预应力混凝土技术在我国城市桥梁建设的创新和发展

预应力混凝土技术在我国城市桥梁建设的创新和发展 穆祥纯

(北京市市政工程设计研究总院，北京市100082)摘 要：全面回顾和总结了2l世纪前十年我国城市桥梁建设在现代预应力技术创新发展和应用情况。通过剖析四个经典工

程案例，并从设计理念和设计思想上的创新、新技术、新材料、新工艺应用上的创新，以及预应力混凝土桥梁结构裂缝防治的

最新研究并来展示其创新发展的相关情况，并对现代预应力技术在城市桥梁建设领域的发展作出了展望，以期引起人们对该

领域的关注，推动我国城市桥梁建设的可持续发展。 关键词：预应力技术；城市桥梁；创新发展；展望

中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1009—7716(2011)08—0008—10 1 概述

现代预应力混凝土技术自1928年法国学者

E．Fryssinnet研究成功后，经过80多年来的实践和完善，在世界各地建筑和桥梁结构物得到广泛应用。林同炎教授曾对预应力混凝土作出如下精 辟的定义：“预应力混凝土系其中已建立有内应力的混凝土，内应力的大小和分布能抵消给定外部加荷所引起的应力至所预期的程度。”我国的预应 力学者也作出如下的定义：“预应力混凝土是根据需要人为地引入某一数值的反向荷载，用以部分或全部抵消使用荷载的一种加筋混凝土。”

城市桥梁通常指城区范围内建造的跨河、跨江、跨海桥梁，立交桥及人行天桥等。近3O多年来，特别是2l世纪前十年我国的桥梁建设尤以城市桥梁建设得到了空前的发展。北京、上海、天津

和重庆等一大批城市桥梁建设令世人瞩目。且在混凝土工程技术和预应力技术应用方面得到了长足的进步。最近十年来，我国预应力混凝土桥梁发展很快，无论在桥型，跨度以及施工方法与技术方

面都有突破性进展，不少预应力混凝土桥梁的建造技术已达到国际先进水平，从组成混凝土的材料，张拉技术和施工方法及结构抗震性能上的发展上都跻身世界的前列。应该说，我国预应力混凝

土的研究和应用比欧美国家大约晚10年，但近年来的发展之迅速，应用数量之庞大，令世人刮目相收稿日期：2011—o6—22

作者简介：穆祥纯(1955一)，男，北京人，教授级高级工程师

副院长，从事桥梁设计，城市交通研究就技术管理工作。看。我国已建成的预应力混凝土桥梁大多都采用

C40～C50混凝土，进而采用减水剂等添加剂制备塑性混凝土，并发展了泵送混凝土工艺。随着桥梁

跨度的增加，为减少桥梁结构的自重，混凝土逐渐向高强、轻质方向的发展。下面通过4个典型案

例，并从设计理念和设计思想上的创新，新技术、 新材料、新工艺应用上的创新。以及预应力混凝土 桥梁结构裂缝防治的最新研究，来展示其创新发 展的相关情况，论述一下现代预应力技术在我国 城市桥梁建设创新发展的相关情况。 2 现代预应力技术在城市桥梁设计和建 造应用的经典案例

一般来说，城市桥梁设计水平主要体现在大

跨度桥梁的建造上。从1991年上海南浦大桥的成 功建成，至今我国已建成数以百计的城市大跨径 桥梁，其中苏通大桥系世界上最大跨径的钢斜拉 桥(跨径为1 088 m)，上海卢浦大桥是世界上最 大跨径的钢拱桥(主跨为550 in)，连接扬州和镇 江两座城市的润扬大桥是2005年我国跨度最大 的悬索桥(主跨为1 40O m)；而同年建成的上海 东海大桥(32．5 km长)和2008年杭州湾跨海大桥 (总长36 km)的成功建成，充分说明我国在长大、 大跨径桥梁建设水平上已跻身世界前列。而2008 年建成的浙江舟山西堠门大桥为主跨1 650 m的 悬索桥，为我国跨度最大的悬索桥，居世界最长跨 度的桥梁第二位(第一为跨度1 991 m的日本明 石海峡悬索桥)；21世纪的前l0年，在世界10座 悬索桥的排名中我国占据5座，充分说明我国建 参考文献

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20112．4预应力混凝土桥梁阶段拼装综合技术的成功 应用

