健康监测在桥梁工程中的应用及发展状况分析

关键词：健康 监测 桥梁工程

　　中国桥梁建设取得的成就

　　作为四大文明古国的一员，中国有着极其悠久和灿烂的文化。在桥梁工程领域，我国在周秦时期，梁索浮三种桥型就已经基本具备；两汉时期，以栈桥建设为主；隋唐时期，技术日益成熟，达到飞跃；两宋时期，全面开展，大规模进行；元明清时期，日趋鼎盛，清朝中后期技术开始落后。与同期世界水平相比，我国在相当长的历史时间内一直处于世界先进水平，建造了无数的各式桥梁，并有大量的优秀作品传世至今。

　　始建于公元605－616年的赵州桥，不仅是我国而且也是世界上现存最早、保存最完整的空腹式石拱桥，对世界后代的桥梁建筑有着十分深远的影响。它横跨于赵县洨河之上，是一座大拱两端叠加分流用小拱的敞肩单孔弧形石桥，由28道石拱券纵向并列砌筑而成，其建筑结构之奇特，自古有“奇巧固护，甲于天下”的美称， 1991年，赵州桥被美国土木工程师学会选定为世界第十二处“国际土木工程历史古迹”。有着“世上无桥长此桥”美誉的安平桥建于800多年前的南宋时期，全长两千多米，不仅是我国最长的石梁桥，也是世界上最长的石梁桥。另外还有位列中国三大古代名桥之首卢沟桥；在世界造桥史上开创性采用筏型基础及种蛎固基的洛阳桥（又称万安桥）；跨径达到103米的泸定桥；作为中国乃至世界上最早的一座开关活动式大石桥的广济桥等等。

　　时值近代钱塘江大桥，武汉长江大桥，南京长江大桥吹响了我国向现代化桥梁大国进军的号角。据不完全统计，截止2009年底，我国已建成公路、铁路、公铁两用桥梁总数已达60余万座，仅在长江、黄河上就有250 余座。其中，长江及其支流沱沱河、通天河、金沙江上有近130座，黄河上有120 余座。在已建成的斜拉桥、悬索桥、拱桥、梁桥中，分别位居世界同类型桥梁跨径排行榜前十名之列的有24 座，占60％。其中：斜拉桥6 座，苏通长江大桥(主跨1088m 钢箱)、香港昂船洲大桥(主跨1018m 分离钢箱) 分别位居第一、第二；悬索桥4 座，舟山西堠门大桥(主跨1650m 分体式钢箱;为世界首座)、润扬长江大桥(主跨1490m 钢箱) 分别位居第二、第四；拱桥8座，重庆朝天门长江大桥(主跨552m 连续钢桁系杆拱)、上海卢浦大桥(主跨550m 钢箱提篮系杆拱) 分别位居第一、第二；梁桥6 座，重庆石板坡长江大桥(主跨330m 钢—混凝土混合刚构—连续)位居第一。跨海桥梁中的宁波杭州湾大桥总长36 Km，为跨海桥梁世界之最；东海大桥总长32．5Km；舟山大陆连岛工程总长54.68Km； 上海长江隧桥工程———南隧北桥，隧道长度8．9Km、桥长10.3Km，为世界迄今为止最大的隧桥结合工程。

　　不管什么形式的桥梁，其基本材料大多可归为石材，木材，混凝土，钢材等类型，而这些材料在耐久性方面均存在不同程度的问题，需要给予特别关注。所以随着我国桥梁建设高潮的来临，对重要桥梁运营状况进行实时监测显得愈发迫切，加上国际桥梁领域最新发展动态的引导，桥梁健康监测日益成为国内发展的一大热点。

　　桥梁健康监测系统发展简介

　　虽然健康监测是最近一二十年才兴起的一个技术方向，但追寻历史我们发现结构监测概念古已有之：在中国，古塔上通常安装有各种各样的铃铛，而这些铃铛就兼具结构强烈晃动时提醒游人撤离的预警功能。另外，中国的监测传感技术也源远流长：汉代的古籍中就有大气温度和风速风向测量的记载。而1969年，Lifshitz和Rotem所写的论文则被视为阐述现代结构健康监测理念——通过动力响应监测评估结构健康状态——的第一篇论文；由此，桥梁健康监测在世界范围内蓬勃发展起来。

