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摘要：建筑业对全球国内生产总值（GDP）的贡献约为100万亿人民币。2015年和2016年，中国国内建筑业生产总值的贡献约为16.2%，超过65000亿人民币。因此，对建筑业尤其是路桥施工技术和材料的升级势在必行，文章就在道路桥梁施工中使用预应力来增加结构以及材料的刚性和稳固性的研究进行简要阐述。
关键词：预应力；张拉结构；自适应复合材料
许多道路桥梁保养机构面临着桥梁基础设施不断恶化的问题，这些基础设施中有很大一部分是由相对较短或中等跨度的桥梁组成的。这些桥梁中的大多数尽管仍在使用中，但由于使用荷载的增加和/或因劣化导致的承载力损失，需要进行一定程度的维修。因此如何在道路桥梁施工过程中合理使用高强度的材料是一个研究热点，近年来，人们对碳纤维增强自适应复合材料进行道路桥梁建设的研究越来越多，这些复合材料可以被动或主动（预应力）来达到增强结构刚性以及减轻自身重量的目的[1]。
1张拉结构中预应力的应用与问题
传统上，结构设计和控制设计是两个独立的工程任务。先设计一个结构，然后再解决它的控制问题，并不是获得良好性能的有效途径。这是因为结构设计通常完全忽略了其未来控制性能所需的控制能量，导致结构的可实现性能受到严重限制。对于某些应用，这不是一个关键问题，但对于某些应用，同时进行结构和控制设计是实现非常严格的性能要求的唯一方法。虽然结构及其控制的联合设计方法具有明显的优势[2]。
张拉整体结构是一种预应力、稳定、类似桁架的体系，包含弦单元。由于构件之间的容许连接为球头，且外部荷载只能作用于接头处，因此不能对其构件施加扭矩。在张拉整体结构的研究热点则是由于使用弦作为结构元素而产生的一些有利特性。这些可控元件的存在使得张拉整体结构适合于需要可重构性和较大形状变化的应用。结构效率是另一个原因。与更传统的复合材料类似，在张拉整体结构中使用专门用于拉伸荷载的材料可以产生轻量化设计。这是因为这些材料通常比可用于压缩构件的材料具有更好的机械性能。
2自适应复合材料中预应力的应用与问题
在自适应结构中存在固有的和困难的设计权衡，例如在需要低刚度以实现具有可接受驱动要求的大变形和材料应变限值之间，同时仍然具有足够的刚度，能够以受控方式承受外部荷载。对于自适应结构中相互冲突的刚度要求，一个有希望的解决方案是预应力的应用。与所有屈曲现象一样，多稳态结构至少有一个维度比其他维度（即二维薄板和壳体）小得多，或者两个维度小得多（即一维细长柱）。所有这些结构都是通过其几何结构、预应力状态和材料特性的结合而产生的。当薄膜效应和弯曲效应达到平衡时，就会形成稳定状态。众所周知，对于薄结构，弯曲比拉伸（或压缩）更容易变形。通过内部预应力后，预应力在相邻的稳定状态下重新分布和平衡。稳定状态通常是通过最小化系统相对于潜在振型及其量级的能量来寻求的[3]。
预应力结构稳定模型最普遍的例子可能是单片金属发夹，当其两端被钉在一起时，它在制造过程中变为双稳态，从而将结构锁定到弹性应变能的增强状态。这会导致发夹弯曲，从而产生两个稳定的几何体，包括相等和相反的平面外曲率。类似的概念已经获得专利。在这种方法中，最初平坦的、无应力的各向同性板被钉在应变能的增强状态，以形成双稳态结构。当两个各向同性板粘合在一起，一个在另一个上，同时在正交方向上对两个板施加单轴预应力时，也可以在材料层面实现双稳态。一旦粘结后释放预应力，将导致结构内部的应力重分布和随后的平面外变形，形成马鞍形。在一定的几何条件、材料性质和预应力大小下，结构会因非线性几何效应而分叉，形成两个稳定的近圆柱形几何结构。与发夹示例不同，此层压板具有等大小和相反方向的稳定曲率，这些曲率在彼此正交的平面上[4]。
