健康監(jiān)測在橋梁工程中的應用
2015-04-28
中國橋梁建設取得的成就
作為四大文明古國的一員，中國有著極其悠久和燦爛的文化。在橋梁工程領域，我國在周秦時期，梁索浮三種橋型就已經基本具備；兩漢時期，以棧橋建設為主；隋唐時期，技術日益成熟，達到飛躍；兩宋時期，全面開展，大規(guī)模進行；元明清時期，日趨鼎盛，清朝中后期技術開始落后。與同期世界水平相比，我國在相當長的歷史時間內一直處于世界先進水平，建造了無數的各式橋梁，并有大量的優(yōu)秀作品傳世至今。
始建于公元605－616年的趙州橋，不僅是我國而且也是世界上現存最早、保存最完整的空腹式石拱橋，對世界后代的橋梁建筑有著十分深遠的影響。它橫跨于趙縣洨河之上，是一座大拱兩端疊加分流用小拱的敞肩單孔弧形石橋，由28道石拱券縱向并列砌筑而成，其建筑結構之奇特，自古有“奇巧固護，甲于天下”的美稱， 1991年，趙州橋被美國土木工程師學會選定為世界第十二處“國際土木工程歷史古跡”。有著“世上無橋長此橋”美譽的安平橋建于800多年前的南宋時期，全長兩千多米，不僅是我國最長的石梁橋，也是世界上最長的石梁橋。另外還有位列中國三大古代名橋之首盧溝橋；在世界造橋史上開創(chuàng)性采用筏型基礎及種蠣固基的洛陽橋（又稱萬安橋）；跨徑達到103米的瀘定橋；作為中國乃至世界上最早的一座開關活動式大石橋的廣濟橋等等。
時值近代錢塘江大橋，武漢長江大橋，南京長江大橋吹響了我國向現代化橋梁大國進軍的號角。據不完全統(tǒng)計，截止2009年底，我國已建成公路、鐵路、公鐵兩用橋梁總數已達60余萬座，僅在長江、黃河上就有250 余座。其中，長江及其支流沱沱河、通天河、金沙江上有近130座，黃河上有120 余座。在已建成的斜拉橋、懸索橋、拱橋、梁橋中，分別位居世界同類型橋梁跨徑排行榜前十名之列的有24 座，占60％。其中：斜拉橋6 座，蘇通長江大橋(主跨1088m 鋼箱)、香港昂船洲大橋(主跨1018m 分離鋼箱) 分別位居第一、第二；懸索橋4 座，舟山西堠門大橋(主跨1650m 分體式鋼箱;為世界首座)、潤揚長江大橋(主跨1490m 鋼箱) 分別位居第二、第四；拱橋8座，重慶朝天門長江大橋(主跨552m 連續(xù)鋼桁系桿拱)、上海盧浦大橋(主跨550m 鋼箱提籃系桿拱) 分別位居第一、第二；梁橋6 座，重慶石板坡長江大橋(主跨330m 鋼—混凝土混合剛構—連續(xù))位居第一。跨海橋梁中的寧波杭州灣大橋總長36 Km，為跨海橋梁世界之最；東海大橋總長32．5Km；舟山大陸連島工程總長54.68Km； 上海長江隧橋工程———南隧北橋，隧道長度8．9Km、橋長10.3Km，為世界迄今為止最大的隧橋結合工程。
不管什么形式的橋梁，其基本材料大多可歸為石材，木材，混凝土，鋼材等類型，而這些材料在耐久性方面均存在不同程度的問題，需要給予特別關注。所以隨著我國橋梁建設高潮的來臨，對重要橋梁運營狀況進行實時監(jiān)測顯得愈發(fā)迫切，加上國際橋梁領域最新發(fā)展動態(tài)的引導，橋梁健康監(jiān)測日益成為國內發(fā)展的一大熱點。
橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展簡介
雖然健康監(jiān)測是最近一二十年才興起的一個技術方向，但追尋歷史我們發(fā)現結構監(jiān)測概念古已有之：在中國，古塔上通常安裝有各種各樣的鈴鐺，而這些鈴鐺就兼具結構強烈晃動時提醒游人撤離的預警功能。另外，中國的監(jiān)測傳感技術也源遠流長：漢代的古籍中就有大氣溫度和風速風向測量的記載。而1969年，Lifshitz和Rotem所寫的論文則被視為闡述現代結構健康監(jiān)測理念——通過動力響應監(jiān)測評估結構健康狀態(tài)——的第一篇論文；由此，橋梁健康監(jiān)測在世界范圍內蓬勃發(fā)展起來。