　　在工程领域：1987年，英国在总长522m的三跨连续钢箱梁桥Foyle桥上布设传感器监测大桥运营阶段在车辆与风载作用下主梁的振动、挠度和应变等响应，该系统是最早安装的较为完整的健康监测系统之一。挪威的Skamsundet斜拉桥，丹麦的Faroe跨海斜拉桥和主跨1624m的Great Belt East悬索桥，加拿大的Confederation连续刚构桥，日本的明石海峡大桥等大跨桥梁上也相继安装了监测系统；1997年， 香港的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥等三座大桥上安装了风和结构监测系统。随后，内地的东海大桥、虎门大桥、徐浦大桥、江阴长江大桥等桥梁上也建立了不同规模的结构监控系统。

　　在学术领域：1988年在日本东京举行的第九届世界地震工程会议（9WCEE)上，首次在国际范围内讨论土木工程主动控制。1994年，国际结构控制学会（IASC)正式成立，同年召开第一届国际结构控制会议（1st World Conf. on StructuralControl）。为了应对形势发展的需要，2006年以后，国际结构控制学会（IASC)会议改名为国际结构控制与监测会议（World Conf. on Structural Control and Monitoring）。

　　健康监测主要研究进展

　　 综合桥梁健康监测的发展历史和现状来看，主要有以下技术难题和研究进展：

　　第一，健康监测系统总体设计。健康监测系统的总体设计原则包括以下几项：（1）根据桥梁结构易损性分析的结果及养护管理的需求进行监测点的布设；（2）从结构安全性、耐久性、使用性的需求出发对结构进行监测，采用实时监测和定期监测相结合的方法，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；（3）以结构位移监测为主，以力、应力、模态分析为辅助。监测内容主要是荷载源、系统特性和结构响应。目前对于健康监测系统的设计更主要的是基于经验和项目经费的限制来确定传感器系统得设计，而没有一种确定性标准来进行传感器系统的设计，同时对需要通过健康监测系统获得哪些能够对结构的状态评估发挥关键作用的数据还没有明确的方法。

　　􀂄 第二，传感传输技术。传统传感测试技术易受干扰、传输导线过长等缺点已不再满足桥梁健康监测的发展要求，加上现代科技支撑，近年来发展起来了许多新型的传感技术，其中以光纤传感、无线传感、GPS技术和Internet数据通信技术为主要技术代表。关于传感器优化布置的问题也愈发引起人们的关注，传感器的类型、数量和布置位置对监测效果有着非常大的关系，客观条件中传感器的数量总是有限的，如何将有限的传感器合理布置以发挥其最大的效用是是健康监测的关键技术之一，也是以后大力发展的方向之一。

　　􀂄 第三，数据融合技术。多传感器数据融合技术以其强大的时空覆盖能力和对多源不确定性信息的综合处理能力,可以有效地进行结构系统的监测和诊断。目前已经发展起来的数据融合技术主要有：加权平均、卡尔曼滤波、贝叶斯估估计、统计决策理论、证据理论、模糊推理、神经网络。现有健康监测系统多停留在数据采集和简单数据分析阶段，同时桥梁健康监测系统会产生大量测试数据, 对这些测试数据与信息进行整合与解释，以及对结构真实状态的进行合理评估仍存在很大困难。

　　􀂄 第四，系统与损伤识别理论研究。目前主要的研究方法有基于振动的结构损伤识别方法和模型修正方法。结构损伤识别作为结构状态评估的重要组成部分，是近年来健康监测方向的研究热点之一，出现了如基于结构频率、位移模态、应变模态、曲率模态、应变能、刚度、柔度、能量法、频响函数等一系列损伤识别方法。而模型修正方法主要是基于运动方程、测试结果和有限元模型构造约束优化问题不断修正结构刚度、质量和阻尼分布，使其响应尽可能的接近实际响应。结构的模型修正能够为健康监测提供基准模型，同时也为基于测试结果的反演进行结构损伤识别和性能模拟提供了很好的基础。

