預應力混凝土橋梁內力、張拉的研究

王京來

（江蘇省交通工程集團有限公司， 江蘇 鎮江 212016）

0 引言

近十多年來，我國橋梁工程建設取得了舉世矚目的成就，在設計、施工、防災、管理維護與材料等技術領域實現了重大突破，比如蘇通大橋、武漢天興洲長江大橋、南京大勝關長江大橋、山東膠州灣大橋、馬鞍山長江大橋等，以其獨有的橋梁設計、建造、科研等成就，獲得了大眾的高度認可。尤其是在2018 年10月24 日開通了的港珠澳大橋，以其超大的建筑規模、空前的施工難度以及頂尖的建造技術而聞名全球，彰顯了我國橋梁建設的實力。但是，近年來橋梁工程面臨不確定性因素多、服役環境復雜嚴酷、施工難度大等難題，對未來我國橋梁工程建設提出了新挑戰。

1 橋梁混凝土性能研究的必要性

混凝土是現代橋梁工程的重要建筑材料。在橋梁工程建設中，混凝土廣泛應用于橋梁索塔、梁體、墩身與承臺等結構部位。隨著我國橋梁結構朝著超長、大跨、深水等方向發展，橋梁工程亟需面向工程需求的混凝土新技術。研究橋梁混凝土性能的必要性，主要是：①現代橋梁結構中混凝土開裂現象普遍。錨固區和索塔根部因應力集中易導致開裂；承臺與墩柱等大體積結構，截面尺寸大導致混凝土水化溫升開裂風險高；箱梁、T 梁、組合梁等薄壁結構具有較大的表體比，因施工后養護難、水分散失快，導致較大的干燥收縮開裂風險。②橋梁索塔及超高索塔的混凝土泵送，梁體、墩身與承臺的施工，均要求混凝土工作性能須具備大流動性、高流動性保持與低粘度的技術特征，避免工作性能不足導致的橋梁施工進度與質量問題。③現階段組合梁結構所采用傳統混凝土存在自重偏大，抗拉強度低、應變小等缺陷,導致負彎矩區混凝土破壞現象頻發，已成為大型橋梁建造的世界性難題。④未來橋梁工程混凝土結構設計壽命更長(120 年以上)、服役環境日趨復雜嚴酷(荷載作用、氯鹽侵入、鋼筋銹蝕、凍融破壞、化學腐蝕等)、施工環境更惡劣(大風、海浪、深水、高溫等)、施工質量控制難度大(優質砂石骨料缺乏、礦物外加劑品質不穩定等)，因此未來橋梁工程鋼筋混凝土因耐久性失效破壞的風險更高。總之，圍繞橋梁工程發展需求來研究混凝土性能，是實現我國橋梁強國的必由之路、很有必要。

2 預應力混凝土橋梁內力、張拉的分析

2.1 預應力設計中的內力

預應力橋梁的設計目的，是運用力學原理科學、合理增加橋梁負重（承載力），通過運用橋梁頂板，鋼索進行分力使其達到能在允許范圍內滿足使用的目的。但是，在實際建設中，雖然橋梁的設計要有科學依據，但是理論上所得到的預應力，有時并不能完全代表實際橋梁所需要的理想狀態，往往無法避免受到自然（振動、風力、溫度等）的影響，尤其是橋梁外部天氣溫度的熱脹冷縮因素，對橋梁材料影響較大，從而導致橋梁的變形或引起內力變化。溫度應力有可能造成橋梁的支點或者橋面中的跨度出現裂縫，時間一長腹板和底板在溫度的影響和作用下建橋的混凝土容易形成裂縫。所以，需要注意的問題：

2.1.1 縱向預應力筋在橋梁中的分布

橋梁理論與實踐均表明，縱向預應力筋在橋梁中具有重要作用。橋梁的縱向預應力，主要是在材料的使用和施工上體現，采用一系列的方法例如布置縱向預應力鋼束，將箱部的受力情況進行分離，或者將邊跨箱梁端部腹板的箍筋的密度加大，使其更加密實，從而直徑就會放大，這些預應力的運用對于克服斜向裂紋十分有效。斜向裂紋一向是威脅橋梁時用的問題，特殊高科技材料的使用，如碳纖維高分子從細小的方面防止了此類問題的出現。

