现代预应力混凝土的未来发展展望

近二十年来，由于材料、预应力体系、施工技术等的发展，预应力混凝土结构仍然在发生着很大的变化，各种新技术、新方法以及新的设计构思层出不穷。

1.混凝土强度

抗压强度高达100 MPa 的混凝土早在20 世纪30 年代便能够工业化生产，现在实验室里已能制出200 MPa 的混凝土。采用高强混凝土所带来的优越性是显著的。1989 年法国建造了一座采用高强混凝土的试验桥梁，混凝土标号为87（60 MPa），它与采用50 号混凝土（35 MPa）相比混凝土用量减少了30%，下部结构基底反力减少了约24%。大量实践证明，一些使用期较长的混凝土结构在不利环境中毁坏的原因，并不是混凝土强度的缺陷，而是混凝土耐久性问题。因此，高强度并不是混凝土的唯一指标，高性能混凝土（High Performance Concrete）才是混凝土技术发展的主要方向。随着人们对高性能混凝土特征认识的深入，高性能混凝土的含义也在不断扩大。从施工、受力及耐久性等性能来看，易浇注、易密实、不离析、低水化热、高早强、韧性好、低徐变、耐疲劳、高密水、耐磨损、抗化腐等性能，已成为高性能混凝土的重要特征。

混凝土材料的强度/容重比较低，随着预应力混凝土结构跨径的不断增大，自重也随之增大，导致结构的承载力大部分消耗于抵抗自重内力，追求更高的强度/容重比是混凝土材料发展的目标之一。实例有：原西德的Koln Deutz 桥为减轻中跨自重而采用容重为18 kN/m³轻质混凝土；日本一座人行观光斜拉桥，混凝土强度标准值40 MPa，使用了容重为19.5 kN/m³及15.6 kN/m³的轻质骨料。

2.预应力筋

预应力混凝土结构必须采用高强度且具有一定塑性性能的钢材。目前能满足塑性性能要求的钢材的极限强度为1 800～2 000 MPa。钢材的低松弛也是预应力钢筋的重要技术指标。虽然预应力钢材的本身性能无重大进展，但在耐久性、新材料预应力筋和大吨位预应力锚具及张拉设备方面均有所发展。

预应力钢筋采用外涂环氧层以免遭腐蚀是增强其耐久性的一项措施。采用环氧涂层的钢绞线有两种，一种是用在无黏结、体外预应力体系和斜拉索时为平滑涂层钢绞线；另一种是先张或后张有黏结的体内预应力体系，则使用表面含有砂粒涂层的钢绞线以增强黏结性。然而，不论是体外、无黏结或体内有黏结，环氧涂层钢绞线仍需要外包层或混凝土的保护，环氧涂层钢绞线仅起到钢筋锈蚀作用，并不能替代对钢绞线的整体防护。

近年来非预应力筋得到了很大的发展，它们主要是纤维增强聚合物（FRP）预应力筋，如：

玻璃纤维增强聚合物（GFRP）、芳纶纤维增强聚合物（AFRP）及碳素纤维增强聚合物（CFRP）预应力筋。它们具有轻质、高强（强度接近或大于预应力钢筋）、耐腐蚀、耐疲劳、非磁性等优点，表面形态可以是光滑的、螺纹的或网状的，形状包括棒状、绞线形及编织物形。研究与使用非预应力筋的主要国家是德国和日本。20 世纪70 年代后期，原联邦德国首先对用玻璃纤维增强聚合物替代预应力钢材做了大量试验。

1980 年起开始用GFRP 预应力筋修建人行试验桥，1986 年非钢材预应力筋开始使用于公路桥梁。日本是较早使用CFRP 和AFRP 预应力筋的国家，1988 年、1996 年CFRP 和AFRP预应力筋分别被用于公路桥梁和悬索板桥。20 世纪90 年代后期，用FRP 预应力筋修建的混凝土桥梁有20 余座，公路桥梁的最大跨径已达32.5 m。目前，纤维增强聚合物力学性能的测试标准，如延性、黏结、锚具、松弛、疲劳等等，有待统一的规范，各种 FRP 预应力筋仍处于研究试验阶段，其材料的价格相当昂贵。

3.智能化预应力材料

在预应力筋、拉索中配以光纤传感器，随着反映预应力的大小，已在实际桥梁中试用；在混凝土材料中加入或表面粘贴特殊的光传感材料，通过改变颜色直观显示混凝土的应力状况的技术被预测在将来10 年内实现；利用形状记忆合金材料作为预加应力材料，已在未来 50年内的研究展望之中。

配合智能化预应力材料，利用现代传感和通信等技术，不间断监视结构的工作状态、生命轨迹，将对预应力混凝土桥梁健康、安全运行提供有力保障。

4.预应力结构体系

（1）部分预应力混凝土结构：因其兼有预应力和钢筋混凝土结构的优点，克服了全预应力混凝土结构预压应力过高的缺点，20 世纪70 年代以来倍受重视而得以发展。

（2）无黏结内预应力混凝土结构：消除了后张预应力筋管道的压浆，降低了预应力在管道内摩阻损失，已在简单的板式结构中广泛应用。

（3）混凝土受拉区预压，受压区预拉的双预应力体系：它是预应力概念的一个发展，从而使结构高跨比显著减小、预应力产生同样预弯矩的情况下混凝土的压应力降低，这种预应力技术已在桥梁上得到了应用。

