浅谈体外预应力混凝土梁的研究现状

周俊

（三门峡市照平建材有限责任公司，河南 三门峡 427000）

0 引言

体外预应力混凝土结构属于后张法无粘结预应力混凝土结构大类中的小类，是使用预应力束在混凝土截面处进行作用，对混凝土结构施加纵向的预应力的一种结构体系。桥梁工程是将体外预应力应用最广泛的领域。

传统结构中的混凝土和体外预应力筋是一种相互分离的状态，施工过程简单，浇筑混凝土的工序简易，同时可以提高混凝土的力学强度及耐久性。因此体外预应力能有效对现有建筑结构进行加固及修复。当下体外预应力已大规模应用在高性能要求构件及建筑承重结构的配制、维护及加固领域。结合桥梁工程施工的传统工艺，发展出了更多适应性强和针对性强的创新性的桥梁施工工艺，例如体外预应力逐孔施工法、悬臂施工法以及顶推施工法等。在这些技术工艺的基础上建设了众多知名桥梁，例如 Little 桥、Long Key 桥、Seven Mile桥、Bubian 桥以及 Chinan 桥等。

1 国内外研究进展

1.1 国外研究进展

美国工程师 Eu-gene Freyssinet 首次提出了体外预应力的概念，并成功实现了体外预应力埋入式的首次应用。第一个体外无黏结预应力技术的专利由德国工程师Franz Dischinger[1]于 1934 年申请并获得，三年后便设计出了世界上第一座预应力混凝土桥梁——Aue 桥。体外预应力的发展在上世界五六十年代停滞了，于 1980年后开始迅猛发展[1]。

1989 年，Muller. 和 Gauthiner. Y[2]编写了通过有限元分析方法对体外预应力部分箱梁受力分布的电子计算机代码程序，可用于计算和预测连续梁及简支梁从单个结点开裂至极限载荷状态的整个弯矩—曲率关系，设置的默认条件是认为体内体外的无粘结预应力梁的受力性能在本质上是相同的。

1993 年，Mohamed H. Haraajli[3]开展了梁疲劳试验，施加循环载荷于混凝土梁上直至失效，然后施加体外预应力，单调增加荷载直至破坏。混凝土梁的疲劳试验结果表明体外预应力能强化梁的抗弯强度和疲劳寿命等。

2002 年，Angel C. Aparicio 等[4]利用计算机模型对体外预应力混凝土桥梁进行模拟分析，计算机模型分析可将简支、连续、整体或节断式体外在不同条件下荷载的实际预应力钢筋应力值进行计算模拟。

1.2 国内研究进展

我国在体外预应力混凝土梁领域的研究起步相较晚，主要的研究开始于 20 世纪 80 年代后期，与国外存在一定的差距。1985 年，张晓漪[5]等通过研究截面和体外预应力等因素对 17 根体外预应力混凝土加固梁的 T形截面工作效果，明确了构件施加的荷载在不同应力阶段下无黏结预应力混凝土的设计参照规则，并进一步设计了过程中所需要的计算形式。2004 年，同济大学徐栋等[6]设计了以条带法和分层模型为依据的有限元非线性模拟分析程序，可对体外预应力梁在整个荷载的不同阶段反应做模拟分析。

2 体外预应力混凝土梁的力学研究

2.1 极限承载力的研究

如今在计算体外预应力的极限承载力的研究方面是当前的一个薄弱环节，国内外的研究主要集中在攻克梁的正截面承载力计算问题，对斜截面的承载力计算欠缺。

目前我国的科研工作者通过不同的计算方法，研究二次效应对梁体外预应力极限承载的影响，主要的方法有弯矩—曲率法、塑性铰区长度法、通过试验结果对构件内是否有粘结预应力方程进行的修正系数法及计算数字模型的非线性有限元方法。

我国的体外预应力的极限承载力计算起步晚，1993年，牛斌[7]从混凝土塑性铰区理论开始研究，并通过试验进行研究，在试验结果的基础上得到了体外预应力混凝土梁的极限应力弯矩、挠度和计算体外预应力筋增量的方法。

2.2 动力问题的研究

（1）动力特性的研究

体外预应力结构在静力特性领域的研究已有很多成果，在动力特性领域的研究很少，而动力学特性由体外筋加固后的弯曲和振动所产生。Miyamoto 等[8]在加固梁的振动热研究中，重点对体外预应力加固组合的受弯特性进行动力特性研究。国内研究人员也可以尽快开展此方面的课题。

