预应力混凝土技术在我国城市桥梁建设的创新和发展.pdf

8 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全 国技术高峰论坛专辑 2 0 1 1 年8 月第8 期 预应力混凝土技术在我国城市桥梁建设的创新和发展 穆 祥 纯 ( 北 京市 市政工 程设计研 究总 院 ， 北 京市 1 0 0 0 8 2 ) 摘 要 ： 全 面 回顾 和 总结 了 2 l世 纪前 十年我 国城 市桥 梁建设 在现 代预应 力技 术 创新发 展 和应用 情况 。 通 过剖析 四个 经典 工 程案例， 并从设计理念和设计思想上的创新、 新技术、 新材料、 新工艺应用上的创新， 以及预应力混凝土桥梁结构裂缝防治的 最新研究并来展示其创新发展的相关情况， 并对现代预应力技术在城市桥梁建设领域的发展作出了展望， 以期引起人们对该 领域 的关注 ， 推动 我 国城 市桥梁 建设 的可持 续发展 。 关键 词 ： 预应 力技 术 ； 城 市桥 梁 ； 创 新发展 ； 展 望 中图分 类号 ： U 4 4 8 文献标 识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 0 8 1 0 1 概述 现代 预应力 混凝 土技术 自 1 9 2 8年法 国学者 E F r y s s i n n e t 研究成 功后 ，经过 8 0多年来 的实践 和完善，在世界各地建筑和桥梁结构物得到广泛 应用 。林同炎教授 曾对预应 力混凝土作 出如下精 辟 的定义 ： “ 预应力混凝 土系其 中已建立有 内应力 的混凝土 ，内应力 的大小和分布能抵消给定外部 加荷所引起 的应力至所预期 的程度 。 ” 我国的预应 力学者也作出如下 的定义 ： “ 预应力混凝土是根据 需要人为地引入某一数值的反向荷载 ，用以部分 或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土。” 城市桥 梁通常指 城 区范 围内建造 的跨 河 、 跨 江 、 跨海 桥梁 ， 立交桥及 人行天桥等 。近 3 O多年 来 ， 特别是 2 l 世纪前十年我国的桥梁建设尤 以城 市桥梁建设得 到了空前 的发展。北京 、 上 海、 天津 和重庆等一大批 城市桥梁建设令世人瞩 目。且在 混凝土工程技术 和预应力技术应用方 面得 到了长 足 的进步 。 最近十年来 ， 我国预应力混凝 土桥梁发 展很快 ， 无论在桥型 ， 跨 度以及施工方法 与技术方 面都有突破性进展 ，不少预应力混凝土桥梁 的建 造技术 已达到国际先进水平 ，从组成混凝 土的材 料 ，张拉技术和施工方法及结构抗震性能 上的发 展上都跻身世界的前列 。 应该说 ， 我 国预应 力混凝 土的研究和应用 比欧美 国家大约晚 1 0年 ， 但 近年 来的发展之迅速 ， 应用数量之庞大 ， 令世人刮 目相 收稿日期 ： 2 0 1 1 o 6 2 2 作者简介： 穆祥纯( 1 9 5 5 一 ) ， 男， 北京人， 教授级高级工程师 副院长 ， 从事桥梁设计 ， 城市交通研究就技术管理工作。 看 。我国已建成 的预应力混凝土桥梁大多都采 用 C 4 0C 5 0混凝土 ， 进 而采用减水剂等添加剂制 备 塑性混凝 土 ， 并发展 了泵送混凝土工艺 。 随着桥 梁 跨度的增加 ， 为减少桥 梁结构 的 自重 ， 混凝土逐渐 向高强 、轻质方 向的发展。下面通过 4个典型案 例 ， 并从设计理念 和设计 思想上 的创新 ， 新技术 、 新材料 、 新 工艺应用上 的创新。 以及 预应力混凝 土 桥梁结构 裂缝 防治的最新研究 ，来展示其创新 发 展的相关情况 ，论述一下现代预应力技术在我国 城市桥梁建设创新发展的相关情况。 2现代预应 力技术在城 市桥梁设计和建 造应用的经典案例 一 般来说 ，城市桥梁设计水平主要体现在 大 跨度桥梁 的建造上。 从 1 9 9 1年上海南浦大桥的成 功建成，至今我国已建成数以百计的城市大跨径 桥梁，其中苏通大桥系世界上最大跨径的钢斜拉 桥 ( 跨径 为 1 0 8 8 m) ，上海卢浦大桥是世界上最 大跨径 的钢拱 桥 ( 主跨 为 5 5 0 i n ) ， 连接扬 州和镇 江两 座城市 的润扬大桥是 2 0 0 5年我 国跨度最 大 的悬索桥 ( 主跨为 1 4 0 O m) ；而同年建成的上 海 东海大桥( 3 2 5 k m长 ) 和 2 0 0 8年杭州湾跨海大桥 ( 总长 3 6 k m) 的成功建成 ， 充分说明我 国在长大 、 大跨径桥梁建设水平上 已跻 身世界前列。