健康監(jiān)測在橋梁工程中的應(yīng)用
2015-04-28
中國橋梁建設(shè)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(lǐng)域，我國在周秦時期，梁索浮三種橋型就已經(jīng)基本具備；兩漢時期，以棧橋建設(shè)為主；隋唐時期，技術(shù)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(shù)開始落后。與同期世界水平相比，我國在相當(dāng)長的歷史時間內(nèi)一直處于世界先進水平，建造了無數(shù)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(xiàn)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)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(xué)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(chǔ)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(guān)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(xiàn)代化橋梁大國進軍的號角。據(jù)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(shù)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(gòu)—連續(xù))位居第一?？绾蛄褐械膶幉ê贾轂炒髽蚩傞L36 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(jié)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(guān)注。所以隨著我國橋梁建設(shè)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(lǐng)域最新發(fā)展動態(tài)的引導(dǎo)，橋梁健康監(jiān)測日益成為國內(nèi)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(shù)方向，但追尋歷史我們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)強烈晃動時提醒游人撤離的預(yù)警功能。另外，中國的監(jiān)測傳感技術(shù)也源遠(yuǎn)流長：漢代的古籍中就有大氣溫度和風(fēng)速風(fēng)向測量的記載。而1969年，Lifshitz和Rotem所寫的論文則被視為闡述現(xiàn)代結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測理念——通過動力響應(yīng)監(jiān)測評估結(jié)構(gòu)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(nèi)蓬勃發(fā)展起來。
在工程領(lǐng)域：1987年，英國在總長522m的三跨連續(xù)鋼箱梁橋Foyle橋上布設(shè)傳感器監(jiān)測大橋運營階段在車輛與風(fēng)載作用下主梁的振動、撓度和應(yīng)變等響應(yīng)，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(gòu)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(fēng)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)。隨后，內(nèi)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(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)。
在學(xué)術(shù)領(lǐng)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(nèi)討論土木工程主動控制。1994年，國際結(jié)構(gòu)控制學(xué)會（IASC)正式成立，同年召開第一屆國際結(jié)構(gòu)控制會議（1st World Conf. on StructuralControl）。為了應(yīng)對形勢發(fā)展的需要，2006年以后，國際結(jié)構(gòu)控制學(xué)會（IASC)會議改名為國際結(jié)構(gòu)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(xiàn)狀來看，主要有以下技術(shù)難題和研究進展：
第一，健康監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計。健康監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計原則包括以下幾項：（1）根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)易損性分析的結(jié)果及養(yǎng)護管理的需求進行監(jiān)測點的布設(shè)；（2）從結(jié)構(gòu)安全性、耐久性、使用性的需求出發(fā)對結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，采用實時監(jiān)測和定期監(jiān)測相結(jié)合的方法，力求用最少的傳感器和最小的數(shù)據(jù)量完成工作；（3）以結(jié)構(gòu)位移監(jiān)測為主，以力、應(yīng)力、模態(tài)分析為輔助。監(jiān)測內(nèi)容主要是荷載源、系統(tǒng)特性和結(jié)構(gòu)響應(yīng)。目前對于健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計更主要的是基于經(jīng)驗和項目經(jīng)費的限制來確定傳感器系統(tǒng)得設(shè)計，而沒有一種確定性標(biāo)準(zhǔn)來進行傳感器系統(tǒng)的設(shè)計，同時對需要通過健康監(jiān)測系統(tǒng)獲得哪些能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估發(fā)揮關(guān)鍵作用的數(shù)據(jù)還沒有明確的方法。
第二，傳感傳輸技術(shù)。傳統(tǒng)傳感測試技術(shù)易受干擾、傳輸導(dǎo)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(xiàn)代科技支撐，近年來發(fā)展起來了許多新型的傳感技術(shù)，其中以光纖傳感、無線傳感、GPS技術(shù)和Internet數(shù)據(jù)通信技術(shù)為主要技術(shù)代表。關(guān)于傳感器優(yōu)化布置的問題也愈發(fā)引起人們的關(guān)注，傳感器的類型、數(shù)量和布置位置對監(jiān)測效果有著非常大的關(guān)系，客觀條件中傳感器的數(shù)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(guān)鍵技術(shù)之一，也是以后大力發(fā)展的方向之一。