　　􀂄 第五，结构健康状态评估。结构状态评估方法主要是运用可能获得的反映结构性能的内部信息对结构的施工运营等工作状态进行评估，目前主要有可靠度理论、层次分析法、模糊理论、神经网络以及专家系统等。健康监测系统的结构状态评估需要从结构监测的大量数据中提取能够反映结构特性的特征，以完成对结构实时和定期的评估，而这其中必然会涉及到结构数据的特征提取、数据融合及性能决策等方面，但目前这个方面所作的工作较少。

　　桥梁健康监测实例---东海大桥

　　东海大桥工程2002年6月26日正式开工建设，历经35个月的艰苦施工，于2005年5月25日实现结构贯通，是我国第一座真正意义上的跨海大桥。东海大桥起始于上海南汇区芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛，全长约32.5公里，其中陆上段约3.7公里，芦潮港新大堤至大乌龟岛之间的海上段约25.3公里，大乌龟岛至小洋山岛之间的港桥连接段约3.5公里。大桥按双向六车道加紧急停车带的高速公路标准设计，桥宽31.5米，设计车速每小时80公里，设计荷载按集装箱重车密排进行校验，可抗12级台风、七级烈度地震，设计基准期为100年。东海大桥是上海国际航运中心洋山深水港区一期工程的重要配套工程，为洋山深水港区集装箱陆路集疏运和供水、供电、通讯等需求提供服务。东海大桥的建成通车，为洋山深水港建成开港和进一步发展，加快上海国际航运中心的建设奠定了坚实的基础。东海大桥当时被上海市政府列为“一号工程”，其重要性不言而喻，在进行结构建设的同时，健康监测系统的布设也提上了日程。2006年10月，东海大桥的监测系统顺利布置到位，并于2007年正式投入使用。

　　东海大桥的监测内容主要是环境参数，结构静力和动力响应和结构的耐久性。其中环境参数主要包含风速，地震，波浪和冲刷等，结构响应主要监测内容包括斜拉桥桥塔的变形，连续梁的挠曲，阻尼器和伸缩缝的变形，主梁的损伤，主梁和塔的振动以及斜拉索的应力。结构的耐久性监测包含钢结构的疲劳和混凝土结构的慢性腐蚀。

　　东海大桥上使用的基本监测手段有：用FBG传感器测量应力和温度；用GPS监测结构变形；用疲劳传感器测量桥梁主梁的疲劳。全桥一共使用了478个传感器，包括使用在主跨上的169个。

　　数据评价体系分为联网评估和脱机评估。联网监测是一种自动监测系统，这一系统不仅可以判断结构的安全性，还可以进而对采集的数据进行分析。自动监测系统还可以自动决定是否需要向管理者预警并立即开始脱机评估。脱机评估系统可以进行一些更加高级的分析，比如结构静力分析，模态分析，桥梁力学行为和环境因素的校正分析等等。这一系统需要大量的结构分析并由专家进行判断进而对桥梁的状态给出一个全面的评估。

　　桥梁结构的监测数据不仅包含正常运营状态，还包括在极端荷载（比如台风，地震，爆炸，船撞等）下的桥梁结构响应。得到大量的监测数据以后，需要对其进行更多的深入分析和整理，首先区分出数据中的哪些部分是由于环境改变引起的结构响应，哪些又是由于结构破坏产生的等，然后通过图表等形式把数据中蕴含的内在规律及变化情况表现出来，再对结构的整体状况进行评估。

　　引言

　　预应力混凝土桥梁自出现以来的每次重大技术发展，都和材料、结构体系和施工工艺等创新密切联系在一起，它们相互促进不断发展：

　　预应力材料

　　高强、高性能及轻质混凝土技术发展，使混凝土受力性能改善、耐久性提高、浇筑更方便，也使预应力混凝土桥梁结构自重荷载下降。高强、低松弛预应力钢材发展，使预应力混凝土的效率大大提高，也促进了预应力器具和设备发展纤维增强聚合物预应力筋技术发展，使预应力筋兼轻质、高强、耐腐蚀、耐疲劳、非磁性等优点于一体，一些钢材难以克服的弱点得到消除，将预应力混凝土桥梁带入了一个崭新的发展领域。 预应力材料利用现代传感和通讯等技术的智能化预应力混凝土材料，不间断监视结构的工作状态、生命轨迹，将对预应力混凝土桥梁健康、安全运行提供有利保障。