在工程領域：1987年，英國在總長522m的三跨連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設傳感器監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風載作用下主梁的振動、撓度和應變等響應，該系統(tǒng)是最早安裝的較為完整的健康監(jiān)測系統(tǒng)之一。挪威的Skamsundet斜拉橋，丹麥的Faroe跨海斜拉橋和主跨1624m的Great Belt East懸索橋，加拿大的Confederation連續(xù)剛構橋，日本的明石海峽大橋等大跨橋梁上也相繼安裝了監(jiān)測系統(tǒng)；1997年， 香港的青馬大橋、汲水門大橋和汀九大橋等三座大橋上安裝了風和結構監(jiān)測系統(tǒng)。隨后，內地的東海大橋、虎門大橋、徐浦大橋、江陰長江大橋等橋梁上也建立了不同規(guī)模的結構監(jiān)控系統(tǒng)。
在學術領域：1988年在日本東京舉行的第九屆世界地震工程會議（9WCEE)上，首次在國際范圍內討論土木工程主動控制。1994年，國際結構控制學會（IASC)正式成立，同年召開第一屆國際結構控制會議（1st World Conf. on StructuralControl）。為了應對形勢發(fā)展的需要，2006年以后，國際結構控制學會（IASC)會議改名為國際結構控制與監(jiān)測會議（World Conf. on Structural Control and Monitoring）。
健康監(jiān)測主要研究進展
綜合橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展歷史和現狀來看，主要有以下技術難題和研究進展：
第一，健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設計。健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計原則包括以下幾項：（1）根據橋梁結構易損性分析的結果及養(yǎng)護管理的需求進行監(jiān)測點的布設；（2）從結構安全性、耐久性、使用性的需求出發(fā)對結構進行監(jiān)測，采用實時監(jiān)測和定期監(jiān)測相結合的方法，力求用最少的傳感器和最小的數據量完成工作；（3）以結構位移監(jiān)測為主，以力、應力、模態(tài)分析為輔助。監(jiān)測內容主要是荷載源、系統(tǒng)特性和結構響應。目前對于健康監(jiān)測系統(tǒng)的設計更主要的是基于經驗和項目經費的限制來確定傳感器系統(tǒng)得設計，而沒有一種確定性標準來進行傳感器系統(tǒng)的設計，同時對需要通過健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得哪些能夠對結構的狀態(tài)評估發(fā)揮關鍵作用的數據還沒有明確的方法。
第二，傳感傳輸技術。傳統(tǒng)傳感測試技術易受干擾、傳輸導線過長等缺點已不再滿足橋梁健康監(jiān)測的發(fā)展要求，加上現代科技支撐，近年來發(fā)展起來了許多新型的傳感技術，其中以光纖傳感、無線傳感、GPS技術和Internet數據通信技術為主要技術代表。關于傳感器優(yōu)化布置的問題也愈發(fā)引起人們的關注，傳感器的類型、數量和布置位置對監(jiān)測效果有著非常大的關系，客觀條件中傳感器的數量總是有限的，如何將有限的傳感器合理布置以發(fā)揮其最大的效用是是健康監(jiān)測的關鍵技術之一，也是以后大力發(fā)展的方向之一。
第三，數據融合技術。多傳感器數據融合技術以其強大的時空覆蓋能力和對多源不確定性信息的綜合處理能力,可以有效地進行結構系統(tǒng)的監(jiān)測和診斷。目前已經發(fā)展起來的數據融合技術主要有：加權平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估估計、統(tǒng)計決策理論、證據理論、模糊推理、神經網絡?，F有健康監(jiān)測系統(tǒng)多停留在數據采集和簡單數據分析階段，同時橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)會產生大量測試數據, 對這些測試數據與信息進行整合與解釋，以及對結構真實狀態(tài)的進行合理評估仍存在很大困難。