2010年获得第九届中国土木工程詹天佑奖

的北京丰北路(三环～四环)改建扩工程，将预应 力混凝土阶段拼装综合技术在城市桥梁的建设上 成功地进行了推广应用。该工程共建成枢纽立交 两座(四丰立交和丽泽桥立交)，一般立交一座 (万寿路南延立交)，人行天桥3座，桥梁总面积 4．3万m2，于2007年6月竣工。其科技创新与新 技术应用如下：一是该工程建设了具有弯、坡、斜 空间曲线的预应力预制阶段拼装桥梁，编制的“预 应力混凝土桥梁预制阶段逐跨拼装施工技术规 程”填补了国内预制阶段逐跨拼装施工方面的空 白，尽收了施工占道对交通的不利影响并将低了 城市桥梁施工过程中对环境的影响。二是在预制 节段拼装桥梁的设计和施工中针对短线法预制的 曲线节段梁，自主设计研发了可调节钢模板体系， 采取便于检查和更换的新型可更换、分散型体外 预应力锚固体系和体积小、重量轻、便于安装、造

价低的转向器，提高了预应力结构的可检查性及 可维护性。三是在跨越四环路匝道桥的钢一混组 合梁上采用了曲线梁悬臂拼装无支架施工技术， 将跨越四环路的跨径70．5 Ill，曲线半径204 m的 钢梁架设拼装就位，减少了钢一混组合梁桥跨越 交通干线时临时支架对现况交通的影响，保证了 桥梁施工过程中四环主路的交通畅通，见图4。 图4 北京四丰立交全景照片 3设计理念和设计思想上的创新

3．1相关设计规范的新理念和新思想

2004年1O月实施的《公路钢筋及预应力混

凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)采用了以概 率理论为基础的极限状态设计方法，此规范城市

桥梁等同采用。较比旧规范(JTJ一023—85)，新规范 以“公路桥梁可靠度”研究为基础，从原来的“定 值设计法”转变为“概率极限状态设计法”，即在 度量结构可靠性上，由经验方法转变为运用统计 数学的方法，这在设计理念和设计思想上确实是 迈进了一大进步。新的设计思想使结构设计渊源 于客观实际，更具有科学性和合理性。 新规范将安全度和耐久性设计思想的正式引

入到城市桥梁和公路桥梁设计规范中、IT技术在 结构分析中也得到广泛的应用。在材料方面，改变 了强度的取值原则，将混凝土的强度等级提高到 C 80，钢筋品种也随现行国家标准的规定作了调 整；全面改进和补充了各种受力构件正截面和受 弯构件的承载力计算内容；改善了预应力受弯构 件的抗裂限值、裂缝宽度和构件刚度的计算方法， 以及预应力钢筋的几项预应力损失，如钢丝和钢 绞线的松弛损失、混凝土收缩和徐变等；同时还增 加了有关预应力构件耐久性的规定，组合式受弯 构件、箱梁翼板有效宽度等方面计算和构造的规 定。此外，针对近年来，我国城市桥梁和公路桥梁 领域新修建的预应力混凝土连续梁和连续刚构 桥，在边跨现浇段普遍出现的纵向裂缝或斜裂缝， 该规范还增加了分析局部区端块局部应力的规 定。在该区域除了垫板附近配置间接钢筋外，另规 定局部应力分析配置闭合式箍筋。该规范旨在推 进公路和城市桥梁的设计技术先进、安全可靠、耐 久适用、经济合理的要求。正是由于在设计理论上 采用了以概率理论为基础的极限状态设计方法， 按分项系数的表达式进行设计。应该说(JTG

D62—2004 )在设计理念和设计思想上与(JTJ 023— 85)规范有新的创新和发展。

3．2预应力连续梁式桥梁设计施工技术措施上的 新创新

针对20世纪城市桥梁和公路在预应力连续

梁式桥梁普遍存在的跨中下挠、腹板斜裂缝、底板 裂缝等病害，2009年8月由鲍卫刚等编著的“预 应力连续梁式桥梁设计施工技术指南”一书正式 出版，该指南通过分析公路和城市桥梁常见病害 其可能存在的成因，结合对于这些病害的一些处 理经验措施，从设计角度提出了一些在设计中需

2011年8月第8期 2011城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 11 要注意和加强的技术要点，并通过对设计指标的 控制以及采取的必要构造措施，来降低和消除可 能出现的病害。该指南提出“桥梁结构的设计，均 是按照预先设定并考虑了今后相当时期内需要一 定的技术标准、荷载水平进行的。从可靠度的角度 要求，结构或其构件只有在正常设计、正常施工、 正常使用和养护的情况下，才能保证其应有的可 靠度。”因此，严格执行相关标准规范的规定和技 术措施，是确保预应力连续梁式桥梁工程质量的 关键环节。这也说明，该技术指南体现了近年来我 国在预应力连续梁式桥梁设计施工技术上新发 展。

