预应力混凝土桥梁设计与施工
Jiří Stráský，Radim Nečas
读后感
该书作者 Jiří Stráský 自 1969 年以来一直在工程界工作，目前担任捷克共和国 Strasky Husty 合伙有限公司的技术总监，还在布尔诺大学担任教职，获得过较多的设计和技术论文奖项，并多次发表。作者 Radim Nečas 是捷克共和国布尔诺科技大学的全职学者，自 2001 年以来，一直从事研究工作，并在捷克、西班牙和美国见证实现了他的诸多项目。
该书通过诸多不同桥型结构的实桥案例，简洁清晰地介绍了预应力混凝土结构的设计、施工和发展，同时也表明通过合理的设计和研发，总能实现高效、经济、美观的预应力混凝土结构建造方案。
该书首先介绍了不同支撑体系桥梁的主梁断面形式及其应用实例，其中脊骨梁和支承杆件组成的大悬臂断面、桁架腹板组合梁断面、蝶形预制腹板组合梁断面等实桥案例显示了先进的预应力混凝土结构设计与建造水平。
该书从桥梁满足实际跨越需求的角度，系统地讨论了通道桥、立交桥、高架桥、跨河桥梁、跨深谷桥梁和人行桥在不同应用场景下，桥梁的总体布设、桥型选择、断面布置等。书中所选择的实桥案例均体现了作者“合适、经济、高效、轻巧、通透、环境影响最小”的设计理念。
该书全面介绍了现浇结构、预制结构和混合结构的施工方法。现浇支架采用固定支架或移动支架，案例中不乏很多巧妙和成熟的支架系统；在特殊的建设条件下，也有不少应用顶推、提升、转体、悬臂浇筑等特殊施工工艺的案例。预制结构有预制梁和预制节段，预制梁可采用起重机，架桥机整体吊装；节段梁采用移动支架整跨安装或桥面吊机节段悬拼，为适应特殊的建设条件，桥面吊机有桁架式，桅杆式，有可移动式，可旋转式。
该书还提醒读者，混凝土结构与钢结构不同，在混凝土结构中，由于混凝土的收缩和徐变特性，可能会遇到很多结构问题。如引起预应力效应的损失；当结构静力体系发生改变时，结构内力发生重新分布；当不同龄期构件形成组合结构时，结构内力在构件间发生重新分布。通过平衡恒载，减少结构体系变化引起的内力重分布；控制不同构件的初始龄期、初始应力水平减少不同构件间的应力重分布。
该书的内容非常有深度和广度，希望通过该书的介绍，让我们对预应力混凝土结构的结构形式、 结构细节、预应力的行为和施工技术有更深刻的理解，从而帮助我们在桥梁建设中获得最合适的解决方案。
它山之石，可以攻玉。希望该书及翻译工作，让业内人士能以更加开阔的视野进行更高水平的创作，推动中国桥梁更高质量发展。原作序言
预应力的概念诞生于20世纪，是历史上任何时期结构工程中唯一最重要的新方向（Billington，1976）。它将控制结构行为的能力交到了设计师的手中，同时使他们能够或被迫更深入的思考结构本身。此外，预应力的应用为结构的形式开辟了新的可能性，这对一般文化产生了影响。预应力的概念产生于桥梁设计，从纯粹的工程角度来看，桥梁结构中的预应力最令人印象深刻。在钢筋混凝土中，混凝土和钢筋的结合方式是简单地将它们放在一起，让它们按照自己的意愿一起行动。然而，在预应力混凝土中，高强度的混凝土与高强度的钢筋以一种积极主动的方式结合起来。预应力使结构工程师能够平衡负荷，改变边界条件，并在结构中创造支撑。预应力确实是革命性的；它代表了从被动加固到创造性思维和发展的一个根本性步骤。早在1925年，在西班牙Jerez de la Frontera的Tempul引水渠的建设中，先锋工程师Eduardo Torroja用斜拉索取代了两个桥墩，将垂直反力转移到桥塔上（Torroja，2011）。锚索由高强度扭转钢丝制成，锚定在水桥的腹板上，并在桥塔根部设置千斤顶，抬升拉索弯折后支撑到鞍座上。通过千斤顶升实现预应力。几周后，当水道桥加载之前，在鞍座和桥塔之间的空间浇筑混凝土，移除千斤顶。最后，采用混凝土包括斜拉索。通过这种方式，Torroja不仅建造了第一座混凝土的斜拉桥结构，而且还有意用外部斜拉索代替连续结构的桥墩，并对主梁进行了预应力处理（图1.1）。图1.1 Tempul Aqueduct, Jerez de la Frontera, Spain。Franz Dishinger在其1934年的外部预应力专利中（预应力钢筋未被包裹在混凝土中）和1937年在德国萨克森州建造的303.62米长的Aue大桥中都应用了同样的原则（Aeberhard等人，1988；Günschel，1966）。主桥由Gerber梁（指悬臂挂孔梁）构成，由三跨组成（长度为25.20+69.00+23.40米）。 