第四，系統(tǒng)與損傷識別理論研究。目前主要的研究方法有基于振動的結構損傷識別方法和模型修正方法。結構損傷識別作為結構狀態(tài)評估的重要組成部分，是近年來健康監(jiān)測方向的研究熱點之一，出現了如基于結構頻率、位移模態(tài)、應變模態(tài)、曲率模態(tài)、應變能、剛度、柔度、能量法、頻響函數等一系列損傷識別方法。而模型修正方法主要是基于運動方程、測試結果和有限元模型構造約束優(yōu)化問題不斷修正結構剛度、質量和阻尼分布，使其響應盡可能的接近實際響應。結構的模型修正能夠為健康監(jiān)測提供基準模型，同時也為基于測試結果的反演進行結構損傷識別和性能模擬提供了很好的基礎。
第五，結構健康狀態(tài)評估。結構狀態(tài)評估方法主要是運用可能獲得的反映結構性能的內部信息對結構的施工運營等工作狀態(tài)進行評估，目前主要有可靠度理論、層次分析法、模糊理論、神經網絡以及專家系統(tǒng)等。健康監(jiān)測系統(tǒng)的結構狀態(tài)評估需要從結構監(jiān)測的大量數據中提取能夠反映結構特性的特征，以完成對結構實時和定期的評估，而這其中必然會涉及到結構數據的特征提取、數據融合及性能決策等方面，但目前這個方面所作的工作較少。
橋梁健康監(jiān)測實例---東海大橋
東海大橋工程2002年6月26日正式開工建設，歷經35個月的艱苦施工，于2005年5月25日實現結構貫通，是我國第一座真正意義上的跨海大橋。東海大橋起始于上海南匯區(qū)蘆潮港，北與滬蘆高速公路相連，南跨杭州灣北部海域，直達浙江嵊泗縣小洋山島，全長約32.5公里，其中陸上段約3.7公里，蘆潮港新大堤至大烏龜島之間的海上段約25.3公里，大烏龜島至小洋山島之間的港橋連接段約3.5公里。大橋按雙向六車道加緊急停車帶的高速公路標準設計，橋寬31.5米，設計車速每小時80公里，設計荷載按集裝箱重車密排進行校驗，可抗12級臺風、七級烈度地震，設計基準期為100年。東海大橋是上海國際航運中心洋山深水港區(qū)一期工程的重要配套工程，為洋山深水港區(qū)集裝箱陸路集疏運和供水、供電、通訊等需求提供服務。東海大橋的建成通車，為洋山深水港建成開港和進一步發(fā)展，加快上海國際航運中心的建設奠定了堅實的基礎。東海大橋當時被上海市政府列為“一號工程”，其重要性不言而喻，在進行結構建設的同時，健康監(jiān)測系統(tǒng)的布設也提上了日程。2006年10月，東海大橋的監(jiān)測系統(tǒng)順利布置到位，并于2007年正式投入使用。
東海大橋的監(jiān)測內容主要是環(huán)境參數，結構靜力和動力響應和結構的耐久性。其中環(huán)境參數主要包含風速，地震，波浪和沖刷等，結構響應主要監(jiān)測內容包括斜拉橋橋塔的變形，連續(xù)梁的撓曲，阻尼器和伸縮縫的變形，主梁的損傷，主梁和塔的振動以及斜拉索的應力。結構的耐久性監(jiān)測包含鋼結構的疲勞和混凝土結構的慢性腐蝕。
東海大橋上使用的基本監(jiān)測手段有：用FBG傳感器測量應力和溫度；用GPS監(jiān)測結構變形；用疲勞傳感器測量橋梁主梁的疲勞。全橋一共使用了478個傳感器，包括使用在主跨上的169個。
數據評價體系分為聯(lián)網評估和脫機評估。聯(lián)網監(jiān)測是一種自動監(jiān)測系統(tǒng)，這一系統(tǒng)不僅可以判斷結構的安全性，還可以進而對采集的數據進行分析。自動監(jiān)測系統(tǒng)還可以自動決定是否需要向管理者預警并立即開始脫機評估。脫機評估系統(tǒng)可以進行一些更加高級的分析，比如結構靜力分析，模態(tài)分析，橋梁力學行為和環(huán)境因素的校正分析等等。這一系統(tǒng)需要大量的結構分析并由專家進行判斷進而對橋梁的狀態(tài)給出一個全面的評估。
橋梁結構的監(jiān)測數據不僅包含正常運營狀態(tài)，還包括在極端荷載（比如臺風，地震，爆炸，船撞等）下的橋梁結構響應。得到大量的監(jiān)測數據以后，需要對其進行更多的深入分析和整理，首先區(qū)分出數據中的哪些部分是由于環(huán)境改變引起的結構響應，哪些又是由于結構破壞產生的等，然后通過圖表等形式把數據中蘊含的內在規(guī)律及變化情況表現出來，再對結構的整體狀況進行評估。
引言
預應力混凝土橋梁自出現以來的每次重大技術發(fā)展，都和材料、結構體系和施工工藝等創(chuàng)新密切聯(lián)系在一起，它們相互促進不斷發(fā)展：
預應力材料
