三钢混凝土在中小简支梁桥中的应用

陈东

（重庆市实力公路开发有限公司 重庆 401147）

1 中小跨径桥梁结构发展现状

随着国家交通事业迅速发展，特别是最近几年县道、通乡通村公路的大量建设，需要修建大量跨越沟渠的桥梁、涵洞，一般为一跨或两跨跨径在30m以下的中小跨径简支梁梁桥。现在公路运输事业飞跃发展，大量大吨位的车辆出现，超出了常规公路桥梁的荷载；由于国力不强，通乡公路建设国家和地方共同出资修建，中西部地方政府财政又紧缺，使得公路乡村公路建设单位采用低成本、低标准进行建设，在桥梁运行使用中梁板出现开裂，钢筋锈蚀严重，使用寿命大大缩短，出现大量危桥，严重影响着人民的生命财产安全。为改善行车状况，美化道路环境，节约工程成本，降低工程实施难度，保证工程质量，中小跨径桥梁在县道、乡村道路中的地位越来越重要，同时对相应结构的性能及使用要求也越来越高，需要有既施工方面、成本低，又便于山区施工、施工设备简易的结构形式。

2 中小桥梁结构分析

简支梁桥是中小跨径桥梁最常用的施工方案及结构形式，特别是通乡公路的跨沟跨渠桥梁，在工程设计、施工中最容易掌握，其根据自身性能配筋等又可分为普通简支梁桥、预应力简支梁桥、部分预应力简支梁桥，现对其优缺点作对比分析。

普通钢筋混凝土简支梁：主要做成实心的矩行横截面板梁。由于其主要受力靠其中的普通钢筋，受拉区混凝土容易开裂，露出钢筋；而且梁的高度大，使用材料多，自重重，刚度小，成本高，但具有施工比较简单、设备投入不多、专业性相对较低等优点。主要用于涵洞盖板、小桥。

预应力简支梁：多做成空心箱板梁或"T"梁。由于梁在自重及外部荷载作用下，产生变形，使受拉区混凝土钢筋受拉，一定程度上使砼开裂，影响受力钢筋，预应力混凝土梁采用预加反应力的原理，使得梁的抗裂性能和刚度得到大大提高，做成空心或"T"形截面，能大大节约截面积，节省材料，减轻自重及恒载，能改善桥梁结构的性能，提高其安全系数，延长使用寿命。然而其施工需要较大的预制场地、良好的灌浆设备、计量精确的张拉机具等专业设备，这些设备比较昂贵，而且张拉、灌浆专业性很强，危险性也高，对于只有几片十几片梁的中小跨桥梁，设备费用较高，施工危险较大，对于项目建设方不愿意接受，特别是山区通乡通村公路建设，地形地貌局限，预制场地难找，施工队伍技术、设备相对而言要薄弱一些，预应力简支梁施工质量要难以实施一些。

部分预应力简支梁：部分预应力与全部预应力梁相比可以更有效的合理的配筋，节约高强度的钢材，可以避免过大预应力反拱对其受弯构件破坏时所呈现的延性，在减少混凝土脆性破坏方面也有较大的改善，提高其抗震动能力。由于其预加合理的预应力，其挠度与裂缝的宽度较小，尤其是当最不利荷载卸载后恢复性能较好，裂缝能很快闭合，但其普通混凝土部分仍存在抗拉能力低，容易开裂。部分预应力简支梁抗拉性能及主要受力要预应力筋承担，需要大量的高强度钢材、昂贵的钢绞线，专业的张拉、灌浆施工机具和较好的预制或施工场地，而其普通受力筋只是其分散裂缝的作用，在裂缝出现之前对裂缝的发生和弹性挠度的影响很小并不能有效工作，只有在结构开裂后才能充分发挥作用，钢材主要是支撑易受疲劳破坏部分地区，其最大缺点是当截面开裂后应力会突然变化，刚度也会突然变小，影响其使用寿命。

3 三钢混凝土的力学性能及应用

从实践及理论分析需要一种高强度抗拉、抗裂、抗疲劳的材料在解决普通简支梁、预应力及部分预应力的缺点，同时具有便于施工、投入少的优点的结构方案。通过多方面分析研究及试验利用几种材料来组合，即钢纤维、钢丝网、钢筋、混凝土共同作用，也就是三钢混凝土可以有理想的抗拉、抗裂、抗冲击、抗疲劳、韧性及延性等方面力学性能，而且能够方便地制作高强度、轻型薄壁构件，使结构轻型化，减轻结构自重、恒载，不需要特殊设备，大大降低施工难度及施工成本。

三钢混凝土的基本力学结构图如下。

从上面的结构图可以分析出钢纤维、钢丝网、钢筋分别不同时期发挥作用。

初裂阶段：受拉区的拉应力主要由边缘的高强度的钢纤维混凝土承担；

当拉应力使边缘钢纤维混凝土无法满足强度要求但未开裂时，拉应力由钢纤维与钢丝网共同承担；

当荷载不断增大，由钢筋承担，直到超过其极限荷载而破坏。

从以上几个受力时段可以发现，高强度钢纤维混凝土能有效控制裂缝的扩展，而且能推迟承载能力的极限状态，延长结构使用寿命，最难得的是钢筋达到屈服强度时，结构受拉区裂缝在钢纤维和钢丝网的作用下宽度控制相当好，能防止外部环境的锈蚀、破坏。三钢混凝土解决了普通混凝土抗拉性能低韧性差、易开裂、强度高但脆性大，破坏无征兆的弱点，提高了其破坏时不成粉状的安全系数；同时也解决了预应力混凝土结构使用昂贵的高强材料钢绞线但不能有效提高结构的延性和韧性的特点。三钢混凝土有钢纤维和钢丝网的掺入,可有效减少微裂纹的开展,降低微裂缝的扩展速度,在承受车辆荷载反复作用时,钢纤维与钢丝网从混凝土中脱拉出来需要很大的荷载,使结构开裂后性状发生根本变化,这个过程缓慢而且有明显征兆,提高桥梁的安全使用性能。

总之，三钢混凝土具有良好的抗拉、抗裂、抗冲击、抗疲劳性能、延性和韧性好等优点，而且在承受荷载时使承载能力极限状态到来推迟，受力钢筋达到屈服时也能使受拉裂缝的宽度控制在能满足国家有关裂缝宽度控制范围内，且受力钢筋不被破坏，其状态类似于部分预应力结构的承载状态，但其性能又优于普通的部分预应力结构，同时又具有完全预应力构件的一些优点。在中小跨径桥梁施工中大大降低了难度，其钢纤维混凝土只用普通的强制式搅拌机就可以搅拌出合格的混合料，对于钢丝网、钢筋就更不成问题了，在市场上可以很方便的买到，有效地减小构件截面设计，降低工程成本。三钢混凝土梁板与普通的简支梁施工工艺比较接近，使得常规施工队伍、设备场地就可以完成，在通乡通村公路建设中的中小跨径桥梁、涵洞盖板施工中发挥积极的作用，并得到广泛应用。

[1]蒙云教授《低预应力三钢混凝土连续梁研究》，重庆交通大学；

[2]《桥梁工程》上，交通出版社；特别致谢：重庆交通大学蒙云教授精心指导。