3．3里程碑——《桥梁设计工程师手册》正式编辑 出版

2007年7月由林元培院士主编的《桥梁设计

工程师手册》正式出版发行。该手册依据最新现行 国标及行业标准、规范，紧密结合工程实践，系统 归纳总结了自20世纪90年代以来我国桥梁桥梁 设计领域取得的成熟经验和教训，并重点放在结 构方案、构造要点、施工工艺、工程案例等方面。 同时对国内外最新科研成果也适当吸收和反映。 这个手册主要包括：桥梁设计程序、荷载、桥梁总 体概念设计、桥梁美学、梁桥、刚构桥、拱桥、斜拉 桥、悬索桥、斜弯桥、墩台与基础、桥梁抗风、桥梁 支座及附属构造和桥梁工程造价等。手册还展示 了现代社会所处的一个高科技时代， 日新月异的 科技成果为现代桥梁的建造提供了强大的物质基 础。不少现代桥梁使用了高强度混凝土、轻骨料混 凝土、高强度钢材及碳纤维材料。这些新材料具有 高强度、轻重量和低变形的优势。在桥梁技术进步 方面，随着工程力学和计算技术的进步，使桥梁设 计能在充分发挥材料特性的前提下，更加自主地 进行桥梁形体的创造，以达到形态美观、环境协 调、用材节省和安全性更好等多方面的目的。此

外，在桥梁的施工技术方面，多种技术成果的综合 利用，大大推动了现代桥梁特别是城市桥梁施工 技术的变革；同时运用新材料、新技术并按现代的 审美情趣设计的现代桥梁，因其形体在总体或局 部对固有形式的突破更具有鲜明的时代感，从而 具有更为强烈的艺术感染力。笔者作为长期从事 桥梁设计的工作者，确实感到这个手册的正式出 版，对直接从事桥梁设计的青年同行们是大有裨 意的，也是桥梁工程师手头的必备工具书，必将在 工程设计中发挥其重要的作用。

3．4独柱预应力曲线桥梁的最新研究。 众所周知，前些年(特别是20世纪90年代)

在我国一些大中城市相继修建了一大批独柱支承 的预应力曲线桥梁，主要是其具有对地形、地物良 好的适应性、桥下有较大的净空、并具有较好的通 透性等显著特点。与此同时，由于在施工过程中， 在预应力张拉完成后，梁体因扭转变形而发生支 座脱空、梁体上翘，进而造成梁体因扭转变形过 大：也有一些桥梁在运营1—5 a后，独柱预应力 曲线梁发生不同程度的平面变形和扭转变位。造 成抗扭支承处曲线内侧支座脱空、栏杆和伸缩缝 错位。究其原因，主要是当时设计人员对于曲线梁 桥设计理论的研究仅限于计算分析理论为主，缺 乏大量的试验研究和仿真模拟作为理论分析。特 别是我国现行的设计规范还缺乏有关曲线梁桥的 相关设计参数、内力分析方法，在构造措施和相关 技术规定上还是空白。因而，导致设计单位对该桥 型的认识不一致，对曲线梁桥的力学特性不足，某 些设计中甚至出现与曲线梁桥受力特点相违背的 情况。通过试验研究和仿真模拟作为理论分析，并 对一些城市多座独柱支承的预应力曲线桥梁所发 生的事故进行综合分析和加固处理，在独柱预应 力曲线桥梁的研究上有如下进展：(1)在结构计算 分析模型上，应采用全桥空间整体刚度的联合作 用；(2)在设计参数的选取上，应针对不同情况采 用最不利值；(3)在结构计算中，应充分考虑各种 荷载对结构体系的空间作用；(4)在对该桥型的认 识上，应树立平面内的水平变位是随时间变化而 逐步累加的理念，在构造上应该有足够的抗扭措 施及限位措施；(5)应高度关注独柱预应力曲线桥 梁的安全性和耐久性，不一味地追求连续梁的联 数，采取特殊的结构处理方式(如中墩顶部与曲线 梁固结、减少连续梁的联数)等，以确保该桥型的 安全。

3．5城市桥梁预制节段梁拼装新技术的广泛应用 桥梁预制节段拼装技术的提出源于法国，E． 弗西奈于1945年首先对预应力混凝土桥采用预 制阶段施工。此后，从1950年至1965年期间，欧 洲修建了300多座这种类型的桥梁。此施工方法 后来在美国、欧洲和东南亚地区得到广泛应用。我 国在城市桥梁建设中采用专用架桥机的预制节段 拼装技术，2O世纪末还处于起步阶段。进入21世 纪在香港、台湾地区的高架桥建设中有了广泛的 应用，尔后在我国的上海沪闵高架桥和北京四丰 立交桥等采用了此项技术。

2l世纪的前十年，我国相关部门积极推进城 市桥

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