預(yù)應(yīng)力鋼-混凝土橋梁的應(yīng)用研究

　　預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土橋梁是采用工字型鋼、H型鋼、U型鋼等型鋼或管鋼與混凝土板通過抗剪連接件可靠地連接組合，同時(shí)根據(jù)需要和可能在鋼梁、混凝土板或鋼管混凝土管芯或體外施加預(yù)應(yīng)力的一種組合結(jié)構(gòu)橋梁。預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土橋梁與普通鋼—混凝土橋梁的共性表現(xiàn)為二者均能充分發(fā)揮材料性能，如鋼的抗拉性和混凝土的抗壓性，不同之處在于，與普通鋼一混凝土橋梁相比，這種橋梁結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)[1]：一是施加預(yù)應(yīng)力后擴(kuò)大了鋼梁承載的彈性范圍;二是增加了結(jié)構(gòu)的極限承載力;三是節(jié)省鋼材，減輕結(jié)構(gòu)自重;四是改善了結(jié)構(gòu)的疲勞性能和斷裂性能。這種組合結(jié)構(gòu)已在國內(nèi)外大中跨度的橋梁上得到廣泛應(yīng)用。

　　1.國內(nèi)外工程應(yīng)用

　　1955年，在德國的尼卡運(yùn)河上建成一座跨度為34米的勞芬橋(Lauffen Bridge)。該橋由兩根平板梁支撐著一塊鋼筋混凝土橋面組合而成。每根板梁通過4股筆直的預(yù)應(yīng)力鋼索施加預(yù)應(yīng)力。每股鋼索由52束鋼絞線組成。每股的直徑為5.3mm.在梁間橫向支撐施工完成后和橋面混凝土結(jié)硬達(dá)到預(yù)期的要求后通過液壓千斤頂對(duì)其進(jìn)行施加后張預(yù)應(yīng)力[2].結(jié)果使上弦減少28%的應(yīng)力，下弦減少61%的應(yīng)力。

　　1960年，在前蘇聯(lián)西伯利亞地區(qū)Tom河上，建成了一座五跨預(yù)應(yīng)力組合板梁橋。最大跨徑達(dá)109.2m.全橋共用320根直徑為38.1mm的鋼索，每根鋼索的張拉力為95t.全橋共節(jié)約鋼材500t，占整座橋用鋼量的10%.1963年建成的同樣結(jié)構(gòu)體系的頓河公路大橋，最大跨徑達(dá)147m，用鋼量?jī)H為360 t /m2. 1961年，在黑西哥建成一座由預(yù)應(yīng)力工字鋼組合的五跨鐵路橋梁。由角鋼組成鋼梁的上下翼，并和一塊腹板焊接。在每根梁的下翼緣由一塊鋼板焊接封閉。與常規(guī)工字鋼梁跨度相比，這種類型的橋梁可節(jié)約：鋼材55%;造價(jià)25%. 1966年，在美國華盛頓的Whatcom郡建成一座跨度為46米預(yù)應(yīng)力組合板梁橋。該橋由兩根△ 型梁支撐混凝土橋面。其梁高與普通鋼梁相比，減少305 mm，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

　　1982年，美國愛達(dá)華的Bonners Ferry橋，是預(yù)應(yīng)力技術(shù)在橋梁工程應(yīng)用的典范[3].該橋?yàn)槭缢能嚨罉颍伤母髁褐巍Ｔ谑┘雍髲堫A(yù)應(yīng)力后，由鋼梁和混凝土板組合共同工作。全橋以節(jié)約鋼材20%的顯著經(jīng)濟(jì)效益而中標(biāo)。

　　采用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制板的組合梁橋是當(dāng)今日本的發(fā)展方向。用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制板方法修建的橋梁至今已有50多座[4].東京至神戶的第二高速公路上，大量的以預(yù)制混凝土板構(gòu)筑的組合梁橋已在使用之中，如奧博(Ohbu)高架橋就是其中之一。

　　波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁是國外新興的一種橋梁結(jié)構(gòu)形式。它可以看成是由混凝土頂?shù)装?、體外預(yù)應(yīng)力筋和波紋鋼腹板三者構(gòu)成橋梁，是對(duì)傳統(tǒng)的體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的種改進(jìn)[5].該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁相比，大大降低了結(jié)構(gòu)的自重，增大了橋梁的跨徑并使下部結(jié)構(gòu)的工程量減少，縮短了工期，由此取得的經(jīng)濟(jì)效益是可觀的。在跨度為 40m的條件下 ，體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的混凝土用量為0.55m3 /m2，采用體外預(yù)應(yīng)力的混凝土箱梁的混凝土用量為 0.45m3/m2，而波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的混凝土用量?jī)H為0.35m3/m2.法國成功設(shè)計(jì)了主跨徑達(dá)400m的三跨預(yù)應(yīng)力混凝土波形鋼腹板箱梁，與同等跨徑的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土橋相比，可降低成本約30%[6].1986年在法國建成了世界上第一座波紋鋼腹板橋—Cognac橋，腹板應(yīng)用僅8mm厚的熱軋鋼腹板。此后相繼建成了Maupre橋和Asterix橋以及挪威的Tronko橋和委內(nèi)瑞拉的Caracas橋。日本1993年修建了一座波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋—新開橋，這是一座雙箱單室的30m跨徑的簡(jiǎn)支梁。另一座波紋鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋—松木七號(hào)橋，也在建設(shè)中。此外，日本在一座連續(xù)剛構(gòu)橋—本谷橋中，也采用了波紋鋼腹板[7]，這是波紋鋼腹板第一次應(yīng)用在連續(xù)剛構(gòu)中。

