轻集料混凝土桥梁工程发展概况

[摘要] 简要介绍了国内外轻集料混凝土大跨径桥梁工程发展概况，分析其特点，提出轻集料混凝土在桥面工程和大跨径箱形截面的弓形悬臂桥梁中应用具有最好的技术经济效果。为改善其性能，建议采用次轻混凝土(特定密度混凝土) ，效果良好，值得借鉴。

[关键词] 轻集料混凝土；次轻混凝土；桥梁工程

　　轻集料混凝土(以下简称LWAC) 最突出的优点是质量轻，与同强度等级的普通混凝土相比可降低自重20 %～25 % ，还具有热稳定性好、抗冻抗震，且无碱集料反应危害的特点，是建造高层、大跨土木工程最理想的结构材料。近20 多年来，我国桥梁工程设计、施工技术发展十分迅速，数以百计的各种形式的大跨径桥梁跨越大江、河、海，有的主跨达1300m以上，跨度名列世界前茅；各城市已建成的立交桥、高架桥更多，为我国的铁路、公路和城市交通的发展作出了重大贡献。但遗憾的是至今我国轻集料混凝土在桥梁中仍然很少应用，即使是在小跨径桥梁中也不多见[1 ] 。下面介绍LWAC在桥梁中应用的一些情况，对我们今后的工作能有所裨益。

1 　应用概况

1.1 　美国是应用最早、最多的国家

    1913 年美国研制成功页岩陶粒(国外又称膨胀页岩) ，很快就用它配制成抗压强度为30～35MPa 的轻集料混凝土，应用在房屋建筑、船舶制造和桥梁工程中。至1920 年，就已用它建造了10 多座桥梁。

    20 世纪70～80 年代，美国轻集料的年产量达1700 万m3 ，最高曾达2300 万m3 ，在桥梁工程中的应用位居榜首。80 年代初，美国的LWAC 已在400 多座桥梁工程中应用[2 ] 。1 份从1920～1985 年对257 座桥梁统计资料分析说明，从1950～1965 年间美国应用LWAC 的桥梁处于高峰期，共达125 座，平均每年约17 座；1958 年最高达34 座。1966 年后趋于稳定，每年平均约316 座。但LWAC 用于修复、加固、扩建旧桥梁的数量却日益增多。

1.2 　日本在桥面工程中应用较多

      日本是在二次世界大战后才大力发展人造轻集料的生产。1970 年达最高峰，年产约300 万m3 ，不仅用于建造民用与工业建筑，还在城市、公路、铁道桥梁及海洋构筑物(含采油平台) 广泛应用。1983 年日本人造轻集料协会曾对日本从1964～1983 年间360 例轻集料混凝土工程进行了全面的调查[3 ] ，发现LWAC绝大部分用于桥梁工程，约占88 %。其中用于桥面板达54 % ，用于桥梁基础约26 % ，用于桥面承重梁仅占4 % ，铁道桥、人行桥仅少量用LWAC 建造。1967～1970 年，无论是施工数量或是LWAC的使用量都处于高峰期。

1.3 　欧洲国家的应用有其特色

      德国是天然轻集料生产和应用最多的国家，在二次世界大战后的城市建设中曾起过积极作用，但对人造轻集料的生产和应用也十分重视。早在1961 年，在莱茵河威士巴登市附近的一条支流上曾用LWAC建成1 座3 跨总长为235m、主跨为105m的预制预应力LWAC 弓形步行桥[4 ] 。以后又相继在莱茵河上建造数座3 跨现浇的预应力LWAC 悬臂弓形箱桥，主跨最大跨度达185m ，其中间部分是用轻集料混凝土建造，跨端则用普通混凝土或用普通集料和轻集料相结合的“轻质普通混凝土”，即现在的“特定密度混凝土”建造。德国首创的这个经验，大大提高了这类大跨径桥的科学性、安全性和经济性。

      荷兰是个低于海平面的国家。河流纵横交错，早期自己又不生产人造轻集料。1968 ～ 1982 年间， 采用LWAC 和LWAC2普通混凝土相结合的方法建造了12 座3 跨预应力悬臂弓形箱桥，中跨长112～157m[2 ] 。

      挪威以生产莱卡超轻陶粒著称于世。近10 多年来也对高强人造轻集料及其在桥梁中的应用给予极大关注。1987 年以来，用高强LWAC建造了11 座大跨径桥，其中2 座桥的中跨分别达到301m和298m ，是当前跨度最大的预应力悬臂弓形桥，轻集料混凝土强度等级达LC60[5 ] 。

      前苏联曾是世界上轻集料产量最高的国家，20 世纪80 年代最高年产量曾达5000 多万m3 ，虽然大量用于工业与民用房屋建筑， 但据资料介绍， 自1961 ～ 1980 年也已建成LWAC各种桥梁100 多座。