高強、高性能及輕質混凝土技術發(fā)展，使混凝土受力性能改善、耐久性提高、澆筑更方便，也使預應力混凝土橋梁結構自重荷載下降。高強、低松弛預應力鋼材發(fā)展，使預應力混凝土的效率大大提高，也促進了預應力器具和設備發(fā)展纖維增強聚合物預應力筋技術發(fā)展，使預應力筋兼輕質、高強、耐腐蝕、耐疲勞、非磁性等優(yōu)點于一體，一些鋼材難以克服的弱點得到消除，將預應力混凝土橋梁帶入了一個嶄新的發(fā)展領域。 預應力材料利用現代傳感和通訊等技術的智能化預應力混凝土材料，不間斷監(jiān)視結構的工作狀態(tài)、生命軌跡，將對預應力混凝土橋梁健康、安全運行提供有利保障。
預應力橋梁結構體系
部分預應力混凝土結構，兼有預應力和鋼筋混凝土結構的優(yōu)點，克服了全預應力混凝土結構的缺點無粘結體內預應力混凝土結構，消除了后張預應力筋管道的壓漿，降低了預應力摩阻損失。預應力橋梁結構體系雙向預應力、預彎預應力體系是預應力概念的新發(fā)展，它們使結構的高跨比顯著減小，滿足了一些特殊的使用要求體外預應力混凝土結構，構造簡化、補索方便、施工簡單，維護方便、總體經濟性優(yōu)越，逐步成為在經濟、施工質量和安全性方面最有競爭力的方案。預應力橋梁結構體系鋼—混凝土組合式預應力橋梁，利用鋼腹、預應力混凝土頂板與底板在受力、構造及施工等方面的優(yōu)點，成為預應力橋梁一種新的發(fā)展方向。
預應力橋梁施工技術
節(jié)段施工法使大跨徑橋梁輕松跨越深險的江海和山谷，通過分段施工、預應力逐段連續(xù)，最終形成結構整體利用現代化設備，橋梁采用標準化分段、系列化預制方法，使其適合不同跨徑組合的要求，大大提高了施工速度，并對環(huán)境的不利影響降低到最小程度。預應力橋梁施工技術通過預應力技術發(fā)展起來頂推施工法、轉體施工法分別適用于不同的橋型結構。
一、預應力混凝土材料
(一)混凝土材料
1.高性能混凝土HPC（High Performance Concrete）
高性能混凝土含有三種關鍵摻料：極細顆粒的硅灰、飛灰、粒狀高爐堿礦渣，以此達到填充、潤滑及增強的作用。
高性能混凝土具有很多優(yōu)良的特點：易澆筑、易密實、不離析；高早強、韌性好、低徐變、耐疲勞；高密水、耐磨損、抗化蝕；實用強度可達100MPa。其中高強并不是混凝土的唯一指標，另外有一系列的質量要求，比如：自密實，水灰比小于0.4，28天收縮小于2×10-4和56天設計強度達到60～100MPa等。高性能混凝土應用研究課題主要在于混凝土材料力學性能，設計有效應變和徐變、收縮等。
2.活性粉混凝土RPC（Reactive Powder Concrete）
活性粉混凝土現在還處于研究階段，主要成分包含：水泥，硅灰，石英粉，硅砂，細鋼纖維等。同時具有以下優(yōu)良特性：強度200~800MPa，實用150MPa以上，優(yōu)良的韌性、抗疲勞性，較高的彎拉強度，抗循環(huán)凍融、鹽、碳酸化作用性和長壽命、低維護費等。
3. 輕質混凝土LWC（Lightweight Concrete）
限制混凝土橋梁跨徑增大的一個關鍵因素就是自重過大。為此，輕質混凝土應運而生，它的骨料容重為14~19kN/m3，同時強度與一般混凝土相當，可大大提高混凝土橋梁的極限跨徑，國內已有這一類型的實驗橋誕生。
綠色環(huán)?；炷?br />
盡可能少地采用水泥熟料，更多地采用工業(yè)廢渣，大大減少二氧化碳的排放量綠色環(huán)?；炷潦腔炷涟l(fā)展方向。
混凝土材料發(fā)展預測（2050年左右將出現替代混凝土的新材料）
結合當今科技和工程實踐的發(fā)展來看： 5年后人類將開發(fā)出能適合高寒和高熱地區(qū)施工的混凝土，商品混凝土將分為高、中、低流動性三類；10年后可以向混凝土中加入或表面粘貼特殊材料，使其隨時顯示應力狀態(tài)的變化彩圖，開發(fā)彩色高強混凝土，并實現化學預應力的實用化；25年后開發(fā)半透明混凝土，以方便施工與管理，普遍采用彩色高強混凝土；50年后開發(fā)出適應地球溫暖化的熱電轉化混凝土，并開發(fā)出在地震中能大變形，但震后能恢復原狀的形狀記憶混凝土，無徐變、收縮的混凝土得到實際應用，同時出現水泥混凝土的替代材料；100年后開發(fā)出能使新澆混凝土保持良好和易性的時間設定裝置或材料；開發(fā)出能與鹽份反應后形成保護膜從而提高耐久性的材料；開發(fā)通過分子間張拉技術在水泥分子之間施加預應力的超高抗拉混凝土。
