Prestressed Concrete Bridge

The application of the concept of prestressing to structural concrete members has opened up a wide spectrum of bridge types and has enlarged the span range possible with concrete. Prestressing may be defined as the application of a predermined force to a structural member in such a manner that the combined internal stresses in the member resulting from this force and any possible condition of external loading will be counteracted to a desired degree. The prestress is usually imparted to concrete by straining internal reinforcement relative to the concrete ,thereby causing compressive stresses in concrete due to tension in the tensioned steel. The aim of the application of prestress is to avoid cracking of concrete due to flexural or principal tensile stresses under service loads.

Pre-tensioned prestressed concrete bridges

The use of precast pre-tensioned members in bridge construction may follow one of the following methods:

(1)Members which are cast in the final shape and just assembled together at site. The solid and hollow precast slab segments and the beam members relate to this method. This method is suitable for short spans.

(2)Beams of inverted T-shape placed side by side and the gaps filled with in-situ concrete to form an integral slab. Transverse bond rods are provided just above the bottom flange passing through preformed holes in the precast beams. This method can be used up to a span of about 20m. In view of the good transverse distribution of load possible in this type of construction, transverse prestressing can be eliminated. Other advantages include the elimination of propping and soffit shuttering,use of small cranes or hoisting devices for placing the beams in position, and the economy achieved by the use of relatively small prestressed members in conjunction with large quantities of concrete cast in place. Sections have been standardized in U.K. and U.S.A. Facilitaing factory production.

(3)Composite deck consisting of precast girders placed at definite spacing and connected with cast-in-place diaphragms and deck slab. In U.S.A., these bridge girder sections are standardized and are known as AASHO-PCI standard bridge sections. This procedure constitutes one of the most economical types of prestrssed concrete bridges. Special attention should be given to the provision of adequate shear connectors.

Post-tensioned prestressed concrete bridges

Almost all the prestressed concrete bridges constructed in this country so far are of the post-tensioned type. Typical arrangements of bridge decks with post-tensioned girders suitable for simply supported constructions. Basically the arrangements may be one of the following types:

(1)Fully cast-in-situ construction. This type is suitable when site conditions permit putting up the centering for the deck from the river bed and the river is dry for a major part of the year. It cannot be used if the river is perennial or if there is a considerable depth of water.

(2)Bridge deck with precast prestressed girders, assembled together and transversely prestressed. This arrangement is convenient for spans in the range of 15 to 20 m. The crossbeams are also precast with the main girders.

(3)Deck with composite constructions, consisting of precast prestressed concrete girders and cast-in place deck slab. This type is particularly suited for long spans, i.e., spans above 30 m, in that the weight of components for launching will be reduced.

Prestressed concrete has proved to be technically advantageous, economically competitive, and esthetically superior for bridges, from very short span structures using precast standard components to cable-stayed girders and continuous box girders with clear spans of nearly 1000ft. Nearly all concrete bridges, even those of relatively short span, are noe prestressed. Precasting, cast-in-place construction, or a combination of the two methods may be used. Both pretensioning and post-tensioning are employed, often on the same project.

Continuous construction

Continuity can be used effectively in long span bridges. In view of their greater rigidity, shallower members can be used on long spans without incurring excessive deflections, and also the resulting vibrations will be much less.

Typical forms of superstructure adopted in continuous spans for bridges and elevated expressways in Germany are shown in Fig. 16. 1. Table 16. 1 gives the applicable span range and depth of deck required for these types. The numerical values given in the Table are to be taken only as indicative of the order of magnitudes applicable.

Fig. 16. 1 Typical forme of post—tensioned prestressed concrete bridge decks

Typical forms of superstructure Table16.1

Type	Span range
Solid slab Hollow slab T-beam, multi-girder T-beam , three-girder T-beam , two-girder Box , multi-cell Box , two-cell Box , two sepapated cells Box , single cell trapezoidal Fish-back pattern Mushroom slab	20~35 25~35 30~45 30~45 30~40 28~40 30~40 30~70 30~50 25 30~50	10~30 20~30 15~25 15~25 12~15 20~25 20~25 20~25 20~30 25 15~20

The economy of continuous construction is enhanced by the adoption of the free cantilever method of construction. The method is as shown in Fig. 16. 2 a) . The structure is built from a pier or support across the open span without temporary supp

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预应力混凝土桥梁

对结构混凝土构件施加预应力的概念应用，为桥梁类型开拓了一个广泛的范围，并加大了混凝土承载能力跨度范围。预应力可以定义为预先对结构构件施加的使构件产生一定内力并能在预期程度上抵消任意条件下可能作用的外载的力。预应力通常通过对混凝土内部锚固施加拉力，从而利用受拉钢筋给混凝土加压的方式来施加在混凝土上。预应力的应用是为了防止由弯曲或拉应力作用而导致的混凝土开裂。

