工程实例分析——预应力技术在桥梁结构中的应用
［摘要］本文介绍了预应力技术在桥梁工程中的应用特点，并且通过举具体工程实例进一步进行分析说明。最后展望了未来预应力技术的发展。
［关键词］预应力混凝土桥梁；预应力技术；发展趋势
1预应力技术的总的发展与应用现状。
预应力技术从工程实际应用到现在才半个世纪多，但是由于预应力混凝土具有结构安全可靠、节约材料、自重较小、构件的抗裂性好、刚度大等优点，得以迅速发展，应用范围越来越广泛，应用数量日益增多。预应力技术在20年代40世纪后得到广泛发展，在轨枕、电杆、压力水罐、水塔、单层多层高层建筑、地下建筑、高耸建筑、海洋结构、桥梁、公路、机场跑道、核电站压力罐等各领域得到广泛应用。这种新颖结构技术的应用涉及到预应力高强钢材、混凝土的性能、工艺、设备、设计、制作、施工等方面的诸多问题，经历了较长的发展过程。
我国在20世纪50年代开始试验研究预应力混凝土结构。最初试用于预应力混凝土轨枕，之后于1956年在陇海线成功建成一座28×23.8 m跨新沂河的预应力混凝土铁路梁；1957年京周公路上也修建了一座跨径为20m的装配式后张预应力混凝土简支梁桥。此后预应力混凝土结构在我国桥梁建设中的应用发展迅速，应用范围也扩大到高层建筑、海洋工程压力容器、基础工程等新领域，并随着高性能混凝土的采用，施工工艺的不断创新，计算理论的不断完善，设计思想的不断发展而发展。
2预应力技术在桥梁工程中的应用特点。
预应力技术应用广泛，现代预应力技术在桥梁中的应用，体现的桥梁形式分别为：钢筋混凝土梁式桥、斜拉桥、悬索桥（吊桥）等。正是基于预应力技术的日益成熟和完善，使得更大跨径混凝土梁桥的建造成为可能。桥梁结构领域中，预应力技术既是一种结构手段，又是与施工方法结合形成一整套以节段式施工为主体的预应力施工工法或专利，主要有预应力悬臂分段施工技术、分段顶推施工技术、移动模架逐孔施工技术、块体节段拼装技术、大节段预制吊装技术等。这些施工技术与预应力技术是紧密相关的。现有桥梁的改造、加固技术亦是研究开发方向。
预应力混凝土梁桥，除了具有钢筋混凝土梁桥的所有优点外，它的主要特点是：1）预应力混凝土结构，由于能够充分利用高强度材料（高强度混凝土、高强度钢筋），所以构件截面小，自重弯矩占总弯矩的比例大大下降，桥梁的跨越能力得到提高。
2）与钢筋混凝土梁桥相比，一般可以节省钢材30～40％，跨径愈大，节省愈多。
3）全预应力混凝土梁在使用荷载下不出现裂缝，即使部分预应力混凝土梁在常遇荷载下也无裂缝，鉴于全截面参加工作，梁的刚度就比通常开裂的钢筋混凝土梁要大。因此，预应力梁可显著减少建筑高度，使大跨径桥梁做得轻柔美观。由于能消除裂缝，这就扩大了对多种桥型的适应性，并提高了结构的耐久性。
3预应力技术在桥梁工程中的应用。
3.1预应力混凝土连续梁桥。
3.1.1预应力混凝土连续梁桥发展。
预应力混凝土连续梁桥是预应力桥梁中的一种它具有整体性能好结构刚度大变形小抗震性能好特别是主梁变形挠曲线平缓，桥面伸缩缝一般仅设二道，行车舒适等优点。加上这种桥型的设计施工较成熟，施工质量和施工工期能得到控制，成桥后养护工作量小。预应力混凝土连续梁的适用范围一般在150m以内，上述种种因素使得这种桥型在我国公路、城市和铁路桥梁工程中得到广泛采用。
3.1.2工程实例泸溪沅水大桥。
