【摘要】本文第一作者在綜合研究現有主要預應力混凝土技術優點的條件下，提出一種新型的預應力混凝土---橫張預應力混凝土。文中概要介紹了橫張預應力混凝土的施工方法、原理及近期研究情況，研究和實踐表明橫張預應力混凝土在保持常規后張預應力混凝土良好的力學特性的條件下，能明顯節省鋼材、簡化工藝、提高工效，具有明顯的技術經濟效益。
關鍵詞 橫張預應力混凝土 技術效益 經濟效益 研究概況
一、引言
本文第一作者自80年代初開始從事預應力混凝土結構的研究，在近20年中，先后參與和主持完成了3個國家級、5個省部級及十余個橫向課題中有關預應力混凝土結構的研究，完成了
100金根先張法、后張有粘結及無粘結預應力混凝土梁的靜力和疲勞破壞試驗，對各型預應力混凝土梁的工藝及性能進行了系統深入的研究，發現國內外常用的預應力混凝土技術中，每一種技術雖在某一（些）方面具有其優勢，但在另一（些）方面亦存在明顯的不足。于是，自90年代初即致力于尋求一種全面兼顧良好的使用性能、用料的經濟性和施工的簡易性的預應力混凝土技術。于1993年將預彎復合梁原理應用于鋼筋混凝土梁中，率先提出并研制成功了"預彎預應力鋼筋混凝土梁"，先后成功地應用于德陽雄湖大橋等三座橋梁中，獲得1996年交通部科技進步三等獎和重慶市科技進步二等獎。1995年重慶市科委向國家科委推薦"預彎預應力鋼筋混凝土梁性能試驗研究"項目，經審批后列入國家科委下達的"1995年國家級地方重點攻關計劃"，計劃項目編號為：95一5A-03。在進一步的研究中，針對預彎預應力鋼筋混凝土梁需預加載和存在裂縫的缺陷，于1994年提出將預彎預應力鋼筋混凝土梁通過預加載條件下二次澆注混凝土來建立預應力轉變為以梁底為反力承壓面，沿垂直干力筋的豎向張拉鋼未來建立預應力，從而形成了"橫張預應力混凝土梁"的構思，并就此征求了科研、設計和施工方面眾多專家的意見，確認"橫張預應力混凝土梁"能在保持良好力學性能的條件下既節省了鋼材，又簡化了工藝，具有明顯的技術經濟優勢。特此報請項目主管部門批準，簽定了科技計劃項目修改合同，將原計劃研究內容更改為"橫張預應力混凝
土梁工藝及性能試驗研究"，由重慶交通學院和重慶高級公路建設指揮部等四家單位聯合完成；之后，在交通部、重慶市科委和市交通局的大力支持下，先后開展了"報張預應力混凝土設計原理及成套技術研究"、"演張預應力混凝土在橋梁工程中的應用研究"、"演張預應力混凝土梁疲勞試驗研究"、"紅槽房大橋長期性能監測"和"演張預應力混凝土連續梁橋的理論與應用研究"。目前，正著手進行交通部下達的《橫張預應力混凝土橋梁設計規程》編制工作。
二、撞張預應力混凝土的基本概念
1．演張預應力混凝土的構思
作者于1992年將預彎復合梁原理應用于鋼筋混凝土梁中，提出并研制成功預彎預應力鋼筋混凝土梁，在進一步研究和實踐中，針對其存在的問題，于1994年提出"演張預應力混凝土梁"的構想；將預彎預應力鋼筋混凝土梁通過預加載條件下二次澆注混凝土來建立預應力轉變為以梁底為反力承壓面，沿垂直于力筋的豎向張拉預應力鋼柬來建立預應力。將先張法的粘結力自錨--省去專用錨具，后張法的以梁體自身為張拉預應力鋼來的反力承壓體一一無需專用預制場、張拉臺座和吊運設備，體外預應力的在混凝土梁體夕張拉預應力鋼束--避免了管道摩阻引起的預應力損失，舊梁加固中曾采用的豎向緊固力筋法--用較小的豎向拉力在力筋縱向獲得較大的拉力等已有常用預應力混凝土技術的優點有機地融于一體。
