桥梁预应力(高强材料、预应力技术……未来桥梁结构体系的发展方向在哪里？)

Posted 2023-05-30

篇首语：这个世界看你笑话的人永远比在乎你的人要多。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了桥梁预应力(高强材料、预应力技术……未来桥梁结构体系的发展方向在哪里？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

桥梁预应力(高强材料、预应力技术……未来桥梁结构体系的发展方向在哪里？)

桥梁的作用是承载使用荷载跨越障碍，没有文献记载是谁发明了桥梁，在形成结构设计理论之前，人们从自然界知道利用倒下的树干可以跨越河流，利用藤蔓可以跨越峡谷，于是开始人为地仿造自然有意地砍伐树木、挂绳索成为原始桥梁，逐渐形成了梁、索、拱等几种桥梁结构基本型式。桥梁为什么能不倒？什么原理能让桥梁承载荷载跨越障碍？这是人们模仿自然时会问的问题。工程建造技术发展大致可以分为两个阶段：文艺复兴之前可称之为工匠时代，其特点是徒弟模仿师傅，仿造已建桥梁建新桥，倒塌的可能性小；文艺复兴之后逐渐建立了工程结构理论，建立了从数学到力学，再到构件设计，最后到整体结构设计方法，按照科学化的理论体系设计桥梁就能保证其结构的安全性。

抗力矩和抗剪力于桥梁承载的必要性

按照现代工程结构理论，结构将承担的外荷载转化为结构内力，进一步转化为应力，当结构内各部分的应力均小于对应的材料强度时，结构能承载这一外荷载。结构的外部支承、内部构件连接方式不同，内力分布就不同，结构抵抗外部作用的构件组成方式称为结构体系。

桥梁承载的特点是将荷载从空中传递到河两侧（图1），必然在桥梁内产生弯矩和剪力。

图1 桥梁功能需求

如图2所示的水平悬臂梁，将竖向荷载传递到岸边时在梁内产生弯矩和剪力，梁必须有抗力矩和抗剪力，地基需要提供支反力和反力矩才能承载。对图3的两端支承的简支梁，也必须有抗力矩和抗剪力，而一侧地基支反力对另一侧地基产生的力矩可抵抗外荷载的弯矩，因此只需要提供支反力。

图2 悬臂梁

图3 简支梁

从微观上观察图4所示的简支梁应力图可以发现，梁在受弯时上翼缘受压，下翼缘受拉，其抗压和抗拉力形成了梁的抗力矩。从上翼缘过渡到下翼缘之间必然存在某个既不受压也不受拉的区域，但如果切开该区域（图5），上下翼缘之间将发生滑移从而不能形成抗力矩，而是上下翼缘单独形成抗力矩。梁的承载依靠抗力矩，但抗力矩必须有抗剪力。

图4 受弯梁的应力

图5 受弯梁复办的作用

对图6所示的有高低的折线形杆，并在河岸处提供抗推力，外荷载在杆内产生轴压力，轴力水平分量产生力矩可与竖向分力产生的力矩相互抵消，杆件的抗压力水平分力与支承的抗推力形成体系抗力矩，杆件抗压力的竖向分力形成抗剪力，杆件自身只需要抗压力。相反，对图7所示的折线形杆，同样在河岸处提供抗拉力，构件内会产生轴拉力，杆件的抗拉力水平分力与支承的抗拉力形成体系抗力矩，杆件抗拉力的竖向分力形成抗剪力，杆件只需要抗拉力。折线形的矢高越大，构件所需抗压和抗拉力越小。由受压构件与支承水平抗推力形成的抗力矩被称为拱作用，由受拉构件与支持水平分力形成的抗力矩被称为悬索作用。

图6 Pont de Québec

如果将支承提供的抗推力用一根拉杆承担或将支承提供的拉力用一根压杆承担，支承处只有竖向反力，桥梁完全由体系内的受压和受拉杆件形成抗力矩和抗剪力。

从上述分析可以得到如下结论：桥梁必须有抗力矩和抗剪力才能承载，抗力矩和抗剪力可由构件自身形成，也可以由受压或受拉构件抗力水平分力与支承水平抗力组成的体系抗力矩形成，还可以由体系内不同高度的拉、压构件组成的体系抗力矩和抗剪力形成。

