才會體現出較佳的費用效益比。

鋼絞線規格、間距及其強度對高強混凝土的效益均有一定影響。一般而言，采用較大鋼絞線直徑（15.2mm）較小鋼束間距時效益較明顯。

限于運輸條件，當梁跨徑較大時會引起費用的增加。

四、結論與建議

（1）采用高效混凝土梁板斷面高度可以降低，從而較少工程投資，這對于新建和重建橋梁均具有重要意義。

（2）采用高效混凝土，因材料數量減少，對保護自然資源、減少環境污染、保護環境十分有益。

（3）在不久的將來，應集中應用強度達60MPa的混凝土。對現有采用270級直徑12.7mm凈距和保護層均為50mm的鋼鉸絞線斷面，采用70MP4的混凝土時可以加大梁板跨徑，結構更為經濟。至少各公路部門對較大跨徑的梁應采用50MPa的抗壓強度。事實上許多預制梁已經達到此水平。

（4）在成功應用強度大于70MPa混凝土之前，就開展梁的傳力長度、撓度、橫向穩定性和動力特性、預應力損失、梁的抗剪強度、設計壽命以及橋面系研究。