　　预应力桥梁结构体系

　　部分预应力混凝土结构，兼有预应力和钢筋混凝土结构的优点，克服了全预应力混凝土结构的缺点无粘结体内预应力混凝土结构，消除了后张预应力筋管道的压浆，降低了预应力摩阻损失。预应力桥梁结构体系双向预应力、预弯预应力体系是预应力概念的新发展，它们使结构的高跨比显著减小，满足了一些特殊的使用要求体外预应力混凝土结构，构造简化、补索方便、施工简单，维护方便、总体经济性优越，逐步成为在经济、施工质量和安全性方面最有竞争力的方案。预应力桥梁结构体系钢—混凝土组合式预应力桥梁，利用钢腹、预应力混凝土顶板与底板在受力、构造及施工等方面的优点，成为预应力桥梁一种新的发展方向。

　　预应力桥梁施工技术

　　节段施工法使大跨径桥梁轻松跨越深险的江海和山谷，通过分段施工、预应力逐段连续，最终形成结构整体利用现代化设备，桥梁采用标准化分段、系列化预制方法，使其适合不同跨径组合的要求，大大提高了施工速度，并对环境的不利影响降低到最小程度。预应力桥梁施工技术通过预应力技术发展起来顶推施工法、转体施工法分别适用于不同的桥型结构。

　　一、预应力混凝土材料

　　(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种关键掺料：极细颗粒的硅灰、飞灰、粒状高炉碱矿渣，以此达到填充、润滑及增强的作用。

　　高性能混凝土具有很多优良的特点：易浇筑、易密实、不离析；高早强、韧性好、低徐变、耐疲劳；高密水、耐磨损、抗化蚀；实用强度可达100MPa。其中高强并不是混凝土的唯一指标，另外有一系列的质量要求，比如：自密实，水灰比小于0.4，28天收缩小于2×10-4和56天设计强度达到60～100MPa等。高性能混凝土应用研究课题主要在于混凝土材料力学性能，设计有效应变和徐变、收缩等。

　　2.活性粉混凝土RPC（Reactive Powder Concrete）

　　活性粉混凝土现在还处于研究阶段，主要成分包含：水泥，硅灰，石英粉，硅砂，细钢纤维等。同时具有以下优良特性：强度200~800MPa，实用150MPa以上，优良的韧性、抗疲劳性，较高的弯拉强度，抗循环冻融、盐、碳酸化作用性和长寿命、低维护费等。

　　3. 轻质混凝土LWC（Lightweight Concrete）

　　限制混凝土桥梁跨径增大的一个关键因素就是自重过大。为此，轻质混凝土应运而生，它的骨料容重为14~19kN/m3，同时强度与一般混凝土相当，可大大提高混凝土桥梁的极限跨径，国内已有这一类型的实验桥诞生。

　　绿色环保混凝土

　　尽可能少地采用水泥熟料，更多地采用工业废渣，大大减少二氧化碳的排放量绿色环保混凝土是混凝土发展方向。

　　混凝土材料发展预测（2050年左右将出现替代混凝土的新材料）

　　结合当今科技和工程实践的发展来看： 5年后人类将开发出能适合高寒和高热地区施工的混凝土，商品混凝土将分为高、中、低流动性三类；10年后可以向混凝土中加入或表面粘贴特殊材料，使其随时显示应力状态的变化彩图，开发彩色高强混凝土，并实现化学预应力的实用化；25年后开发半透明混凝土，以方便施工与管理，普遍采用彩色高强混凝土；50年后开发出适应地球温暖化的热电转化混凝土，并开发出在地震中能大变形，但震后能恢复原状的形状记忆混凝土，无徐变、收缩的混凝土得到实际应用，同时出现水泥混凝土的替代材料；100年后开发出能使新浇混凝土保持良好和易性的时间设定装置或材料；开发出能与盐份反应后形成保护膜从而提高耐久性的材料；开发通过分子间张拉技术在水泥分子之间施加预应力的超高抗拉混凝土。