从受力特点看结构体系分类

桥梁有各种各样的结构形式，对桥梁结构进行分类不仅仅为了更好地了解桥梁，更重要的是不同类别桥梁的特点将影响设计思路、施工方法、维护重点。根据受力特点按照结构体系分类，是最能反映桥梁特点的分类方法，它能体现桥型跨越能力、适用范围、经济性等主要性能指标。

根据上述桥梁承载能力形成的机理，桥梁结构体系可以分为四大类，第一种是单一构件与支承形成抗力矩的简单体系，第二种是由拉、压构件组合形成抗力矩的组合构件体系。将上述两种体系联合使用再得到两种混合体系，一是构件自身抗力矩与体系抗力矩共同承担外荷载的组合受力体系，另一种是将上述两种以上体系同时在一座桥梁中使用的协作体系。

简单体系桥梁

简单体系桥梁由一种构件受力形式与支承形成承载力，以构件受弯形成抗力矩的称为梁桥，以构件受压与支承水平推力形成抗力矩的成为拱桥，以构件受拉与支承水平拉力形成抗力矩的成为悬索桥。

1.梁桥

梁桥以梁受弯抵抗外力矩，由截面上下缘的拉、压应力形成抗力矩（图4）。要提高抗力矩必须增大梁高，而抗剪必须保持一定的腹板厚度，因此增大梁高会增大自重。当跨径增大时梁桥的自重在总弯矩中所占的比例迅速增大，梁的抗弯承载力只有很小一部分用来承担使用荷载，因此建造大跨径桥梁是不经济的。目前采用预应力混凝土建造的最大跨径梁桥是挪威1998年建成的跨径301米的Stolma Bridge。预应力混凝土梁桥常用在200米跨径以下，超过200米后自重弯矩急剧增加，预应力很难保证梁体不出现拉应力从而开裂。

尽量减轻腹板的重量可提高梁桥跨越能力，桁架梁利用有限数量的斜腹杆代替腹板大大减轻了自重，可建造更大跨度的桥梁。桁架很早就被人们发现，早期只知道用腹杆代替腹板减轻自重，腹杆的设置受力并不明确，到18世纪才从力学研究了杆件的作用与计算方法，因此逐渐形成了目前桁架的简洁形式。桁架依靠上下弦抗拉压力形成抗力矩，加大桁高可获得更大的抗力矩。1917年建成的跨径549米的加拿大Pont de Québec是当时跨径最大的桁架桥，支点处桁梁高度达到104米（图6)。由于尽量减小腹杆来减小全桥自重，腹杆稳定性成为桁梁桥增大跨径的瓶颈，Pont de Québec在建造过程中发生过腹杆失稳而造成的倒塌事故。在斜拉桥建造技术成熟之前，钢桁架梁桥是300～500米跨径桥梁中使用较多的桥型。桁架梁由于最大限度地将材料布置在截面上下两端，因此在对承载力、刚度要求较高的铁路桥中，从数十米至200米跨径均有广泛应用。

2.拱桥

拱桥由拱圈的压力和拱脚推力组成抗力矩。对于特定的荷载分布q，当拱圈取某一特定的形状时就只承担压力。增大桥梁的抗力矩只需要增大矢高f，而不需要增大拱圈截面高度，不会令自重增加过大，所以拱桥的跨越能力比梁桥大，只要有足够大的矢高便能建造更大跨度的拱桥。当然地基必须提供抗水平力，这是建造拱桥的额外支出,所以在地基抗水平推力较好的山区经常采用拱桥方案。

在某一种特定荷载分布下，拱圈可设计成只受压力的形状，此时拱轴线称为合理拱轴线。但在使用过程中荷载是变化的，因此拱圈在活载作用下还须承担一定的弯矩。同时拱圈是细长的受压构件，存在失稳的可能性，因此拱圈必须有一定的抗弯刚度。上述两个原因决定了随着跨径增大，拱圈不能只按材料抗压强度设计，必须有一定的抗弯能力，是大跨度拱桥的拱圈常采用桁架的原因，当跨径很大时抗弯要求仍会使自重大幅增加，限制拱桥跨越能力的发展。