先张法预应力混凝土桥梁

在桥梁施工中预应力构件的使用可以遵循以下方法之一：

1. 已经浇筑成型可直接现场组装的构件。与之相关的例如实心或空心预制板件和梁构件。这种预制方法的运用适用于短跨度桥梁。
2. 倒T形的梁并排放置并用现浇混凝土填充其间间隙，以形成一个整体板坯。横向连杆正好设置在穿过预制梁的预制孔的翼缘底部上方。这种方法可用于长达20m跨度的桥梁。基于这种类型的结构的荷载的良好横向分布能力，横向预应力可以被消除。其他的优势包括减少支撑和拱腹模板的使用，利用小型起重机或起重设备来移动梁的位置，以及通过相对较小的预应力构件与大量现浇混凝土结合使用实现材料节省。部分已经在英国和美国标准化的预制梁生产对工厂生产起到了促进作用。
3. 复合桥面由一定间距放置的预制梁和连接横隔板/楼板现浇组成。在美国，这些桥梁主梁截面是标准化的，并被称为AASHTO-PCI标准桥梁截面。这是最经济的预应力混凝土桥梁的一种。需要注意的是足够的抗剪连接。

后张法预应力混凝土桥梁

几乎在这个国家至今建成的所有预应力混凝土桥梁都是后张拉预应力类型。后张法适用于典型的简支结构梁桥面板的布置。基本上，这些布置可以是下列类型之一：

1. 全现浇施工。当现场条件允许河床上搭放桥面板，并且河流一年中基本上是干涸的情况适用。如果河水是常年流动的或者有一定深度的水，则不适用。
2. 带有预制预应力梁的桥面板，两者组装在一起并共同承受横向预应力。这种结构对于15—20m跨度的桥梁来说是比较简便的。横梁和主梁也可一同预制。
3. 预制预应力混凝土梁和现浇板的组合结构。这种类型特别适用于长跨度，即跨度30m以上，伸长的组件的重量将减少。

预应力混凝土具有技术和市场竞争力优势，并能使桥梁美观出众，从使用预制构件的短跨结构到斜拉桥梁甚至是近千英尺的连续箱梁都适用。预制、现浇施工，或可用两者结合的方法。先张法和后张法经常在同一个项目中一起使用。

连续施工

在大跨度桥梁中，可以有效地使用连续施工的连续性。监狱其较大的刚度，较薄的构件可以用在较长的跨度上，而不会产生过大的挠度，同时由此产生的振动也将减少。

德国的连续跨度桥梁上部结构和高架高速公路采用典型的形式如图16.1所示。表16.1给出了这些类型所需的适用的跨度范围和桥面板高度。表中给出的数值都只按所表示的震级顺序取用。

采用自由悬臂施工方法，提高了连续施工的经济性。（方法如图16.2 a所示）该结构是从在约3.5m长的部分不需要临时支撑的开放式的码头或支座上建立的。每一节都是浇铸在，连接到所构造的部分的前端并压在前面的一个由预应力筋的截面前端的悬臂梁式龙门架上。

图16.1 后张法预应力混凝土桥面板的典型形式

表16.1 上部结构的典型形式

类型	跨度（m）
实心板 空心板 T型梁,多梁 T型梁 , 三梁 T型梁 , 双梁 箱型 ,多单元 箱型 , 双单元 箱型 , 两个分离单元 箱型, 梯形单元 回鱼模型 无梁楼板	20~35 25~35 30~45 30~45 30~40 28~40 30~40 30~70 30~50 25 30~50	10~30 20~30 15~25 15~25 12~15 20~25 20~25 20~25 20~30 25 15~20

其他预应力筋进行应力在相应的静压施工要求的长度。在每一段，各块末端可通过灌浆粘结，因此每个阶段的结构能达到抗裂安全强度。用这种方法建设的跨度最长的结构是跨长208m的德国本多夫大桥。

当跨度较大时，预制施工是更经济的。该段预制在一个单独的预制场，运输到现场，通过一个特殊的启动桁架和预应力形成的桥梁上部结构。（这类结构的例子如图16.2 b所示。）该预制段可在腐蚀环境中使用。对已完成的梁的设计应进行对从桁架处理段段期间和桁架本身跨越的伸展过程中的负载的安全检查。

a)