　　(二)预应力材料

　　1. 预应力钢筋

　　正在研发的预应力钢筋各项性能均有不同程度的提高，比如：热镀锌钢丝强度达2000MPa级，钢绞线强度达2300MPa级，且其它性能指标不低于现有材料，与之配套的锚固体系也在加紧研制之中。另外还有高抗腐蚀高强钢绞线，主要用于斜拉索；将钢绞线镀锌－铝（5％），抗腐、锚固性能将明显好于镀锌钢绞线；采用不锈钢绞线，也能达到良好的抗腐效果。

　　对钢绞线进行环氧涂覆也能达到很好的技术效果，根据涂覆方式的不同可分为单丝涂覆式和整体涂覆式两种。其中，单丝涂覆的工艺主要是：除锈—>单丝涂覆—>重新绞合；整体涂覆式的工艺主要为：除锈—>整体涂覆—>（涂砂）。经过环氧涂覆，可以大大提高钢绞线的耐久性能，但也存在一定的技术缺陷，比如：锚具锚固回缩量大，预应力松弛大，粘结锚固与传递长度大等。

　　缓粘结预应力筋的开发将大大方便预应力构件的施工。运用这一技术，预应力张拉后在常温下经过特定时间，树脂能自动硬化，并达到设计强度，具有防腐性好、免压浆、施工方便等技术优势。

　　2. 纤维增强聚合物FRP筋（FibreReinforced PloymerTendon）

　　常用的FRP材料包含：碳纤维CFRP（Carbon FibreReinforced Ploymer），芳纶纤维AFRP（AramidFibreReinforced Ploymer）和玻璃纤维GFRP（Glass FibreReinforced Ploymer）

　　FRP筋具有优良的力学性能，将FRP 预应力筋和预应力钢筋对比可以发现：FRP筋强度—质量比为钢材的5倍，疲劳应力幅为钢材的3倍（GFRP外），抗腐性能好、非磁性、非导电、热膨胀系数小。同时也存在一定的局限性：极限延伸率低，破坏呈脆性；抗剪强度为钢材的1/5~1/4；静载长期与短期强度的比值低；FRP 预应力筋锚具也更为复杂，需专门设计。

　　FRP 预应力体系的研究课题主要分为以下几个方面：材料短期和长期性能；粘结性能、物理性能；疲劳性能、耐久性等；FRP预应力混凝土结构性能和锚具及体外FRP索的应用技术。

　　3. 预加应力材料发展预测（2025年前高强、高耐久钢材将有新发展）

　　5年后，六角形套管和六角形预应力钢绞线组合，提高管道空隙，改善灌浆充实度；10年后，将开发出替代钢板的纤维增强塑料板，出现腹板为FRP的预应力桥梁；25年后，开发出超高强极细的预加应力材料，开发出能在混凝土浇筑后自应力的张拉材料，无需施加预应力；50年后，开发极薄自应力张拉材料，能方便地粘贴在结构表面进行修补，开发出网格状的张拉材料，从而可以方便地施加空间预应力，把形状记忆合金作为施加预应力的材料。

　　(三)预应力筋管道

　　1.塑料波纹管

　　塑料波纹管主要由高密度聚乙烯或聚丙烯制成，具有摩擦系数低（钢绞线μ=0.10~0.14，钢丝μ=0.08~0.12 ）；耐腐性好（防水、耐候、抗氧化及化蚀）；强度高、刚度大、成孔质量好􀂾可弯性好（1.8m半径）；重量轻，方便运输和安装；与混凝土粘结好；配套部件齐全等优势。

　　2.体外索透明套管

　　透明套管主要由离子键树脂“HIMILAN”制成，透明度达85％（PVC为78％），可以目测检查灌浆质量，发现问题可以钻孔补浆。将其用于箱梁内，可以免受紫外线辐射影响；同时具有高抗碱、油污的性能；预应力钢绞线摩擦损失也小于普通（PVC）套管；另外还不含氯离子和塑化剂，为环保材料。

　　3.管道灌浆材料发展预测

　　5年后将开发出大张拉力、预灌浆、后粘结的预应力筋；开发出不取决于温度的预灌浆后粘结预应力筋；开发预涂在管道内壁的呈粉末、固体、凝胶状的灌浆基体材料，预应力筋张拉后灌水即成完全填充的灌浆物

