预应力钢结构在桥梁施工中的应用

探究预应力钢结构在桥梁施工中的应用
摘要：预应力技术简而言之就是事先使材料经过变形，从而减少其在使用过程中的变形，降低因为材料变形而带来的对于工程的破坏。

预应力技术早就存在，只不过在预应力钢结构出现之前没有系统的计算研究，从而未能大范围推广。

例如，在古代通过引入预应力，制造出来的雨伞和木桶，都能在强度比较高的情况下得到各自相应的使用功能。

本文根据笔者工作实践，并结合工程实例，对预应力钢结构在桥梁施工中的应用及应注意的问题进行了探讨。

关键词：预应力；钢结构；桥梁
一、钢结构的性能优势
钢材的优势具体表现在：
1、同样的荷载承受能力，钢材较其它建筑材料自重轻很多，这在很大程度上减轻了建筑静荷载；
2、与混凝土、石材、木材等材料相比，钢材具有更强的变形能力和更好的整体刚性。

建筑结构对于荷载的承受能力存在极限状态——承载力极限状态和正常使用极限状态。

我们对建筑结构的要求是建筑需要满足正常使用极限状态，钢材在结构整体刚性的优势，使其成为许多大跨度以及超高层建筑的首选材料；
3、钢材具有很好的匀质性，各向同性，这种特性避免了建筑受材料力学性能上木桶效应的限制。

二、预应力钢结构特点
预应力钢结构就是将钢结构中部分普通钢材用经过处理后得到
的预应力钢材代替，并且结构中其他的构件承载力在一定程度上得到提高。

它的原理就是在结构或者是构件受力相对较大的局部，以与之将要受到的荷载方向相反的预应力对钢材事先进行人为处理，从而可以在结构受到荷载作用时，钢材构件可以通过自身材料内部存在的应力与之平衡一部分，使钢结构在合理的变形范围之内可以承受更大的荷载，从而为建筑形式提供更大的可能性。

钢结构在建筑中大范围应用较预应力钢结构早，但正是由于钢结构自身存在一定物理性能上的局限性，后者才顺势而生，所以预应力钢结构与普通钢结构相比有着自身无可替代的优越性，具体表现为：
1、预应力钢结构能够充分利用钢材的强度，优化钢材在承受荷载时的应力分布状态。

钢材虽然具有强度高的特点，但同时在承受越来越大的荷载的同时，由于材料本身的高弹性以及高韧性，钢材会发生很大的变形，这会使钢材的强度得不到有效的利用，例如相同条件下，在允许的变形范围之内，预应力钢结构荷载承受能力是普通钢结构的2～3倍；
2、预应力钢结构与普通钢结构相比可以提供更高的结构稳定性。

荷载作用下的预应力结构变形是与结构自身应力方向相反的，所以与普通钢结构相比，在结构自身内部应力得到平衡之前前者所能承受的荷载较后者大出很多，由此可以提高结构的稳定性。

预应力的存在还可以优化结构整体的循环应力的特征，从而使钢材本身的疲劳强度大大提高；
3、使建筑自身形成的荷载更小，从而使结构的多项属性得到改善。

例如，由于结构自身更为轻巧，在地震时建筑荷载会小很多，因此提高结构的抗震性。

4、更为节省材料。

预应力钢结构中受弯构件可以通过结构自身预应力将一部分弯矩转换为轴拉力，从而降低弯矩的峰值，使缩小结构构件的截面成为可能，因此相对于普通钢结构，预应力钢结构在钢材的使用上可以更为节省。

一般情况下，单次张拉后，预应力钢结构比普通钢结构节省钢材10% ～20%，经过多次张拉后，这一数值最多可能达到40%，而采用预应力创新体系结构后，该结构与传统的普通钢结构相比，甚至节省了几十倍的钢材。

例如，在1984年建成的天津宁河体育馆中采用预应力钢结构后，省钢率达到11%～12%，而在四川攀枝花体育馆结构中，应为采用了预应力钢结构，整个工程钢材节省率达到了38%之多。

三、预应力钢结构在桥梁施工中的应用
某公铁两用长江大桥全长约为2842.1 m，按上层公路，下层铁路布置。

公路桥技术标准按城市桥梁快速路标准设计，铁路桥梁技术标准：正线数目为4。

客运专线按双线、ⅰ级标准设计。

货运线按中—活载设计，客运线间距5.0 m，客运线与货运线间距8.6 m，货运线间距4.2 m。

桥0～5号墩为南汊正桥，5～20号墩为南引桥，0～28号墩为北引桥。

总长1750.1 m，南北引桥均为跨径40.7 m
简支梁桥，铁路40.7 m跨采用等高度预应力混凝土简支箱梁，客运线箱梁质量约1300t，ⅰ级线箱梁质量约1260t。