第三，數(shù)據(jù)融合技術(shù)。多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)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(jié)構(gòu)系統(tǒng)的監(jiān)測和診斷。目前已經(jīng)發(fā)展起來的數(shù)據(jù)融合技術(shù)主要有：加權(quán)平均、卡爾曼濾波、貝葉斯估估計、統(tǒng)計決策理論、證據(jù)理論、模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有健康監(jiān)測系統(tǒng)多停留在數(shù)據(jù)采集和簡單數(shù)據(jù)分析階段，同時橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)會產(chǎn)生大量測試數(shù)據(jù), 對這些測試數(shù)據(jù)與信息進行整合與解釋，以及對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損傷識別方法和模型修正方法。結(jié)構(gòu)損傷識別作為結(jié)構(gòu)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(xiàn)了如基于結(jié)構(gòu)頻率、位移模態(tài)、應(yīng)變模態(tài)、曲率模態(tài)、應(yīng)變能、剛度、柔度、能量法、頻響函數(shù)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(jié)果和有限元模型構(gòu)造約束優(yōu)化問題不斷修正結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量和阻尼分布，使其響應(yīng)盡可能的接近實際響應(yīng)。結(jié)構(gòu)的模型修正能夠為健康監(jiān)測提供基準(zhǔn)模型，同時也為基于測試結(jié)果的反演進行結(jié)構(gòu)損傷識別和性能模擬提供了很好的基礎(chǔ)。
第五，結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)評估。結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估方法主要是運用可能獲得的反映結(jié)構(gòu)性能的內(nèi)部信息對結(jié)構(gòu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)等。健康監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估需要從結(jié)構(gòu)監(jiān)測的大量數(shù)據(jù)中提取能夠反映結(jié)構(gòu)特性的特征，以完成對結(jié)構(gòu)實時和定期的評估，而這其中必然會涉及到結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的特征提取、數(shù)據(jù)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(shè)，歷經(jīng)35個月的艱苦施工，于2005年5月25日實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，橋?qū)?1.5米，設(shè)計車速每小時80公里，設(shè)計荷載按集裝箱重車密排進行校驗，可抗12級臺風(fēng)、七級烈度地震，設(shè)計基準(zhǔn)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(wù)。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(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。東海大橋當(dāng)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(jié)構(gòu)建設(shè)的同時，健康監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)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(nèi)容主要是環(huán)境參數(shù)，結(jié)構(gòu)靜力和動力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)的耐久性。其中環(huán)境參數(shù)主要包含風(fēng)速，地震，波浪和沖刷等，結(jié)構(gòu)響應(yīng)主要監(jiān)測內(nèi)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(yīng)力。結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測包含鋼結(jié)構(gòu)的疲勞和混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)力和溫度；用GPS監(jiān)測結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)評價體系分為聯(lián)網(wǎng)評估和脫機評估。聯(lián)網(wǎng)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(jié)構(gòu)的安全性，還可以進而對采集的數(shù)據(jù)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(yù)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(jié)構(gòu)靜力分析，模態(tài)分析，橋梁力學(xué)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅包含正常運營狀態(tài)，還包括在極端荷載（比如臺風(fēng)，地震，爆炸，船撞等）下的橋梁結(jié)構(gòu)響應(yīng)。得到大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中的哪些部分是由于環(huán)境改變引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，哪些又是由于結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生的等，然后通過圖表等形式把數(shù)據(jù)中蘊含的內(nèi)在規(guī)律及變化情況表現(xiàn)出來，再對結(jié)構(gòu)的整體狀況進行評估。
引言
