輕集料混凝土橋梁工程發(fā)展概況

[摘要] 簡要介紹了國內(nèi)外輕集料混凝土大跨徑橋梁工程發(fā)展概況，分析其特點(diǎn)，提出輕集料混凝土在橋面工程和大跨徑箱形截面的弓形懸臂橋梁中應(yīng)用具有最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。為改善其性能，建議采用次輕混凝土(特定密度混凝土) ，效果良好，值得借鑒。

[關(guān)鍵詞] 輕集料混凝土；次輕混凝土；橋梁工程

　　輕集料混凝土(以下簡稱LWAC) 最突出的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，與同強(qiáng)度等級的普通混凝土相比可降低自重20 %～25 % ，還具有熱穩(wěn)定性好、抗凍抗震，且無堿集料反應(yīng)危害的特點(diǎn)，是建造高層、大跨土木工程最理想的結(jié)構(gòu)材料。近20 多年來，我國橋梁工程設(shè)計、施工技術(shù)發(fā)展十分迅速，數(shù)以百計的各種形式的大跨徑橋梁跨越大江、河、海，有的主跨達(dá)1300m以上，跨度名列世界前茅；各城市已建成的立交橋、高架橋更多，為我國的鐵路、公路和城市交通的發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。但遺憾的是至今我國輕集料混凝土在橋梁中仍然很少應(yīng)用，即使是在小跨徑橋梁中也不多見[1 ] 。下面介紹LWAC在橋梁中應(yīng)用的一些情況，對我們今后的工作能有所裨益。

1 　應(yīng)用概況

1.1 　美國是應(yīng)用最早、最多的國家

    1913 年美國研制成功頁巖陶粒(國外又稱膨脹頁巖) ，很快就用它配制成抗壓強(qiáng)度為30～35MPa 的輕集料混凝土，應(yīng)用在房屋建筑、船舶制造和橋梁工程中。至1920 年，就已用它建造了10 多座橋梁。

    20 世紀(jì)70～80 年代，美國輕集料的年產(chǎn)量達(dá)1700 萬m3 ，最高曾達(dá)2300 萬m3 ，在橋梁工程中的應(yīng)用位居榜首。80 年代初，美國的LWAC 已在400 多座橋梁工程中應(yīng)用[2 ] 。1 份從1920～1985 年對257 座橋梁統(tǒng)計資料分析說明，從1950～1965 年間美國應(yīng)用LWAC 的橋梁處于高峰期，共達(dá)125 座，平均每年約17 座；1958 年最高達(dá)34 座。1966 年后趨于穩(wěn)定，每年平均約316 座。但LWAC 用于修復(fù)、加固、擴(kuò)建舊橋梁的數(shù)量卻日益增多。

1.2 　日本在橋面工程中應(yīng)用較多

      日本是在二次世界大戰(zhàn)后才大力發(fā)展人造輕集料的生產(chǎn)。1970 年達(dá)最高峰，年產(chǎn)約300 萬m3 ，不僅用于建造民用與工業(yè)建筑，還在城市、公路、鐵道橋梁及海洋構(gòu)筑物(含采油平臺) 廣泛應(yīng)用。1983 年日本人造輕集料協(xié)會曾對日本從1964～1983 年間360 例輕集料混凝土工程進(jìn)行了全面的調(diào)查[3 ] ，發(fā)現(xiàn)LWAC絕大部分用于橋梁工程，約占88 %。其中用于橋面板達(dá)54 % ，用于橋梁基礎(chǔ)約26 % ，用于橋面承重梁僅占4 % ，鐵道橋、人行橋僅少量用LWAC 建造。1967～1970 年，無論是施工數(shù)量或是LWAC的使用量都處于高峰期。

1.3 　歐洲國家的應(yīng)用有其特色

      德國是天然輕集料生產(chǎn)和應(yīng)用最多的國家，在二次世界大戰(zhàn)后的城市建設(shè)中曾起過積極作用，但對人造輕集料的生產(chǎn)和應(yīng)用也十分重視。早在1961 年，在萊茵河威士巴登市附近的一條支流上曾用LWAC建成1 座3 跨總長為235m、主跨為105m的預(yù)制預(yù)應(yīng)力LWAC 弓形步行橋[4 ] 。以后又相繼在萊茵河上建造數(shù)座3 跨現(xiàn)澆的預(yù)應(yīng)力LWAC 懸臂弓形箱橋，主跨最大跨度達(dá)185m ，其中間部分是用輕集料混凝土建造，跨端則用普通混凝土或用普通集料和輕集料相結(jié)合的“輕質(zhì)普通混凝土”，即現(xiàn)在的“特定密度混凝土”建造。德國首創(chuàng)的這個經(jīng)驗(yàn)，大大提高了這類大跨徑橋的科學(xué)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