　　二、预应力桥梁体系

　　(一)体外预应力混凝土桥梁

　　1. 标准化、系列化

　　体外预应力混凝土桥梁发展的一个显著特点就是标准化，系列化。主要表现在：标准化梁高、分段、系列跨径；标准化预应力索构造；工厂系列化生产；标准化装配施工

　　2. 轻巧化

　　轻巧化也是现代体外预应力混凝土桥梁发展的一大特色，具体表现有：构造优化，受力明确，高强薄壁和结构轻巧等。

　　3. 新型化

　　即出现了一种特殊的体外预应力梁桥现实：部分斜拉桥，又称矮塔斜拉桥。

　　(二)钢腹混凝土组合梁桥

　　1.

　　为解决混凝土腹板开裂的问题，提出了用钢板来替换混凝土腹板方案。这一方案具有如下特点：结构重量比PC桥梁减轻约30%；采用体外预应力体系；钢腹板受力优于混凝土；收缩、徐变影响较大；钢板受压、加劲板较多

　　2. 波纹钢腹板混凝土组合箱梁桥

　　在钢腹板混凝土组合箱梁桥的基础上，为了减少腹板加劲，增强腹板稳定性，方便顶底板预应力的施加，又发展出波纹钢腹板的方案，这一方案具有如下特点：结构重量比PC桥梁减轻约30%；体外预应力体系；波纹腹板轴向刚度小、主要抗剪；收缩、徐变影响大大减小；钢腹板不设稳定加劲板；联结处构造应予重视。

　　2. 钢桁腹混凝土组合箱梁桥

　　􀂾结构重量比PC桥梁减轻约30~40%

　　􀂾体外预应力体系

　　􀂾桁腹轴向刚度可忽略、主要抗剪

　　􀂾免除收缩、徐变带来的危险裂缝

　　加拿大魁北克Sherbrooke人行桥（L=60m）

　　􀂾活性粉混凝土钢桁腹组合结构􀂾体外预应力、无非预应力筋􀂾结构重量只有PC的1/2~1/3，与钢结构相差无几

　　􀂾在蒸汽养护条件下，活性粉混凝土强度达到200 MPa，钢管内约束混凝土强度350 MPa，材料抗压等性能直逼钢材。

　　活性粉混凝土配合比配料的成份 数量(1/m3) 波特兰水泥 705kg 硅 粉 230kg 石英粉 210kg 硅 砂 1010kg 钢纤维 190kg 超塑剂 37.5 kg 水 200lit 水泥用量高 水灰比低(0.21)钢纤维骨料