　　我國預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土橋梁雖然起步晚，但是發(fā)展迅速。

　　沈陽市東西快速干道全長(zhǎng)7.840 km，全線采用高架橋形式。為了減少滿堂紅支架施工對(duì)路口交通的影響和保證整個(gè)高架橋梁高一致，決定采用鋼-混凝土橋梁[8].針對(duì)該結(jié)構(gòu)的負(fù)彎矩區(qū)橋面板易引起開裂的問題：在鋼梁內(nèi)設(shè)置體外預(yù)應(yīng)力束，給橋面板混凝土施加預(yù)壓應(yīng)力;在橋面板混凝土中設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束，給混凝土橋面板自身提供足夠的預(yù)壓應(yīng)力。

　　深圳布吉立交高架橋，位于廣東省惠深一級(jí)公路布吉立交路段。該橋梁的主要特點(diǎn)是在國內(nèi)首次以部分預(yù)應(yīng)力混凝土技術(shù)與無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絲束[9]，在大懸臂連續(xù)板梁結(jié)構(gòu)中進(jìn)行綜合應(yīng)用。

　　三峽工程永久船閘施工橋是采用預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力鋼桁—混凝土組合梁橋，在同類條件下與鋼箱—混凝土組合梁的對(duì)比表明，該體系梁橋比鋼箱—混凝土組合梁橋的用鋼量減少 40 %，節(jié)約造價(jià)40 %以上，縮短工期6 0 %以上[10]，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

　　蕪湖長(zhǎng)江大橋是一座公路鐵路兩用大橋，正橋總長(zhǎng)2193. 7m，為三跨鋼桁梁矮塔斜拉橋(體外預(yù)應(yīng)力)。該橋被稱為中國2 0世紀(jì)的標(biāo)志性工程，擁有8項(xiàng)創(chuàng)新、十多個(gè)中國之最[11] ，桁梁橋梁是其中之一。大橋上層公路橋面采用鋼筋混凝土板與鋼桁梁相結(jié)合的板桁橋梁，其規(guī)模之大、跨度之大屬國內(nèi)首創(chuàng)，截止成橋時(shí)在國外也未見報(bào)道。由于采用了這種結(jié)構(gòu)，增加了橋梁的剛度，減少了公路橋面伸縮縫數(shù)量，提高了行車舒適度，降低了桁高 (14m)，大大縮短了引橋長(zhǎng)度，收到了良好的效益。

　　2理論與試驗(yàn)研究

　　預(yù)應(yīng)力組合板梁橋是由Dischinger于1949年首先提出的[3].在他的兩篇論文里，對(duì)簡(jiǎn)支梁橋，連續(xù)板梁橋，懸索橋和高速公路拱橋以及鐵路橋梁等預(yù)應(yīng)力組合結(jié)構(gòu)體系，提出一種基本的分析理論并提出了高強(qiáng)鋼絲可用作預(yù)應(yīng)力鋼索。此外，他還提出通過使用混凝土來加強(qiáng)連續(xù)板梁的下弦。

　　1950年，Coff通過拉伸鋼絲使組合鋼梁和混凝土板體系獲得預(yù)應(yīng)力而被授予美國專利。

　　1959年，Szilard討論了同時(shí)應(yīng)用彈性假定和近似極限的方法對(duì)預(yù)應(yīng)力組合板梁的分析。

　　1963年，Hoadley研究了沿全長(zhǎng)施加恒定的偏心預(yù)應(yīng)力的簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力組合鋼梁。

　　Reagan和Krahl討論了在常規(guī)組合設(shè)計(jì)工作應(yīng)力內(nèi)通過使用蓋板來增加橫截面的慣性矩。這類預(yù)應(yīng)力組合梁已廣泛在橋梁結(jié)構(gòu)中使用。

　　1973年，Knowles出版的著作中討論了通過鋼絞線給單跨板梁施加預(yù)應(yīng)力。他還研究了通過反拱來施加預(yù)應(yīng)力的方法。Roik討論了在連續(xù)組合梁中施加預(yù)應(yīng)力的方法;而Gibshman研究了通過施加預(yù)應(yīng)力來增強(qiáng)組合梁中鋼筋混凝土板工作性能的方法。

