预应力混凝土刚构桥的发展

预应力混凝土刚构桥的发展

摘要：预应力混凝土刚构桥在我国发展的50多年中，不断创新，实现了更大跨径，总结其原因是工程材料的改进，预应力技术的发展与普及、设计方法与施工技术的不断发展。这也为今后预应力混凝土刚构桥的发展指引了方向。

关键词：预应力混凝土；刚构桥；发展；原因

Abstract: Prestressed Concrete Rigid Frame Bridge Development in China for over 50 years, continuous innovation, and realize a greater span, summarizes its reason is the improved prestressed engineering materials, the development and popularization of technology, design method and construction technology development. It also for future prestressed concrete rigid-frame bridge development direction direction.

Keywords: prestressed concrete ；rigid frame bridge; development; reasons;

预应力混凝土刚构桥在我国应用非常广泛，其快速发展，特别是从20世纪60年代在我国发展以来的50年中，可以看出预应力钢构桥的跨径从几十米发展到270米，这是预应力技术不断创新的丰硕成果。大跨度预应力钢构桥的发展，如高速公路的快速发展，河流通航要求的提高，首先与当代世界各国经济发展有关，从而对桥梁的使用荷载、跨度和使用性能等提出更高的要求。而工程材料的改进，预应力技术的发展与普及、设计方法与施工技术的不断发展等促进了刚构桥的发展。归纳起来有以下几个原因。

建筑材料的发展与改进。

高强度等级混凝土和其它高性能混凝土的研究与应用

预应力混凝土桥梁结构要求高强度等级混凝土。过去一般常用C40混凝土，目前国内外已开始广泛采用C50、C60混凝土，甚至C80混凝土。减水剂和早强剂的大量推广使悬臂施工在确保质量的前提下加快施工速度，特别是早强水泥的使用更可使混凝土在24小时达到混凝土强度的70%以上，为加快施工速度创造了条件。

高性能混凝土概念的提出至今已有10多年时间，它是伴随着高强混凝土问世的。1993年美国混凝土协会定义高性能混凝土的性质，它需要满足特定性能和匀质性要求，其“高性能”包括：易浇捣而不离析，长期力学性能良好，强度高，异常坚硬，高体积稳定性或严酷环境中使用寿命长久（如海上建筑结构中必须使用）。和高强度一样，各国对高性能混凝土的要求也有所不同，但新拌混凝土的工作性、硬化混凝土的强度和耐久性，是高性能混凝土的基本要素。高性能混凝土在配合比上的特点是低用水量（水胶比低于0.4，而且单方混凝土用水量低于

180kg以下），较低的水泥用量，并以化学外加剂和粉煤灰作为水泥、砂石等基本组成成分。由此形成的混凝土具有孔隙少、致密的微观结构、抗渗性能优良等特点。高性能混凝土在硬化过程中体积稳定，水化热低，温升低，冷却时温度收缩小，干燥收缩也小，故硬化后不易产生裂缝。

（2）预应力高强钢丝与高强钢筋。

大跨度桥梁要求强大的预应力，因此，一方面要提高钢材的强度，另一方面要发展强大的钢绞线，目前国内较广泛采用钢绞线与群锚体系，每束最大极限拉伸力可达4000KN，高强钢丝的极限抗拉设计强度已达1860MPa，这给大跨度桥梁提供极大布束空间。一般用于竖向预应力钢材的精轧螺纹钢材直径最大达40mm，抗拉极限强度可达930 MPa，与此同时，用于张拉钢束的内卡式千斤顶的张拉力能适用钢绞线群锚施工。最大引伸量为200mm，当伸长量超过200mm 时，钢束可反复张拉。高强度预应力钢绞线的使用，群锚体系的发展，以及张拉千斤顶的不断改进，进一步促进预应力悬臂施工的推广与发展。

施工方法的改进

从原西德开始使用挂篮悬臂施工法后，预应力大跨径桥梁相应地得到迅速发展，这种方法现在仍不失为大中跨径桥梁最有效的施工手段之一。

除悬臂浇筑法外，在20世纪60年代又发展了预制梁悬臂拼装法施工。最近也有采用半预制的悬臂浇筑法施工。国内在箱梁高度较大时，发展了箱梁外模固定，而内膜采用滑模施工，既解决了混凝土浇筑振捣的困难，又简化了内膜结构，为大跨度刚构桥施工创造了良好的条件。挂蓝结构形式的不断改进大大减轻了施工挂蓝的重力，使悬臂浇筑技术在更广泛的领域中采用。