(二)預應力材料
1. 預應力鋼筋
正在研發(fā)的預應力鋼筋各項性能均有不同程度的提高，比如：熱鍍鋅鋼絲強度達2000MPa級，鋼絞線強度達2300MPa級，且其它性能指標不低于現有材料，與之配套的錨固體系也在加緊研制之中。另外還有高抗腐蝕高強鋼絞線，主要用于斜拉索；將鋼絞線鍍鋅－鋁（5％），抗腐、錨固性能將明顯好于鍍鋅鋼絞線；采用不銹鋼絞線，也能達到良好的抗腐效果。
對鋼絞線進行環(huán)氧涂覆也能達到很好的技術效果，根據涂覆方式的不同可分為單絲涂覆式和整體涂覆式兩種。其中，單絲涂覆的工藝主要是：除銹—>單絲涂覆—>重新絞合；整體涂覆式的工藝主要為：除銹—>整體涂覆—>（涂砂）。經過環(huán)氧涂覆，可以大大提高鋼絞線的耐久性能，但也存在一定的技術缺陷，比如：錨具錨固回縮量大，預應力松弛大，粘結錨固與傳遞長度大等。
緩粘結預應力筋的開發(fā)將大大方便預應力構件的施工。運用這一技術，預應力張拉后在常溫下經過特定時間，樹脂能自動硬化，并達到設計強度，具有防腐性好、免壓漿、施工方便等技術優(yōu)勢。
2. 纖維增強聚合物FRP筋（FibreReinforced PloymerTendon）
常用的FRP材料包含：碳纖維CFRP（Carbon FibreReinforced Ploymer），芳綸纖維AFRP（AramidFibreReinforced Ploymer）和玻璃纖維GFRP（Glass FibreReinforced Ploymer）
FRP筋具有優(yōu)良的力學性能，將FRP 預應力筋和預應力鋼筋對比可以發(fā)現：FRP筋強度—質量比為鋼材的5倍，疲勞應力幅為鋼材的3倍（GFRP外），抗腐性能好、非磁性、非導電、熱膨脹系數小。同時也存在一定的局限性：極限延伸率低，破壞呈脆性；抗剪強度為鋼材的1/5~1/4；靜載長期與短期強度的比值低；FRP 預應力筋錨具也更為復雜，需專門設計。
FRP 預應力體系的研究課題主要分為以下幾個方面：材料短期和長期性能；粘結性能、物理性能；疲勞性能、耐久性等；FRP預應力混凝土結構性能和錨具及體外FRP索的應用技術。
3. 預加應力材料發(fā)展預測（2025年前高強、高耐久鋼材將有新發(fā)展）
5年后，六角形套管和六角形預應力鋼絞線組合，提高管道空隙，改善灌漿充實度；10年后，將開發(fā)出替代鋼板的纖維增強塑料板，出現腹板為FRP的預應力橋梁；25年后，開發(fā)出超高強極細的預加應力材料，開發(fā)出能在混凝土澆筑后自應力的張拉材料，無需施加預應力；50年后，開發(fā)極薄自應力張拉材料，能方便地粘貼在結構表面進行修補，開發(fā)出網格狀的張拉材料，從而可以方便地施加空間預應力，把形狀記憶合金作為施加預應力的材料。
(三)預應力筋管道
1.塑料波紋管
塑料波紋管主要由高密度聚乙烯或聚丙烯制成，具有摩擦系數低（鋼絞線μ=0.10~0.14，鋼絲μ=0.08~0.12 ）；耐腐性好（防水、耐候、抗氧化及化蝕）；強度高、剛度大、成孔質量好可彎性好（1.8m半徑）；重量輕，方便運輸和安裝；與混凝土粘結好；配套部件齊全等優(yōu)勢。
2.體外索透明套管
透明套管主要由離子鍵樹脂“HIMILAN”制成，透明度達85％（PVC為78％），可以目測檢查灌漿質量，發(fā)現問題可以鉆孔補漿。將其用于箱梁內，可以免受紫外線輻射影響；同時具有高抗堿、油污的性能；預應力鋼絞線摩擦損失也小于普通（PVC）套管；另外還不含氯離子和塑化劑，為環(huán)保材料。
3.管道灌漿材料發(fā)展預測
5年后將開發(fā)出大張拉力、預灌漿、后粘結的預應力筋；開發(fā)出不取決于溫度的預灌漿后粘結預應力筋；開發(fā)預涂在管道內壁的呈粉末、固體、凝膠狀的灌漿基體材料，預應力筋張拉后灌水即成完全填充的灌漿物
二、預應力橋梁體系
(一)體外預應力混凝土橋梁
1. 標準化、系列化
體外預應力混凝土橋梁發(fā)展的一個顯著特點就是標準化，系列化。主要表現在：標準化梁高、分段、系列跨徑；標準化預應力索構造；工廠系列化生產；標準化裝配施工
2. 輕巧化
輕巧化也是現代體外預應力混凝土橋梁發(fā)展的一大特色，具體表現有：構造優(yōu)化，受力明確，高強薄壁和結構輕巧等。
3. 新型化
即出現了一種特殊的體外預應力梁橋現實：部分斜拉橋，又稱矮塔斜拉橋。
(二)鋼腹混凝土組合梁橋
1.