預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁自出現(xiàn)以來的每次重大技術(shù)發(fā)展，都和材料、結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力材料
高強、高性能及輕質(zhì)混凝土技術(shù)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)自重荷載下降。高強、低松弛預(yù)應(yīng)力鋼材發(fā)展，使預(yù)應(yīng)力混凝土的效率大大提高，也促進了預(yù)應(yīng)力器具和設(shè)備發(fā)展纖維增強聚合物預(yù)應(yīng)力筋技術(shù)發(fā)展，使預(yù)應(yīng)力筋兼輕質(zhì)、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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁帶入了一個嶄新的發(fā)展領(lǐng)域。 預(yù)應(yīng)力材料利用現(xiàn)代傳感和通訊等技術(shù)的智能化預(yù)應(yīng)力混凝土材料，不間斷監(jiān)視結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)、生命軌跡，將對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁健康、安全運行提供有利保障。
預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)體系
部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，兼有預(yù)應(yīng)力和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，克服了全預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的缺點無粘結(jié)體內(nèi)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，消除了后張預(yù)應(yīng)力筋管道的壓漿，降低了預(yù)應(yīng)力摩阻損失。預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)體系雙向預(yù)應(yīng)力、預(yù)彎預(yù)應(yīng)力體系是預(yù)應(yīng)力概念的新發(fā)展，它們使結(jié)構(gòu)的高跨比顯著減小，滿足了一些特殊的使用要求體外預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，構(gòu)造簡化、補索方便、施工簡單，維護方便、總體經(jīng)濟性優(yōu)越，逐步成為在經(jīng)濟、施工質(zhì)量和安全性方面最有競爭力的方案。預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)體系鋼—混凝土組合式預(yù)應(yīng)力橋梁，利用鋼腹、預(yù)應(yīng)力混凝土頂板與底板在受力、構(gòu)造及施工等方面的優(yōu)點，成為預(yù)應(yīng)力橋梁一種新的發(fā)展方向。
預(yù)應(yīng)力橋梁施工技術(shù)
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(yù)應(yīng)力逐段連續(xù)，最終形成結(jié)構(gòu)整體利用現(xiàn)代化設(shè)備，橋梁采用標(biāo)準(zhǔn)化分段、系列化預(yù)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(yù)應(yīng)力橋梁施工技術(shù)通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)發(fā)展起來頂推施工法、轉(zhuǎn)體施工法分別適用于不同的橋型結(jié)構(gòu)。
一、預(yù)應(yīng)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(guān)鍵摻料：極細(xì)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(biāo)，另外有一系列的質(zhì)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(shè)計強度達到60～100MPa等。高性能混凝土應(yīng)用研究課題主要在于混凝土材料力學(xué)性能，設(shè)計有效應(yīng)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(xiàn)在還處于研究階段，主要成分包含：水泥，硅灰，石英粉，硅砂，細(xì)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(zhì)混凝土LWC（Lightweight Concrete）
限制混凝土橋梁跨徑增大的一個關(guān)鍵因素就是自重過大。為此，輕質(zhì)混凝土應(yīng)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(dāng)，可大大提高混凝土橋梁的極限跨徑，國內(nèi)已有這一類型的實驗橋誕生。
綠色環(huán)保混凝土
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(yù)測（2050年左右將出現(xiàn)替代混凝土的新材料）
結(jié)合當(dāng)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(yīng)力狀態(tài)的變化彩圖，開發(fā)彩色高強混凝土，并實現(xiàn)化學(xué)預(yù)應(yīng)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(yīng)地球溫暖化的熱電轉(zhuǎn)化混凝土，并開發(fā)出在地震中能大變形，但震后能恢復(fù)原狀的形狀記憶混凝土，無徐變、收縮的混凝土得到實際應(yīng)用，同時出現(xiàn)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(shè)定裝置或材料；開發(fā)出能與鹽份反應(yīng)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(shù)在水泥分子之間施加預(yù)應(yīng)力的超高抗拉混凝土。
(二)預(yù)應(yīng)力材料
1. 預(yù)應(yīng)力鋼筋
正在研發(fā)的預(yù)應(yīng)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(biāo)不低于現(xiàn)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(shù)效果，根據(jù)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(jīng)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(shù)缺陷，比如：錨具錨固回縮量大，預(yù)應(yīng)力松弛大，粘結(jié)錨固與傳遞長度大等。
緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋的開發(fā)將大大方便預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的施工。運用這一技術(shù)，預(yù)應(yīng)力張拉后在常溫下經(jīng)過特定時間，樹脂能自動硬化，并達到設(shè)計強度，具有防腐性好、免壓漿、施工方便等技術(shù)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(xué)性能，將FRP 預(yù)應(yīng)力筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋對比可以發(fā)現(xiàn)：FRP筋強度—質(zhì)量比為鋼材的5倍，疲勞應(yīng)力幅為鋼材的3倍（GFRP外），抗腐性能好、非磁性、非導(dǎo)電、熱膨脹系數(shù)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(yù)應(yīng)力筋錨具也更為復(fù)雜，需專門設(shè)計。
FRP 預(yù)應(yīng)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(jié)性能、物理性能；疲勞性能、耐久性等；FRP預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)性能和錨具及體外FRP索的應(yīng)用技術(shù)。
3. 預(yù)加應(yīng)力材料發(fā)展預(yù)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(yù)應(yīng)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(xiàn)腹板為FRP的預(yù)應(yīng)力橋梁；25年后，開發(fā)出超高強極細(xì)的預(yù)加應(yīng)力材料，開發(fā)出能在混凝土澆筑后自應(yīng)力的張拉材料，無需施加預(yù)應(yīng)力；50年后，開發(fā)極薄自應(yīng)力張拉材料，能方便地粘貼在結(jié)構(gòu)表面進行修補，開發(fā)出網(wǎng)格狀的張拉材料，從而可以方便地施加空間預(yù)應(yīng)力，把形狀記憶合金作為施加預(yù)應(yīng)力的材料。
(三)預(yù)應(yīng)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(shù)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(zhì)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(jié)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(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問題可以鉆孔補漿。將其用于箱梁內(nèi)，可以免受紫外線輻射影響；同時具有高抗堿、油污的性能；預(yù)應(yīng)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(yù)測
5年后將開發(fā)出大張拉力、預(yù)灌漿、后粘結(jié)的預(yù)應(yīng)力筋；開發(fā)出不取決于溫度的預(yù)灌漿后粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋；開發(fā)預(yù)涂在管道內(nèi)壁的呈粉末、固體、凝膠狀的灌漿基體材料，預(yù)應(yīng)力筋張拉后灌水即成完全填充的灌漿物
二、預(yù)應(yīng)力橋梁體系
(一)體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁
1. 標(biāo)準(zhǔn)化、系列化
體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)展的一個顯著特點就是標(biāo)準(zhǔn)化，系列化。主要表現(xiàn)在：標(biāo)準(zhǔn)化梁高、分段、系列跨徑；標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力索構(gòu)造；工廠系列化生產(chǎn)；標(biāo)準(zhǔn)化裝配施工
2. 輕巧化
輕巧化也是現(xiàn)代體外預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)展的一大特色，具體表現(xiàn)有：構(gòu)造優(yōu)化，受力明確，高強薄壁和結(jié)構(gòu)輕巧等。
3. 新型化
即出現(xiàn)了一種特殊的體外預(yù)應(yīng)力梁橋現(xiàn)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(jié)構(gòu)重量比PC橋梁減輕約30%；采用體外預(yù)應(yīng)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(chǔ)上，為了減少腹板加勁，增強腹板穩(wěn)定性，方便頂?shù)装孱A(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)重量比PC橋梁減輕約30%；體外預(yù)應(yīng)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?。讳摳拱宀辉O(shè)穩(wěn)定加勁板；聯(lián)結(jié)處構(gòu)造應(yīng)予重視。
2. 鋼桁腹混凝土組合箱梁橋
結(jié)構(gòu)重量比PC橋梁減輕約30~40%
體外預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力、無非預(yù)應(yīng)力筋結(jié)構(gòu)重量只有PC的1/2~1/3，與鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)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
（25.62+4×38.43+25.62(m)）
鋼管桁梁、混凝土橋面板組合結(jié)構(gòu)
橋面板體內(nèi)雙向預(yù)應(yīng)力體系
結(jié)構(gòu)重量約PC的1/2
鋼管桁梁分段預(yù)制、吊裝連接橋面板縱向2.135m一段(35t)預(yù)制、吊裝連接
橫向每隔60cm設(shè)一根4φj15.24mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，吊裝時張拉50%預(yù)應(yīng)力
縱向預(yù)埋22根HDPE管，設(shè)22束7φj15.24mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線
