浅析预应力钢结构在桥梁施工设计中的应用

浅析预应力钢结构在桥梁施工设计中的应用

王晓翠

潍坊市市政工程养护管理处山东潍坊261041

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，对预应力钢结构在桥梁施工设计中的应用近些分析，希望可供相关从业者的参考借鉴。

关键词：预应力钢结构；桥梁施工；设计

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设计中的应用

某公铁两用大桥全长约2，842．1m，其中上层为公路，下层为铁路。大桥以供分为南北引桥和南汉主桥三部分，其中南汊主桥全长1，092m，为双塔三索面斜拉桥。其中斜拉桥部分由板桁和钢桁梁结合构成其主梁部分，分别为N形桁架，宽2×15m、高15．2m的桁、主桁4片，保持14m的节间距离。M30、M24这两款高强度的螺栓被用于连接工地的钢桁梁。在主塔下横梁的钢梁悬臂安装设计中，为了保证下横梁以外的钢梁能够得到有效支撑，需要设置一定的临时支撑结构。在经过了严密的分析和计算后，决定采用预应力钢结构的形式来实现支撑结构设计。

在托架顶部的}800x22钢管内通长水平横穿31小15．24钢绞线，通过张拉托架两端钢绞线产生的预应力来克巨大的水平力，结构设计简洁明了，结构的安全性有保证，经济效益明显。经过桥梁的墩旁托架设计和施工难度极大，采用预应力钢结构这一结构形式，预应力有效的克服了由于钢梁悬臂安装过程中对墩旁托架所产生的巨大水平力，整个结构在使用的过程中状态良好，墩旁托架的安全和质量得到了很好的控制，在支撑高度接近40m，要承受近70，000kN的荷载(包括下横梁承受那一部分)，墩旁托架仅用了约1，024t的普通钢材，取得了很好的应用效果。

四、预应力钢结构在桥梁工程施工中的注意事项分析

虽然在实际的施工设计中，要想充分发挥预应力钢结构的作用，达到良好的应用效果，就必须要遵守相关技术规定，不断优化设计，提高施工质量。在此过程中，需要注意以下几点内容：

预应力钢结构是对钢结构中的部分钢材进行预应力张拉所获得，在此过程中，需要注意掌握预应力张拉的力度。因为如果张拉过度，则会使钢材提前进入疲劳状态，降低其强度性能。而如果张拉力度较弱，则无法达到良好的张拉效果，预应力钢结构的优势也就无法充分发挥出来。一般来讲，在张拉的过程中，除了要控制其张拉力的大小以外，还要注意控制其预应力钢筋伸长量。这样有利予更好的控制更预应力钢结构的施工质量。另外，还需要注意的一点是，在处理预应力钢结构时，施工人员应该拥有娴熟的技术和高度的责任心，能够规范正确操作，保证预应力钢结构的正常处理效果。预应力钢结构在桥梁施工中通常还需要和混凝土作业配合施工，以完成整个桥梁结构的施工。而在具体的操作中，尤其是在连续梁结构的施工中，很容易出现预应力管道堵塞的现象。这就会导致预应力钢绞线无法顺利的通过而影响到桥梁的正常施工。而之所以会出现这种情况，主要是因为施工中没有加强现场管理和质量控制，施工人员操作不当而引起。为此，在施工中，必须要严格注意这一点，并做好精密计算，保证预应力钢结构桥梁的施工质量。

结束语

综上所述，在现代桥梁施工中，如果采用预应力钢结构作为桥梁的主体结构，能够极大的提升桥梁的抗压能力和整体性能，增大其综合效益。但是在其施工设计中，也需要充分考虑实际情况，做好设计优化工作，加强施工质量控制和管理，才能最大程度的发挥预应力钢结构的应用优势，提升桥梁工程效益。

参考文献：

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[3]张建荣建筑结构选型[M].中国建筑工业出版社2011

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