预应力混凝土技术在我国城市桥梁建设的创新和发展.pdf
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1、8 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全 国技术高峰论坛专辑 2 0 1 1 年8 月第8 期 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 1 0 0 0 8 2 ) 摘 要 : 全 面 回顾 和 总结 了 2 l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
2、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 : U 4 4 8 文献标 识码 : A 文章编 号 : 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 0 0 8 1 0 1 概述 现代 预应力 混凝 土技术 自 1 9 2 8年法 国学者 E F r y s s i n n e t 研究成 功后 ,经过 8 0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
3、 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 3 O多年 来 , 特别是 2 l 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
4、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 1 0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 : 2 0 1 1 o 6 2 2 作者简介: 穆祥纯( 1 9 5 5 一 ) , 男, 北京人, 教授级高级工
5、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 C 4 0C 5 0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
6、。 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 1 9 9 1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 0 8 8 m) ,上海卢浦大桥是世界上最 大跨径 的钢拱 桥 ( 主跨 为 5 5 0 i n ) , 连接扬 州和镇 江两 座城市 的润扬大桥是 2 0 0 5年我 国跨度最 大 的悬索桥 ( 主跨为 1 4 0 O m) ;而同年建成的上 海 东海大桥( 3 2 5 k m长 ) 和 2 0 0 8年杭州湾跨海大桥
7、 ( 总长 3 6 k m) 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 2 0 0 8 年建成 的浙江 舟山西堠 门大桥为主跨 1 6 5 0 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 9 9 1 m的 日本明 石海峡悬索 桥 ) ; 2 1世纪的前 l 0年 , 在世界 1 0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 【 1 】 朱兆芳, 赵建伟, 张欣红 城市道路交通与节能降耗 J 城市道桥 与防洪, 2 0 0 8 ( 1 0 ) 【 2 】 城市快速路设计规程 及宣贯讲稿
8、 z 1 2 0 0 9 3 P a u l o S e r g i o C u s t o d i o 绿 色交通相关问题概述【 J 】 _ 城市交通 2 0 0 7 ,4 【 4 】 天津市市政工程设计研究院, 同济大学 城市快速路系统设计 关键技 术研究 总报 告【 R】 2 0 1 0 【 5 】 朱兆芳 , 杨鸿 远 运 用交通 工程学 搞好 中环线设 计 AI 天津市 市 政工程 设计研 究 院 5 5周年论 文集 e 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年8 月第8 期 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 9
9、桥的惊人速度和宏大规模 。 下面四个经典 案例 ,充分 反映了城 市桥 梁设 计和建造水平 的创新发展。 2 1大跨度钢桁拱与混凝 土三角刚构 新型组合桥 梁的最新发展 譬如 , 2 0 0 9年获得第八 届 中国土 木工程詹 天 佑奖的城市桥梁广州新光 大桥为广州 市新光 快速路跨越珠江的一座特大桥 , 全长 1 0 8 2 m。桥 跨 形式 为 ( 35 0) m+( 1 7 7+4 2 8+ 1 7 7 )m+ ( 3 5 O )m三联连续 桥跨结构 。其 中两侧 引桥 为 3 5 0 m的预应力混凝土连续 箱梁 , 主桥为三跨 连续 飞雁 式刚架钢桁系杆拱桥 , 大桥于 2 0 0 6
10、年建 成通 车。该城市桥梁系我国首座大跨度钢桁拱与混凝 土三 角刚构的新 型组合桥梁 , 实现 了钢 、 预应力混 凝 土、普通混凝 土等不 同材料 以及钢桁拱与 三角 刚构不 同结构形 式的有机结合 。该桥成功设计 了 承担弯 、 剪受力为 主的钢 混连接新 型构造 。 通过 有 限元分析并结合模型试验的验证 ,对钢桁拱与 混凝土三角刚构 、边拱钢拱肋拱铰处 以及大体量 的三 角刚构等复杂节 点进行 了深 入 的分析 研究 , 总结了在各种荷载状态下的应力分布规律,并成 功地将研究成果应用于设计中 , 确保 了结构施工 、 运营 中的安全 。其 主桥 4 2 8 m, 总长 7 8 2 m的
11、桥型 结构有重大突破 , 其 主拱 中段 滑移 、 浮运 、 提 升构 件尺寸 、重量 以及提升高度综合技术指标 居世界 同类 型桥梁的首位 、大跨度钢桁拱与混凝 土三角 刚构 组合桥 的整 体技 术总体 上 达 到 国际先 进水 平 , 见图 1 。 图 1 广 州新光 大桥 鸟瞰 2 2 连续刚构与连续梁 组合体 系桥梁的新进展 又如 , 2 0 1 0年获得第 九届 中国土木工程詹 天 佑 奖 的 城 市 桥 梁重 庆 长 江 大 桥 复 线 桥 系 2 0 0 6年 9月建成通车 , 为连续 刚构 与连续梁组合 体系 , 全桥长 1 1 0 3 5 m, 主跨 3 3 0 m。该桥跨径