橋面板與桁梁聯(lián)成整體前先施加縱向預(yù)應(yīng)力
結(jié)合縫隙內(nèi)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(gòu)造，焊接量大減
2. 部分預(yù)應(yīng)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(nèi)設(shè)預(yù)應(yīng)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(zhì)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(gòu)造簡單經(jīng)濟性優(yōu)于大跨鋼箱梁斜拉橋(四)預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁橋
(四)預(yù)彎預(yù)應(yīng)力梁橋
采用鋼梁預(yù)彎反彈作用施加預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)
日本建造的預(yù)彎預(yù)應(yīng)力橋已達幾百座，我國也在立交橋結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)
(五)雙預(yù)應(yīng)力橋梁在混凝土的拉、壓區(qū)同時配置預(yù)拉和預(yù)壓預(yù)應(yīng)力筋、形成拉、壓雙向作用預(yù)應(yīng)力體系的結(jié)構(gòu)突破了單一在混凝土受拉區(qū)配置預(yù)拉預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計概念，使混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)加應(yīng)力的效率大
為提高，也使預(yù)應(yīng)力技術(shù)獲得更大的發(fā)展空間 (五)雙預(yù)應(yīng)力橋梁后壓預(yù)應(yīng)力工藝為了充分發(fā)揮鋼筋的強度，避免其在千斤頂?shù)捻攭合掳l(fā)生失穩(wěn)，同時保證鋼筋與混凝土的粘結(jié)力與孔道壓漿便利，預(yù)埋管道制作成沿縱向逐段正交變化的橢圓形截面(五)雙預(yù)應(yīng)力橋梁后壓預(yù)應(yīng)力工藝頂壓預(yù)應(yīng)力筋的錨固可采用兩種方式(五)雙預(yù)應(yīng)力橋梁先壓預(yù)應(yīng)力工藝采用先壓法的預(yù)壓應(yīng)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(yù)壓時將發(fā)生彎曲變形，依其長短不同而表現(xiàn)為剛性或柔性特點(五)雙預(yù)應(yīng)力橋梁先壓預(yù)應(yīng)力工藝預(yù)壓應(yīng)力管通過與混凝土之間的粘結(jié)作用實現(xiàn)錨固(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁20世紀(jì)80年代起，國際工程界開始將FRP材料用于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁1980年第一座采用GFRP絞線的后張預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土公路橋也在德國建成(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁1988年第一座采用CFRP絞線的先張預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在德國建成。(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁1990年第一座采用AFRP編織筋的先張預(yù)應(yīng)力混凝土公路橋、采用AFRP帶筋的后張預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁也在日本建成(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁作為預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的預(yù)加應(yīng)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P(guān)CI 設(shè)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁該橋由兩座平行的、跨越魯杰（Rouge）河的結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B）所組成。橋梁采用三跨斜交15°構(gòu)造，跨徑布置為21.314m＋20.349m＋21.429m，全長為62m橋梁結(jié)構(gòu)A上部結(jié)構(gòu)由5根等距布置的常規(guī)AASHTO Ⅲ型混凝土工字梁、現(xiàn)澆連續(xù)混凝土橋面板組成；結(jié)構(gòu)B由4個特別
預(yù)制的預(yù)應(yīng)力混凝土雙T形簡支梁組成。(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(六)纖維增強預(yù)應(yīng)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(nèi)的非預(yù)應(yīng)力筋由CFRP彎曲形絞線、直線筋、網(wǎng)格筋及不銹鋼箍筋構(gòu)成優(yōu)化橋梁的耐久性，實施對材料質(zhì)量進行復(fù)檢，取用高質(zhì)量混凝土和采用的金屬筋僅為不銹鋼材料(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁加拿大HI（HollowcoreIncorporated）公司為這座橋梁提供了所有預(yù)制梁，施工期間美國伊利諾州斯科基施工技術(shù)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(shù)大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗中心、加拿大溫澤大學(xué)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(shù)據(jù)(六)纖維增強預(yù)應(yīng)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(guān)鍵參數(shù)進行識別是需要的梁的監(jiān)測是從其制造開始的，經(jīng)歷架設(shè)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(yīng)結(jié)論(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在制造階段的預(yù)加應(yīng)力施工中，12根雙T形梁均被測試與監(jiān)測內(nèi)力與應(yīng)力。同時，在6根梁的內(nèi)部與外部設(shè)置了長期監(jiān)測傳感器大多數(shù)測試儀器在梁制造期混凝土澆筑前已安裝(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁先張CFRP預(yù)應(yīng)力筋非張拉端測力傳感器(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁先張CFRP預(yù)應(yīng)力筋埋入式鋼弦測力傳感器(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁后張體外CFRP預(yù)應(yīng)力絞線及錨固端傳感器(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁后張體外CFRP預(yù)應(yīng)力絞線的傳感器