图16.2 大跨度悬臂法施工预应力混凝土桥

a)现浇段 b)预制段

斜拉索桥的普及

斜拉索桥已成为美国景观的一部分。它们的优雅再一次证明从功能的形式中产生的美。交替的低价竞标证明了它们的经济性。在国外，几乎所有已建成的都是投标竞价优胜者。

斜拉桥是美的，因为每一个元素都被剥离到它的基本功能中。一般的外行人看到的是一块细长板被一个或多个优美细长的索拉塔索给拉住。而工程师看到的是一个塔和上部结构受压，紧绷的拉索高效承载的结构。

自第一个务实的建设者像家庭主妇撑起晾衣绳那样建造拉索木桥开始到现在已经有一百多年，但只是在过去三十年有斜拉索桥被设计成这样。虽然全世界已经建有150座斜拉索桥，但只有三座已完工。其他的有一小部分正在建造，大部分因为资金尚待落实或正在绘制图纸。这些索桥都各不相同。

在经济上，斜拉桥适用于700到2000英尺跨度范围。“高达700英尺的梁桥是合理的，超过2200英尺的是吊桥或不存在这样的梁桥，”来自华盛顿奥林匹亚的阿尔维德·格兰特说，“在这两者之间的桁架桥太昂贵。”

纽约市DRC（设计规则检查）顾问曼颂汤表示，，斜拉桥因为使用材料比其他类型的桥梁更少而十分经济。“由于细长梁的弯曲力矩相比于其他类型的梁要小。这样更节省材料。简单地说，在一个斜拉桥中，所有构件受轴向力，这样能有效传递荷载。”汤还表示，他们是有意义的。“因为有些类型的悬臂施工需要临时拉索，那么为何最终要用拉索作为构件单元呢？”

美国已建成的斜拉桥中最著名的是华盛顿哥伦比亚河上的由格兰特设计并于1978年建成的帕斯科肯纳威克大桥。它获得了ASCE（美国土木工程师协会） 1979年的OCEA特别奖和1975年最高设计优秀奖。这座桥有一个由预制预应力混凝土节段拼装的长达2503英尺的连梁结构。斜拉索的跨度为1794英尺。

新奥尔良的卢灵—特斯特汉大桥，获得了1984年ASCE杰出土木工程成就奖。它是全钢结构，采用双梯形箱梁和正交异性板跨越相距1222英尺的架塔。它的设计师们来自由纽约Fankland amp; Lienhard和宾夕法尼亚州哈里斯堡Modjeski amp;Masters组成的合资企业。

钢筋和混凝土构成了单塔东亨廷顿大桥，此桥去年年底竣工，它也是阿尔维德·格兰特设计的。其预制梁由深5英尺、宽3.5到4英尺的边梁，和一个由深33英寸（1 英寸.=25.4mm）的轧制钢梁支撑的8英寸巷道梁，该轧制以钢梁混凝土边梁为框架并且被主跨为900英尺和608英尺的悬梁分隔，间隔为9英尺。

它采用34.45MPa高强度的钢筋混凝土混合物。在西弗吉尼亚州卫生署接受这种混凝土替代物之前，这座桥最初设计为由钢材和墩台建成。

格兰特主张这种混合动力系统的设计是斜拉桥的未来。他表示，现在联邦公路管理局要求的桥梁被设计成无论是钢材还是混凝土替代物桥，都促使了一种错误的竞争，“竞争应该在于设计师的智慧之间，而不仅仅在材料之间。”

不止一个设计师

当格兰特在设计帕斯克桥时，他打电话给弗里茨莱茵哈特来帮助他设计桥梁的结构施工，因为弗里茨莱茵哈特在德国的 Leonhardzamp;Andra公司，在斜拉索桥和节段混凝土桥梁方面已经有相当的经验。从那时起，召集己方独立工程师作为建筑顾问的一方就成为了承包商。在一些项目中 ，业主将参与工程的三分之一（或更有可能参与初步设计工作），以监督和仔细检查项目施工。

由于施工荷载与工作荷载巨大差异，斜拉桥的本质要求工程的可复制性。北俄亥俄州坎顿市墨尔本兄弟公司的布瑞恩丹纳赫，他是东亨廷顿和卢灵桥的承包商，同时还投标过其他几个项目。他说：“看来，所有的设计师做同样的工作荷载下的构件设计，并把它留给承包商来做施工荷载下的设计。”

对于卢灵项目，墨尔本公司在堪萨斯市设有HNTB（基础设施解决方案公司）；对于东亨廷顿项目，公司设有纽约的DCR（设计规则检查）顾问。“DCR并不改变设计，”丹纳赫说，“但是他们复查原料以确保施工荷载不会过载。他们必须做一些加固措施。这又回到了起点，并再次启动的情况。然后，当然，格兰特会再检查一遍所有的事物。”