　　瑞士近Baden的Baregg公路桥

　　（25.62+4×38.43+25.62(m)）

　　􀂾钢管桁梁、混凝土桥面板组合结构

　　􀂾桥面板体内双向预应力体系

　　􀂾结构重量约PC的1/2

　　􀂾钢管桁梁分段预制、吊装连接􀂾桥面板纵向2.135m一段(35t)预制、吊装连接

　　􀂾横向每隔60cm设一根4φj15.24mm预应力钢绞线，吊装时张拉50%预应力

　　􀂾纵向预埋22根HDPE管，设22束7φj15.24mm预应力钢绞线

　　􀂾桥面板与桁梁联成整体前先施加纵向预应力

　　􀂾结合缝隙内压浆防腐

　　(三)钢混凝土填充组合桥梁

　　1. 钢管混凝土连续梁桥

　　􀂾在中支点处钢管填充混凝土

　　􀂾在跨中段钢管填充加气混凝土

　　􀂾钢管强度充分发挥、延性好

　　􀂾无加劲构造，焊接量大减

　　2. 部分预应力U形钢混凝土连续梁桥􀂾钢板冷加工弯折成U形􀂾少量加劲板，焊接量、成本大减

　　􀂾中支点段填充混凝土

　　􀂾中支点段桥面板内设预应力筋

　　􀂾跨中段不填充混凝土

　　3. 钢管混凝土斜拉桥􀂾分段填充一般、轻质混凝土或不填混凝土􀂾静力、动力性能良好􀂾用钢量低于钢箱梁，构造简单􀂾经济性优于大跨钢箱梁斜拉桥(四)预弯预应力梁桥

　　(四)预弯预应力梁桥

　　􀂾采用钢梁预弯反弹作用施加预应力

　　􀂾建筑高度低（约为L/35）、刚度大

　　􀂾无支架施工、吊装重量小

　　􀂾适合于低建筑高度的跨线、跨河桥、多层立交桥，以及轨道交通站台桥梁等结构

　　􀂾日本建造的预弯预应力桥已达几百座，我国也在立交桥结构中采用

　　用于跨线公路桥

　　用于跨线铁路桥用于高架桥用于跨河桥

　　用于轨道交通站台桥梁等结构

　　(五)双预应力桥梁􀂾在混凝土的拉、压区同时配置预拉和预压预应力筋、形成拉、压双向作用预应力体系的结构􀂾突破了单一在混凝土受拉区配置预拉预应力筋的设计概念，使混凝土结构预加应力的效率大

　　为提高，也使预应力技术获得更大的发展空间 (五)双预应力桥梁􀂾后压预应力工艺为了充分发挥钢筋的强度，避免其在千斤顶的顶压下发生失稳，同时保证钢筋与混凝土的粘结力与孔道压浆便利，预埋管道制作成沿纵向逐段正交变化的椭圆形截面(五)双预应力桥梁􀂾后压预应力工艺顶压预应力筋的锚固可采用两种方式(五)双预应力桥梁􀂾先压预应力工艺采用先压法的预压应力管为高强度合金无缝钢管。因不可避免的偏心作用，钢管预压时将发生弯曲变形，依其长短不同而表现为刚性或柔性特点(五)双预应力桥梁􀂾先压预应力工艺预压应力管通过与混凝土之间的粘结作用实现锚固(六)纤维增强预应力混凝土桥梁􀂾20世纪80年代起，国际工程界开始将FRP材料用于预应力混凝土桥梁1980年第一座采用GFRP绞线的后张预应力混凝土人行桥在德国建成1986年，第一座采用GFRP粗筋的后张预应力混凝土公路桥也在德国建成1991年第一座采用GFRP绞线的后张预应力混凝土公路桥也在德国建成(六)纤维增强预应力混凝土桥梁1988年第一座采用CFRP绞线的先张预应力混凝土公路桥在日本建成1989年第一座采用CFRP粗筋的后张预应力混凝土桥梁也在日本建成1991年第一座采用CFRP绞线的后张预应力混凝土桥梁在德国建成。(六)纤维增强预应力混凝土桥梁1990年第一座采用AFRP编织筋的先张预应力混凝土公路桥、采用AFRP带筋的后张预应力混凝土人行桥均在日本建成同年及次年，采用AFRP粗筋的先张及后张预应力混凝土桥梁也在日本建成(六)纤维增强预应力混凝土桥梁􀂾作为预应力混凝土桥梁的预加应力材料，CFRP材料具有更多的优点美国第一座CFRP 桥梁—密歇根州南菲尔德市（Southfield）布里奇街（Bridge Street）桥，在2002年PCI 设计奖的评选中赢得哈利. 爱德华兹工业进步奖。(六)纤维增强预应力混凝土桥梁该桥由两座平行的、跨越鲁杰（Rouge）河的结构（结构A和结构B）所组成。桥梁采用三跨斜交15°构造，跨径布置为21.314m＋20.349m＋21.429m，全长为62m桥梁结构A上部结构由5根等距布置的常规AASHTO Ⅲ型混凝土工字梁、现浇连续混凝土桥面板组成；结构B由4个特别