      荷蘭是個低于海平面的國家。河流縱橫交錯，早期自己又不生產(chǎn)人造輕集料。1968 ～ 1982 年間， 采用LWAC 和LWAC2普通混凝土相結(jié)合的方法建造了12 座3 跨預(yù)應(yīng)力懸臂弓形箱橋，中跨長112～157m[2 ] 。

      挪威以生產(chǎn)萊卡超輕陶粒著稱于世。近10 多年來也對高強(qiáng)人造輕集料及其在橋梁中的應(yīng)用給予極大關(guān)注。1987 年以來，用高強(qiáng)LWAC建造了11 座大跨徑橋，其中2 座橋的中跨分別達(dá)到301m和298m ，是當(dāng)前跨度最大的預(yù)應(yīng)力懸臂弓形橋，輕集料混凝土強(qiáng)度等級達(dá)LC60[5 ] 。

      前蘇聯(lián)曾是世界上輕集料產(chǎn)量最高的國家，20 世紀(jì)80 年代最高年產(chǎn)量曾達(dá)5000 多萬m3 ，雖然大量用于工業(yè)與民用房屋建筑， 但據(jù)資料介紹， 自1961 ～ 1980 年也已建成LWAC各種橋梁100 多座。

1.4 　我國近幾年來發(fā)展較快

      我國早在20 世紀(jì)中葉就開始對輕集料及輕集料混凝土進(jìn)行研究，但發(fā)展緩慢，至今人造輕集料的年產(chǎn)量還不到400 萬m3 ，且主要在工業(yè)與民用建筑中應(yīng)用。1960 年河南平頂山就用粘土陶?；炷两ǔ晌覈鐝阶畲蟮恼亢哟髽颉?凈跨為50m的拱形公路橋；之后又在南京長江大橋和九江、黃河大橋的部分橋面板應(yīng)用輕集料混凝土；1965～1968 年， 在寧波市與上海市之間，也曾用輕集料混凝土建成30 多座中、小型預(yù)制箱形預(yù)應(yīng)力公路橋，最大跨徑僅為23m?；炷翉?qiáng)度都不高于LC30。直至20 世紀(jì)的90 年代后期，在國內(nèi)外高強(qiáng)混凝土技術(shù)迅速發(fā)展的推動下，我國高強(qiáng)輕集料混凝土的研究與應(yīng)用才出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)機(jī)，在上海、宜昌等地研制成功高強(qiáng)輕集料并開始在橋梁工程中應(yīng)用。2000 年在天津，用強(qiáng)度等級為LC40 的輕集料混凝土建成1 座預(yù)應(yīng)力多跨連續(xù)箱形橋梁———永定新河橋引橋，全長1500m ，每跨最大跨徑為35m ，是我國輕集料混凝土用量最大、強(qiáng)度等級最高的橋。2001 年，在北京的健翔橋擴(kuò)建、新蘆溝橋的改造工程和蔡甸漢江大橋橋面鋪裝工程也采用了高強(qiáng)輕集料混凝土，取得了很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

2 　應(yīng)用特點(diǎn)

      綜觀國內(nèi)外輕集料混凝土在橋梁工程中應(yīng)用的情況，我們認(rèn)為有以下幾個主要特點(diǎn)值得我們重點(diǎn)加以學(xué)習(xí)和推薦。

2.1 　大量用做橋面板

      在鋼筋混凝土橋梁中，混凝土的密度(即自重) 在橋梁結(jié)構(gòu)荷載中占有很大比重，且是跨度越大，所占比例越大。J . Brakel[6 ] 研究了輕集料混凝土和普通混凝土對橋梁荷載的影響，認(rèn)為橋梁跨徑越大，采用輕集料混凝土建造橋梁，其降低結(jié)構(gòu)的自重越大，經(jīng)濟(jì)性也就越顯著(見表1) 。