边跨和悬臂采用了外部钢索预应力，预应力锚固于底板，并在位于桥墩横隔墙上方的鞍座上弯曲。31.50米长的挂孔梁采用了锚定在梁端横隔梁并在跨间横隔板上设索鞍上弯曲的体外预应力。这两根预应力筋均由光滑的钢筋制成的，通过在其鞍座上提升或下降进行张拉。通过这种方式，悬臂和边孔都施加了预应力。体外索中的力可以在其锚点或鞍座处产生零变形点。这意味着，对于自重的影响，该结构具有九跨梁的功能（图1.2）。图1.2 Aue Bridge, Saxony, Germany: （a）后张法的示意图（b）主梁立面图上述桥梁代表了预应力的首次应用，之后该技术得到进一步发展（Billington，1976；Günschel，1966）。预应力代表了对桥梁设计和施工的一种积极主动的方法。随着时间的推移，无论体内预应力还是体外预应力其用于锚定和张拉的巧妙硬件已经被开发出来，用于建造此类结构的技术也有了巨大的进步。然而，预应力的原理仍然是相同的。显然，体外预应力束可以在沿梁的长度方向的鞍座或转向块的几个点来支撑，转向块的相应径向力Ri与梁的恒载作用确定了预应力束张拉拉力和几何形状（图1.3（a））。对于恒载而言，该结构可以发挥多跨梁的作用，剪力和弯矩可以显著减少。如果采用体内预应力，管道的曲线和张拉力P可以以这样的方式确定，即沿整个预应力束长度产生的均匀径向力r可以平衡恒载（图1.3（b））。由于恒载和预应力引起的弯矩和剪力具有相同的值，但符号相反（产生的弯曲和剪应力为零），因此结构只受法向力N=-PH=-P cos a的压力，产生均匀压应力σN。如果结构受到其他荷载p，相应的弯矩会产生应力σp，这些应力会加入到压应力中（图1.3（c））。图1.3 主梁预应力 （a）立面图; （b）剖面图; （c）活载应力当然，预应力仅仅只平衡一部分恒载，也可以产生大于恒载的径向力。另外，管道的曲线不需要产生完全均匀地径向力。永存预应力受到预应力钢筋和管道之间的摩擦力影响，还受到分次张拉而导致梁的弹性变形、预应力钢筋的松弛以及由于混凝土的收缩和徐变而导致的长期变形的影响。这些影响将在该书的其他章节中讨论。预应力混凝土桥梁的历史在许多优秀的书籍中都有描述（Dyckerhoff和Widman，1973；Leonhardt，1984；Troyano，2003；Wittfoht，1972）。正如已经提到的，预应力将控制结构行为的能力交到了设计师手中，同时使他们或强迫使他们更深入地思考施工（construction）本身。该书的范围不允许详细描述混凝土结构的发展；因此，只用几个结构来说明混凝土结构的设计、施工和发展。结构的选择是设计者个人选择，并且受到他们设计理念的强烈影响。 他们不推崇大型纪念碑式的结构，也不推崇混凝土的大规模生产，因为这在很多情况下会破坏我们的环境。相反，他们更喜欢结构高效、适合周围景观的桥梁。预应力混凝土结构总是通过设计和研发最合适的解决方案来回应社会的需求。从预应力混凝土的早期就开始设计由预制单元组装的桥梁了。第一座预制梁桥是由Eugene Freyssinet于1936年在阿尔及利亚设计的（Troyano,2003），他在法国马恩河上的著名桥梁中进一步展示了新技术的所有施工可能性。其中第一座是55米跨度的Luzancy桥，该桥于1941年开始建造，但由于第二次世界大战的原因，直到1945年才完工。随后，五座相同的74米跨度的桥梁按照类似的结构方案建造（图1.4，法国马恩河畔昌吉桥）。图1.4 Changis-sur-Marne Bridge, France世界各地仍在建造由预制梁组装而成的桥梁。预制梁不仅用于小桥和长高架桥的主梁，而且还用于建造框架式立交桥或拱形结构。图1.5显示了横跨加拿大不列颠哥伦比亚省哥伦比亚河的最美丽的高架桥之一；该桥由Riccardo Morandi设计，建于1965年（Bouchet，1966）。
图1.5 Columbia River Bridge at Kinnaird, British Columbia,Canada
图1.6 Bridge across I-280, California, USA解决城市的交通问题需要建造复杂几何形状的细长桥梁。在固定脚手架上浇注预应力混凝土，可以建造具有平滑、流线型截面的结构，由单柱式桥墩支撑，需要最小的桥下空间。在不同的国家已经建造了许多美丽的结构，但在加利福尼亚建造的结构是杰出的系统，能够实现高性价比结构（图1.6）（加利福尼亚交通部，1980）。移动模架连跨施工技术特别适用于长联的高速公路高架桥。最初，采用上承式移动模架，而后来的也采用下承式移动模架。自1964年德国安德纳克附近全长1.080公里的Krahnenberg大桥工程建设以来，该技术得到了广泛的应用。美丽的Elz高架桥采用架空移动模架建造，于1967年完工，表明高速公路高架桥对环境的影响最小（图1.7）（Leonhardt，1984）。