12、成 为世界梁式桥之最( 原 为挪威 1 9 9 8年建成 的斯托 尔桥 3 0 1 m) 。这座大桥充分利用钢结 构和预应力 结构各 自的的特点 ,在充分认识预应力连续 刚构 体系力学行为的基 础上 ,开创性地把组合结 构概 念和钢一混凝土连接技术融合起来。为提高跨越 能力 ,该 工 程在 3 3 0 m主跨 中间创 造性 的采用 1 0 8 m钢箱梁 , 大大加快 了施工进度 。 该结 构体 系 较好地解 决了结构不对称及超静定次数多 、温度 变化 、 混凝土收缩徐变等问题 。 同时较好地 运用 了 体外预应力束技术 , 改善了结构受力和变形控制。 这座大桥采用主跨 3 3 0 m钢混组合式
13、连续刚构 桥 , 其技术有诸 多创新性 , 达到 国际先 进水平 , 获 得了 2 0 0 8年美 国卓越设计贡献奖 , 见 图 2 。 图 2重 庆长 江大桥 复线 桥 2 3 无推力刚构 一系杆拱桥 的新突破 2 0 1 0年获得 第 九届 中国土 木工 程詹 天佑 奖 的城市桥梁重庆菜园坝长江大桥 ,系国内最 大的公共交 通和城市轻轨两用大桥 ,其结构属无 推力刚构 一系杆拱桥 , 大桥全长 1 8 6 6 m, 其 中主 桥 8 0 0 m, 北引桥 8 6 6 m, 南引桥 1 8 0 m。主桥 4 2 0 m 主跨居世界公轨两用系杆拱拱桥之首。主桥设计 为两层 , 上层为双 向六
14、车道 , 下层为轻轨 。主桥主 体 结构 体 系包 括南 北两 侧 的边 跨 均为 预应 力 Y 型刚构 、中跨 3 2 0 m钢箱提篮拱和 8 0 0 m正交异 形板组 合钢桁 梁等子结 构 、 Y型 刚构与钢 箱梁通 过系杆拱 连接成 4 2 0 m跨 的系杆拱 ,正交异形板 连接钢桁 梁将活 载传 递到 刚构 和拱结构 之上 , 形 成了多种结构体系的组合,该结构体系在国内系 首次采用 , 其结构受力 复杂 , 体系转换频繁。 在现代预应力技术 的应用上 , 有如下创新 : 一 是在设计上首创 钢一系杆拱组合体 系。这一开创 性 的钢 一系杆拱组合结构体 系最大 限度利用 了混 凝土具
15、有的耐久 、 抗压 、 经济 以及钢材料具有 的轻 质、 高强的特性 , 体现了“ 经济一美观” 与“ 安全一 实用原则统一 的实现 。二是预应力 Y型刚构为三 维空 间非对称变截面薄壁箱型结构 ,采用支架 法 悬臂现浇技术 、悬臂现浇 吊挂施 工和底膜侧膜 一 体化整体拖拉施工技术 ,成功地解决 了特殊预应 力混凝土 Y型刚构施工技术难题 , 见 图 3 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 2 0 1 1 年8 月第 8 期 图 3重庆 菜园坝 长江大桥 2 4 预应力混凝 土桥梁 阶段拼装综合
16、技术的成 功 应 用 2 0 1 0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 m 2 , 于 2 0 0 7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
17、”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 7 0 5 I l l ,曲线半径 2 0 4 m 的
18、 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 2 0 0 4年 1 O月实施 的 公 路钢筋及 预应力混 凝土桥涵设计规范 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 )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( J T J 一 0 2 3 8 5 ) , 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
19、” 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、 I T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 8 0 ,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
20、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、
21、 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 ( J T G D 6 2 2 0 04 ) 在设 计理念和设计思 想上与( J T J 0 2 3 8 5 ) 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 2 0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 , 2 0 0 9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
22、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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年8 月第8 期 2 0 1 1 城市道桥与防洪第六届全国技术高峰论坛专辑 1 1 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
23、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 2 0 0 7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 2 0世纪 9 0年代 以来 我国桥梁
24、 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
25、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
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