2．制作工藝及預應力原理
橫張預應力混凝土梁（以箱型梁為例）的制作工藝及預應力原理（圖1）如下：
（l）制作混凝土梁體，在箱型梁腹板內設預留明槽，在明精內的設定高度處直線布置預應力鋼束（圖11的虛線所示），其兩端伸入先澆梁體混凝土作為粘結錨固區段；
（2）安裝張拉設備，以梁底為反力承壓面沿豎向張拉預應力鋼束至設計位置，梁體混凝土即在鋼束伸長受拉的同時獲得相應的預應力；
（3）插入鋼插銷以鎖定預應力鋼束的位置，卸除千斤頂等張拉設備后灌注預留明槽的混凝土。
3．與現有預應力混凝土技術的比較
國內外上建工程中常用的預應力混凝土技術有：
（1）先張法預應力混凝土：工藝相對簡單，無需專用錨具，但需專門的預制場地、張拉合座和吊運就位設備，故一般僅適用于中小型構件；
（2）常規后張預應力混凝土：無需專門的預制場地、張拉臺座和吊運就位設備，力筋布置和張拉較靈活，在橋梁工程中廣泛采用，但工藝復雜，技術要求高，預應力損失大，管道壓漿質量難以保證；
（3）無粘結預應力及體外來預應力混凝土：較常規后張預應力混凝土省去了成孔、穿束，壓漿等工序，施工相對簡單，但結構的力學性能有明顯降低；
（4）舊梁加固曾用的豎向緊固鋼筋法：能以較小的豎向拉力使鋼筋獲得較大的縱向拉力，加固效果好，但施工復雜，技術要求高，以致很少采用；
（5）預彎預應力復合梁：建筑高度小，自重輕、跨越能力較大，但其用鋼量巨大，工藝復雜，所需預加載設備龐大且周轉率低，目前僅在部分國家有少量應用。
鑒于橋梁工程通常為大型結構的特點，目前國內外橋梁建設中均主要采用后張法預應力混凝土，演張預應力混凝土技術屬后張法系列，與常規后張預應力混凝土相比具有：
（1）改傳統的預留孔道為預留明槽：可節省成孔、定位材料及其工序；避免了由管道摩阻引起的預應力損失；避免了管道壓漿質量不定性及其危害；
（2）改專用錨具錨固為粘結力自錨：節省了專用錨具、部分局部加強鋼筋，預應力來無需伸出的張拉操作長度而節省了部分預應力鋼筋；
（3）改縱向張拉為橫向張拉：演張力僅需縱張力的1/5~1/7即可達到同等預應力效果，能將必須多次重復進行的縱向張拉簡化為一次性橫向張拉；避免了由分批張拉產生彈性壓縮引起的預應力損失；避免了梁端張拉所需的操作空間，相鄰跨梁的建造互不干擾。
綜上所述，根張預應力混凝土因節省了波紋管、灌漿料、錨具、錨下加強鋼筋及部分預應力鋼筋，可降低主梁造價20％～30％，具有明顯的經濟效益；避免了管道摩阻和分批張拉引起的預應力損失，可使有效預應力提高10％～20％，相應的張拉控制應力由常規張拉的（含超張拉）可降低到
以下，提高了鋼束張拉的安全儲備；以灌注明槽混凝土取代了管道壓漿，易于保證梁體質量和耐久性，具有明顯的技術效益放常規預應力混凝土的多次重復工序為一次性工序，簡化了工藝及張拉設備，提高了工效，具有良好的社會效益。
橫張預應力混凝土綜合了先張法與后張法、體內束與體外來、有粘結與無粘結預應力混凝土技術的主要優點，全面兼顧了良好的使用性、施工的簡易性及用料的經濟性，具有很好的綜合技術經濟效益。
三、現有研究工作
在"演張預應力混凝土"的構思成熟并獲準國家科委下達的1995年國家級地方重點攻關計劃（橫張預應力混凝土梁工藝及性能試驗研究）后，由重慶交通學院、重慶市高速公路建設有限責任公司、重慶市公路工程監理處、重慶市渝通公路工程總公司等四家單位聯合組成了橫張預應力混凝土專題研究課題組，先后開展了如下工作：