而 2 0 0 8 年建成 的浙江 舟山西堠 门大桥为主跨 1 6 5 0 m的 悬索桥， 为我国跨度最大的悬索桥， 居世界最长跨 度 的桥梁第二位 ( 第一为跨度 1 9 9 1 m的 日本明 石海峡悬索 桥 ) ； 2 1世纪的前 l 0年 ， 在世界 1 0座 悬索桥的排名中我国占据 5座，充分说明我国建 参考 文献 【 1 】 朱兆芳， 赵建伟， 张欣红 城市道路交通与节能降耗 J 城市道桥 与防洪， 2 0 0 8 ( 1 0 ) 【 2 】 城市快速路设计规程 及宣贯讲稿 z 1 2 0 0 9 3 P a u l o S e r g i o C u s t o d i o 绿 色交通相关问题概述【 J 】 _ 城市交通 2 0 0 7 ，4 【 4 】 天津市市政工程设计研究院， 同济大学 城市快速路系统设计 关键技 术研究 总报 告【 R】 2 0 1 0 【 5 】 朱兆芳 ， 杨鸿 远 运 用交通 工程学 搞好 中环线设 计 AI 天津市 市 政工程 设计研 究 院 5 5周年论 文集 e 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年8 月第8 期 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 9 桥的惊人速度和宏大规模 。 下面四个经典 案例 ，充分 反映了城 市桥 梁设 计和建造水平 的创新发展。 2 1大跨度钢桁拱与混凝 土三角刚构 新型组合桥 梁的最新发展 譬如 ， 2 0 0 9年获得第八 届 中国土 木工程詹 天 佑奖的城市桥梁广州新光 大桥为广州 市新光 快速路跨越珠江的一座特大桥 ， 全长 1 0 8 2 m。桥 跨 形式 为 ( 35 0) m+( 1 7 7+4 2 8+ 1 7 7 )m+ ( 3 5 O )m三联连续 桥跨结构 。其 中两侧 引桥 为 3 5 0 m的预应力混凝土连续 箱梁 ， 主桥为三跨 连续 飞雁 式刚架钢桁系杆拱桥 ， 大桥于 2 0 0 6年建 成通 车。该城市桥梁系我国首座大跨度钢桁拱与混凝 土三 角刚构的新 型组合桥梁 ， 实现 了钢 、 预应力混 凝 土、普通混凝 土等不 同材料 以及钢桁拱与 三角 刚构不 同结构形 式的有机结合 。该桥成功设计 了 承担弯 、 剪受力为 主的钢 混连接新 型构造 。 通过 有 限元分析并结合模型试验的验证 ，对钢桁拱与 混凝土三角刚构 、边拱钢拱肋拱铰处 以及大体量 的三 角刚构等复杂节 点进行 了深 入 的分析 研究 ， 总结了在各种荷载状态下的应力分布规律，并成 功地将研究成果应用于设计中 ， 确保 了结构施工 、 运营 中的安全 。其 主桥 4 2 8 m， 总长 7 8 2 m的桥型 结构有重大突破 ， 其 主拱 中段 滑移 、 浮运 、 提 升构 件尺寸 、重量 以及提升高度综合技术指标 居世界 同类 型桥梁的首位 、大跨度钢桁拱与混凝 土三角 刚构 组合桥 的整 体技 术总体 上 达 到 国际先 进水 平 ， 见图 1 。 图 1 广 州新光 大桥 鸟瞰 2 2 连续刚构与连续梁 组合体 系桥梁的新进展 又如 ， 2 0 1 0年获得第 九届 中国土木工程詹 天 佑 奖 的 城 市 桥 梁重 庆 长 江 大 桥 复 线 桥 系 2 0 0 6年 9月建成通车 ， 为连续 刚构 与连续梁组合 体系 ， 全桥长 1 1 0 3 5 m， 主跨 3 3 0 m。该桥跨径成 为世界梁式桥之最( 原 为挪威 1 9 9 8年建成 的斯托 尔桥 3 0 1 m) 。这座大桥充分利用钢结 构和预应力 结构各 自的的特点 ，在充分认识预应力连续 刚构 体系力学行为的基 础上 ，开创性地把组合结 构概 念和钢一混凝土连接技术融合起来。为提高跨越 能力 ，该 工 程在 3 3 0 m主跨 中间创 造性 的采用 1 0 8 m钢箱梁 ， 大大加快 了施工进度 。 该结 构体 系 较好地解 决了结构不对称及超静定次数多 、温度 变化 、 混凝土收缩徐变等问题 。 同时较好地 运用 了 体外预应力束技术 ， 改善了结构受力和变形控制。 这座大桥采用主跨 3 3 0 m钢混组合式连续刚构 桥 ， 其技术有诸 多创新性 ， 达到 国际先 进水平 ， 获 得了 2 0 0 8年美 国卓越设计贡献奖 ， 见 图 2 。 