1.4 　我国近几年来发展较快

      我国早在20 世纪中叶就开始对轻集料及轻集料混凝土进行研究，但发展缓慢，至今人造轻集料的年产量还不到400 万m3 ，且主要在工业与民用建筑中应用。1960 年河南平顶山就用粘土陶粒混凝土建成我国跨径最大的湛河大桥——— 净跨为50m的拱形公路桥；之后又在南京长江大桥和九江、黄河大桥的部分桥面板应用轻集料混凝土；1965～1968 年， 在宁波市与上海市之间，也曾用轻集料混凝土建成30 多座中、小型预制箱形预应力公路桥，最大跨径仅为23m。混凝土强度都不高于LC30。直至20 世纪的90 年代后期，在国内外高强混凝土技术迅速发展的推动下，我国高强轻集料混凝土的研究与应用才出现新的转机，在上海、宜昌等地研制成功高强轻集料并开始在桥梁工程中应用。2000 年在天津，用强度等级为LC40 的轻集料混凝土建成1 座预应力多跨连续箱形桥梁———永定新河桥引桥，全长1500m ，每跨最大跨径为35m ，是我国轻集料混凝土用量最大、强度等级最高的桥。2001 年，在北京的健翔桥扩建、新芦沟桥的改造工程和蔡甸汉江大桥桥面铺装工程也采用了高强轻集料混凝土，取得了很好的技术经济效果。

2 　应用特点

      综观国内外轻集料混凝土在桥梁工程中应用的情况，我们认为有以下几个主要特点值得我们重点加以学习和推荐。

2.1 　大量用做桥面板

      在钢筋混凝土桥梁中，混凝土的密度(即自重) 在桥梁结构荷载中占有很大比重，且是跨度越大，所占比例越大。J . Brakel[6 ] 研究了轻集料混凝土和普通混凝土对桥梁荷载的影响，认为桥梁跨径越大，采用轻集料混凝土建造桥梁，其降低结构的自重越大，经济性也就越显著(见表1) 。

　　由此可见，在桥梁中采用轻集料混凝土可以大大减轻支撑结构的恒载，提高桥梁的安全性，节约大量材料，具有很大的技术经济价值。西方很多国家在桥梁中应用轻集料混凝土尚无经验的初期，都是从桥面板的应用开始的。如1936年加利福尼亚州的旧金山———奥克兰湾桥，总长共约3110m， 其西湾桥有两个悬索钢桁架桥，桥面板都是用页岩陶粒砂轻混凝土建造的，1985年前，美国用LWAC 建造的250多座各种桥梁中，50%以上是用作桥面板的，其中钢结构桥梁55% 的桥面板是用LWAC 建造的，且在被调查的桥面板中，有56%是裸露的，不另做沥青铺装层。

       日本1983 年对360 例LWAC 工程调查结果也说明：有88 %LWAC用于桥梁，其中用做桥面板的约占54 %。美国轻集料混凝土桥面板主要是现浇铺装的，个别采用预制的预应力板，其平均技术指标如下：

①     现浇混凝土　气干表观密度为1780kg/m3 ，设计抗压强度为27MPa ； 桥面板平均厚度为185mm。

②     预制混凝土　气干表观密度为1840kgPm3 ，设计抗压强度为35MPa ；外形尺寸:长14m；宽3～4m；厚220mm。

2.2 　大跨径弓形悬臂桥经济性最好

    1961 年德国首次采用轻集料混凝土建造中跨为预制的、跨径达105m的弓形桥。以后很快发展到用悬臂法施工的跨径更大的弓形箱梁桥，并迅速扩散到荷兰、挪威、法国等欧洲国家。1968～1982 年，在荷兰建造了12 座中跨为112～157m 的预应力LWAC弓形箱悬臂桥(见图1 ①～ ④) 。

    1979 年美国跨越Stanislans 河建成主跨为192m Parrots 浮桥，全长387m(97.5m + 192m + 97.5m) 的悬臂法施工的弓形箱梁桥，采用轻集料混凝土，气干表观密度1840kg/m3 ，28d 抗压强度35MPa ，泵送施工，是当时采用轻集料混凝土最复杂的桥梁工程之一。

     1987 年以来，挪威又用高强LWAC 建造了11 座桥梁，其中6 座为中跨154～301m 的用悬臂法施工的弓形箱梁桥； 1999 年建成的2 座(Stolma 桥和Raftsund 桥) 中跨分别为301m 和298m ，是当今世界上用预应力LWAC建造的跨度最大的桥梁。

      美国公路管理局所属单位曾对用轻集料混凝土和普通混凝土建造的不同结构形式、不同跨度桥梁的经济性进行研究[2 ] 。其研究的结构形式包括非等截面弓形悬臂箱梁桥等5 种桥梁结构(见图1) 。研究结果表明，采用轻集料混凝土替代普通混凝土建造桥梁，无论哪种类型的桥梁都可大大降低恒载在总荷载中所占的比例。虽然两者的混凝土用量大致相同，但使用轻集料混凝土可以明显降低钢或预应力筋的用量，且可以降低下部结构和基础的荷载，缩短工期，降低原材料运输费用，从而收到明显的技术经济效益。