泸溪沅水大桥是长沙至重庆公路通道湖南省常德至吉首高速公路跨越沅水上的一座特大型桥梁。大桥桥面分两幅布置：1.5m（人行道）+0.5 m（防撞墙）+10.75 m（行车道）+2.0 m（中央分隔带）+10.75m（行车道）+0.5 m（防撞墙）+1.5 m（人行道），桥面总宽29.00 m。
航道等级Ⅳ-（1）级；设计洪水频率1/300，设计荷载：汽车-超20级，挂车-120级，人群荷载3.5kN/m2。主桥设有0.5%的纵坡和竖曲线，有部分平曲线进入大桥，桥面设双向2%的横坡。
泸溪沅水大桥主桥设计为68m+3×110m+68m预应力砼变截面悬浇连续箱梁，引桥设计为17×40m预制预应力砼先简支后连续T梁，大桥全长1161.80m。桥型布置见图1。主桥悬浇连续梁预应力体系采用三向预应力。纵向预应力束根据张拉的时间与形状不同可分为前期直束、前期下弯束和后期束，前期直束与前期下弯束在浇筑“T”时进行张拉，后期束在“T”浇注完毕以及前期直束和前期下弯束张拉完成后，主桥合拢时或成桥后进行张拉。
本例中使用预应力连续箱梁，预应力混凝土连续箱梁桥的跨径可达300m左右，在这个跨径领域内，它可与钢桥竞争。箱形梁的优点是抗扭刚度大，适用于曲线桥及承受较大偏心荷载的直线桥。箱形梁主要有预应力混凝土箱形连续梁和钢箱形梁。从预应力混凝土连续梁桥的受力特点分析，连续梁的立面以采用变高度的布置为宜。同时，采用悬臂法施工的连续梁，变高度梁又与施工的内力状态相吻合。另外，采用的变高度梁使梁体的外形和谐，节省材料并增大桥下净空。
在设计上，箱形截面可极大地发挥预应力的效用。可提供很大的混凝土面积用于预应力束的通过，更关键的是可提供较大的截面高度，使预应力束有较大的力臂。
3.2斜拉桥。
3.2.1斜拉桥的发展。
斜拉桥又称斜张桥，属于组合体系桥梁，其上部结构由主梁、拉索、塔三类构件组成，是种桥面体系以加劲梁受压（密索）或受弯（稀索）为主、支承体系以斜拉索受拉及桥塔受压为主的桥梁。其主要特点是利用索塔引出斜拉索悬吊梁跨。这种悬吊作用相当于在梁跨下面设置若干弹性中间支承。这样可以大大减小梁跨的弯矩，提高梁的跨越能力。
3.2.2工程实例郑州黄河公铁两用大桥郑州黄河公铁两用大桥是京广客运专线及河南郑州-新乡城际公路跨越黄河的特大公铁两用桥。主要技术标准：一是铁路，双线客运专线，设计速度350km/h。二是公路，一级公路，双向6车道，设计速度100km/h。两岸大堤之间为公铁合建段，长约9.2km，采用上下层布置方式,公路在上层，铁路在下层。主桥分两联布置，总长1684m。
第一联采用120m+5m×168m+120m六塔单索面部分斜拉连续钢桁结合梁方案。第二联采用5m×120m连续钢桁结合梁方案。
图4斜拉桥横断面图（单位：cm）上层公路桥面宽32.5m，设双向6车道，下层铁路桥面为双线客运专线。主桁采用无竖杆的三角形桁式，桁高14m，节间距12m。横向布置为三片桁，中桁垂直，边桁倾斜，下弦桁间距8.5m，上弦桁间距12m，见图7。斜拉索为单索面布置，桥塔布置在桥梁中心线上，索、塔与中主桁相接，桥塔采用钢箱结构，塔高37m，主塔立面布置为“人”字形，每个主塔布置有5对斜拉索。