图 2重 庆长 江大桥 复线 桥 2 3 无推力刚构 一系杆拱桥 的新突破 2 0 1 0年获得 第 九届 中国土 木工 程詹 天佑 奖 的城市桥梁重庆菜园坝长江大桥 ，系国内最 大的公共交 通和城市轻轨两用大桥 ，其结构属无 推力刚构 一系杆拱桥 ， 大桥全长 1 8 6 6 m， 其 中主 桥 8 0 0 m， 北引桥 8 6 6 m， 南引桥 1 8 0 m。主桥 4 2 0 m 主跨居世界公轨两用系杆拱拱桥之首。主桥设计 为两层 ， 上层为双 向六 车道 ， 下层为轻轨 。主桥主 体 结构 体 系包 括南 北两 侧 的边 跨 均为 预应 力 Y 型刚构 、中跨 3 2 0 m钢箱提篮拱和 8 0 0 m正交异 形板组 合钢桁 梁等子结 构 、 Y型 刚构与钢 箱梁通 过系杆拱 连接成 4 2 0 m跨 的系杆拱 ，正交异形板 连接钢桁 梁将活 载传 递到 刚构 和拱结构 之上 ， 形 成了多种结构体系的组合，该结构体系在国内系 首次采用 ， 其结构受力 复杂 ， 体系转换频繁。 在现代预应力技术 的应用上 ， 有如下创新 ： 一 是在设计上首创 钢一系杆拱组合体 系。这一开创 性 的钢 一系杆拱组合结构体 系最大 限度利用 了混 凝土具 有的耐久 、 抗压 、 经济 以及钢材料具有 的轻 质、 高强的特性 ， 体现了“ 经济一美观” 与“ 安全一 实用原则统一 的实现 。二是预应力 Y型刚构为三 维空 间非对称变截面薄壁箱型结构 ，采用支架 法 悬臂现浇技术 、悬臂现浇 吊挂施 工和底膜侧膜 一 体化整体拖拉施工技术 ，成功地解决 了特殊预应 力混凝土 Y型刚构施工技术难题 ， 见 图 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 2 0 1 1 年8 月第 8 期 图 3重庆 菜园坝 长江大桥 2 4 预应力混凝 土桥梁 阶段拼装综合技术的成 功 应 用 2 0 1 0年获得 第 九届 中 国土木 工程 詹天佑 奖 的北 京丰北路( 三环 四环 ) 改 建扩工程 ， 将预应 力混凝土 阶段拼装综合技术在城市桥梁的建设上 成功地进行 了推广应用 。该工程共建成枢 纽立交 两座 ( 四丰立 交和丽泽桥立交 ) ，一般 立交一 座 ( 万寿路南延立交 ) ，人行天桥 3座 ，桥梁 总面积 4 3万 m 2 ， 于 2 0 0 7年 6月竣工。其科技创新与新 技术应用如下： 一是该工程建设 了具有弯 、 坡 、 斜 空间曲线 的预应力预制阶段拼装桥梁 ， 编制 的“ 预 应力混 凝 土桥梁 预制 阶段逐 跨拼 装施 工技 术规 程”填补 了国内预制阶段逐跨拼装施工方 面的空 白，尽收了施工 占道对交通 的不利影响并 将低了 城市桥梁施工过程 中对环境 的影响 。二是在预制 节段 拼装桥梁 的设计和施工 中针对短线法预制的 曲线节段梁 ， 自主设计研发 了可调节钢模板体系 ， 采取便于检查和更换的新 型可更换 、分散型体外 预应力锚 固体 系和体 积小 、 重量轻 、 便 于安装 、 造 价低的转 向器 ，提高 了预应力结构 的可检查性及 可维护性。三是在跨越 四环路 匝道桥 的钢 一混组 合梁上采 用 了曲线梁悬 臂拼装无支架施 工技术 ， 将跨越 四环路 的跨径 7 0 5 I l l ，曲线半径 2 0 4 m 的 钢梁架设拼装就位 ，减少了钢 一混组合梁桥跨越 交通干线时临时支架对现况交通的影响，保证了 桥梁施工过程 中四环主路的交 通畅通 ， 见图 4 。 图 4北京 四丰立 交全景 照片 3设计理念和设计思想上的创新 3 1相关设计规范 的新理念和新思想 2 0 0 4年 1 O月实施 的 公 路钢筋及 预应力混 凝土桥涵设计规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 )采用 了以概 率理论为基础 的极 限状态设计方法 ，此规范城市 桥梁等同采用。较比旧规范( J T J 一 0 2 3 8 5 ) ， 新规范 以“ 公路 桥梁 可靠度 ” 研究为基 础 ， 从 原来 的“ 定 值 设计 法” 转变 为“ 概 率极 限状态设 计法 ” ， 即在 度量结构可靠性上 ，由经验方法转 变为运用统计 数学 的方法 ，这在设计理念和设计 思想上确实是 迈进 了一大进步。新 的设计思想使结构设计渊源 于客观实际 ， 更具有科学性 和合理性 。 