（4）预弯预应力混凝土结构体系：它是预应力概念的另一种发展，在加荷预弯的劲性钢梁上浇注混凝土，然后在卸荷中利用钢梁反弹对混凝土施加预应力，这种预应力结构，因其建筑高度低、刚度大，而跨线桥、立交桥等特殊需要的桥梁中逐渐得到推广应用。

（5）体外预应力混凝土结构体系：早期主要用于混凝土和桥梁结构的加固措施，近年来，由于研究和试验的不断深入，新建房屋和桥梁结构也选择了这种结构体系。

体外预应力混凝土结构体系有以下特点：

① 在使用它来加固已建结构时，由于受现有结构的限制，加固采用的预应力索只能布置在混凝土体外，这反而使预应力索布置构造简化、补索方便、施工操作简单，预应力管道摩阻损失大大减小。

② 体内预应力混凝土桥梁结构因管道压浆不密实而经常出现事故，而体外预应力混凝土几乎不需灌浆，这也促进了体外预应力桥梁的发展。

③ 体外预应力索防腐要求较高。

体外预应力混凝土的适用范围：(www.xing528.com)

① 加固处理；

② 施工阶段结构的临时预应力；

③ 斜拉索桥梁；

④ 新桥设计；

⑤ 特种结构。

（6）轻型的钢-混凝土组合式预应力结构（桥梁）：有波纹钢腹-混凝土组合预应力箱梁和钢桁腹-混凝土组合桁梁两种，如图9-4 所示。其特点是减轻了预应力混凝土箱梁的重量，改善了箱梁构造与腹板受力，方便混凝土浇筑。

图9-4　钢-混凝土组合式预应力桥梁

5.预应力结构施工技术

预应力混凝土施工技术的新发展，在桥梁结构领域是最具代表性的。

（1）节段施工法是预应力混凝土桥梁施工技术发展的结果。这种施工方法的一种形式是悬臂施工法（主要用于大跨径桥梁的施工中），另一种形式是整跨施工法。

① 悬臂施工法是将桥梁沿纵向划分为若干段，在墩梁（临时）固结的条件下，对称悬臂拼装预制或现场浇筑梁段，并通过预应力筋使桥梁逐段连续，最终形成结构整体。这种施工方法克服了建桥对桥下通行的影响，能轻松跨越深险的江海和山谷。

② 整跨施工法是采用整跨预制整体吊装，或在支架上拼装分段预制的梁段并由通长串联的预应力筋组成整体。段施工方法充分利用了现代化机械设备，节段采用标准化、系列化方法预制，适合不同跨径组合的要求，大大提高了施工速度，并把对环境的不利影响降到最低。

（2）节段现浇顶推施工法。

（3）转体施工法。

作为预应力技术的进一步运用而产生的施工技术也很多，如利用预应力设备提升大型建筑结构是其中一例。

6.结构耐久性设计

预应力结构耐久性问题是国内外工程界日益关注的课题。20 世纪60 年代建造的预应力混凝土桥梁腐蚀破坏的现象，使人们认识到研究耐久性的必要性。

1990 年CEB-FIP 模式混凝土结构规范，对混凝土结构使用寿命的基本要求为：混凝土结构应以这样的方式设计、施工和使用，即在特定的环境条件影响下，在指明或不指明的运营期内保持其安全性和正常适用性，不需要为维护和修理花费高额的费用。混凝土结构损坏的机理主要有几种：钢筋锈蚀、碱骨料反应、化学侵蚀和冻融剥离。这些机理的定量研究尚处于试验研究阶段。

但混凝土损坏机制的发展通常经历两个不同的阶段，初始阶段—— 混凝土碳化和氯化物表层渗入或硫酸盐堆积，保护层被穿越但材料和结构功能没有明显减弱；发展阶段—— 混凝土主动破坏发展迅速，开始出现钢筋锈蚀和损坏。

研究表明：① 混凝土碳化表层的深度与结构物暴露时间的平方根接近正比，氯化物及硫酸盐的扩散速度也与此相似，故选择最优混凝土保护层厚度是非常重要的问题；② 由于在施工捣密与养护上的差异和混凝土的表面开裂与内部微裂的现象，都明显加速了腐蚀物资的输送，故混凝土的渗透性成为耐久性设计的主要参数；③ 复杂的混凝土构件外形，会增加其损坏的敏感性，缩短其使用寿命和增加更大的维修费用，同时也因施工操作困难而导致了质量不足的危险性。

因此，首先是延长其损坏机制发展的初始阶段。选择抗腐蚀、渗透性较低的高性能混凝土，选择最优的混凝土保护层厚度，以及选择便于施工操作的结构构造和配以较好的养护，都是保证实现耐久性设计的目标手段。当损坏机制进入发展阶段，应设有减缓腐蚀速度的措施。

1990 年CEB-FIP 模式混凝土结构规范给出了耐久性设计准则及相应的防护措施。需要指出的是，为特定使用寿命而进行的设计，并不是指在整个使用寿命期内保持功能完好而不需要维护和修理，检测和维护是使用寿命期的一个组成部分。然而，设计的目标将是实现全寿命花费最小的“最低维护结构”。