　　Anand研究了短跨橋的簡(jiǎn)支縱梁的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，這種橋上在具有初始應(yīng)力的軋制梁的翼緣上焊接了高強(qiáng)蓋板。

　　1987年，P.K.Basu等對(duì)一根兩跨連續(xù)組合梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為對(duì)負(fù)彎矩區(qū)混凝土板施加預(yù)應(yīng)力可消除荷載作用下的裂縫，增強(qiáng)混凝土的耐久性，提高負(fù)彎矩區(qū)的抗彎能力，節(jié)約材料和維修費(fèi)用。

　　1990年，J.B.Kennedy 和N.F.Grace對(duì)負(fù)彎矩區(qū)是預(yù)應(yīng)力混凝土板的連續(xù)組合板橋模型進(jìn)行了靜載，疲勞和振動(dòng)試驗(yàn)[12]，得出的結(jié)論與P.K.Basu等人的認(rèn)為基本一致。

　　1995年，L.Dezi，G.Leomi和A.M. Tarantino對(duì)負(fù)彎矩區(qū)為預(yù)應(yīng)力混凝土板的連續(xù)組合梁在長(zhǎng)期荷載下，由于負(fù)彎矩區(qū)混凝土板開裂及部分共同作用所致進(jìn)行了粘彈藥性分析[13]，認(rèn)為預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土的時(shí)間效應(yīng)很重要。

　　波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁這種新穎的橋型一出現(xiàn)就引起了世界許多工程師和學(xué)者的關(guān)注。對(duì)這種橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的分析研究也隨之開始。1960年，美國的Peterson教授就開始了波紋板梁的抗剪研究。隨后，瑞典的Dergtelt和德國的Linder等人也加入這一結(jié)構(gòu)的研究行列。從1989年至今，美國的M.Elgaaly等人對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。先后對(duì)波紋鋼腹板的剪切屈曲以及波紋板梁的抗彎性能進(jìn)行了一系列的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究工作，為這種新結(jié)構(gòu)的發(fā)展和推廣奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

　　預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土橋梁在我國研究起步較晚。80年代初雖出現(xiàn)少量工程應(yīng)用，但當(dāng)時(shí)未考慮其組合效應(yīng)，而僅僅把它作為強(qiáng)度儲(chǔ)備，提高安全度或方便施工。此后的時(shí)間里，國內(nèi)一些高校對(duì)采用拴釘剪力連接件的鋼—混凝土組合梁進(jìn)行了深入的試驗(yàn)和理論研究，包括抗彎承載力、剛度、滑移效應(yīng)、縱向抗剪和拴釘連接件的實(shí)際抗剪承載力、混凝土板縱向抗剪計(jì)算方法等，提出考慮滑移效應(yīng)的鋼—混凝土組合梁變形計(jì)算的折減剛度法[14]，并建立了考慮滑移效應(yīng)的組合梁截面剛度和抗彎強(qiáng)度的簡(jiǎn)化實(shí)用計(jì)算公式，同時(shí)考慮了混凝土徐變和混凝土收縮的影響。折減剛度法對(duì)組合梁計(jì)算分析的換算截面法進(jìn)行了改進(jìn)，是對(duì)組合梁計(jì)算理論的發(fā)展。

　　3.發(fā)展展望

　　工程應(yīng)用表明，與單獨(dú)鋼梁工作相比，預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土橋梁可節(jié)省鋼材30%-45%，撓度可減少50%或降低梁高20%-40%;與普通鋼—混凝土組合梁相比，施加預(yù)應(yīng)力后可節(jié)省鋼材10%-30%，降低造價(jià)10-20%.因此，預(yù)應(yīng)力鋼—混凝土橋梁是很有市場(chǎng)發(fā)展前景的。

　　預(yù)應(yīng)力鋼梁與高強(qiáng)混凝土結(jié)合在一起形成了結(jié)合梁是新材料和新結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，這將是預(yù)應(yīng)力橋梁未來發(fā)展的一個(gè)方向。

　　預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代橋梁今后發(fā)展的一個(gè)重要方向。將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中，形成預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土橋梁，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)、管結(jié)構(gòu)、細(xì)管高性能混凝土等諸多優(yōu)越性，綜合成為最佳效益，可望推動(dòng)橋梁結(jié)構(gòu)等向大跨、大空間、重載、動(dòng)載方向發(fā)展。

　　隨著工程結(jié)構(gòu)跨度的增加，減輕上部結(jié)構(gòu)自重成為人們關(guān)注的首要問題。波形鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力組合箱梁是國外新興一種新型的鋼—混凝土橋梁形式。這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)主梁的輕型化，進(jìn)而減輕下部結(jié)構(gòu)的工程量。隨著對(duì)這一新型結(jié)構(gòu)分析與研究的不斷深入，該類結(jié)構(gòu)將在我國橋梁工程建設(shè)中得到應(yīng)用。

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