公路40.7 m跨
采用等高度连续箱梁，单幅单跨箱梁质重为950t。

引桥公铁合建段采用双层桥墩布置形式，下层铁路采用板式桥墩，上层公路采用框架墩。

南汊主桥为（98+196+504+196+98）m双塔三索面斜拉桥，全桥长1092 m。

上层6车道公路为正交异性板和混凝土结合桥面板，沥青桥面；下层4线铁路（客、货运各2线）为道碴桥面。

主桥斜拉桥主梁为板桁结合钢桁梁，n形桁架，3片主桁，桁宽2×15 m，桁高15.2 m，节间长14m。

钢桁梁工地连接均采用m30、m24高强度螺栓。

全桥钢桁梁重达4.3万吨，安装方案采用梁上起重机起吊对称悬臂拼装，边悬臂拼装钢桁梁、安装斜拉索，边进行公路桥面结合板安装。

其中主塔下横梁处的起始4个节间的钢梁需要在墩旁托架上散拼，散拼完成后再在钢梁上安装架梁吊机，再悬臂安装2个节间后才能挂索，8个节间钢桁梁总质量达5000t，架梁吊机自重达6000 kn，
四、桥梁施工中预应力在施工中应注意的问题
1 混凝土结构中预应力张拉问题
为了进一步的提高混凝土预应力早期的强度，近些年来通过采用添加早强剂的方法解决了混凝土早期强度的问题。

通常灌注混凝土3d 过后开始进行张拉预应力，由于混凝土需要一段时间增长强度，但是混凝土弹性模量和强度不是同步增长，强度增长迅速，弹性模量增长缓慢，但是由于早期缓凝土可塑性强，预应力过早的张拉会导致预应力快速的增加，造成桥梁承载能力不足，进而出现裂缝的现象。

2 预应力结构张拉力控制的问题
预应力在施工中由于作业的不规范，尤其是预应力施工张拉力严格控制直接影响着桥梁施工质量。

通常预应力张力施工采用的是张拉力和预应力钢筋伸长量二者同时控制方法，以张拉力控制为主。

一般情况下张拉力计算值采用的都是 1.5 级油压，但是相对而言误差比较大，一些千斤顶没有通过计算标定就进行张拉，然而大多数的张拉人员都没有经过专门的训练，倘若施工不专心就会出现较大的差错，严重可能导致数据读取错误。

3 预应力技术波纹管堵塞问题
由于在公路桥梁施工建筑当中，施工人员没有丰富的技术经验，在公路桥梁混凝土灌注当中，经常会出现盲目施工作业的情况，或者是在施工过程当中没有及时的做好保护性措施，这些原因都有可能是导致预应力管道出现堵塞现象的因素，并且使桥梁当中张拉力预应力钢绞线没有顺利的通过的原因，进而直接的影响了张拉力在桥梁混凝土预应力技术实际的操作的效果，造成了公路桥梁当中预应力钢绞线的长度和实际的长度不符合。

在一定的程度上位公路桥梁的成本和工期都会造成一定的困难。

因此，为了减少预应力管道堵塞，不但要按照相关规定的要求，一定要严格的对公路桥梁中管道的安装和有关的规定来完成安装，并且对预应力管道钢筋当中内部的位置一定要做好精确的计算，进一步的防止混凝土管道钢筋在一定的程度上出现了弯曲的问题。

但是在工程施工现场中，就应该尽可能的减少盲目施工作业，配置专业的施工管理人员全过程跟踪
监测，并对孔道施工，一定要严格控制好抽芯时间。

结语
作为桥梁施工中的应用的主要形式，预应力钢结构这种施工方法可以充分发挥高强钢筋的长处，对于需要克服拉力较小的结构，可以采用四级钢筋与钢结构结合，工艺更简单，受力更加合理，结构更加安全，经济效益明显，因此，值得在桥梁施工中大力推广。

参考文献：
[1] 宋少民，孙凌土木工程材料[m]. 武汉理工大学出版社 2010
[2] 张建荣建筑结构选型[m]. 中国建筑工业出版社 2011
[3] 刘丽华，王晓天建筑力学与建筑结构[m]. 中国电力出版社2008。