新规范将安全度和耐久性设计 思想的正式引 入 到城市桥梁和公路桥梁设计 规范 中、 I T技术在 结构分析 中也得到广泛 的应用。 在材料方面 ， 改变 了强度的取值原则，将混凝土的强度等级提高到 C 8 0 ，钢筋品种也随现行 国家标准的规定作 了调 整 ；全面改进和补充 了各种受力 构件正截面和受 弯构件 的承载力计算 内容 ；改善了预应力受弯构 件的抗裂限值、 裂缝宽度和构件刚度的计算方法， 以及预应力钢筋的几项预应力损失 ，如钢丝和钢 绞线 的松弛损失 、 混凝土收缩和徐变等 ； 同时还增 加了有关预应力构件耐久性的规定，组合式受弯 构件 、箱梁翼板有效宽度等方面计算和构造的规 定。此外， 针对近年来， 我国城市桥梁和公路桥梁 领域 新修建 的预 应力 混凝 土连续 梁 和连续 刚构 桥 ， 在边跨现浇段普遍 出现 的纵向裂缝或斜裂缝 ， 该规 范还增 加 了分析 局部 区端块 局部 应力 的规 定 。 在该 区域除 了垫板附近配置间接钢筋外 ， 另规 定局部应力分析配置闭合式箍筋 。该规范 旨在推 进公路和城市桥梁的设计技术先进、 安全可靠、 耐 久适用 、 经济合理的要求 。 正是 由于在设计理论上 采用 了以概率理论 为基础 的极限状态设计方法 ， 按 分 项 系数 的 表 达 式 进 行 设 计 。应 该 说 ( J T G D 6 2 2 0 04 ) 在设 计理念和设计思 想上与( J T J 0 2 3 8 5 ) 规范有新 的创新和发展。 3 2 预应力连续梁式桥梁设计施工技术措施上的 新创 新 针对 2 0世纪城市桥梁和公路在预应力连续 梁式桥梁普遍存 在的跨 中下挠 、 腹板斜裂缝 、 底板 裂缝等病害 ， 2 0 0 9年 8月 由鲍卫 刚等编著 的 “预 应力连续梁式桥梁设计施工技术指南 ”一书正式 出版 ，该指南通过分析公路和城市桥 梁常见病害 其可能存在的成因 ，结合对于这些病 害的一些处 理经验措施 ，从设计角度提 出了一些 在设计 中需 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年8 月第8 期 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 1 1 要注意和加强的技术要 点 ，并通过对设计指标 的 控制 以及采取的必要构造措施 ，来 降低 和消除可 能出现的病害。该指南提 出“ 桥梁结构的设计 ， 均 是按照预先设定并考虑 了今后相 当时期 内需要一 定的技术标准 、 荷载水平进行的。 从 可靠度 的角度 要求 ， 结构 或其构件 只有在 正常设计 、 正常施工 、 正 常使用和养护的情况下 ，才能保证其应有 的可 靠度 。” 因此 ， 严格执行相关标准规范 的规定和技 术措施 ，是确保预应力连续梁式桥梁工程质量 的 关键环节 。 这也说 明 ， 该技术指南体现 了近年来我 国在预应 力连 续梁 式桥 梁设 计施 工 技术 上新 发 展 。 3 3里程碑 桥梁设计工程师手册 正式编辑 出版 2 0 0 7年 7月 由林 元培 院士主编 的 桥梁设 计 工程师手册 正式出版发行 。 该手册依据最新现行 国标及行业标准 、 规 范 ， 紧密结合 工程实践 ， 系统 归纳总结 了 自 2 0世纪 9 0年代 以来 我国桥梁 桥梁 设计领域取得 的成熟经验和教训 ，并 重点放在 结 构方案 、 构造要点 、 施工工艺、 工程案例等方面。 同时对 国内外最 新科研成果 也适 当吸收和反 映。 这个手册主要包括 ： 桥梁 设计程序 、 荷 载 、 桥梁 总 体概念 设计 、 桥梁美学 、 梁桥 、 刚构桥 、 拱 桥 、 斜拉 桥 、 悬索桥 、 斜 弯桥 、 墩 台与基础 、 桥梁抗 风 、 桥梁 支座及附属构造和桥梁工程造价等 。手册还展示 了现代社会所处 的一个高科技时代 ， 日新月异 的 科技成果为现代桥梁 的建造提供了强大的物质基 础 。 不少现代桥梁使用 了高强度 混凝土 、 轻骨料混 凝土 、 高强度钢材及碳纤维材料 。 这些新材料具有 高强度 、 轻重量和低变形 的优势 。 在桥梁技术 进步 方面， 随着工程力学和计算技术的进步， 使桥梁设 计能在充分发挥材料特性 的前提下 ，更加 自主地 进行桥梁形体的创造 ，以达到形态美观 、环境协 调 、用材节省和安全性更好等多方面 的 目的 。