　　由此可見，在橋梁中采用輕集料混凝土可以大大減輕支撐結(jié)構(gòu)的恒載，提高橋梁的安全性，節(jié)約大量材料，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價值。西方很多國家在橋梁中應(yīng)用輕集料混凝土尚無經(jīng)驗(yàn)的初期，都是從橋面板的應(yīng)用開始的。如1936年加利福尼亞州的舊金山———奧克蘭灣橋，總長共約3110m， 其西灣橋有兩個懸索鋼桁架橋，橋面板都是用頁巖陶粒砂輕混凝土建造的，1985年前，美國用LWAC 建造的250多座各種橋梁中，50%以上是用作橋面板的，其中鋼結(jié)構(gòu)橋梁55% 的橋面板是用LWAC 建造的，且在被調(diào)查的橋面板中，有56%是裸露的，不另做瀝青鋪裝層。

       日本1983 年對360 例LWAC 工程調(diào)查結(jié)果也說明：有88 %LWAC用于橋梁，其中用做橋面板的約占54 %。美國輕集料混凝土橋面板主要是現(xiàn)澆鋪裝的，個別采用預(yù)制的預(yù)應(yīng)力板，其平均技術(shù)指標(biāo)如下：

①     現(xiàn)澆混凝土　氣干表觀密度為1780kg/m3 ，設(shè)計抗壓強(qiáng)度為27MPa ； 橋面板平均厚度為185mm。

②     預(yù)制混凝土　氣干表觀密度為1840kgPm3 ，設(shè)計抗壓強(qiáng)度為35MPa ；外形尺寸:長14m；寬3～4m；厚220mm。

2.2 　大跨徑弓形懸臂橋經(jīng)濟(jì)性最好

    1961 年德國首次采用輕集料混凝土建造中跨為預(yù)制的、跨徑達(dá)105m的弓形橋。以后很快發(fā)展到用懸臂法施工的跨徑更大的弓形箱梁橋，并迅速擴(kuò)散到荷蘭、挪威、法國等歐洲國家。1968～1982 年，在荷蘭建造了12 座中跨為112～157m 的預(yù)應(yīng)力LWAC弓形箱懸臂橋(見圖1 ①～ ④) 。

    1979 年美國跨越Stanislans 河建成主跨為192m Parrots 浮橋，全長387m(97.5m + 192m + 97.5m) 的懸臂法施工的弓形箱梁橋，采用輕集料混凝土，氣干表觀密度1840kg/m3 ，28d 抗壓強(qiáng)度35MPa ，泵送施工，是當(dāng)時采用輕集料混凝土最復(fù)雜的橋梁工程之一。

     1987 年以來，挪威又用高強(qiáng)LWAC 建造了11 座橋梁，其中6 座為中跨154～301m 的用懸臂法施工的弓形箱梁橋； 1999 年建成的2 座(Stolma 橋和Raftsund 橋) 中跨分別為301m 和298m ，是當(dāng)今世界上用預(yù)應(yīng)力LWAC建造的跨度最大的橋梁。

      美國公路管理局所屬單位曾對用輕集料混凝土和普通混凝土建造的不同結(jié)構(gòu)形式、不同跨度橋梁的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究[2 ] 。其研究的結(jié)構(gòu)形式包括非等截面弓形懸臂箱梁橋等5 種橋梁結(jié)構(gòu)(見圖1) 。研究結(jié)果表明，采用輕集料混凝土替代普通混凝土建造橋梁，無論哪種類型的橋梁都可大大降低恒載在總荷載中所占的比例。雖然兩者的混凝土用量大致相同，但使用輕集料混凝土可以明顯降低鋼或預(yù)應(yīng)力筋的用量，且可以降低下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的荷載，縮短工期，降低原材料運(yùn)輸費(fèi)用，從而收到明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

      5 種不同結(jié)構(gòu)形式橋梁，采用LWAC 取代普通混凝土可節(jié)約的結(jié)構(gòu)鋼或預(yù)應(yīng)力筋的平均用量如表2 所示。由表2 的比較可見，用LWAC 取代普通混凝土建造的弓形懸臂箱梁橋，可降低預(yù)應(yīng)力筋用量達(dá)21.4 % ，是幾種結(jié)構(gòu)形式橋梁中節(jié)約最多的。