图1.7 Elz Viaduct, Germany固定或可移动的脚手架（模架）也被广泛用于建造结构，其中主梁是由预制件组装而成的，最初是用混凝土接缝，后来是用环氧树脂填充的接缝。许多有趣的结构都是在英国建造的，也在英国咨询公司经营的国家建造。继体外预应力在法国的复兴之后，该技术的新发展开始于美国。一个很好的例子是在2009年完成的超过60公里长的迪拜地铁高架桥的建设（图1.8）（Smith等人，2009）。
图1.8 Dubai Metro viaducts由预制件组装的桥梁也可以作为一个渐进的悬臂吊机施工，从一个台座到另一个台座。这一技术被应用于1983年在美国北卡罗来纳州建造的S形379米长的林恩湾高架桥的建设。这座桥的建造对环境的影响最小，是工程智慧的一个优秀范例。该高架桥的建设表明，桥梁的建设可以与周围的自然环境完全和谐（图1.9）（Muller和Barker，1985）。
图1.9 Linn Cove Viaduct, North Carolina, USA1964年，在委内瑞拉的卡罗尼河上建造了一座480米长的由预制件组装的桥梁。从那时起，结构的顶推技术得到了进一步的发展，它被广泛用于建造具有恒定曲率桥面的桥梁（图1.10）（Giovannini, 1974）。
图1.10 Val Restel Viaduct, Rovereto, Italy桥梁或其部分也可以不在施工现场制造，场外制造后运输到桥位并提升到其设计位置。1982年在苏格兰建造的美丽的Kylesku桥的43米长的中央部分就是用这种方式建造的（图1.11）（Ciampoli，1987）。主梁也可以平行于障碍物建造，并随后旋转到设计位置。
图1.11 Kylesku Bridge, Scotland, UK早在1930年，巴西就采用了悬臂施工方法，允许主梁逐步浇筑不受桥下地形的影响。然而，主梁是由钢筋混凝土制成的，当结构件出现裂缝时才会发挥作用。这种方法在第二次世界大战后得到了进一步的发展，当时预应力技术得到了发展，它可以消除裂缝。自从德国拉恩（Lahn）大桥（第一座预应力混凝土悬臂桥）建成后，悬臂法施工广泛用于跨度超过60米的桥梁（图1.12）（fib，2018）
（b）
图1.12 Valy Bridge, Slovakia悬臂法施工简便，可以设计更长的跨径。然而，到了一定跨径，主梁就会变得太高，桥梁就会在自然环境中形成一个视觉障碍。因此，在一些情况下，经典箱梁桥的腹板被桁架所取代，以建造美丽而 “透明“的桥梁（图1.13）（Barlet等人，2002）。
图1.13 Bras de la Plaine Bridge, Réunion, France悬臂结构也被用于架设由预制件组装而成的桥梁。起初，这些节段是由混凝土接缝连接的，但后来使用了环氧树脂填充的接缝。已经开发了特殊的设备来架设节段，允许高效和快速的桥梁建设（图1.14）。
图1.14 Crown Princess Mary’s Bridge, Frederikssund, Denmark悬臂法施工不仅用于主梁，而且还用于桥墩、刚构的斜腿和拱。最近在美国、葡萄牙和西班牙的拱形结构的应用说明了这种技术的巨大可能性（图1.15）（Goodyear等人，2004）。
图1.15 Colorado River Bridge at the Hoover Dam, Nevada, USA悬臂法施工广泛用于建造斜拉桥。第一批斜拉桥的主梁悬挂在几根斜拉索，斜拉索由锁紧钢绞线或预应力钢筋组成，以抵抗恒载引起的张力。当主梁架设完成后，斜拉索包裹在混凝土中，同时，混凝土也是被施加了预应力的。
图1.16 Ganter Bridge, Switzerland随着时间的推移，最初使用的少斜拉索方案已经被密斜拉索方案取代，距离为3-12米，这样就有可能大大减少主梁由于恒载而产生的弯矩。这样的结构形成了非常经济的系统，其中主要的结构构件主要受正常力的作用：主塔和主梁被压缩，斜拉索被拉伸。如果斜拉索悬挂在主梁外缘，主梁高度由其横向弯曲决定。因此，可以设计非常细长的桥梁。这种类型的桥梁的一个例子是美国华盛顿州的Pasco-Kennewick桥，建于1986年（图1.17）（Leonhardt，1984）。从那时起，跨度高达530米的斜拉桥已经建成（图1.18）（Walther等人，1998）。
