混凝土桥梁的应用研究

　　预应力钢—混凝土桥梁是采用工字型钢、H型钢、U型钢等型钢或管钢与混凝土板通过抗剪连接件可靠地连接组合，同时根据需要和可能在钢梁、混凝土板或钢管混凝土管芯或体外施加预应力的一种组合结构桥梁。预应力钢—混凝土桥梁与普通钢—混凝土桥梁的共性表现为二者均能充分发挥材料性能，如钢的抗拉性和混凝土的抗压性，不同之处在于，与普通钢一混凝土桥梁相比，这种桥梁结构具有如下优点：一是施加预应力后扩大了钢梁承载的弹性范围；二是增加了结构的极限承载力；三是节省钢材，减轻结构自重；四是改善了结构的疲劳性能和断裂性能。这种组合结构已在国内外大中跨度的桥梁上得到广泛应用。

　　1.国内外工程应用

　　1955年，在德国的尼卡运河上建成一座跨度为34米的劳芬桥（Lauffen Bridge）。该桥由两根平板梁支撑着一块钢筋混凝土桥面组合而成。每根板梁通过4股笔直的预应力钢索施加预应力。每股钢索由52束钢绞线组成。每股的直径为5.3mm.在梁间横向支撑施工完成后和桥面混凝土结硬达到预期的要求后通过液压千斤顶对其进行施加后张预应力。结果使上弦减少28%的应力，下弦减少61%的应力。

　　1960年，在前苏联西伯利亚地区Tom河上，建成了一座五跨预应力组合板梁桥。最大跨径达109.2m.全桥共用320根直径为38.1mm的钢索，每根钢索的张拉力为95t.全桥共节约钢材500t，占整座桥用钢量的10%.1963年建成的同样结构体系的顿河公路大桥，最大跨径达147m，用钢量仅为360 t /m². 1961年，在黑西哥建成一座由预应力工字钢组合的五跨铁路桥梁。由角钢组成钢梁的上下翼，并和一块腹板焊接。在每根梁的下翼缘由一块钢板焊接封闭。与常规工字钢梁跨度相比，这种类型的桥梁可节约：钢材55%;造价25%. 1966年，在美国华盛顿的Whatcom郡建成一座跨度为46米预应力组合板梁桥。该桥由两根△ 型梁支撑混凝土桥面。其梁高与普通钢梁相比，减少305 mm，具有明显的经济效益。

　　1982年，美国爱达华的Bonners Ferry桥，是预应力技术在桥梁工程应用的典范。该桥为十跨四车道桥，由四根主梁支撑。在施加后张预应力后，由钢梁和混凝土板组合共同工作。全桥以节约钢材20%的显著经济效益而中标。

　　采用预应力混凝土预制板的组合梁桥是当今日本的发展方向。用预应力混凝土预制板方法修建的桥梁至今已有50多座。东京至神户的第二高速公路上，大量的以预制混凝土板构筑的组合梁桥已在使用之中，如奥博（Ohbu）高架桥就是其中之一。

　　波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁是国外新兴的一种桥梁结构形式。它可以看成是由混凝土顶底板、体外预应力筋和波纹钢腹板三者构成桥梁，是对传统的体外预应力混凝土箱梁的种改进。该结构与传统的预应力混凝土箱梁相比，大大降低了结构的自重，增大了桥梁的跨径并使下部结构的工程量减少，缩短了工期，由此取得的经济效益是可观的。在跨度为 40m的条件下 ，体内预应力混凝土箱梁的混凝土用量为0.55m3 /m²，采用体外预应力的混凝土箱梁的混凝土用量为 0.45m3/m²，而波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁的混凝土用量仅为0.35m³/m².法国成功设计了主跨径达400m的三跨预应力混凝土波形钢腹板箱梁，与同等跨径的高强度预应力混凝土桥相比，可降低成本约30%。1986年在法国建成了世界上第一座波纹钢腹板桥—Cognac桥，腹板应用仅8mm厚的热轧钢腹板。此后相继建成了Maupre桥和Asterix桥以及挪威的Tronko桥和委内瑞拉的Caracas桥。日本1993年修建了一座波纹钢腹板预应力混凝土箱梁桥—新开桥，这是一座双箱单室的30m跨径的简支梁。另一座波纹钢腹板预应力混凝土连续梁桥—松木七号桥，也在建设中。此外，日本在一座连续刚构桥—本谷桥中，也采用了波纹钢腹板，这是波纹钢腹板第一次应用在连续刚构中。

　　我国预应力钢—混凝土桥梁虽然起步晚，但是发展迅速。

　　沈阳市东西快速干道全长7.840 km，全线采用高架桥形式。为了减少满堂红支架施工对路口交通的影响和保证整个高架桥梁高一致，决定采用钢-混凝土桥梁。针对该结构的负弯矩区桥面板易引起开裂的问题：在钢梁内设置体外预应力束，给桥面板混凝土施加预压应力；在桥面板混凝土中设置预应力钢束，给混凝土桥面板自身提供足够的预压应力。

　　深圳布吉立交高架桥，位于广东省惠深一级公路布吉立交路段。该桥梁的主要特点是在国内首次以部分预应力混凝土技术与无粘结预应力钢丝束，在大悬臂连续板梁结构中进行综合应用。

　　三峡工程永久船闸施工桥是采用预制装配式预应力钢桁—混凝土组合梁桥，在同类条件下与钢箱—混凝土组合梁的对比表明，该体系梁桥比钢箱—混凝土组合梁桥的用钢量减少40%，节约造价40 %以上，缩短工期6 0%以上，具有明显的经济效益和社会效益。