丹纳赫说，在建设斜拉桥的主要区别是这一建筑工程所需要的时间，这可能需要一年的时间。“在卢灵项目上，我们不得不等到钢材制备完成。加上混凝土，我们才能马上开始施工。但是我们总是在施工上进度缓慢直到我们得到所有需要的信息数据。”

随着设计规则检查，墨尔本利用其总裁曼颂汤的经验，汤表示：“对于这些桥梁，设计师是不够的。承包商需要一个顾问来告诉他如何建造。结构体系处于阶段性的变化并对于仅由拉索来支撑长悬臂阶段结束之前的风特别的敏感。”

另一个DCR建设工程项目是温哥华附近的安纳西斯桥，主跨长1526英尺，边跨长600英尺，号称“世界最长”。上部钢结构支撑带现浇混凝土叠层的组合预制混凝土面板。塔索端部连接在塔的用作顶进和调整的连梁上。

曼颂汤反思斜拉桥的突然普及现象时说：“计算机使计算成为可能，但真正的原因是材料的可利用。在过去，我们只有50ksi（344.75MPa）低强度的钢材。悬索过于柔软，易变形。但我们现在有强度达到270ksi（1861.65MPa）的结构钢拉索和高强度混凝土。”

其他使斜拉桥可行的便是锚具和后张拉法的技术发展。在德国和瑞士开发的Hi-Am（高振幅）锚固大大降低疲劳问题的概率。在安装、计提阶段，通常通过垫补法来进行现场或多年后的拉索调整。

拉索疲劳是相对较轻和柔性的结构承受过高活载的关键。在1985年，后张法研究所发表了关于斜缆的设计和测试的建议，即采用容许应力的变化来解决此问题。

6mm的缆索（在美国）一般是进口的，而在密西西比州的正在修建的昆西桥用的是美国人造缆索。“据我们所知，这些是第一批7丝制造钢缆，正好在缆索开始在阳光大道安装之前安装。”来自哈里斯堡宾州Modjeski amp; Masters 的约翰·库里克这样说道。环氧涂层钢绞线由佛罗里达州的Wire amp; Cable提供，然后由DSI公司进行组装。进行大量疲劳试验以确定新的环氧涂层钢绞线锚定系统的疲劳表现。复合设计桥梁主跨长900英尺，边跨长440英尺。

施工建设

“效率。我们在承载最有效的部位使用钢材，在最合适的部位使用混凝土，”本杰明·塞耶说道。他这样描述修建横跨俄亥俄河的威尔顿斯托本维尔桥时的斜拉梁设计和组合面板。

迈克尔·贝克公司项目经理塞耶表示，组合桥面板中的钢膜梁、纵梁、地板横梁以及灌注混凝土支撑部分恒载。提供中间支撑的拉索中止在高365英尺的倒置Y形的混凝土塔座上，并且塔座中间分叉处有92英尺宽的道路穿过。

索塔建立在坐落于河岸的桥墩上，拉索将悬长俄亥俄州一侧的820英尺主跨度，以及在西弗吉尼亚州一侧的688英尺跨度。桥面施工，预计今年夏天开始，在桥墩两侧将交替悬臂60英尺段。7英尺的钢梁和主梁先悬出去。然后系上拉索并部分张拉，倾倒桥面板并进行拉索最终张拉。

混凝土节段

吉恩·穆勒阐述了欧洲和美国在桥梁建设上的关系。他和尤金·弗雷森特在巴黎开始了他的职业生涯，而尤金在1993年发明了第一个预应力技术以及后来利用机械铸造接头发明的预制节段原理。在1970年，穆勒来到美国佛罗里达重点桥梁局工作，与尤金菲格一同在塔拉哈西创立了菲格—穆勒建筑公司。

该公司目前有三个在建的混凝土斜拉桥和八个混凝土斜拉桥设计。最著名的是在坦帕湾的阳光大道，其拉索在95英尺宽段的中心线上单面安置，吊塔在1200英尺中跨的两端。其他十个平衡悬臂的4000英尺节段主跨单元跨度来弥补21878英尺的海湾跨度。

对于在弗吉尼亚州已开工建设的詹姆斯河大桥，菲格与穆勒设计了两个独立的道路，拉索扇置于平行的箱梁之间。置于支撑固定在面板里的横梁，将荷载从两个箱梁传递到悬挂中心平面上。穆勒表示，此方案需要比同等的全宽度单甲板更少的材料，以及更少的特殊施工设备投资。

在南卡罗来纳州的查尔斯顿的马克克拉克高速公路道口的跨度800英尺的库珀河采用的就是类似的设计。穆勒认为建造双段梁的成本比传统400英尺跨度的梁更有竞争力。

另一个采用双结构的是休斯敦航道上的贝敦大桥。其上有一座跨度1250英尺，宽1

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