混凝土應(yīng)變傳感器設(shè)置(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在5年的過程中，測試與監(jiān)測內(nèi)容包括：先張CFRP預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)加力梁與結(jié)合層混凝土截面的應(yīng)變分布梁在制造和架設(shè)過程中的變形與拱度施工期CFRP預(yù)應(yīng)力絞線的預(yù)加力縱向體外和橫向無粘結(jié)CFRP預(yù)應(yīng)力絞線
的應(yīng)變 (六)纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(七)預(yù)應(yīng)力橋梁的相關(guān)研究課題高強混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論新型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、疲勞、抗震等性能鋼—高強混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與構(gòu)造鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與構(gòu)造纖維增強預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計理論
(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)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(yù)應(yīng)力混凝土橋墩設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化
按性能設(shè)計推廣
(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)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(yù)應(yīng)力混凝土橋梁老化預(yù)測技術(shù)實現(xiàn)全壽命造價最小的“最低維修橋梁”(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)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(yù)應(yīng)力筋和小型化錨具，使預(yù)應(yīng)力構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造改善計算機控制千斤頂，張拉、錨固和管理自動化(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)測10年后利用傳感、通訊技術(shù)，預(yù)應(yīng)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(xiàn)高效維修管理(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)測25年后開發(fā)出主體結(jié)構(gòu)表面涂料，防止混凝土表面老化能準(zhǔn)確掌握預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁極限狀態(tài)性能，建造出更經(jīng)濟的橋梁橋梁開始在工廠實現(xiàn)自動化生產(chǎn)(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)測50年后出現(xiàn)適合混凝土材料和預(yù)應(yīng)力筋變化的新結(jié)構(gòu)形式不再需要橋梁規(guī)范，實現(xiàn)單獨分析和設(shè)計方法出現(xiàn)不需要錨具的后張預(yù)應(yīng)力方法(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)測50年后現(xiàn)場施工使用大量機器人建立自動處理老化技術(shù)，隨時監(jiān)測鹽腐蝕、凍害、混凝土碳化及骨料的堿反應(yīng)等老化情況開發(fā)出設(shè)計耐用年限為1000年，不需要維修的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)測100年后采用超輕質(zhì)高強混凝土，以高層為支點，建起上千米的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁抗震技術(shù)大為提高，能夠以較高精度預(yù)測地震(七)預(yù)應(yīng)力橋梁技術(shù)發(fā)展預(yù)測100年后完全依靠機器人進行施工、消滅災(zāi)害事故開發(fā)“積極預(yù)應(yīng)力技術(shù)”，與荷載或地震荷載等相適應(yīng)，實現(xiàn)瞬間控制預(yù)應(yīng)力
四、橋梁體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)
體外預(yù)應(yīng)力橋梁的重新發(fā)展，得益于體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的完善。體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)的特點：
是一種主動的結(jié)構(gòu)增強技術(shù)
能提高極限承載能力，并能改善
結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)
關(guān)鍵技術(shù)——新老結(jié)構(gòu)的聯(lián)結(jié)、傳力構(gòu)造
(一)體外預(yù)應(yīng)力鋼索加固
體外預(yù)應(yīng)力索布置
正彎矩索轉(zhuǎn)向塊（未穿索）
正彎矩索轉(zhuǎn)向塊（已穿索）
負(fù)彎矩索轉(zhuǎn)向塊（橋面處）
負(fù)彎矩索轉(zhuǎn)向塊（已穿索）
張拉端
(一)體外預(yù)應(yīng)力CFRP索加固
CFRP索抗剪強度較低
預(yù)應(yīng)力方式較單一
錨固體系在研制、完善中
CFRP片抗剪輔助加固