1．在對已有預應力混凝土技術進行全面深入剖析的基礎上，率先提出全面兼顧常用預應力混凝土技術優點的"橫張預應力混凝土"技術，并以重慶一長壽高速公路紅槽房大橋為依托工程開展研究；
2．進行計算機模擬分析，并就橫張預應力混凝土梁的構想廣泛地征求有關科研、設計和施工單位的意見，論證其在理論上的正確性和合理性；
3．設計理論研究，針對依托工程提出初步的《根張預應力混凝土梁設計計算方法》：
（1）查閱資料文獻，確定以常用的高強低松弛鋼絞線作為預應力筋，對鋼絞線的幾何構成及力學特性進行分析，提出具有安全儲備的橫張控制應力上限；
（2）對橫張過程建立簡化的計算模型，提出有效預應力的實用計算方法，并以計算機模擬分析結果進行校正；
（3）參考現行《公橋規》計算方法，結合演張預應力混凝土的特點，提出橫張預應力混凝土梁在施工階段和使用階段的應力計算、抗裂計算以及各區段的強度計算方法。
（4）對預應力鋼來的粘結錨固區、張拉時的局部承壓區和張拉后的插銷定位區局部用非線性有限元分析，提出局部加強構造措施；
4．工藝流程研究，擬定了一套模張預應力混凝土梁施工工藝，編制了初步的《橫張預應力混凝土梁施工技術要求》；
5．配套設備研制，研制出一整套橫張設備及定位配件；
6．工藝試驗研究
完成了30m跨徑橫張預應力混凝土T型梁（足尺試驗梁）和5m跨徑橫張預應力混凝土小梁的制作工藝全過程試驗研究，并對橫張過程進行了現場測試，取得如下進展：
（1）完善和豐富了《橫張預應力混凝土梁施工技術要求》；
（2）通過多次試驗和改進，研制出一整套可操作性較強的橫張設備及定位配件；
（3）完善和豐富了施工期間預應力損失估算和有效預應力的計算方法；
（4）總結編制了針對T型梁橋的《演張預應力混凝土梁質量檢驗條文》；
（5）論證了橫張預應力混凝土技術在實踐上的可行性和合理性。
7．受載性能試驗研究，對30m跨徑橫張預應力混凝土試驗梁進行了現場加載試驗，首先對梁進行了六次零至使用荷載的重復加載試驗，然后加載至開裂，再加載至破壞；加載過程中對梁的變形、混凝土應變、普通鋼筋應變、預應力混凝土鋼柬應變、抗裂強度、裂縫開展和破壞情況進行了全面測試。結果表明：
（1）開裂前實測撓度值與按全截面剛度（含后澆明槽混凝土）得到的撓度理論計算值吻合較好，證明橫張預應力混凝土梁具有足夠的剛度；
（2）卸載后梁的殘余變形為1～0.lmm，表明其具有很強的彈性恢復能力；
（3）實測開裂彎矩與理論預期彎矩值相吻合，證明了其預期的預應力效果；
（4）裂縫開展和破壞表現與高質量的常規預應力混凝土梁的情況無異；
（5）人工鑿開后澆明槽混凝土查明，其與預應力鋼絞線及先澆梁體混凝土結合很好；
（6）完善和豐富了橫張預應力混凝土梁的設計理論及構造措施；
8．開展了演張預應力混凝土技術在橋梁中的應用研究
（1）設計并建成了第一座橫張預應力混凝土T型梁橋（渝長高速公路紅槽房大橋）；對其實施的前5根梁進行了現場監控，酌情調整了張拉時承壓鋼墊板的厚度和定位配件形式；完善了T型梁的實施細則，使后續施工得以順利進行；
（2）利用橫張預應力混凝土張拉效率高的優勢，創造性地提出全跨一次性澆注混凝土，一次性同步豎向張拉的新工藝；提出了在腹板中設置預留明槽的實施方法；設計并建成了第一座橫張預應力混凝土空心板橋（渝長高速公路徐家溝大橋）；對其施工的第一跨和最后一跨空心板橋進行了現場監控；完善了橫張預應力混凝土空心極的實施細則；