通常，在建造時采取直線束方案的設計和采用能達到理想效果，其設計理念是為了使預應力可以將力均勻的分布在橋梁的全斷面上，這樣一來就分流各方向的承壓力，從而克服經常困擾橋梁設計的剪應力。還有要控制橋面的腹板內布置一些向下的彎束，使其重量在可控制的范圍內。同時，也將邊跨線澆筑的部短的腹板中布置同樣的彎束，保證向橋梁提供預剪力。縱向預應力筋可以制約橋梁橫截面上水平力的拉力，減緩由懸臂直接承擔車輛，從而延長其使用壽命。

2.1.2 板橋模式

當前，從結構形式和經濟成本等角度進行考慮，選擇建造輕便式橋梁獲得了廣泛的認可。橋梁理論與實踐也表明，預應力對于保障板橋模式的橋梁品質具有重要作用，可以在極限的負荷承載情況下，遏制混凝土的壓縮變形，均衡張拉力的分布，以保障車輛行駛的暢通，比普通的材料優勢更突出。

在江蘇某板橋模式的橋梁項目中，發現其承載力不能滿足實際要求，在經過一定的反復測試及分析研究后，采用混凝土板橋橋梁探測儀的科學計算，且對橋中心的承載極限全過程分析，采用一種叫做碳纖維布的材料,對普通混凝土建造的空心模板橋梁進行加固，結果表明，使其高強度的性能得到了充分的發揮，從各個方向減輕了混凝土空心板的受力，延緩了橋梁的裂縫產生，從而延長橋梁的使用壽命。

2.2 張拉工作的施工技術

預應力張拉技術，是預應力橋梁最具特點的技術之一，該技術是指在構件投入視同前，提前對其進行拉力的施加，使其產生一定的變形，這樣在構件真正投入到使用時，可以為其額外承受一定重量的負荷，從而達到了增加橋梁承受能力的目的。這項工作是預應力橋梁的工程結束后橋梁整體安全質量的重要保證，直接影響其使用壽命。

①在進行拉張工作前，一定要做好相關的檢查和清理工作，確保相關材料和設備滿足施工的要求，并對不合格材料進行替換調整。為確保預應力橋梁的施工質量，在拉張工作進行過程中，一定要確保工作人員運用科學合理的方法和熟練的技術進行拉張工作，并嚴格監管，從而保證拉張工作的順利進行。②在張拉過程中要合理分配并控制各級張力，同時進行精確記錄，目的是保證鋼束處于繃緊的狀態，錨具與千斤頂處在同一水平面上，要保障鋼束中每根鋼絞線受到的拉力大小，接近且均衡以避免鋼絞線互相纏繞。同時，在張拉過程中，一旦相關設備或者施工材料出現問題，一定要及時查看找出問題所在，并及時補救，對于不確定、沒把握的重點部位或者問題，要有意識地進行反復檢查、分析實際情況，針對相關問題進行有效預防。

3 結束語

本文以上提到的預應力混凝土橋梁，在當前橋梁建設應用很普遍，譬如斜拉橋、連續梁橋式等類型。實踐表明，預應力是一種為了避免橋梁中的裂縫的出現，運用高強度鋼筋及混凝土，施加外力后使各部件受力減小的科學防護手段。在實際施工中：一方面，我們應根據建筑地具體情況因地制宜進行選擇橋梁種類，另一方面，應注意避免過度講求橋身輕便、造價低的橋梁結構。

總之，橋梁工程是連接空間、區域的重要紐帶，是交通基礎建設中的控制性節點工程。預應力的使用增加了橋梁材料質量，有效減輕橋面的承壓力，改變預應力橋梁的微觀結構，使受力更加科學合理，具有更加良好的抗壓性，還可大大提高橋梁各部件的使用壽命，值得進一步應用實踐。