预应力混凝土桥梁内力、张拉的研究

王京来

（江苏省交通工程集团有限公司， 江苏 镇江 212016）

0 引言

近十多年来，我国桥梁工程建设取得了举世瞩目的成就，在设计、施工、防灾、管理维护与材料等技术领域实现了重大突破，比如苏通大桥、武汉天兴洲长江大桥、南京大胜关长江大桥、山东胶州湾大桥、马鞍山长江大桥等，以其独有的桥梁设计、建造、科研等成就，获得了大众的高度认可。尤其是在2018 年10月24 日开通了的港珠澳大桥，以其超大的建筑规模、空前的施工难度以及顶尖的建造技术而闻名全球，彰显了我国桥梁建设的实力。但是，近年来桥梁工程面临不确定性因素多、服役环境复杂严酷、施工难度大等难题，对未来我国桥梁工程建设提出了新挑战。

1 桥梁混凝土性能研究的必要性

混凝土是现代桥梁工程的重要建筑材料。在桥梁工程建设中，混凝土广泛应用于桥梁索塔、梁体、墩身与承台等结构部位。随着我国桥梁结构朝着超长、大跨、深水等方向发展，桥梁工程亟需面向工程需求的混凝土新技术。研究桥梁混凝土性能的必要性，主要是：①现代桥梁结构中混凝土开裂现象普遍。锚固区和索塔根部因应力集中易导致开裂；承台与墩柱等大体积结构，截面尺寸大导致混凝土水化温升开裂风险高；箱梁、T 梁、组合梁等薄壁结构具有较大的表体比，因施工后养护难、水分散失快，导致较大的干燥收缩开裂风险。②桥梁索塔及超高索塔的混凝土泵送，梁体、墩身与承台的施工，均要求混凝土工作性能须具备大流动性、高流动性保持与低粘度的技术特征，避免工作性能不足导致的桥梁施工进度与质量问题。③现阶段组合梁结构所采用传统混凝土存在自重偏大，抗拉强度低、应变小等缺陷,导致负弯矩区混凝土破坏现象频发，已成为大型桥梁建造的世界性难题。④未来桥梁工程混凝土结构设计寿命更长(120 年以上)、服役环境日趋复杂严酷(荷载作用、氯盐侵入、钢筋锈蚀、冻融破坏、化学腐蚀等)、施工环境更恶劣(大风、海浪、深水、高温等)、施工质量控制难度大(优质砂石骨料缺乏、矿物外加剂品质不稳定等)，因此未来桥梁工程钢筋混凝土因耐久性失效破坏的风险更高。总之，围绕桥梁工程发展需求来研究混凝土性能，是实现我国桥梁强国的必由之路、很有必要。

2 预应力混凝土桥梁内力、张拉的分析

2.1 预应力设计中的内力

预应力桥梁的设计目的，是运用力学原理科学、合理增加桥梁负重（承载力），通过运用桥梁顶板，钢索进行分力使其达到能在允许范围内满足使用的目的。但是，在实际建设中，虽然桥梁的设计要有科学依据，但是理论上所得到的预应力，有时并不能完全代表实际桥梁所需要的理想状态，往往无法避免受到自然（振动、风力、温度等）的影响，尤其是桥梁外部天气温度的热胀冷缩因素，对桥梁材料影响较大，从而导致桥梁的变形或引起内力变化。温度应力有可能造成桥梁的支点或者桥面中的跨度出现裂缝，时间一长腹板和底板在温度的影响和作用下建桥的混凝土容易形成裂缝。所以，需要注意的问题：

2.1.1 纵向预应力筋在桥梁中的分布

桥梁理论与实践均表明，纵向预应力筋在桥梁中具有重要作用。桥梁的纵向预应力，主要是在材料的使用和施工上体现，采用一系列的方法例如布置纵向预应力钢束，将箱部的受力情况进行分离，或者将边跨箱梁端部腹板的箍筋的密度加大，使其更加密实，从而直径就会放大，这些预应力的运用对于克服斜向裂纹十分有效。斜向裂纹一向是威胁桥梁时用的问题，特殊高科技材料的使用，如碳纤维高分子从细小的方面防止了此类问题的出现。