（3）首次采用橫張預應力混凝土箱型梁對既有鋼筋混凝土梁橋進行拓寬加固改造，設計并指導實施了四川省滎經大橋的改造工程；
（4）創造性地構思和設計了橫張預應力混凝土連續梁橋（重慶重家院子人行天橋），進一步拓展了演張預應力混凝土技術的應用范圍；
（5）演張預應力混凝土的設計理論、施工工藝問套設備及實施細則在上述造工程實踐中得到進一步發展和完善。
9．疲勞性能研究：對橫張預應力混凝土梁橋從理論上進行了疲勞分析，結果表明在設計荷載下不產生疲勞破壞；演張預應力混凝土梁的疲勞破壞試驗正在進行中；
10．長期性能研究：自1999年3月開始對已建成的紅槽房大橋進行長期性能監測，目前正與重慶大學聯合研制橋梁性態的遠程智能監測系統，已有的監測數據表明橋梁工作正常。
于1996年12月和1999年5月分別就"橫張預應力混凝土梁工藝及性能試驗研究"和"橫張預應力混凝土技術在T型梁和箱型梁（板）橋中的應用研究"進行了鑒定，得到與會專家的高度評價，被列入1998年交通部科技成果推廣應用推薦項目，獲得1999年度重慶市科技進步一等獎，"橫張預應力混凝土橋梁設計規程"正式列入交通部1999年度公路建設標準、規范、定額等編制、修訂工作計劃中。
四、結語
作者率先提出并研制成功的橫張預應力混凝土與常規后張預應力混凝土相比，具有如下三大特點：
（l）改預留孔道為預留明槽（節省成孔和定位材料及工序，減小預應力損失）；
（2）改專用錨具錨固為粘結力自錨（節省錨具、局部加強鋼筋和部分預應力筋）；
（3）改縱向張拉為橫向張拉（僅需1／5～1／7的拉力即達同等效果，降低設備要求，提高工效）。
故橫張預應力混凝土技術在其適用范圍內具有明顯的技術、經濟和社會效益。
課題組經過近六年的研究工作，主要取得如下成果：
（1）提出一套預應力混凝土技術，開展了試驗和理論研究，針對試點工程首次編制了： ①《橫張預應力混凝土梁設計計算方法》；②《演張預應力混凝土梁施工技術要求》；③《演張預應力混凝土梁質量檢驗條文》；
（2）研制出一整套安全可靠、操作簡易的演張設備及定位配件；
（3）提出了施工中保證鋼束安裝長度和伸直度，腹板中預留明槽的具體措施；明確了粘結錨固區、局部承壓區和插銷定位區的局部構造要求；
（4）設計并成功地建造了第一座橫張預應力混凝土T型梁橋、空心板橋和箱型梁橋；
（5）設計了第一座人行橫張預應力混凝土連續梁橋，創造性地提出：分區段采用無粘結束和有粘結束來適應該類橋梁的受力及施工特點；通過固定件達到實現逐跨橫張和根據受力需要調節各跨鋼柬預應力的目的。
（6）本課題組正著手進行交通部行業標準《橫張預應力混凝土橋梁設計規范》的編制工作。
橫張預應力混凝土作為一種新型的預應力技術經歷了構思、研究到實際應用的過程，正向成熟化邁進，我們懇請各位同行們的批評指正，也衷』乙地歡迎對此有興趣的同行們共同研究。
參考文獻
［l］周志祥．預應力混凝土新技術探索．重慶交通學院學報，1999，No．4
［2」周志祥，徐謀，李祖偉，李洪霞．橫張預應力混凝土梁試驗研究．重慶交通學院學報，1999，No.4
［3］周志祥，徐謀，李祖偉，黃鋼．橫張預應力混凝土技術的應用研究．重慶交通學院學報，1999，No．4
