對一種假拱橋式之預(yù)應(yīng)力拱圈的探討

尚澤華

摘 要：文章從理論角度和現(xiàn)有的施工技術(shù)條件等出發(fā)，對拱圈提出了大膽的構(gòu)想，介紹了一種假拱橋式的預(yù)應(yīng)力拱圈，對真假拱受力特點(diǎn)做了對比，也對該構(gòu)想的可行性做了簡略地論證分析，認(rèn)為有一定的現(xiàn)實(shí)可行性。

關(guān)鍵詞：假拱；預(yù)應(yīng)力；拱圈

1 預(yù)應(yīng)力拱圈

1.1 預(yù)應(yīng)力拱圈介紹

對預(yù)應(yīng)力假拱橋式的設(shè)想如下：通過對拱圈分節(jié)段施加預(yù)應(yīng)力的方式（如下圖所示），最大程度的減少拱圈傳遞給拱座的水平推力。拱圈預(yù)應(yīng)力設(shè)置如下：

圖1 圖2

1.2 預(yù)應(yīng)力拱可能適用的情況

此類預(yù)應(yīng)力假拱橋式的可能使用范圍：按真拱理論不適合修建超大型擴(kuò)大拱座基礎(chǔ)的地域、修建中小型景觀拱橋的地方、應(yīng)用于多孔連拱橋緩解多孔真拱橋的不平衡推力問題。

1.3 真拱與預(yù)應(yīng)力假拱受力特點(diǎn)比較

1.3.1 真拱受力特點(diǎn)

真拱受力特點(diǎn)為將橋面的豎向荷載轉(zhuǎn)化為部分水平推力，使拱的彎距大大減小，變?yōu)楣爸饕惺軌毫Γ皹蚴俏覈飞鲜褂脧V泛且歷史悠久的一種橋梁結(jié)構(gòu)型式。

真拱的優(yōu)點(diǎn)：（1）具有較大的跨越能力，充分發(fā)揮圬工及其它抗壓材料的性能；（2）構(gòu)造較簡單，受力明確簡潔；（3）形式多樣、外型美觀。

真拱的缺點(diǎn)：（1）有水平推力的拱橋，對地基基礎(chǔ)要求較高，多孔連續(xù)拱橋互相影響；（2）跨徑較大時(shí)，自重較大，對施工工藝等要求較高；（3）建筑高度較高，對穩(wěn)定不利。

1.3.2 預(yù)應(yīng)力假拱受力特點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力假拱受力特點(diǎn)為通過拱圈內(nèi)鋼束的作用使拱圈傳遞彎矩的能力得到加強(qiáng)，從而在一定程度上削弱由橋面的豎向荷載轉(zhuǎn)化來的部分水平推力，使拱腳位置的水平推力減小，從而達(dá)到提升拱圈的承載能力及跨越能力。

假拱的優(yōu)點(diǎn)：（1）對于有水平推力的拱橋而言，較真拱具有更大的跨越能力，對地基基礎(chǔ)的要求將明顯降低，對多孔連續(xù)拱橋的互相影響程度將得到改善，可以同時(shí)較充分發(fā)揮抗壓材料及抗拉材料的性能；（2）秉承了真拱的形式多樣、外型美觀。

假拱的缺點(diǎn)：（1）由于拱圈內(nèi)存在預(yù)應(yīng)力，結(jié)構(gòu)受力較真拱復(fù)雜，構(gòu)造較真拱復(fù)雜；（2）跨徑較大時(shí)，自重較大，對施工工藝等要求較高。

2 預(yù)應(yīng)力假拱橋式的現(xiàn)實(shí)可行性分析

2.1 拱圈內(nèi)力分析

圖3 拱腳截面受力圖

H-水平推力；V-豎向承載力；Q-剪力組合設(shè)計(jì)值；N-相應(yīng)于Q的軸向壓力；P-剖開斷面鋼束預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值；M-相應(yīng)于P的斷面彎矩；θ-預(yù)應(yīng)力方向的水平夾角。

理想狀態(tài)為：H=0，N=0。

2.2 物質(zhì)技術(shù)條件論證

2.2.1 物質(zhì)條件

預(yù)應(yīng)力假拱的兩個重要物質(zhì)條件為混凝土材料和預(yù)應(yīng)力鋼束材料。高強(qiáng)混凝土和鋼絞線對提升拱橋的跨越能力提供了有力的物質(zhì)保證。