对纤维施加预应力是控制材料平面内应变的另一种方法。已经有几项研究工作调查了纤维预应力在复合材料中的可行性，主要是作为一种改善材料力学性能的方法，类似于混凝土中的预应力钢。预应力技术，包括将干纤维拉伸为纤维缠绕的一部分和树脂传递模塑工艺。一旦通过机械方式向干纤维施加预应力，则在保持预应力的同时，添加液体基质并在高温下固化。固化和冷却后，预应力释放，材料内部的残余应力重新分布。这旨在提高固化复合材料的机械性能。最近，纤维预应力被认为是诱导对称层合板屈曲和多稳性的一种手段。单轴预应力可用于制造具有相等和相反曲率的层压板，类似于发夹。在本例中，层压板外缘上的纤维在固化前和固化期间向一个方向拉伸。一旦固化，预应力释放。此时，为了使层压板内的应力平衡，层压板外侧的拉应力减小，而层压板的中心部分（最初是无应力的）产生了压应力。这种由拉伸和压缩区域组成的横向应力分布会导致层压板屈曲。
一个简单的双稳态结构可以通过取一根梁，施加相等和相反的端部力矩来引起平面外位移，然后将梁两端夹持在这种变形的结构中。使用类似的原理可以实现各种各样的屈曲行为。例如，在弯曲状态下，梁的三向稳定度可以是更高的。这种方法用于设计多稳态进气口。该进气口由一个可变形壳体组成，可近似为一根梁，弯曲刚度沿其长度呈正弦变化，之后可以使用复合材料层进行堆积。把壳体安装在一个更硬的管组件中，并夹紧以形成一个sigmoid几何形状。进气口在打开或关闭的稳定状态下都具有稳定的几何结构，其特点是具有高刚度以承受气动载荷以及较低刚度的中间稳定状态。进气口也被设计成在稳定状态之间的过渡期间具有较低的刚度，以减少所需的驱动功[5]。
当延性材料超过屈服极限时，会产生永久残余应力。这种残余应力可以作为设计多稳态结构的依据。这在金属板和壳体中最容易通过弯曲变形实现。铍铜合金特别适合这项任务，因为它具有非常高的屈服强度与杨氏模量之比。一个塑性变形的多稳态结构可以由一个简单的带式弹簧进行模拟。如果卷尺弹簧紧紧卷绕在自身上（相反方向的预应力），使其通过屈服点，则结构中会产生双稳态。相反，如果一个带式弹簧本身被紧紧地卷绕（同样意义上的预应力），那么在各向同性材料中可以实现中性稳定性。在这种情况下，带式弹簧可以绕其纵轴扭转，而不会发生任何内部应变能的变化。波纹各向同性壳也通过绕其屈服点绕垂直于波纹方向的轴产生预应力。这就产生了一个具有一个卷曲稳定几何体和两个大小相等且方向相反的扭曲几何体的三稳壳体。
3 结语
虽然当代道路桥梁建设中材料和设计的理念有了很大的进步，但可预见的是，目前的道路桥梁建设技术无法满足未来的交通需求，因此新技术和新解决方案的应用对于迎接未来的挑战至关重要。本文介绍了道桥建设中常见的张拉结构中预应力的应用和问题，以及对一种新型自适应材料中预应力的应用和问题，希望对未来的道路桥梁建设起到帮助[6]。
参考文献：
[1]闫晓华.试述道路桥梁施工中预应力的应用及存在的问题[J].中小企业管理与科技,2018,000(008):143-144.
[2]张俊斌.试述道路桥梁施工中预应力的应用及存在的问题[J].建材与装饰,2018,000(004):281-282.
[3]张永强,谢庆华.道路桥梁施工中预应力的应用及存在的问题探究[J].成功:中下,2018(2):00074-00074.
[4]李娜.试述道路桥梁施工中预应力的应用及存在的问题[J].丝路视野,2018,000(031):177-177.
[5]吴宏伟.道路桥梁施工中预应力的应用及存在的问题[J].交通世界,2018,000(006):94-95.
[6]秦芹.试述道路桥梁施工中预应力的应用及存在的问题[J].建材发展导向,2018,016(002):167-167.