本桥采用了预应力箱梁，同时体外预应力索。体外索在预应力混凝土结构中的使用是近来建筑工业发展的方向之一。使用体外预应力技术的桥梁工程具有以下优点：1）由于板内没有安装管道，减小了板的厚度，从而减轻了桥梁的重量；2）预应力索安装简便；3）易于检查预应力索,有利于索的养护；4）预应力索的替换或者再次张拉成为可能；5）大大地缩短施工工期，特别是使用预制分段拼装方法施工的桥梁。高性能轻质材料的使用减轻了结构的自重。
3.3悬索桥。
3.3.1悬索桥的发展。
悬索桥又名吊桥，是以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。悬索桥的主要缺点是刚度小，在荷载作用下容易产生较大的挠度和振动，需注意采取相应的措施。
预应力钢筋混凝土吊桥是将预应力梁中的预应力钢丝索作为悬索，并同加劲梁构成自锚式体系，1963年建成的比利时根特的梅勒尔贝克桥和玛丽亚凯克桥，主跨径分别为56米和100米，就是预应力钢筋混凝土吊桥。
3.3.2工程实例（日本明石海峡大桥）。
日本明石海峡大桥，位于本州岛与四国之间，主跨1991米（960+1991+960），全长3910米，为三跨二铰加劲桁梁式吊桥，钢桥283米，高出333米桥宽35.5米，双向六车道，加劲梁14米，抗震强度按1/150的频率，承受8.5级强烈地震和抗150年一遇的80m/s的暴风设计，为目前世界上跨度最大的悬索桥。
该桥2根主缆直径为l122mm，为世界上直径最大的主缆；主缆钢丝的极限强度为1800MPa，也是世界记录。主缆由预制平行钢丝束组成，这项工艺也适用于同样规模的悬索桥。牵引钢丝由直升飞机牵引跨越明石海峡，这是世界上首次应用的新工艺。
4预应力技术在桥梁工程中应用的展望。
4.1预应力技术的优势与发展。
我国钢筋混凝土桥梁建设相对于发达国家相比发展缓慢，已建成的桥梁现在也慢慢产生问题，对已建桥梁加固维修成为现实。桥梁加固自然成了必须考虑的方案，而运用体外预应力加固桥梁结构是目前比较新颖的技术，尤其是在大桥的加固方案必选中往往成为首选。
4.2未来第一桥。
悬索桥被认为是目前可以建造跨径最大的桥梁结构形式，未来的世界第一桥意大利墨西拿海峡大桥：据有关资料，意大利政府是在2003年8月1日正式批准修建墨西纳海峡大桥计划的。按照设计方案，墨西拿海峡大桥的桥身长3,690米，加上两端的引桥，总长度为5,070米。此外，还有四根长5,300米的钢索和两座高达400米的塔（比埃菲尔铁塔还高），这两座塔的整体结构将耸立在距海平面65米处。大桥一旦建成，根据设计能力，每小时汽车的通行能力将达到4,500辆，火车日通行量为200列。
墨西拿海峡大桥(悬索桥)布置方案（单位：m）建成后的墨西拿海峡大桥将以最短距离连接西西里岛和亚平宁半岛上的卡拉布里亚区，火车、汽车通过海峡仅需3分钟。该桥主跨3,300m，建成后将超越目前世界第一大悬索桥———日本明石海峡大桥（主跨1,991m）成为世界最长的悬索桥。
这么大型的工程不是一朝一夕能够实现的，长达24年的设计工作终于拿出了最后设计方案,选择了3300m的单跨悬索桥。
体外预应力技术是将预应力筋束布置在主体结构外部，通过锚固端和转向装置来传递预加应力。很多伟大的工程得以实现，体外预应力起着非常关键性的作用。
5结语。
我国自五十年代以来，预应力技术发展迅速，特别是近十年来改革开放以后，迎来了我国桥梁建设的黄金时期。21世纪将会对预应力张锚机具、预应力结构的防腐蚀、耐久性、防火性能、抗震性能及结构设计创新等方面取得更大的成就