2.2.2 混凝土材料

近年來，由于高標(biāo)號水泥和高效減水劑的研制和生產(chǎn)，為普通條件下配制高強(qiáng)度混凝土提供了有利條件，促進(jìn)了高強(qiáng)混凝土的研究和在實(shí)際工程中的應(yīng)用。但我國高強(qiáng)混凝土在多數(shù)地區(qū)應(yīng)用還較少，在較發(fā)達(dá)地區(qū)的高層建筑、大跨橋梁、海上建筑等應(yīng)用較多。C50以上的高強(qiáng)及C80以上超高強(qiáng)高性能混凝土僅在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的城市或地區(qū)的推廣應(yīng)用較為普及。但在國內(nèi)實(shí)際工程中混凝土強(qiáng)度最高達(dá)到C130。

研制更高強(qiáng)度的混凝土是混凝土材料未來的必然發(fā)展方向。主要表現(xiàn)為超高強(qiáng)度混凝土的研制和應(yīng)用。

2.2.3 預(yù)應(yīng)力鋼束材料

預(yù)應(yīng)力鋼絞線是預(yù)應(yīng)力行業(yè)中應(yīng)用較廣的金屬制品，其生產(chǎn)技術(shù)起步于20世紀(jì)50年代中期，60年代傳入我國。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于鐵路、公路、跨江、跨海大橋、大型工業(yè)建筑、水利、能源和巖土錨固等領(lǐng)域，具有抗拉強(qiáng)度高、延伸率好、松弛值低、應(yīng)力損失小、抗疲勞性能優(yōu)良等特點(diǎn)。

典型工程范例有：虎門大橋，江陰大橋，三峽水利工程，黃河小浪底水利工程等。國產(chǎn)Pc鋼材在上述工程的PCS施工中均做為主筋，并承擔(dān)70%以上的預(yù)應(yīng)力在國家重點(diǎn)工程。

隨著PCS工程設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的不斷完善與提高，在PCS工程中對Pc鋼材適用性要求會越來越高，低松弛率、粗規(guī)格、集束型、高強(qiáng)度、防腐蝕已成為PC鋼材的發(fā)展趨勢。

目前φ5.0～7.0mm Pc鋼絲強(qiáng)度級別在1570～1670MPa，發(fā)展趨勢為1670MPa以上、1×7-φ15.2mm、1×7-φl5.24n1IIl鋼絞線強(qiáng)度級別在1570～1860MPa，1860Mpa級Pc鋼絞線成為了主導(dǎo)產(chǎn)品，其發(fā)展趨勢為1860MPa以上。

2.2.4 技術(shù)條件

以國內(nèi)國際現(xiàn)有的施工技術(shù)來講，要實(shí)現(xiàn)文中所述的這種預(yù)應(yīng)力拱圈結(jié)構(gòu)，并非難事，比較困難的地方當(dāng)屬橋梁施工控制技術(shù)這一塊。

施工控制是將現(xiàn)代控制理論與工程實(shí)際相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新技術(shù)。橋梁施工控制以設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在整個施工過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)和環(huán)境狀態(tài)，獲得橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)和理想狀態(tài)之間的差異（誤差），運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，對誤差進(jìn)行識別、調(diào)整、預(yù)測，使橋梁施工狀態(tài)最大限度的接近理想狀態(tài)，從而保證橋梁結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全，最終達(dá)到橋梁能夠結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)滿足設(shè)計(jì)和施工規(guī)范要求。現(xiàn)在已經(jīng)具備了可以將較系統(tǒng)的工程控制論應(yīng)用到橋梁施工管理中。

3 結(jié)束語

對于目前而言，由于尚無此種預(yù)應(yīng)力假拱橋式的出現(xiàn)，筆者對于該種預(yù)應(yīng)力拱圈的設(shè)想僅局限于一種理論探討式，但我相信隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、各種施工技術(shù)的不斷更新，文中所述的這類預(yù)應(yīng)力假拱橋式一定會有變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的可能。

參考文獻(xiàn)

[1]顧懋清.公路橋涵設(shè)計(jì)手冊：拱橋（上冊）[M].人民交通出版社，2000-07-01.

[2]顧安邦，孫國柱.公路橋涵設(shè)計(jì)手冊：（下冊）[M].人民交通出版社，1994-10-01.

[3]王國鼎.拱橋連拱計(jì)算[M].人民交通出版社，1998.

[4]王山.高強(qiáng)混凝土的發(fā)展及應(yīng)用[J].山西建筑，第36卷第七期，2010年3月.

[5]張秀鳳.我國預(yù)應(yīng)力鋼絲鋼絞線現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].金屬制品，第26卷增刊，2000年9月.