（2）疲劳性能的研究

建筑物在服役过程中常会受到往复荷载，从而造成结构的疲劳形变，这属于动力学问题研究的一个方面，国外有一些科研人员在做一些研究，开展的试验规模小，我国在此方面还没有相关报导。

在往复疲劳载荷下，混凝土受压区域发生循环蠕动，这会使混凝土构件在结构高度上的应力发生重分配，导致受力的钢筋应变变大。混凝土受压区小，循环蠕变的应力增量在钢绞线的增量比在低碳钢上更明显。结果表明混凝土的受弯钢筋寿命能够决定受弯构件的寿命。

2.3 锚具系统及预应力损失的研究

（1）锚具系统的研究

锚具系统的研究在预应力研究体系中占有重要的地位，锚具系统在由德国颁布的《体外预应力混凝土桥准则》中做出了相应的解释和规定。由文献 [9]中所用的有限元分析方法，能够发现在锚具系统中的摩擦系数影响单孔锚具的弹塑性，试验结果表明摩擦系数越大时，应力、应变、变形和塑性区面积会随之减小。

锚具系统的体外预应力研究还有待更多的试验数据对其进行补充完善数据体系，才能建立相应的数学模型进行预测分析，从而建立用于体外预应力的锚具系统，降低体外预应力结构的经济成本。

（2）预应力损失的研究

预应力损失在短期、长期过程中的变化是设计预应力结构时所要重视的一个重要因素。目前国内在先张法及后张法内无粘结构件的损失研究有了大量的理论基础，许多研究成果有对各个环节的对应的计算机数值公式模型，可根据实际情况相应调控预应力损失值。在计算体外预应力的研究中，现在主要是基于体内无粘结预应力损失方法进行。

王彤等[10]对体外预应力自身特点开展了相关研究，构建计算机模型分析了同时具有两个转向块的体外预应力简支梁。研究过程中将体外预应力简支梁设为柔性拉杆的一次内部超静定体系，研究结果表明体外预应力结构在预应力损失过程变化中能用数学公式进行计算。但由于该试验是针对简单的简支梁进行模拟计算，并且模型中所引入的因素较少，因此在对试验进行理论分析时，建立体外预应力构建的总体全过程预应力损失的公式模型是非常重要的。

3 体外预应力混凝土梁尚待解决的问题

（1）混凝土耐久性及预应力筋的锈蚀问题。

混凝土梁存在许多病害现象，国外出现过后张法制预应力混凝土梁无征兆性崩塌的案例，这如今已成为全球各国关心的问题，我们国内也要着重解决混凝土耐久性以及混凝土中钢筋耐腐蚀性的问题。

（2）建材的性能及某些结构的受力问题。

几何非线性、材料非线性及制动力分配在多跨连续梁中影响大跨径混凝土梁的预应力应变、混凝土收缩及徐变，导致引力的重新分配、V 撑墩梁连接部位等的研究还需要进一步深层次的分析和数据完善。

（3）抗风、抗振设计及塔索的防锈问题。

目前抗风性能的评测主要是通过风动试验进行研究，设定的风力参数与实际参数会存在一定的偏差，所得结果也仅作为实际应用的参考；斜拉桥的不同部位如塔、索、梁对本身的抗震性能有不同的要求，且对斜拉桥的抗震分析还未完全研究清楚，斜索的防锈问题也长期困扰着工程应用。

4 结语

通过对国内外预应力混凝土研究进展情况的综述分析可知：

（1）国内外对体外预应力混凝土梁极限承载力已经开展了许多的研究，我国体外预应力混凝土梁受弯性能的研究成果较多，但在分析体外预应力混凝土梁的短期刚度、裂缝、挠度方面还是缺少研究成果。

（2）近三十年，我国体外预应力混凝土梁在工程建设中渐渐拓广应用范围，在体外有无粘结应力的领域研究相对较少。随着我国的不断发展，越来越多旧建筑需要进行加固，此方面的研究成果不能满足当下通过体外预应力加固的技术需求。在以后的研究中，应关注体外预应力混凝土梁整体过程的变量，需要进一步深入探索体外预应力体系的工作性，在承载力、长短期刚度和应力损失等方面定出简单适用且规范统一的计算公式。