图1.17 Pasco-Kennewick Bridge, Washington State, USA
图1.18 Skarnsund Bridge, Norway1995年，在西班牙的庞特韦德拉（Troyano，2003），独塔与垂直于桥轴线的锚块直接相连而构成背索，这样一来，背索就形成了一个双曲线结构，其美感来自于其纯静态功能（图1.19）。
图1.19 Lérez River Bridge, Pontevedra, Spain最近，公众对环境问题的关注导致除了高速公路和高速铁路之外，还修建了许多人行道和自行车道，而这些也需要跨越河流、高速公路和其他人造障碍。这样的过街通道需要轻盈透明的人行结构，而且要符合人的尺度。许多采用了钢拱+预应力混凝土桥面结构，或者是斜拉桥或悬索桥结构，都采用预应力混凝土桥面结构。混凝土桥面给了结构足够的硬度和质量，以减少对移动的人和风的动态反应。主梁可以在固定的脚手架上浇筑，也可以由预制件组装而成，悬挂在斜拉索或悬索桥吊索上。图1.20显示了一座横跨Svratka河的拱桥。该桥的跨度为58.5米，桥面由悬挂在钢拱上的脊骨梁构成。脊骨梁自然地划分了行人和自行车道（Stráský等人，2013）。
图1.20 Svratka River Bridge, Brno, Czech Republic虽然很少建造混凝土主梁的悬索桥，但这种类型的结构被广泛用于人行桥。这种桥可能是地锚或自锚式结构系统。捷克共和国弗拉诺夫的弗拉诺夫湖人行桥建于1993年，横跨湖的瑞士湾（图1.21），岩锚结构，桥面长52米，由预制件组装而成，并由内部预应力加强。位于桥面边缘的外部缆绳增加了桥梁的空气动力学稳定性（Stráský，2011）。
图1.21 Vranov Lake Pedestrian Bridge, Vranov, Czech Republic构成自锚式悬挂结构系统的最巧妙的结构之一于1987年在德国的小城市凯尔海姆完成。它以平滑的曲线穿过新的47米宽的莱茵多瑙河运河，自然地连接两岸的行人交通（图1.22）（Schlaich和Seidel，1988）。主梁有一个半径为18.89-37.79米的平面曲率，悬挂在位于平面曲率内的一根悬索上。两个倾斜的桅杆，一个位于两岸，用吊架支撑悬索。固定在桥墩上的弧形主梁在圆周方向上由偏心的内筋进行内部预应力。
图1.22 Kelheim Bridge, Germany由于人行道和自行车道可以沿着可变坡度，因此可以使用应力带概念设计此类步道内的桥梁。“应力带桥”这个术语是用来描述具有悬链线形状的预应力混凝土桥面的结构，可以直接步行或骑自行车。这个概念最初是由Ulrich Finsterwalder 提出的，他反复提出这样一种结构来实现大跨度桥梁。应力带概念于 1965 年首次应用于跨越瑞士 Pfäffikon 附近的 N3 高速公路的 Bircherweid 桥的建设。 从那时起，许多国家都建造了应力带桥。应力带主梁通常是直的；第一个平面弯折应力带桥位于英国梅德斯通横跨梅德韦河的桥梁，该桥于 2001 年开通（图 1.23）。 这座 101.50 m 长的桥梁有两个长度分别为 49.5 + 37.5 m 的跨度，跨度之间的夹角为 25°（Stráský，2011）
图1.23 Kent Messenger Bridge, Maidstone, UK上述对预应力混凝土桥梁的简要调查清楚地表明，有可能设计出结构上高效、经济、美观的结构，以适应其环境。然而，这种结构的设计并不简单。需要对预应力混凝土结构的结构形式、结构细节和由体内/体外预应力束的后张行为有深刻的理解。现代混凝土桥梁将钢筋混凝土与不同级别的预应力结合起来，以获得结构在使用和极限载荷下的最合适的行为。结构的后张力使内部力量在结构内重新分配，并实现任何阶段的应力。然而，重要的是要小心，与钢结构不同，在混凝土结构中，由于混凝土的徐变到自然阶段，所选择的应力阶段会随着时间的推移而重新分布。当然，预应力筋的排列也受到有关结构的极限承载力和延展性要求的影响。该书后续章节讨论了桥梁设计的几个方面，这些方面对于获得最合适的解决方案是必要的。该书的目标不是给出如何设计结构的确切指示，而是提醒读者可能遇到的结构问题。
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