此 外 ， 在桥梁 的施工技术方面 ， 多种技术成果 的综合 利用 ，大大推动 了现代桥梁 特别是 城市桥梁施 工 技术的变革 ； 同时运用新材料 、 新技术并按 现代的 审美情趣设计的现代桥梁 ，因其形体在总体 或局 部对 固有形式的突破更具有鲜 明的时代感 ，从 而 具有更为强烈的艺术感染力 。笔者作为长期从事 桥梁设计的工作者，确实感到这个手册的正式出 版 ，对直接从 事桥梁设计的青年 同行们是大有裨 意 的， 也是桥梁工程师手头的必备工具书 ， 必将在 工程设计中发挥其重要的作用。 3 4 独柱预应力 曲线桥梁 的最新研究。 众 所周知 ， 前些年 ( 特别是 2 0世纪 9 0年代 ) 在我国一些大中城市相继修建了一大批独柱支承 的预应力 曲线桥梁 ， 主要 是其具有对地形 、 地物 良 好 的适应性 、 桥下有较大的净空 、 并具有较好的通 透性 等显著特点 。与此 同时 ， 由于在施工过程 中 ， 在预应力张拉完成后 ，梁体因扭转变形而发生支 座脱空 、梁体上翘 ，进而造成 梁体因扭转变形过 大 ： 也有 一些桥梁 在运 营 15 a后 ， 独 柱预应 力 曲线梁发生不 同程度的平面变形和扭转变位。造 成抗扭支承处 曲线 内侧支座脱 空 、栏 杆和伸缩缝 错位 。 究其原 因， 主要是 当时设计人员对于曲线梁 桥设计理论的研究仅限于计算分析理论为主， 缺 乏大量 的试验研 究和仿 真模拟作 为理论分 析。特 别是我 国现行的设计规 范还缺乏有关 曲线梁 桥的 相关设计参数 、 内力分析方法 ， 在构造措施 和相关 技术规定上还是 空 白。 因而 ， 导致设计单位对该桥 型的认识 不一致 ， 对 曲线梁桥的力学特性不 足 ， 某 些设计中甚至 出现与 曲线梁桥受力特点相违背 的 情况。 通过试验研究 和仿真模拟作为理论分析 ， 并 对一些城市 多座独柱支承 的预应力 曲线桥梁所发 生的事故进行综合分析和加 固处理 ，在独柱预应 力 曲线桥梁 的研究上有如下进展 ： ( 1 ) 在结构计算 分析模型上 ，应采用全桥空间整体刚度的联合作 用 ； ( 2 ) 在设计参数 的选取上 ， 应针 对不 同情 况采 用最不 利值 ； ( 3 ) 在结 构计算 中 ， 应 充分考虑各 种 荷载对结构体系的空间作用 ； ( 4 ) 在对该桥型的认 识上 ，应树立平面 内的水平变位是 随时间变化而 逐步累加的理 念 ，在构造上应该有足够 的抗扭措 施及限位措施 ； ( 5 ) 应高度关注独柱预应力 曲线桥 梁的安全性 和耐久性 ，不一味地追求连续梁 的联 数， 采取特殊的结构处理方式( 如中墩顶部与曲线 梁 固结 、 减少连续 梁 的联数 ) 等 ， 以确保该桥 型的 安全 。 3 5 城市桥梁预制节段梁拼装新技术的广泛应 用 桥梁 预制 节段拼 装技术 的提 出源 于法 国 ， E 弗 西奈于 1 9 4 5年 首先对 预应力混 凝土桥 采用预 制阶段施工 。此后 ， 从 1 9 5 0年至 1 9 6 5年期 间 ， 欧 洲修建了 3 0 0多座这种类型 的桥梁 。此施工方法 后来在美国、 欧洲和东南亚地区得到广泛应用。 我 国在城市桥梁建设 中采用专用 架桥 机的预制节段 拼装技术 ， 2 O世纪末还处于起步阶段。进入 2 1世 纪在香港 、台湾地区的高架桥建设 中有了广泛 的 应用 ，尔后在我国的上海沪 闵高架桥 和北京 四丰 立交桥等采用 了此项技术 。 2 l 世 纪的前十年 ， 我 国相关部 门积极推进城 市桥 梁预 制节 段拼 装技 术 的研究 和 推广 应用 工 作。采用桥梁预制节段拼装技术其施工工艺主要 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 2 0 1 1 年8 月第 8 期 分为逐跨拼装和悬臂拼装两大类 。逐跨 拼装的桥 梁跨 径一般在 2 55 0 m， 悬臂拼装 的桥梁跨径一 般在 5 03 0 0 m。这种结 构可以方便地满足桥梁 纵横坡度 的变化 ， 适宜在跨越繁忙的交通干线 、 河 流和峡谷 。尤其 适合施工 困难的城区和环境影 响 要求高 的区域 。 而对于连续 2 03 O跨 以上的高架 桥、 引桥等桥梁 ， 采用预制节段拼装凸显经济性和 适用性。 工程实践表明， 采用桥梁预制节段拼装技 术 ， 模板可重复利用 ， 节省大量模板木材等 自然资 源 ， 节省人力资源， 预应力构件的质量能够保证 ， 避免 了大跨径梁板 的吊装和运输 。采用桥梁预制 节段拼装技术 ， 在工程满足一定规模的前提下 ， 不 仅加快施工进度 、 减少交通拥堵和环境污染 ， 而且 与一般 的施工方法相 比 ， 可节约工程投 资 1 0 2 0 。 