為解決混凝土腹板開裂的問題，提出了用鋼板來替換混凝土腹板方案。這一方案具有如下特點：結構重量比PC橋梁減輕約30%；采用體外預應力體系；鋼腹板受力優(yōu)于混凝土；收縮、徐變影響較大；鋼板受壓、加勁板較多
2. 波紋鋼腹板混凝土組合箱梁橋
在鋼腹板混凝土組合箱梁橋的基礎上，為了減少腹板加勁，增強腹板穩(wěn)定性，方便頂底板預應力的施加，又發(fā)展出波紋鋼腹板的方案，這一方案具有如下特點：結構重量比PC橋梁減輕約30%；體外預應力體系；波紋腹板軸向剛度小、主要抗剪；收縮、徐變影響大大減小；鋼腹板不設穩(wěn)定加勁板；聯(lián)結處構造應予重視。
2. 鋼桁腹混凝土組合箱梁橋
結構重量比PC橋梁減輕約30~40%
體外預應力體系
桁腹軸向剛度可忽略、主要抗剪
免除收縮、徐變帶來的危險裂縫
加拿大魁北克Sherbrooke人行橋（L=60m）
活性粉混凝土鋼桁腹組合結構體外預應力、無非預應力筋結構重量只有PC的1/2~1/3，與鋼結構相差無幾
在蒸汽養(yǎng)護條件下，活性粉混凝土強度達到200 MPa，鋼管內約束混凝土強度350 MPa，材料抗壓等性能直逼鋼材。
活性粉混凝土配合比配料的成份 數量(1/m3) 波特蘭水泥 705kg 硅 粉 230kg 石英粉 210kg 硅 砂 1010kg 鋼纖維 190kg 超塑劑 37.5 kg 水 200lit 水泥用量高 水灰比低(0.21)鋼纖維骨料
瑞士近Baden的Baregg公路橋
?。?5.62+4×38.43+25.62(m)）
鋼管桁梁、混凝土橋面板組合結構
橋面板體內雙向預應力體系
結構重量約PC的1/2
鋼管桁梁分段預制、吊裝連接橋面板縱向2.135m一段(35t)預制、吊裝連接
橫向每隔60cm設一根4φj15.24mm預應力鋼絞線，吊裝時張拉50%預應力
縱向預埋22根HDPE管，設22束7φj15.24mm預應力鋼絞線
橋面板與桁梁聯(lián)成整體前先施加縱向預應力
結合縫隙內壓漿防腐
(三)鋼混凝土填充組合橋梁
1. 鋼管混凝土連續(xù)梁橋
在中支點處鋼管填充混凝土
在跨中段鋼管填充加氣混凝土
鋼管強度充分發(fā)揮、延性好
無加勁構造，焊接量大減
2. 部分預應力U形鋼混凝土連續(xù)梁橋鋼板冷加工彎折成U形少量加勁板，焊接量、成本大減
中支點段填充混凝土
中支點段橋面板內設預應力筋
跨中段不填充混凝土
3. 鋼管混凝土斜拉橋分段填充一般、輕質混凝土或不填混凝土靜力、動力性能良好用鋼量低于鋼箱梁，構造簡單經濟性優(yōu)于大跨鋼箱梁斜拉橋(四)預彎預應力梁橋
(四)預彎預應力梁橋
采用鋼梁預彎反彈作用施加預應力
建筑高度低（約為L/35）、剛度大
無支架施工、吊裝重量小
適合于低建筑高度的跨線、跨河橋、多層立交橋，以及軌道交通站臺橋梁等結構
日本建造的預彎預應力橋已達幾百座，我國也在立交橋結構中采用
用于跨線公路橋
用于跨線鐵路橋用于高架橋用于跨河橋
用于軌道交通站臺橋梁等結構
(五)雙預應力橋梁在混凝土的拉、壓區(qū)同時配置預拉和預壓預應力筋、形成拉、壓雙向作用預應力體系的結構突破了單一在混凝土受拉區(qū)配置預拉預應力筋的設計概念，使混凝土結構預加應力的效率大
