對一種假拱橋式之預應力拱圈的探討

尚澤華

摘 要：文章從理論角度和現有的施工技術條件等出發，對拱圈提出了大膽的構想，介紹了一種假拱橋式的預應力拱圈，對真假拱受力特點做了對比，也對該構想的可行性做了簡略地論證分析，認為有一定的現實可行性。

關鍵詞：假拱；預應力；拱圈

1 預應力拱圈

1.1 預應力拱圈介紹

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

圖1 圖2

1.2 預應力拱可能適用的情況

此類預應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大拱座基礎的地域、修建中小型景觀拱橋的地方、應用于多孔連拱橋緩解多孔真拱橋的不平衡推力問題。

1.3 真拱與預應力假拱受力特點比較

1.3.1 真拱受力特點

真拱受力特點為將橋面的豎向荷載轉化為部分水平推力，使拱的彎距大大減小，變為拱主要承受壓力，拱橋是我國公路上使用廣泛且歷史悠久的一種橋梁結構型式。

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

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

1.3.2 預應力假拱受力特點

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

假拱的優點：（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，對地基基礎的要求將明顯降低，對多孔連續拱橋的互相影響程度將得到改善，可以同時較充分發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：（1）由于拱圈內存在預應力，結構受力較真拱復雜，構造較真拱復雜；（2）跨徑較大時，自重較大，對施工工藝等要求較高。

2 預應力假拱橋式的現實可行性分析

2.1 拱圈內力分析

圖3 拱腳截面受力圖

H-水平推力；V-豎向承載力；Q-剪力組合設計值；N-相應于Q的軸向壓力；P-剖開斷面鋼束預應力設計值；M-相應于P的斷面彎矩；θ-預應力方向的水平夾角。

理想狀態為：H=0，N=0。

2.2 物質技術條件論證

2.2.1 物質條件

預應力假拱的兩個重要物質條件為混凝土材料和預應力鋼束材料。高強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保證。

2.2.2 混凝土材料

近年來，由于高標號水泥和高效減水劑的研制和生產，為普通條件下配制高強度混凝土提供了有利條件，促進了高強混凝土的研究和在實際工程中的應用。但我國高強混凝土在多數地區應用還較少，在較發達地區的高層建筑、大跨橋梁、海上建筑等應用較多。C50以上的高強及C80以上超高強高性能混凝土僅在經濟發達的城市或地區的推廣應用較為普及。但在國內實際工程中混凝土強度最高達到C130。

研制更高強度的混凝土是混凝土材料未來的必然發展方向。主要表現為超高強度混凝土的研制和應用。

2.2.3 預應力鋼束材料

預應力鋼絞線是預應力行業中應用較廣的金屬制品，其生產技術起步于20世紀50年代中期，60年代傳入我國。該產品主要應用于鐵路、公路、跨江、跨海大橋、大型工業建筑、水利、能源和巖土錨固等領域，具有抗拉強度高、延伸率好、松弛值低、應力損失小、抗疲勞性能優良等特點。

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Pc鋼材在上述工程的PCS施工中均做為主筋，并承擔70%以上的預應力在國家重點工程。

隨著PCS工程設計和施工技術的不斷完善與提高，在PCS工程中對Pc鋼材適用性要求會越來越高，低松弛率、粗規格、集束型、高強度、防腐蝕已成為PC鋼材的發展趨勢。

目前φ5.0～7.0mm Pc鋼絲強度級別在1570～1670MPa，發展趨勢為1670MPa以上、1×7-φ15.2mm、1×7-φl5.24n1IIl鋼絞線強度級別在1570～1860MPa，1860Mpa級Pc鋼絞線成為了主導產品，其發展趨勢為1860MPa以上。

2.2.4 技術條件

以國內國際現有的施工技術來講，要實現文中所述的這種預應力拱圈結構，并非難事，比較困難的地方當屬橋梁施工控制技術這一塊。

施工控制是將現代控制理論與工程實際相結合而發展起來的一種新技術。橋梁施工控制以設計成橋狀態為實現目標，在整個施工過程中，通過實時監測橋梁結構的實際狀態和環境狀態，獲得橋梁結構實際狀態和理想狀態之間的差異（誤差），運用現代控制理論，對誤差進行識別、調整、預測，使橋梁施工狀態最大限度的接近理想狀態，從而保證橋梁結構在施工過程中的安全，最終達到橋梁能夠結構成橋狀態滿足設計和施工規范要求。現在已經具備了可以將較系統的工程控制論應用到橋梁施工管理中。

3 結束語

對于目前而言，由于尚無此種預應力假拱橋式的出現，筆者對于該種預應力拱圈的設想僅局限于一種理論探討式，但我相信隨著現代科學技術的不斷進步、各種施工技術的不斷更新，文中所述的這類預應力假拱橋式一定會有變為現實的可能。

參考文獻

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