对一种假拱桥式之预应力拱圈的探讨

尚泽华

摘 要：文章从理论角度和现有的施工技术条件等出发，对拱圈提出了大胆的构想，介绍了一种假拱桥式的预应力拱圈，对真假拱受力特点做了对比，也对该构想的可行性做了简略地论证分析，认为有一定的现实可行性。

关键词：假拱；预应力；拱圈

1 预应力拱圈

1.1 预应力拱圈介绍

对预应力假拱桥式的设想如下：通过对拱圈分节段施加预应力的方式（如下图所示），最大程度的减少拱圈传递给拱座的水平推力。拱圈预应力设置如下：

图1 图2

1.2 预应力拱可能适用的情况

此类预应力假拱桥式的可能使用范围：按真拱理论不适合修建超大型扩大拱座基础的地域、修建中小型景观拱桥的地方、应用于多孔连拱桥缓解多孔真拱桥的不平衡推力问题。

1.3 真拱与预应力假拱受力特点比较

1.3.1 真拱受力特点

真拱受力特点为将桥面的竖向荷载转化为部分水平推力，使拱的弯距大大减小，变为拱主要承受压力，拱桥是我国公路上使用广泛且历史悠久的一种桥梁结构型式。

真拱的优点：（1）具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；（2）构造较简单，受力明确简洁；（3）形式多样、外型美观。

真拱的缺点：（1）有水平推力的拱桥，对地基基础要求较高，多孔连续拱桥互相影响；（2）跨径较大时，自重较大，对施工工艺等要求较高；（3）建筑高度较高，对稳定不利。

1.3.2 预应力假拱受力特点

预应力假拱受力特点为通过拱圈内钢束的作用使拱圈传递弯矩的能力得到加强，从而在一定程度上削弱由桥面的竖向荷载转化来的部分水平推力，使拱脚位置的水平推力减小，从而达到提升拱圈的承载能力及跨越能力。

假拱的优点：（1）对于有水平推力的拱桥而言，较真拱具有更大的跨越能力，对地基基础的要求将明显降低，对多孔连续拱桥的互相影响程度将得到改善，可以同时较充分发挥抗压材料及抗拉材料的性能；（2）秉承了真拱的形式多样、外型美观。

假拱的缺点：（1）由于拱圈内存在预应力，结构受力较真拱复杂，构造较真拱复杂；（2）跨径较大时，自重较大，对施工工艺等要求较高。

2 预应力假拱桥式的现实可行性分析

2.1 拱圈内力分析

图3 拱脚截面受力图

H-水平推力；V-竖向承载力；Q-剪力组合设计值；N-相应于Q的轴向压力；P-剖开断面钢束预应力设计值；M-相应于P的断面弯矩；θ-预应力方向的水平夹角。

理想状态为：H=0，N=0。

2.2 物质技术条件论证

2.2.1 物质条件

预应力假拱的两个重要物质条件为混凝土材料和预应力钢束材料。高强混凝土和钢绞线对提升拱桥的跨越能力提供了有力的物质保证。

2.2.2 混凝土材料

近年来，由于高标号水泥和高效减水剂的研制和生产，为普通条件下配制高强度混凝土提供了有利条件，促进了高强混凝土的研究和在实际工程中的应用。但我国高强混凝土在多数地区应用还较少，在较发达地区的高层建筑、大跨桥梁、海上建筑等应用较多。C50以上的高强及C80以上超高强高性能混凝土仅在经济发达的城市或地区的推广应用较为普及。但在国内实际工程中混凝土强度最高达到C130。

研制更高强度的混凝土是混凝土材料未来的必然发展方向。主要表现为超高强度混凝土的研制和应用。

2.2.3 预应力钢束材料

预应力钢绞线是预应力行业中应用较广的金属制品，其生产技术起步于20世纪50年代中期，60年代传入我国。该产品主要应用于铁路、公路、跨江、跨海大桥、大型工业建筑、水利、能源和岩土锚固等领域，具有抗拉强度高、延伸率好、松弛值低、应力损失小、抗疲劳性能优良等特点。

典型工程范例有：虎门大桥，江阴大桥，三峡水利工程，黄河小浪底水利工程等。國产Pc钢材在上述工程的PCS施工中均做为主筋，并承担70%以上的预应力在国家重点工程。

随着PCS工程设计和施工技术的不断完善与提高，在PCS工程中对Pc钢材适用性要求会越来越高，低松弛率、粗规格、集束型、高强度、防腐蚀已成为PC钢材的发展趋势。

目前φ5.0～7.0mm Pc钢丝强度级别在1570～1670MPa，发展趋势为1670MPa以上、1×7-φ15.2mm、1×7-φl5.24n1IIl钢绞线强度级别在1570～1860MPa，1860Mpa级Pc钢绞线成为了主导产品，其发展趋势为1860MPa以上。

2.2.4 技术条件

以国内国际现有的施工技术来讲，要实现文中所述的这种预应力拱圈结构，并非难事，比较困难的地方当属桥梁施工控制技术这一块。

施工控制是将现代控制理论与工程实际相结合而发展起来的一种新技术。桥梁施工控制以设计成桥状态为实现目标，在整个施工过程中，通过实时监测桥梁结构的实际状态和环境状态，获得桥梁结构实际状态和理想状态之间的差异（误差），运用现代控制理论，对误差进行识别、调整、预测，使桥梁施工状态最大限度的接近理想状态，从而保证桥梁结构在施工过程中的安全，最终达到桥梁能够结构成桥状态满足设计和施工规范要求。现在已经具备了可以将较系统的工程控制论应用到桥梁施工管理中。

3 结束语

对于目前而言，由于尚无此种预应力假拱桥式的出现，笔者对于该种预应力拱圈的设想仅局限于一种理论探讨式，但我相信随着现代科学技术的不断进步、各种施工技术的不断更新，文中所述的这类预应力假拱桥式一定会有变为现实的可能。

参考文献

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