　　芜湖长江大桥是一座公路铁路两用大桥，正桥总长2193. 7m，为三跨钢桁梁矮塔斜拉桥（体外预应力）。该桥被称为中国2 0世纪的标志性工程，拥有8项创新、十多个中国之最 ，桁梁桥梁是其中之一。大桥上层公路桥面采用钢筋混凝土板与钢桁梁相结合的板桁桥梁，其规模之大、跨度之大属国内首创，截止成桥时在国外也未见报道。由于采用了这种结构，增加了桥梁的刚度，减少了公路桥面伸缩缝数量，提高了行车舒适度，降低了桁高 （14m），大大缩短了引桥长度，收到了良好的效益。

　　2理论与试验研究

　　预应力组合板梁桥是由Dischinger于1949年首先提出的。在他的两篇论文里，对简支梁桥，连续板梁桥，悬索桥和高速公路拱桥以及铁路桥梁等预应力组合结构体系，提出一种基本的分析理论并提出了高强钢丝可用作预应力钢索。此外，他还提出通过使用混凝土来加强连续板梁的下弦。

　　1950年，Coff通过拉伸钢丝使组合钢梁和混凝土板体系获得预应力而被授予美国专利。

　　1959年，Szilard讨论了同时应用弹性假定和近似极限的方法对预应力组合板梁的分析。

　　1963年，Hoadley研究了沿全长施加恒定的偏心预应力的简支预应力组合钢梁。

　　Reagan和Krahl讨论了在常规组合设计工作应力内通过使用盖板来增加横截面的惯性矩。这类预应力组合梁已广泛在桥梁结构中使用。

　　1973年，Knowles出版的著作中讨论了通过钢绞线给单跨板梁施加预应力。他还研究了通过反拱来施加预应力的方法。Roik讨论了在连续组合梁中施加预应力的方法；而Gibshman研究了通过施加预应力来增强组合梁中钢筋混凝土板工作性能的方法。

　　Anand研究了短跨桥的简支纵梁的预应力设计，这种桥上在具有初始应力的轧制梁的翼缘上焊接了高强盖板。

　　1987年，P.K.Basu等对一根两跨连续组合梁进行了试验研究，认为对负弯矩区混凝土板施加预应力可消除荷载作用下的裂缝，增强混凝土的耐久性，提高负弯矩区的抗弯能力，节约材料和维修费用。

　　1990年，J.B.Kennedy 和N.F.Grace对负弯矩区是预应力混凝土板的连续组合板桥模型进行了静载，疲劳和振动试验，得出的结论与P.K.Basu等人的认为基本一致。

　　1995年，L.Dezi，G.Leomi和A.M. Tarantino对负弯矩区为预应力混凝土板的连续组合梁在长期荷载下，由于负弯矩区混凝土板开裂及部分共同作用所致进行了粘弹药性分析，认为预制或现浇混凝土的时间效应很重要。

　　波纹钢腹板体外预应力混凝土箱梁这种新颖的桥型一出现就引起了世界许多工程师和学者的关注。对这种桥梁结构力学性能的分析研究也随之开始。1960年，美国的Peterson教授就开始了波纹板梁的抗剪研究。随后，瑞典的Dergtelt和德国的Linder等人也加入这一结构的研究行列。从1989年至今，美国的M.Elgaaly等人对该结构进行了较为系统的研究。先后对波纹钢腹板的剪切屈曲以及波纹板梁的抗弯性能进行了一系列的理论分析和实验研究工作，为这种新结构的发展和推广奠定了一定的理论基础。

　　预应力钢—混凝土桥梁在我国研究起步较晚。80年代初虽出现少量工程应用，但当时未考虑其组合效应，而仅仅把它作为强度储备，提高安全度或方便施工。此后的时间里，国内一些高校对采用拴钉剪力连接件的钢—混凝土组合梁进行了深入的试验和理论研究，包括抗弯承载力、刚度、滑移效应、纵向抗剪和拴钉连接件的实际抗剪承载力、混凝土板纵向抗剪计算方法等，提出考虑滑移效应的钢—混凝土组合梁变形计算的折减刚度法，并建立了考虑滑移效应的组合梁截面刚度和抗弯强度的简化实用计算公式，同时考虑了混凝土徐变和混凝土收缩的影响。折减刚度法对组合梁计算分析的换算截面法进行了改进，是对组合梁计算理论的发展。

　　3.发展展望

　　工程应用表明，与单独钢梁工作相比，预应力钢—混凝土桥梁可节省钢材30%-45%，挠度可减少50%或降低梁高20%-40%;与普通钢—混凝土组合梁相比，施加预应力后可节省钢材10%-30%，降低造价10-20%.因此，预应力钢—混凝土桥梁是很有市场发展前景的。

　　预应力钢梁与高强混凝土结合在一起形成了结合梁是新材料和新结构的有机结合，这将是预应力桥梁未来发展的一个方向。

　　预应力钢管混凝土结构是现代桥梁今后发展的一个重要方向。将预应力技术应用到钢管混凝土结构中，形成预应力钢管混凝土桥梁，充分发挥钢结构、管结构、细管高性能混凝土等诸多优越性，综合成为最佳效益，可望推动桥梁结构等向大跨、大空间、重载、动载方向发展。

　　随着工程结构跨度的增加，减轻上部结构自重成为人们关注的首要问题。波形钢腹板体外预应力组合箱梁是国外新兴一种新型的钢—混凝土桥梁形式。这种结构能够实现主梁的轻型化，进而减轻下部结构的工程量。随着对这一新型结构分析与研究的不断深入，该类结构将在我国桥梁工程建设中得到应用。