该技术在构件生产工厂化 、 施工机械化和对 环境 、 交通影 响的最小化等方 面的明显优 势 ， 可满 足城市桥梁结构形式和环境的要求 ，具有 良好 的 社会 、 经济和环境效益 。 在当前大力提倡节 能减排 和低碳经济的今 天 ，大力推进城市桥梁预制节段 梁拼装技术的应用具有重大的意义 ， 见图 5 。 图 5北京 四丰立 交预制节 段拼装 施 工现场照 片 3 。 6 城市大跨径桥型设计和施工技术上的新发展 进入新世纪 以来 ，我国城市桥 梁建设领域应 用现代预应力技术 ，在大跨径桥型设计 和施 工技 术上有 了新 的突破和发展 。 譬如在北京 五环路上 的石景 山南站高架桥是 当时我国 目前转体吨位最重和斜拉索索力 最大的 桥梁 ， 该高架桥全长 1 1 8 1 m， 桥面总宽 2 9 m， 于 2 0 0 3 年 1 0月建成通车， 总投资 1 3 亿元。该工程 通过设计 和试验研究 ，在以下三个方面取得的技 术创新 ： ( 1 ) 曲线转动体 系 的重心控制 将 曲线箱 梁 内、 外侧腹板设计成不等厚结构 ， 并在转体结构 端部对曲线 内侧 的箱室结构作切除处理 ；同时将 转体结构重心在横桥向的偏移量设计成球铰的横 桥 向偏移量 ，使球铰 中心与转体结构重心在一条 铅垂线上 ； 研究 了大型复杂转体结构称重 的方法 ， 使转体结构的重心在设计允许范转内，确保转体 施工 的安全 。( 2 ) 斜拉索锚点构造与局部应力处 理 为顺利进行转体施工、 降低工程造价 、 并便于 维修养护， 斜边索采用稀索体系， 每一锚固点处两 束斜拉索合计 2 5 0 0 t 的集中力 ， 索力居国内第一 位 ，设计 中采 用先 进 的计 算机 仿真技 术 和新 型 7 7 5低 回缩量钢绞线群锚预应力体 系 ，提 出 了全新 的斜拉索锚点构造没计和局部应力处理 技 术 ，既提高了工程可靠性 ，又缩短 了设计周期 。 ( 3 ) 1 4万 t 球铰设计 、 制造与安装工艺 该课题研 究达到了主桥施工期间对铁路运营的干扰降至最 小的要求 ， 有效缩短了施工工期， 并首次实现了单 铰转体重量达 1 4万 t 的转体 结构设计 、施工 与 重心控制 ；提出了新颖的斜拉索锚点构造设计和 局部应力处理技术 ；创造了预应力混凝土曲线斜 拉桥单铰转体重量达 1 4万 t 的世界纪录。 又如在北京潮 白河大桥成功 的采用了矮塔斜 拉桥技术 ，该桥系当时国内第一座三塔部分 ( 矮 塔 ) 斜拉桥 。 部分斜拉桥是近年来 出现 的一种新桥 型 ， 介 于常规 的斜拉桥 与传统 的梁式桥之间 ， 其受 力特点为索塔、 斜拉索和主梁共同承受竖向荷载。 与梁式桥相 比 ， 部分斜拉桥 的跨越 能力大 ， 相 同跨 径 的部分斜拉桥 比梁式桥经济 ； 与斜拉桥相 比， 部 分斜拉桥整体刚度大， 变形小， 施工方便。 北京潮 白河大桥主桥为 7 2 m+1 2 0l ltl +1 2 0m+ 7 2 m的三塔四跨部分斜拉桥， 跨径大 ， 桥长。 而其 环境温度 的变化 、混凝土的收缩徐变和地震作用 对主梁和墩柱 的受力有较大影响 ，是确定结构 体 应考虑的重要 因素 。温度变化和混凝土收缩徐 变 引起主梁 的纵桥 向变形 ，如果主梁与墩柱之间采 用 固定支座或墩梁 固接 ，主梁 的变形将会在主梁 和墩柱 内产生较大 的内力 ， 对结构产生不利影响 。 为了消除温度变化和混凝土收缩徐变对结构的不 利影响 ，在主梁和墩柱之间采用纵 向活动支座是 一 个 比较好的选择方案 ，可保证 主梁在温度变化 和混凝土收缩徐变时 自由变形。潮 白河大桥主桥 是对称结构 ， 中塔为所谓温度零点 ， 主梁在 中塔处 不 产生变形 ， 所 以在 中塔处墩梁之间为 固接 ， 在边 塔和边墩处采用纵向活动支座。部分斜拉桥主梁 外形更接近相同跨径的连续梁桥。该桥主梁采用 变截面单箱三室结构 ， 索塔处梁高 4 2 m， 梁端和 中跨跨中处梁高 2 2 in ，主梁结构宽 2 9 2 4 m， 单 侧悬臂宽 4 5 m。主梁为三 向预应力结构 ， 主桥为 单索面部分斜拉桥，索塔和斜拉索都布置在主桥 的中央分 隔带上 ， 每个索塔上挂 8对斜拉索。 斜拉 索在塔上竖 向间距为 0 8 m，通 过分丝管穿过塔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 8 月第 8 期 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 1 3 身 ， 以便将夹单根换索 ， 分丝管 出口处设有 抗滑锚 板 ， 防止钢绞线滑动 。