在没有钢筋混凝土之前，拱桥多用石头建造，最大跨径石拱桥是我国山西省的丹河新桥，跨径146米。钢筋混凝土抗压能力好且有一定抗拉能力，是建造拱桥最合适的材料。目前60～300米常采用钢筋混凝土拱桥，最大跨径混凝土拱桥是2016年建成的客运专线北盘江大桥，跨径445米。大跨度钢拱桥建成于1931和1932年，两座跨径超过500米的桁架拱肋拱桥Bayonne Bridge和Sydney Harbour Bridge。

拱桥架设的工序比梁桥多，因此小跨径时拱桥不如梁桥经济，除景观要求外50米以下跨径较少采用拱桥。

3.悬索桥

悬索桥与拱桥相反，由缆索拉力与支承处拉力形成抗力矩。与拱桥一样，只要增加缆索的矢高f便能增加桥梁的抗力矩。由于缆索受拉不存在失稳问题，无需抗弯刚度，增加跨径时自重增加的幅度比拱桥小，因此跨越能力比拱桥大。目前已经建成的最大跨径悬索桥是日本的Akashi Kaikyo Bridge（图7），跨径1991米。2006年经过多年的研究，意大利最终确定了跨径3300米的Strait of Messina Bridge设计方案。现有钢材从承载力角度看，完全可以建造5000米以上跨径的悬索桥。

图7 Akashi Kaikyo Bridge立面图

因为缆索没有抗弯刚度，荷载集度q一旦发生变化，缆会变化到新的线形，所以在变化荷载作用下悬索桥刚度小。活载变形大、风荷载作用下容易引起振动，限制了悬索桥的极限跨径增大。

悬索桥虽然材料利用效率比梁桥和拱桥高，但建造锚碇和缆索架设的成本很高，且活载刚度低，小跨径时经济性不如其他桥型。在斜拉桥建造技术不断成熟情况下，800米以下跨径除景观需求外，越来越少采用悬索桥方案。

组合构件体系桥梁

组合构件体系桥梁利用不同高度上的拉、压杆件形成体系抗力矩，水平力自平衡，无需地基提供水平抗力，根据拉压构件的受力形式分为组合体系拱桥、自锚式悬索桥、斜拉桥。只要拉压构件间有足够高的距离，就能获得很大的体系抗力矩，因此跨越能力均比梁桥大。

1.组合体系拱桥

设水平拉杆来平衡拱的水平力，成为组合体系拱桥，通常水平拉杆利用桥面形成，只要增加矢高便能增加抗力矩。组合体系拱桥的好处是拱座不需要承担水平分力，这使软土地基上建造拱桥成为可能。组合体系拱桥可以形成下承式、中承式或上承式桥面，成为60米至500米范围经常采用的桥型，我国将组合体系拱桥与钢管混凝土结合在300米以下跨径取得了很好的应用效果。上海2003年和重庆2009年分别建成了跨径550米的卢浦大桥和552米的朝天门大桥，都是中承式组合体系拱桥。如何形成拉压构件自平衡体系，是组合体系拱桥建造的难点，这使得组合体系拱桥在300米以上跨径竞争力不如斜拉桥。

2.自锚式悬索桥和张弦梁

自锚式悬索桥利用桥面在缆的下方平衡主缆水平力，张弦梁的梁在缆的上方平衡水平力。同样增加矢高就能增加体系抗力矩，由于施工不便，张弦梁在桥梁上应用较少。自锚式悬索桥主梁必须在主缆架设之前架设，需要采用支架，因此不适合建造大跨径桥梁。由于主缆水平力给桥面梁施加预压力，因此在200米以下小跨径情况下采用混凝土主梁的自锚式悬索桥方案尚有一定的竞争力，300米以上跨径竞争力不如斜拉桥。

3.斜拉桥

斜拉桥用多根拉索直接连接主梁和塔顶，由受拉的斜拉索和受压主梁形成桥梁的抗力矩，水平力同样自平衡，梁只承担局部弯矩。因采用悬臂法施工，主梁和斜拉索可以逐步形成拉压体系，既得到了组合体系的抗力矩，又无需先架设主梁。