结构体系的发展

近代桥梁结构体系的发展是与施工方法的发展密切相关的，它们相互配合，促进了桥梁建筑的发展。预应力T形刚构桥的发展更离不开悬臂施工法的发展，反之悬臂施工方法的发展又促进了预应力刚构桥的发展。起初预应力T形刚构桥是在桥梁跨中带有铰的，随后又发展了带有中间挂梁的形式，这两种形式均能适应混凝土收缩、徐变以及常年温差引起的纵向变形，从而不引起桥墩内的次应力。这两种形式相比较，带铰的形式在徐变挠度较大时，易形成折点，而挂梁形式可平稳过渡，但带挂梁的T形刚构桥，施工时必须增加一套额外的架梁设备、地震区防止落梁的措施和两条伸缩缝。

在此基础上，又发展了悬臂施工到跨中合龙的连续体系，这种体系，施工设备无须更换，速度更快，同时行车平顺。但该体系在沉降差、混凝土收缩与常年温差的共同作用下，会在墩内产生极大的次应力，为此，可将桥墩处固结改为铰接，施工时在桥墩处采取临时固结的措施，从而形成了连续梁体系。

在20世纪90年代建成的主跨在200m以上的连续刚构桥中，主要采用了双

薄壁墩体系，以较薄较高的桥墩起到铰支座的作用，来平衡弯矩。一般主跨采用连续刚构体系，其余边跨采用连续梁形式，可使纵向变形释放，减少墩身内力。为了减轻桥梁结构自重，桁架式结构也广为采用，但这种结构的节点繁多，构造较为复杂，整体性差，给施工单位提出了更高的要求。

T形刚构桥纵向结构体系的发展随着地质条件、地形地貌、功能以及施工设备的发展而逐步发展，之后必定还会有更多新的结构体系产生。

横截面设计的改进

大跨径预应力T形刚构桥，基本都是标准的箱型断面形状，它的优点是，具有较大的抗扭刚度，当结构连续时宜于承受正、负弯矩，下底板受压时较稳定。根据桥面宽的不同，可采用单箱和多箱。腹板可设计成倾斜形式。目前，国内外箱梁设计多采用窄底板、宽顶板、长悬臂截面，横向施加预应力，这样可大大缩小墩身尺寸并降低箱梁自重。

如箱梁较宽时，可在箱梁内设置混凝土斜撑，来增大箱梁的抗扭刚度，也可以沿顺桥向每隔3-4m设置一根小梁，可大大改善桥面板的受力性能。除两端设置横隔梁外，在跨中合龙段也可设置横隔梁，一般其他部位不设横隔梁。

设计理论与计算方面的改进

1970年国际预应力协会、欧洲混凝土委员会布拉格会议上，明确在预应力与普通钢筋混凝土之间做三级预应力分级，建立起三级预应力理论，从而打破了预应力混凝土结构在使用荷载下不允许出现拉应力的传统观念，节约了预应力筋并改善了结构受力性能。然而在90年代以后，我国许多大跨径预应力连续刚构桥出现了不少裂缝，引起了广泛关注。在大跨径预应力混凝土刚构桥中存在着许多参数的不同选择，都会产生较大的内力及应力的变化，并且预应力损失计算也有不确定性，这些都会导致产生拉应力，甚至裂缝。在我国颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）中规定“跨径大于100m的桥梁的主要受力构件，不宜进行部分预应力混凝土设计。”规范的要求是大桥质量的重要保证。如重庆长江一桥设计中压应力储备在1.5-3.0MPa之间，主拉应力在-0.5MPa以内，剪应力在3MPa以内，目前虽桥上通行车辆数量与荷载均属超负荷状态，但运营20多年，质量仍是有保证的。

电子计算机的发展和应用，使得人们对所设计的超静定结构、高次超静定结构大量而繁重的计算更为方便，同时可以运用计算机对设计方案进行比较，使设计更为经济合理。

在结构最优化设计方面，目前国内外有了相当的发展，如关于最优化设计技巧的研究、关于线性与非线性结构体系最优化研究等以及结构安全度问题也越来越被关注。

随着大跨度预应力混凝土桥的发展，我们要从多个方面考虑，包括其强度、