斜拉索锚 固于主梁 中室 内， 锚 固点纵桥 向间距 5 m。部分斜拉桥与常规 斜拉 桥不 同， 主梁 的 自重与机动车、 人群等移动荷载主 要 由主梁承担 ， 斜拉索仅起辅助作用 、 协助 主梁承 受部分活载 ，结构 的整体受 力性 能更 接近于梁式 桥 ， 因此 ， 部分斜拉桥 不能采用漂 浮体 系 ， 主梁必 须直接支承在墩柱上 。 为适应城市桥梁建设在环境上 的要求 ，在结 构设计技术上有诸多创新 ： 如预弯梁技术 、 脊 骨梁 大挑臂城市高架桥技术 、大跨径异型板结构 以及 混合结构( 横向结合和纵向结合以及替代腹板) 等 在城市桥梁 中得到 了广泛 的应用 。一些城 市又相 继设计 了一些新颖 、 独特结构形式的城市桥梁 。 如 2 0 0 6年建 成 的天 津斜 独塔 斜拉 桥跨 越 海河 的保定大桥和拱形独塔斜拉桥天津北横快速 路路子牙河大桥。重庆市近年来也修建 了一批世 界级 的城市桥梁 ， 例如 2 0 0 7年 6月建成 的重庆嘉 陵江大桥 ，系主跨为 2 5 2 m 的预应力混凝土连续 刚构桥梁 ， 居亚洲之最 。 3 7 桥梁耐久性和全生命周期( 全寿命理念 ) 的广 泛 应 用 在工程设计 中，设计 人员更加注重资源和关 注全生命周期 ( 全 寿命理念 ) 。近年 来北京 、 天津 等 城市针 对既 有城市 立交 混凝 土 桥梁 在使 用环 境下 ， 认真研究 混凝土在安全 度和耐久性 方面存 在 的问题 ， 对 现阶段可行 的适 合我 国具体 情况 的 桥梁耐 久性进 行研 究 ， 并 采取 相关 措施 ， 以提高 城市桥梁结构 的安全度和耐久性 。譬如从混凝土 的耐久性 指标 ( 包括抗冻性 、 抗 渗性 、 抗钢筋 锈蚀 等 ) 、 结构型式及 构造措施等方 面提 出控制 措施 。 提 出应从 整体 的耐久性 的观点进行 工程建设 ， 改 变 目前单 纯追求 ， 盲 目提高强度 的观点 。并积极 开展 了加 强混凝土 耐久性 在实际工程 中的定性 、 定量研究 ，如氯离子腐蚀 钢筋 的定量 化研究 ， 氯 离子对预应力结 构 的腐蚀研究 、盐冻 问题 研究 、 矿物掺合料在 实际工程 中的推 广应用 ， 以及 对耐 久 性作用 的影 响 ， 以逐 步实现对 混凝 土桥梁 的耐 久性定量化设计 。并提 出在混凝土桥梁耐久性研 究 的基础上 ， 建立建立城 市桥梁结构 安全设计新 理念。 具体的技术措施为： ( 1 ) 采用高耐久性混凝 土 ， 增 强混凝 土 的密实 度 ， 提高 混凝 土 自身 抗破 损能力 ； ( 2 )加强桥面排水 和防水层设计 和施工 环节 ， 改善桥梁的环境作用 条件 ； ( 3 ) 改进 桥梁结 构设计 ， 加 大混凝土保护层 厚度 、 加强构 造钢筋 、 防止和控制裂缝的发展； 采用具有防腐保护的钢 筋 ( 例如体外预 应力筋 、 无粘 结预应力 筋 、 环氧涂 层钢筋等 ) 。 4 新 材料 、 新 工艺 和新 技术 应用上 的创 新 4 1预应力锚 固体系的新进展 作 为 现代 预 应力 混 凝 土技 术 的重 要 组成 部 分预应力锚 固体系 ，近些年来在诸多方面有 了突破性 的进步 。 众所周知 ， 预应力锚 固体 系通常 包括锚具 、 夹具 、 连接器及锚下支承系统等 。用于 临时锚 固先张拉构件 中预应力的成为夹具或工作 锚 ； 而用于后张预应力混凝 土结构 ， 永久锚 固在结 构构件上的称为锚具，锚具是保证预应力混凝土 结构安全 的技术关键。 预应力锚 固体 系， 通常根据 预应力筋 的不 同分为钢绞线锚 固体 系 、钢丝束体 系、 钢筋束体系和粗钢筋体系。笔者认为， 我国的 钢绞线体系经历了 3 0多年的探 索和研制 ， 目前发 展 的比较成熟和完 善。 开始 我们从瑞士 V L M锚 固 体系汲取有益的经验 ，创新发展 了的 自主民族 品 牌 ：如 Q M锚固体系、 X M锚固体系、 O V M锚固体 系和 B & S锚固体系。钢丝束体系也 E t 臻完善 ， 包 括墩头锚 、 钢质锥形锚( 弗 式锚 、 锥形螺杆锚 、 ) Q M 、YM及 X M锚 固体系 。在钢丝束体 系和粗钢筋体 系也有 诸多创 新 。