与悬索桥相比，斜拉桥主梁是受压构件，极限跨径仍然受压杆稳定性的限制，不如悬索桥大。按照目前的悬臂施工方法，跨径超过1600米稳定性会成为瓶颈。但斜拉桥是拉压力自平衡体系，无需锚碇，经济性比悬索桥好。斜拉索直接锚固在塔顶，活载刚度大，因此在跨越能力范围内，斜拉桥适用性均比悬索桥好。与自锚式悬索桥相比，斜拉桥可以采用悬臂施工，无需支架，因此经济性也更好。在跨越能力范围内，斜拉桥总体比悬索桥更优。

拱圈的架设是建造大跨径拱桥最困难的工序，大跨径拱桥的拱圈常利用斜拉索扣挂悬臂架设，成拱后斜拉扣挂系统将拆除。而斜拉桥利用斜拉索悬臂架设，成桥后斜拉索仍然是体系内的受力构件。超过500米跨径时，斜拉桥方案比系杆拱桥经济性好。斜拉桥出现后，除地基条件特别好的峡谷桥址外，很少采用超过500米跨径的拱桥方案。

由于必须求解由众多拉压构件组成的高次超静定结构，直到计算机出现后斜拉桥才得到迅速发展。经过短短数十年的发展，斜拉桥已经成为200～1000米跨径范围内都有竞争力的桥型。2008年建成的1088米主跨的苏通大桥是首座跨径超过1000米的斜拉桥（图8）。由于斜拉索造价高、架设方法复杂，200米以下跨径不如梁桥和拱桥经济性好。

图8 苏通大桥

组合受力体系桥梁

梁桥的抗力矩由梁自身形成，需要较大的梁高，拱桥、悬索桥、组合构件体系桥均由结构体系形成抗力矩，构件只承担拉、压力。由梁自身抗力矩为主，以体系抗力矩尽量减小量的梁弯矩就形成组合受力体系桥梁。

1.刚构桥

将桥墩与主梁固结就形成刚构桥。由于结构形状，支承水平反力与主梁水平力形成体系抗力矩，从而可以减小梁的弯矩。小跨径的刚构桥常用建筑高度受限的跨线桥或者城市桥梁，德国Rosenstein Bridge跨径68米，采用门形刚构跨中梁高只有1.65米。如将桥墩倾斜，水平力将逐渐增大，使结构体系介于梁和拱之间，斜腿和梁内的弯矩大大减小，从而减小截面高度，增大跨越能力。我国曾大量建造的刚构拱桥因引入拱作用，使拱片内的配筋大大减少。意大利Sfalassà Bridge采用斜腿刚构，跨径达360米。

2.索辅梁桥

通过拉索与梁形成体系抗力矩减小梁的弯矩可形成索辅梁桥，成为介于梁桥与组合构件体系桥梁适用范围之间的桥型。

部分斜拉桥（Extro-Dosed PC Bridge）主梁自身承担一定的弯矩，同时通过较矮的塔柱布置一定量斜拉索形成体系抗力矩，如图9。由于斜拉索的设置，部分斜拉桥梁的弯矩比梁桥小，而斜拉索的应力幅没有斜拉桥高，在150～300米跨径可以取得较好的适应性。1980年建成的跨径150米的瑞士Ganter Bridge就是这种桥梁。

图9 部分斜拉桥

采用悬索同样可起到通过体系抗力矩减小梁弯矩的作用。上海施贤路油墩港桥将悬索布置成由吊杆固定的体外预应力，协助主梁抗弯。悬索与主梁分别在两个塔柱处形成刚构，绕塔柱转体合拢。

通过拱与梁组合形成体系抗力矩也可减小梁的弯矩，形成柔拱刚梁。我国高铁在悬臂浇筑的预应力混凝土变截面连续刚构上增加柔拱来提高结构刚度、减轻自重，成为介于梁桥与拱桥适用范围之间的桥型。比如，跨径275米的宜万铁路宜昌长江大桥，既提高了刚度、减轻自重，也利用了刚构桥悬臂施工的成熟工艺。