為提高，也使預應力技術獲得更大的發(fā)展空間 (五)雙預應力橋梁后壓預應力工藝為了充分發(fā)揮鋼筋的強度，避免其在千斤頂的頂壓下發(fā)生失穩(wěn)，同時保證鋼筋與混凝土的粘結力與孔道壓漿便利，預埋管道制作成沿縱向逐段正交變化的橢圓形截面(五)雙預應力橋梁后壓預應力工藝頂壓預應力筋的錨固可采用兩種方式(五)雙預應力橋梁先壓預應力工藝采用先壓法的預壓應力管為高強度合金無縫鋼管。因不可避免的偏心作用，鋼管預壓時將發(fā)生彎曲變形，依其長短不同而表現為剛性或柔性特點(五)雙預應力橋梁先壓預應力工藝預壓應力管通過與混凝土之間的粘結作用實現錨固(六)纖維增強預應力混凝土橋梁20世紀80年代起，國際工程界開始將FRP材料用于預應力混凝土橋梁1980年第一座采用GFRP絞線的后張預應力混凝土人行橋在德國建成1986年，第一座采用GFRP粗筋的后張預應力混凝土公路橋也在德國建成1991年第一座采用GFRP絞線的后張預應力混凝土公路橋也在德國建成(六)纖維增強預應力混凝土橋梁1988年第一座采用CFRP絞線的先張預應力混凝土公路橋在日本建成1989年第一座采用CFRP粗筋的后張預應力混凝土橋梁也在日本建成1991年第一座采用CFRP絞線的后張預應力混凝土橋梁在德國建成。(六)纖維增強預應力混凝土橋梁1990年第一座采用AFRP編織筋的先張預應力混凝土公路橋、采用AFRP帶筋的后張預應力混凝土人行橋均在日本建成同年及次年，采用AFRP粗筋的先張及后張預應力混凝土橋梁也在日本建成(六)纖維增強預應力混凝土橋梁作為預應力混凝土橋梁的預加應力材料，CFRP材料具有更多的優(yōu)點美國第一座CFRP 橋梁—密歇根州南菲爾德市（Southfield）布里奇街（Bridge Street）橋，在2002年PCI 設計獎的評選中贏得哈利. 愛德華茲工業(yè)進步獎。(六)纖維增強預應力混凝土橋梁該橋由兩座平行的、跨越魯杰（Rouge）河的結構（結構A和結構B）所組成。橋梁采用三跨斜交15°構造，跨徑布置為21.314m＋20.349m＋21.429m，全長為62m橋梁結構A上部結構由5根等距布置的常規(guī)AASHTO Ⅲ型混凝土工字梁、現澆連續(xù)混凝土橋面板組成；結構B由4個特別
預制的預應力混凝土雙T形簡支梁組成。(六)纖維增強預應力混凝土橋梁(六)纖維增強預應力混凝土橋梁(六)纖維增強預應力混凝土橋梁(六)纖維增強預應力混凝土橋梁每根雙T形梁的縱向與橫向，均采用先張CFRP筋和后張CFRP絞線在橋面和梁肋內的非預應力筋由CFRP彎曲形絞線、直線筋、網格筋及不銹鋼箍筋構成優(yōu)化橋梁的耐久性，實施對材料質量進行復檢，取用高質量混凝土和采用的金屬筋僅為不銹鋼材料(六)纖維增強預應力混凝土橋梁(六)纖維增強預應力混凝土橋梁(六)纖維增強預應力混凝土橋梁(六)纖維增強預應力混凝土橋梁加拿大HI（HollowcoreIncorporated）公司為這座橋梁提供了所有預制梁，施工期間美國伊利諾州斯科基施工技術實驗室對該橋安裝了長期監(jiān)測儀器南菲爾德市勞倫斯技術大學結構試驗中心、加拿大溫澤大學對該橋進行了多方面的研究，從1/3縮尺的多組正交和斜交橋模型試驗中獲得大量數據(六)纖維增強預應力混凝土橋梁由于這種類型橋梁以前尚未建造過，早期通過測試系統(tǒng)與遙測方法對其各種關鍵參數進行識別是需要的梁的監(jiān)測是從其制造開始的，經歷架設施工連續(xù)至以后5年。在這個過程的最后，將對采用CFRP材料橋梁的使用性能做出相應結論(六)纖維增強預應力混凝土橋梁在制造階段的預加應力施工中，12根雙T形梁均被測試與監(jiān)測內力與應力。同時，在6根梁的內部與外部設置了長期監(jiān)測傳感器大多數測試儀器在梁制造期混凝土澆筑前已安裝(六)纖維增強預應力混凝土橋梁先張CFRP預應力筋非張拉端測力傳感器(六)纖維增強預應力混凝土橋梁先張CFRP預應力筋埋入式鋼弦測力傳感器(六)纖維增強預應力混凝土橋梁后張體外CFRP預應力絞線及錨固端傳感器(六)纖維增強預應力混凝土橋梁后張體外CFRP預應力絞線的傳感器