如 2 0 0 7年 建成通 车 的苏 通大 桥 ， 共有 2 7 2根斜 拉索 ， 每根均 由 3 l 3根 7钢丝 组成， 钢丝强度为 1 7 7 0 M P a ， 使用寿命由 3 0 a 延 长至 5 0 a ； 2 7 2根斜拉 索中有 5 6根 长度打破世界 记 录 ， 其 中最长的 8根长度 为 5 7 7 m， 苏通达 大桥 获得 了乔治 理查德森奖 ， 也是迄今 为止我 国唯一 获得 的国际桥梁工程 最高奖项 。 近年来我 国研究人员 ，在预应力锚 固体系方 面有许多新 的研究 成果 。如在 C F R P索预应力大 跨结桥 梁构的非线性分析与控制课题 、 在 C F R P 预 应力筋加片式锚具 的试验研究课题 ，取得 了新的 突破 ， 并成功地应用 于桥梁建设 中。 碳纤维( C F R P ) 材料 与传 统的预应力 钢筋相 比， 具有不锈蚀 、 强度 高等优 良特性 。充 分利用这些特性 ， 构建 C F R P索 预应力大跨结构体 系既是可能 的， 又具有挑 战性 。 在 已有研究成果 的基础上 ， 主要研究C F R P索大跨 结构的非线性力学行为及其控制 。 主要成果包括 ： ( 1 ) c F R P索斜拉桥 的静 、动力 学实桥试验 研究 ， 得到了 C F R P索斜拉桥运营状况下的静 、动力学 特 性 参 数；( 2 )在 试 验 分 析的 基 础 上 ，建立 了 C F R P索及 C F R P索斜拉桥结 构分 析 力学模型 ， 分析 了斜拉桥结构的徐变 、 非线性空气 静力学特性以及碳纤维斜拉索 的静 、动力参数特 性等非线性力学行为； ( 3 ) 对新型 C F R P索斜拉桥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 2 0 1 1 年8 月第8 期 锚 固体 系的锚 固性能进行 了系统 的分析研 究 ， 为 大吨位 C F R P索锚 固体 系的进一步研发奠定 了基 础 ； ( 4 ) 该课 题 以苏通 大桥为设 计 原型 ， 对 C F R P 索超大跨 ( k m级 ) 斜拉 桥结构进行 了非线性地震 响应时程分析 ，并对该类结构非线性行为 的控制 方法开展 了探索性研究 。 4 2 环氧涂层钢 丝新技术 随着城市桥梁朝着大跨径 、 结构多样性 、 轻 型 化 的方 向发展 ， 并关注索力的调整 、 强化 施工观测 与控制 ， 解决拉索( 吊杆 ) 动力问题等， 加强拉索 ( 吊杆) 防腐保护研究等凸现出来。 我国的 一些预 应力公 司成功 的研 发 了环氧涂层钢 丝拉 索体系 。 如众所知 ，钢 丝表面 的防护方式对拉索 的防腐性 能有着重要 的影 响。而新型的环氧涂层钢丝采用 成熟 的静电涂层喷涂工艺 ，将环氧粉末涂装在钢 丝表面上 ，形成致密保护膜 ，其特点如下 ： ( 1 ) 涂 层加工 过程 中，不会造 成钢丝强度性 能的变化 。 ( 2 ) 使得 1 8 6 0 M P a 强度等级带防腐层 的高强钢 丝得以使用。( 3 ) 涂层附着力强， 具有优 良的耐碱 性、 耐酸性和耐溶剂性等化学性能， 其防腐性能大 大优于其它类型 的钢丝。 ( 4 ) 在高温和低温环境 中 环氧涂层依然保持 良好 的性能 。 ( 5 ) 环氧涂层钢丝 在冷铸锚头 中与环氧铁砂 之间的握裹性能优于光 圆钢丝及镀锌钢丝 ， 并具有优越的锚 固性能 。( 6 ) 由于涂层为非金属材料 ， 故而在索体结构 中， 避免 了钢丝与钢丝之间的刚性接触 ， 降低 了接触应力 ， 减少了磨损， 提高了拉索的抗疲劳性能。 ( 7 ) 拉索 中各根钢丝之 间有涂层介质存在 ，大大提高 了拉 索结构的内部阻尼， 能有效抑制拉索的震动。 4 3 高性能混凝土的应用 高性能混凝土( 大于 C 6 0级， 称为 H P C ) 自2 0 世纪 8 0年代在桥梁建设领域得到迅速推广 。H P C 是利用超细矿物掺料( 粉煤灰 、 碱矿渣 、 硅灰等 ) 替 换混凝土中的一部分水泥 ， 再掺加高效减水剂， 使 混凝土在大量 减少水泥用量 和水 化热 的同时 ， 具 有高流动度 、高密实度 与高后期强度。HP C桥梁 的耐久性是一般混凝 土的 2倍 ， 并具有节约资源 ， 减少空气中 C O ， 且利 用 了工业废料 ， 有利于环境 保护 ，这项研究成果在铁路 和公路桥梁建设 中已 得到广泛 的应用 。 如高性能混凝土 、 智能混凝土和 高性能钢管混凝土在城市桥梁 中的应用等 。为降 低资源、 能源的消耗并提高结构安全水准 ， 采用