3、索梁共存体系—索辅梁的特殊形式

在上述索辅梁桥中的塔柱、拱等一般均能自身站立。在梁有较大刚度情况下，可以通过拉索（吊杆）利用梁的刚度，协助塔柱、拱保持平衡，就形成共存体系。无背索斜拉桥、外倾索面斜拉桥、外倾吊杆面悬索桥、外倾吊杆面组合体系拱桥等都是利用这一原理达到特殊的桥梁造型效果。

这些桥梁造型的共同特点都是利用突破人类对结构平衡的心里预期来达到视觉冲击力。必须指出，塔柱、拱面单侧倾斜后，对拉索（吊杆）锚固刚度降低，从而减小了体系的抗力矩，降低了组合体系的受力效率。此外，倾斜的塔柱、拱面在梁没有架设完成前自身无法站立，使施工变得困难。因此这些异形桥梁方案一般不适合在大跨径、重载交通桥梁上使用，在小跨径、人行桥上受力与架设均不控制的情况下，可以取得良好的景观效果，有些甚至成为地标建筑。

混合体系桥梁

将前述几种结构体系在一座桥梁中混合使用，在一定条件下可以取得特殊的效果。

1.纵桥向协作体系

悬吊-斜拉协作体系桥的跨中部分，由地锚平衡悬索拉力形成抗力矩，靠近塔部分由斜拉索与主梁自平衡形成抗力矩，两种体系的协作可在利用悬索获得更大跨径时，通过斜拉桥部分提高桥梁的总体刚度。图10为博斯普鲁斯海峡3号桥立面，该桥为首座超过千米的悬吊-斜拉协作体系桥。

图10 悬吊-斜拉协作体系桥

部分地锚斜拉桥靠近塔柱的主梁受压与斜拉索拉力自平衡形成抗力矩，跨中部分的主梁受拉，拉力由斜拉索直接传递到锚碇上，形成抗力矩，如图11所示。这种混合体系可以减小主梁压力，突破斜拉桥主梁失稳而限制极限跨径的瓶颈。

图11 部分地锚斜拉桥

将桥梁的一半建成斜拉桥，另一半建成刚构或连续梁，成为斜拉桥与梁的协作体系，如图12。在不对称河床断面建造独塔斜拉桥时，主跨远端斜拉索倾角小，索梁拉压组合抗力矩效率低，利用梁自身的抗力矩可以取得更好的经济性。

图12 斜拉—刚构协作体系桥

2.竖向混合体系

用一种体系支承另一种体系可形成竖向混合体系，这往往是为了满足景观及特殊需求。拱形塔斜拉桥是常见的两种体系竖向混合，利用拱支撑斜拉索可以取得特殊的景观效果。湘潭莲城大桥是利用斜拉桥支撑系杆拱，保留拱施工中的临时斜拉扣挂系统减小拱的材料用量，但是这增加了结构传力的复杂性。

抗力矩是使桥梁承载外荷载跨越障碍的必要条件，抗力矩可由构件自身产生，也可由结构体系内的构件与支承条件形成，还可由构件与构件组合产生。根据抗力矩形成的方式，桥梁结构体系可以分为简单体系、组合构件体系，这两种体系的组合又可以形成组合受力体系与混合体系。

不同的桥梁结构体系受力效率不同，以悬索为主形成体系抗力矩的桥梁受力效率最高，以梁受弯形成抗力矩的体系受力效率较低。经济性不但与受力效率相关，还与体系形成难易程度相关，使用性能也是影响桥型适用范围的因素。

图13 Pabellon del Futuro 1992 EXPO

随着新建设需求、新材料和新技术的出现，桥梁结构体系必然有新的发展，高性能混凝土、高性能钢材、纤维加劲材料是目前可见的具有高性价比的建筑材料，其应用形式正在被广泛探索。以西班牙1992年世博会未来馆（Pabellon del Futuro，见图13）背景墙结构为例，其结构形式以高强材料、预应力技术、古典结构形式的结合，深刻地寓意了结构体系发展的未来。

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2020年第5期总第97期

作者 / 石雪飞

作者单位 / 同济大学桥梁工程系