　　预制的预应力混凝土双T形简支梁组成。(六)纤维增强预应力混凝土桥梁(六)纤维增强预应力混凝土桥梁(六)纤维增强预应力混凝土桥梁(六)纤维增强预应力混凝土桥梁每根双T形梁的纵向与横向，均采用先张CFRP筋和后张CFRP绞线在桥面和梁肋内的非预应力筋由CFRP弯曲形绞线、直线筋、网格筋及不锈钢箍筋构成优化桥梁的耐久性，实施对材料质量进行复检，取用高质量混凝土和采用的金属筋仅为不锈钢材料(六)纤维增强预应力混凝土桥梁(六)纤维增强预应力混凝土桥梁(六)纤维增强预应力混凝土桥梁(六)纤维增强预应力混凝土桥梁加拿大HI（HollowcoreIncorporated）公司为这座桥梁提供了所有预制梁，施工期间美国伊利诺州斯科基施工技术实验室对该桥安装了长期监测仪器南菲尔德市劳伦斯技术大学结构试验中心、加拿大温泽大学对该桥进行了多方面的研究，从1/3缩尺的多组正交和斜交桥模型试验中获得大量数据(六)纤维增强预应力混凝土桥梁由于这种类型桥梁以前尚未建造过，早期通过测试系统与遥测方法对其各种关键参数进行识别是需要的梁的监测是从其制造开始的，经历架设施工连续至以后5年。在这个过程的最后，将对采用CFRP材料桥梁的使用性能做出相应结论(六)纤维增强预应力混凝土桥梁在制造阶段的预加应力施工中，12根双T形梁均被测试与监测内力与应力。同时，在6根梁的内部与外部设置了长期监测传感器大多数测试仪器在梁制造期混凝土浇筑前已安装(六)纤维增强预应力混凝土桥梁先张CFRP预应力筋非张拉端测力传感器(六)纤维增强预应力混凝土桥梁先张CFRP预应力筋埋入式钢弦测力传感器(六)纤维增强预应力混凝土桥梁后张体外CFRP预应力绞线及锚固端传感器(六)纤维增强预应力混凝土桥梁后张体外CFRP预应力绞线的传感器

　　混凝土应变传感器设置(六)纤维增强预应力混凝土桥梁(六)纤维增强预应力混凝土桥梁􀂾在5年的过程中，测试与监测内容包括：先张CFRP预应力筋的预加力梁与结合层混凝土截面的应变分布梁在制造和架设过程中的变形与拱度施工期CFRP预应力绞线的预加力纵向体外和横向无粘结CFRP预应力绞线

　　的应变 (六)纤维增强预应力混凝土桥梁(七)预应力桥梁的相关研究课题高强混凝土结构设计理论新型结构稳定、疲劳、抗震等性能钢—高强混凝土组合结构设计理论与构造钢管混凝土结构设计理论与构造纤维增强预应力混凝土桥梁设计理论

　　(七)预应力桥梁技术发展预测

　　5年后

　　开发强度与焊接一样的钢筋连接简便方法，替代绑扎或夹具连接

　　张拉千斤顶重量降低与油泵一体化

　　预应力混凝土桥墩设计标准化

　　按性能设计推广

　　(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾5年后开发出具有减震功能的伸缩接头，提高抗震性能开发预应力混凝土桥梁老化预测技术实现全寿命造价最小的“最低维修桥梁”(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾10年后张拉千斤顶和油泵小型、轻量、一体化高强度、小直径预应力筋和小型化锚具，使预应力构件细部构造改善计算机控制千斤顶，张拉、锚固和管理自动化(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾10年后利用传感、通讯技术，预应力混凝土桥梁工作状态被不断监视桥梁管理系统建立，实现高效维修管理(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾25年后开发出主体结构表面涂料，防止混凝土表面老化能准确掌握预应力混凝土桥梁极限状态性能，建造出更经济的桥梁桥梁开始在工厂实现自动化生产(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾50年后出现适合混凝土材料和预应力筋变化的新结构形式不再需要桥梁规范，实现单独分析和设计方法出现不需要锚具的后张预应力方法(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾50年后现场施工使用大量机器人建立自动处理老化技术，随时监测盐腐蚀、冻害、混凝土碳化及骨料的碱反应等老化情况开发出设计耐用年限为1000年，不需要维修的预应力混凝土桥梁(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾100年后采用超轻质高强混凝土，以高层为支点，建起上千米的预应力混凝土桥梁抗震技术大为提高，能够以较高精度预测地震(七)预应力桥梁技术发展预测􀂾100年后完全依靠机器人进行施工、消灭灾害事故开发“积极预应力技术”，与荷载或地震荷载等相适应，实现瞬间控制预应力