通常，在建造时采取直线束方案的设计和采用能达到理想效果，其设计理念是为了使预应力可以将力均匀的分布在桥梁的全断面上，这样一来就分流各方向的承压力，从而克服经常困扰桥梁设计的剪应力。还有要控制桥面的腹板内布置一些向下的弯束，使其重量在可控制的范围内。同时，也将边跨线浇筑的部短的腹板中布置同样的弯束，保证向桥梁提供预剪力。纵向预应力筋可以制约桥梁横截面上水平力的拉力，减缓由悬臂直接承担车辆，从而延长其使用寿命。

2.1.2 板桥模式

当前，从结构形式和经济成本等角度进行考虑，选择建造轻便式桥梁获得了广泛的认可。桥梁理论与实践也表明，预应力对于保障板桥模式的桥梁品质具有重要作用，可以在极限的负荷承载情况下，遏制混凝土的压缩变形，均衡张拉力的分布，以保障车辆行驶的畅通，比普通的材料优势更突出。

在江苏某板桥模式的桥梁项目中，发现其承载力不能满足实际要求，在经过一定的反复测试及分析研究后，采用混凝土板桥桥梁探测仪的科学计算，且对桥中心的承载极限全过程分析，采用一种叫做碳纤维布的材料,对普通混凝土建造的空心模板桥梁进行加固，结果表明，使其高强度的性能得到了充分的发挥，从各个方向减轻了混凝土空心板的受力，延缓了桥梁的裂缝产生，从而延长桥梁的使用寿命。

2.2 张拉工作的施工技术

预应力张拉技术，是预应力桥梁最具特点的技术之一，该技术是指在构件投入视同前，提前对其进行拉力的施加，使其产生一定的变形，这样在构件真正投入到使用时，可以为其额外承受一定重量的负荷，从而达到了增加桥梁承受能力的目的。这项工作是预应力桥梁的工程结束后桥梁整体安全质量的重要保证，直接影响其使用寿命。

①在进行拉张工作前，一定要做好相关的检查和清理工作，确保相关材料和设备满足施工的要求，并对不合格材料进行替换调整。为确保预应力桥梁的施工质量，在拉张工作进行过程中，一定要确保工作人员运用科学合理的方法和熟练的技术进行拉张工作，并严格监管，从而保证拉张工作的顺利进行。②在张拉过程中要合理分配并控制各级张力，同时进行精确记录，目的是保证钢束处于绷紧的状态，锚具与千斤顶处在同一水平面上，要保障钢束中每根钢绞线受到的拉力大小，接近且均衡以避免钢绞线互相缠绕。同时，在张拉过程中，一旦相关设备或者施工材料出现问题，一定要及时查看找出问题所在，并及时补救，对于不确定、没把握的重点部位或者问题，要有意识地进行反复检查、分析实际情况，针对相关问题进行有效预防。

3 结束语

本文以上提到的预应力混凝土桥梁，在当前桥梁建设应用很普遍，譬如斜拉桥、连续梁桥式等类型。实践表明，预应力是一种为了避免桥梁中的裂缝的出现，运用高强度钢筋及混凝土，施加外力后使各部件受力减小的科学防护手段。在实际施工中：一方面，我们应根据建筑地具体情况因地制宜进行选择桥梁种类，另一方面，应注意避免过度讲求桥身轻便、造价低的桥梁结构。

总之，桥梁工程是连接空间、区域的重要纽带，是交通基础建设中的控制性节点工程。预应力的使用增加了桥梁材料质量，有效减轻桥面的承压力，改变预应力桥梁的微观结构，使受力更加科学合理，具有更加良好的抗压性，还可大大提高桥梁各部件的使用寿命，值得进一步应用实践。