混凝土應變傳感器設置(六)纖維增強預應力混凝土橋梁(六)纖維增強預應力混凝土橋梁在5年的過程中，測試與監(jiān)測內容包括：先張CFRP預應力筋的預加力梁與結合層混凝土截面的應變分布梁在制造和架設過程中的變形與拱度施工期CFRP預應力絞線的預加力縱向體外和橫向無粘結CFRP預應力絞線
的應變 (六)纖維增強預應力混凝土橋梁(七)預應力橋梁的相關研究課題高強混凝土結構設計理論新型結構穩(wěn)定、疲勞、抗震等性能鋼—高強混凝土組合結構設計理論與構造鋼管混凝土結構設計理論與構造纖維增強預應力混凝土橋梁設計理論
(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測
5年后
開發(fā)強度與焊接一樣的鋼筋連接簡便方法，替代綁扎或夾具連接
張拉千斤頂重量降低與油泵一體化
預應力混凝土橋墩設計標準化
按性能設計推廣
(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測5年后開發(fā)出具有減震功能的伸縮接頭，提高抗震性能開發(fā)預應力混凝土橋梁老化預測技術實現全壽命造價最小的“最低維修橋梁”(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測10年后張拉千斤頂和油泵小型、輕量、一體化高強度、小直徑預應力筋和小型化錨具，使預應力構件細部構造改善計算機控制千斤頂，張拉、錨固和管理自動化(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測10年后利用傳感、通訊技術，預應力混凝土橋梁工作狀態(tài)被不斷監(jiān)視橋梁管理系統(tǒng)建立，實現高效維修管理(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測25年后開發(fā)出主體結構表面涂料，防止混凝土表面老化能準確掌握預應力混凝土橋梁極限狀態(tài)性能，建造出更經濟的橋梁橋梁開始在工廠實現自動化生產(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測50年后出現適合混凝土材料和預應力筋變化的新結構形式不再需要橋梁規(guī)范，實現單獨分析和設計方法出現不需要錨具的后張預應力方法(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測50年后現場施工使用大量機器人建立自動處理老化技術，隨時監(jiān)測鹽腐蝕、凍害、混凝土碳化及骨料的堿反應等老化情況開發(fā)出設計耐用年限為1000年，不需要維修的預應力混凝土橋梁(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測100年后采用超輕質高強混凝土，以高層為支點，建起上千米的預應力混凝土橋梁抗震技術大為提高，能夠以較高精度預測地震(七)預應力橋梁技術發(fā)展預測100年后完全依靠機器人進行施工、消滅災害事故開發(fā)“積極預應力技術”，與荷載或地震荷載等相適應，實現瞬間控制預應力
四、橋梁體外預應力加固技術
體外預應力橋梁的重新發(fā)展，得益于體外預應力加固技術的完善。體外預應力加固技術的特點：
是一種主動的結構增強技術
能提高極限承載能力，并能改善
結構正常使用狀態(tài)
關鍵技術——新老結構的聯(lián)結、傳力構造
(一)體外預應力鋼索加固
體外預應力索布置
正彎矩索轉向塊（未穿索）
正彎矩索轉向塊（已穿索）
負彎矩索轉向塊（橋面處）
負彎矩索轉向塊（已穿索）
張拉端
(一)體外預應力CFRP索加固
CFRP索抗剪強度較低
預應力方式較單一
錨固體系在研制、完善中
CFRP片抗剪輔助加固