2.3 　次輕混凝土的應(yīng)用效果好

      次輕混凝土，在國外又稱特定密度混凝土。它是在輕集料混凝土中用普通粗集料定量取代部分輕集料配制而得的一種比輕集料混凝土重，而又比普通混凝土輕的過渡性混凝土。

      據(jù)資料[2 ，5 ] 介紹，早在20 世紀(jì)60 年代初，德國首先將它用在預(yù)應(yīng)力輕集料混凝土橋梁上。最初是為了改善LWAC彈性模量低和預(yù)應(yīng)力梁式橋端部局壓狀態(tài)，用普通混凝土直接取代部分輕集料混凝土，以后才發(fā)展到在普通混凝土摻入部分輕集料的“特定密度混凝土”。在荷蘭、挪威等地大量建造的用懸臂法施工LWAC 弓形箱梁橋都在其支座附近的橋梁端部使用了特定密度混凝土。近10 年來，還在嚴(yán)寒的北海采用這種混凝土建造了多座采油平臺。其混凝土的表觀密度為2000～2250kg/m3 ，抗壓強(qiáng)度達(dá)75MPa。

       2000 年6 月在挪威召開的第二屆結(jié)構(gòu)輕集料混凝土國際會議上，A. Holm和P. Ries 的文章[7 ] 介紹了他們的部分研究成果，成果說明，次輕混凝土隨著普通粗集料含量的提高， 其表觀密度也隨之增長，混凝土的彈性模量也隨之增加，但對其抗壓強(qiáng)度卻影響不大。只是在其表觀密度較高時，劈拉強(qiáng)度略有提高。顯然這對長跨徑橋梁端部力學(xué)性能的改善將有很大影響。

　　我們認(rèn)為，次輕混凝土的特性可能不止于此。它對混凝土強(qiáng)度和變形性能、施工性能及其經(jīng)濟(jì)性，和輕集料混凝土的應(yīng)用技術(shù)影響較大，還需進(jìn)行深入研究。

3 　啟迪和建議

       綜上所述，我們得到的最大啟迪是:輕集料混凝土在橋梁上應(yīng)用國外已有很成熟的經(jīng)驗(yàn)，它具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在這方面我們與一些發(fā)達(dá)國家相比，差異很大。為縮短這個差距，我們建議：

(1) 首先要將輕集料混凝土用在橋梁橋面板和鋼筋混凝土舊橋的修復(fù)、加固和擴(kuò)建工程上。國內(nèi)、外的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)證明，這是應(yīng)用最早、技術(shù)最成熟、經(jīng)濟(jì)效益最好的領(lǐng)域之一， 應(yīng)大力推廣。

(2) 懸臂法施工的大跨徑弓形箱梁橋是采用輕集料混凝土建造最合理的結(jié)構(gòu)形式之一。我國西部地區(qū)河流縱橫，山川阻隔，河流寬度不大，最適宜建造這種結(jié)構(gòu)形式的橋梁。我國已有用普通混凝土建造20 多座橋梁(跨徑為60～270m) 的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)進(jìn)一步研究、發(fā)展，將它應(yīng)用到輕集料混凝土橋梁中去。

(3) 應(yīng)加強(qiáng)對次輕混凝土的試驗(yàn)研究工作。國外將次輕混凝土巧妙用在大跨徑輕集料混凝土橋梁和采油平臺上，取得了極大成功。我們要大力推廣輕集料混凝土在橋梁中的應(yīng)用，對次輕混凝土的開發(fā)研究給予更大的關(guān)注，更多的研究。

(4) 應(yīng)大力支持高強(qiáng)輕集料生產(chǎn)的發(fā)展。否則，用LWAC 建造高層、大跨建筑將成無米之炊。近幾年，很多地區(qū)都在籌劃建設(shè)高強(qiáng)輕集料生產(chǎn)廠，應(yīng)該大力支持。

(5) 加速《輕集料混凝土橋梁技術(shù)規(guī)程》編制工作。為推廣LWAC在橋梁工程中的應(yīng)用，有關(guān)國家都有自己的設(shè)計、施工規(guī)范。我國的鋼筋混凝土橋梁設(shè)計規(guī)范不包括LWAC ， 因此，LWAC 橋梁的設(shè)計至今無法可依。2001 年，根據(jù)中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會下達(dá)的計劃， 《輕集料混凝土橋梁技術(shù)規(guī)程》已開始編制，規(guī)程的征求意見稿現(xiàn)在已經(jīng)提出，計劃2002 年頒發(fā)執(zhí)行。

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