      5 种不同结构形式桥梁，采用LWAC 取代普通混凝土可节约的结构钢或预应力筋的平均用量如表2 所示。由表2 的比较可见，用LWAC 取代普通混凝土建造的弓形悬臂箱梁桥，可降低预应力筋用量达21.4 % ，是几种结构形式桥梁中节约最多的。

2.3 　次轻混凝土的应用效果好

      次轻混凝土，在国外又称特定密度混凝土。它是在轻集料混凝土中用普通粗集料定量取代部分轻集料配制而得的一种比轻集料混凝土重，而又比普通混凝土轻的过渡性混凝土。

      据资料[2 ，5 ] 介绍，早在20 世纪60 年代初，德国首先将它用在预应力轻集料混凝土桥梁上。最初是为了改善LWAC弹性模量低和预应力梁式桥端部局压状态，用普通混凝土直接取代部分轻集料混凝土，以后才发展到在普通混凝土掺入部分轻集料的“特定密度混凝土”。在荷兰、挪威等地大量建造的用悬臂法施工LWAC 弓形箱梁桥都在其支座附近的桥梁端部使用了特定密度混凝土。近10 年来，还在严寒的北海采用这种混凝土建造了多座采油平台。其混凝土的表观密度为2000～2250kg/m3 ，抗压强度达75MPa。

       2000 年6 月在挪威召开的第二届结构轻集料混凝土国际会议上，A. Holm和P. Ries 的文章[7 ] 介绍了他们的部分研究成果，成果说明，次轻混凝土随着普通粗集料含量的提高， 其表观密度也随之增长，混凝土的弹性模量也随之增加，但对其抗压强度却影响不大。只是在其表观密度较高时，劈拉强度略有提高。显然这对长跨径桥梁端部力学性能的改善将有很大影响。

　　我们认为，次轻混凝土的特性可能不止于此。它对混凝土强度和变形性能、施工性能及其经济性，和轻集料混凝土的应用技术影响较大，还需进行深入研究。

3 　启迪和建议

       综上所述，我们得到的最大启迪是:轻集料混凝土在桥梁上应用国外已有很成熟的经验，它具有很大的技术经济效益。在这方面我们与一些发达国家相比，差异很大。为缩短这个差距，我们建议：

(1) 首先要将轻集料混凝土用在桥梁桥面板和钢筋混凝土旧桥的修复、加固和扩建工程上。国内、外的经验已经证明，这是应用最早、技术最成熟、经济效益最好的领域之一， 应大力推广。

(2) 悬臂法施工的大跨径弓形箱梁桥是采用轻集料混凝土建造最合理的结构形式之一。我国西部地区河流纵横，山川阻隔，河流宽度不大，最适宜建造这种结构形式的桥梁。我国已有用普通混凝土建造20 多座桥梁(跨径为60～270m) 的经验，应进一步研究、发展，将它应用到轻集料混凝土桥梁中去。

(3) 应加强对次轻混凝土的试验研究工作。国外将次轻混凝土巧妙用在大跨径轻集料混凝土桥梁和采油平台上，取得了极大成功。我们要大力推广轻集料混凝土在桥梁中的应用，对次轻混凝土的开发研究给予更大的关注，更多的研究。

(4) 应大力支持高强轻集料生产的发展。否则，用LWAC 建造高层、大跨建筑将成无米之炊。近几年，很多地区都在筹划建设高强轻集料生产厂，应该大力支持。

(5) 加速《轻集料混凝土桥梁技术规程》编制工作。为推广LWAC在桥梁工程中的应用，有关国家都有自己的设计、施工规范。我国的钢筋混凝土桥梁设计规范不包括LWAC ， 因此，LWAC 桥梁的设计至今无法可依。2001 年，根据中国工程建设标准化协会下达的计划， 《轻集料混凝土桥梁技术规程》已开始编制，规程的征求意见稿现在已经提出，计划2002 年颁发执行。

参考文献:

[1 ] 　龚洛书，柳春圃. 轻集料混凝土———混凝土现代技术丛书[M] . 北京:中国铁道出版社，1996.

[2 ] 　FHWAPRD285P044. Criteria for Designing Lightweight Concrete Bridge [ S] .

[3 ] 　张荣成译. 人造轻骨料混凝土设计施工手册[M] . 1990.

[4 ] 　陈增林，皮心喜，张传镁编译. 结构用轻骨料混凝土[M] . 长沙: 湖南科技出版社，1982.

[5 ] 　丁建彤，郭玉顺，木村薰. 国外结构轻骨料混凝土应用现状[M] . 第六届全国轻骨料及轻骨料混凝土学术讨论会论文集. 2000 ，9.

[6 ] 　J .Brakel ，N. R. Sharpe. 应用轻混凝土的经济性. 国外轻骨料混凝土应用(译文集) [M] . 北京:中国建筑工业出版社，1982.

[7 ] 　A. Holm，P. Ries. Specified density concrete2A. Transition[J ] . ESCSI2 U. S. A. 2000 ，6.