论桥梁施工中预应力钢结构的应用

摘要：加强桥梁施工中预应力钢结构的应用的研究是十分必要的。本文作者结合多年来的工作经验，对桥梁施工中预应力钢结构的应用进行了研究，具有重要的参考意义。

关键字：预应力钢结构 桥梁 应用

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号： 一、前言 近些年，大跨度建筑是伴随着建筑材料和建筑结构方面的进步而得到迅速发展的，各种新型建筑材料与结构的结合，例如以钢结构为代表的网壳结构、悬索结构，钢材与各种高科技膜材料完美结合的膜结构，使大跨度建筑可以一次次打破结构对于建筑空间的局限，使灵活通透的室内大空间一次次成为现实。 作为重要的建筑材料，钢材在建筑革命中的贡献极大，第一次伦敦世界博览会上出现的水晶宫令世人眼前为之一亮，大而通透的空间使水晶宫成为19世纪英国的建筑奇观之一而存在；巴黎国际博览会上出现的埃菲尔铁塔，同样创造了一个建筑神话，埃菲尔用钢铁制造出一件高耸的艺术品，成为世界建筑史上的一件技术杰作。预应力钢结构是作为钢结构性能的提升出现的，它的出现弥补了钢材性能上许多不足，从而将钢材的性能在很大程度上做出提高。加强桥梁施工中预应力钢结构的应用的研究是十分必要的。二、钢结构 钢结构是将钢材作为主要建筑材料的一种新型建筑结构形式，钢结构与传统的建筑结构相比，在空间的灵活和通透上有着很大的优势，钢结构的优点主要取决于该结构所使用的材料。钢材是现代建筑中常用的建筑材料，与混凝土一样，成为现代建筑的风格标志。能在建筑工程材料中拥有如此地位，是由钢材的特性决定的，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。 三、预应力钢结构 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。 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。 四、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2 842・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1 750・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1 300 t,Ⅰ级线箱梁质量约1 260 t。公路40・7 m跨采用等高度连续箱梁,单幅单跨箱梁质重为950 t。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1 092 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。

南汊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14 m。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t,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5 000 t,架梁吊机自重达6 000 kN,

五、预应力钢结构与普通钢结构之间的对比 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度特点，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。 六、结语 由于符合建筑结构和形式的发展趋势，在传统钢结构的基础上实现材料性能上的弥补，预应力钢结构在近些年有了迅速的发展。在当今工程竞标十分激烈的情况下，更好的结构与更低的工程造价对于企业十分重要，所以对于每个建筑项目的结构形式都应当择优。预应力钢结构的发展，使建筑在形式上有了更大的选择空间，同时对于材料的节省，也使该结构成为符合生态建筑的结构形式。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 [4]王淑红浅谈预应力钢结构的施工特点与控制[J]. 黑龙江科技信息 2011(05) 注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。