預(yù)應(yīng)力空心板梁梁高的優(yōu)化設(shè)計(jì)

吉禹霏，潘志強(qiáng)

（1.天津市市政（公路）工程研究院，天津 300074；2.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院，天津 300074）

0 引言

預(yù)應(yīng)力空心板梁是公路橋梁中普遍采用的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)預(yù)制安裝，節(jié)省工期，且工藝成熟，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，更適于大跨徑橋梁，同時(shí)鋼材耗量少，混凝土開裂現(xiàn)象較輕。當(dāng)橋梁跨徑大于20 m，往往采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

預(yù)應(yīng)力空心板梁應(yīng)用于跨河橋，跨線橋等等，尤其是工期緊張的工程更能展現(xiàn)出它的優(yōu)勢(shì)。但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)際工程的應(yīng)用，也暴露出一些問題，例如鉸縫處混凝土開裂，導(dǎo)致單板受力，梁底出現(xiàn)裂縫，更甚者出現(xiàn)橋面開裂，梁體縱向或者橫向通縫。分析其原因，梁體的剛度和強(qiáng)度是主要因素，其中梁體高度是重要影響因素，但在實(shí)際工程中梁高往往受限制，如跨河橋，為滿足通航凈空，減薄梁高；跨公路橋，為滿足車輛凈空，同時(shí)還有減小引橋長(zhǎng)度，降低梁高；同樣跨鐵路橋?qū)艨找蟾螅鼑?yán)格，因此減小梁高往往成了首選方案。降低梁高導(dǎo)致橋梁整體性、剛度和強(qiáng)度的降低，同時(shí)還增加工程造價(jià)。下面通過(guò)理論和實(shí)際詳細(xì)闡述優(yōu)化梁高對(duì)橋梁工程的重要性。

1 預(yù)應(yīng)力空心板梁梁高優(yōu)化設(shè)計(jì)

唐津高速公路天津段沿線經(jīng)過(guò)寧河縣、漢沽區(qū)、清河農(nóng)場(chǎng)、塘沽區(qū)，全長(zhǎng)60.663 km。沿線共有橋涵68座，對(duì)預(yù)應(yīng)力板梁結(jié)構(gòu)形式的橋梁進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)15座橋梁預(yù)應(yīng)力板梁梁底存在不同程度的縱、橫向裂縫病害，大部分梁底裂縫寬度大于0.2 mm，長(zhǎng)度基本貫穿整個(gè)梁體，因此需要換梁。現(xiàn)以漢南鐵路橋20 m預(yù)應(yīng)力空心板梁為例（見圖1），該橋舊梁采用0.9 m梁高的預(yù)應(yīng)力空心板，現(xiàn)將其與目前普遍采用的1.0 m梁高20 m預(yù)應(yīng)力空心板進(jìn)行對(duì)比分析，具體分析不同梁高對(duì)工程受力、造價(jià)的影響。

圖1 全橋?qū)嵕?/p>

漢南鐵路橋橋梁分為上下行兩幅橋，每半幅橋全寬12.5 m，其橫向布置為：0.5 m（防撞墻）+3.5 m（緊急停車帶）+2×3.75 m（行車帶）+1.0 m（工作帶）。該橋建成于1998年，第23孔為20 m預(yù)應(yīng)力板梁，經(jīng)檢測(cè)該孔橋梁普遍存在梁底縱向裂縫，該橋梁需進(jìn)行加固維修，現(xiàn)以第23孔20 m預(yù)應(yīng)力空心板梁為例進(jìn)一步分析說(shuō)明。

該橋梁底的縱向裂縫幾乎貫通且每片梁均存在此問題（見圖2）。

圖2 板梁梁底縱裂實(shí)景

現(xiàn)通過(guò)對(duì)原設(shè)計(jì)的0.9 m梁高預(yù)應(yīng)力空心板梁與現(xiàn)在普遍采用的1.0 m梁高預(yù)應(yīng)力空心板梁進(jìn)行對(duì)比分析（見圖3、圖4）。兩種空心板梁截面寬度相同，橫橋向布置相同，二期恒載及活載布置相同，并采用相同布置的鋼絞線及普通鋼筋，現(xiàn)分析兩種梁高不同的空心板其受力情況。二期恒載均為10 kN/m2，鋼絞線均采用5φs15.2 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線頂?shù)装甯鲀筛?/p>

圖3 0.9 m梁高空心板梁中板斷面圖（單位：cm）

圖4 1.0 m梁高空心板梁中板斷面圖（單位：cm）

現(xiàn)通過(guò)MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算模型采用單片梁模擬，兩種板梁的橋?qū)捪嗤?，車道荷載布置相同，但折算到單片梁的橫向分布系數(shù)不同，0.9 m梁高空心板梁橫向分布系數(shù)0.267，1.0 m梁高空心板梁橫向分布系數(shù)0.296，由于截面慣性矩大，橫向分布系數(shù)計(jì)算與截面慣性矩有關(guān)，因此在相同荷載的情況下，1.0 m梁高空心板梁受力相對(duì)大一些。由于1.0 m梁高空心板梁截面面積及慣性矩均大于0.9 m梁高空心板梁，因此在較大荷載作用下，其梁體自身的剛度、強(qiáng)度等產(chǎn)生的抗力優(yōu)勢(shì)，完全抵消了荷載大的作用，計(jì)算結(jié)果見圖5、圖6所示。

圖5 0.9 m梁高20 m預(yù)應(yīng)力空心板梁內(nèi)力圖（單位：kN·m）

圖6 1.0 m梁高20 m預(yù)應(yīng)力空心板梁內(nèi)力圖（單位：kN·m）

表1為0.9 m梁高與1.0 m梁高20 m預(yù)應(yīng)力空心板梁抗力對(duì)比分析表。

由以上對(duì)比分析可以看出，在相同的荷載作用下，1.0 m梁高空心板梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于0.9 m梁高空心板梁，因此1.0 m梁高的空心板梁耐久性能更好；1.0 m梁高空心板梁結(jié)構(gòu)抗力大于0.9 m梁高空心板梁，因此1.0 m梁高的空心板梁能承受更大的荷載。

表1 參數(shù)及應(yīng)力抗力對(duì)比分析表

現(xiàn)對(duì)比分析一下結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，1.0 m梁高空心板梁混凝土用量12.2 m3，0.9 m梁高空心板梁混凝土用量11.5 m3，對(duì)比分析混凝土用量1.0 m梁高空心板梁比0.9 m梁高空心板梁多0.7 m3，即多了6%的混凝土用量，但從應(yīng)力撓度及抗力分析可以看出，應(yīng)力最大優(yōu)化14%，撓度優(yōu)化26%，抗力優(yōu)化14%，因此梁高增加10 cm，混凝土用量增加6%，而應(yīng)力及撓度的降低及抗力的增加，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超于混凝土用量的增加。

若保持兩種梁高的抗力相同，則1.0 m梁高空心板梁的鋼絞線用量比0.9 m梁高空心板梁節(jié)約11%，因此在滿足同等設(shè)計(jì)等級(jí)荷載的情況下，1.0m梁高空心板梁比0.9 m梁高空心板梁造價(jià)更低，更經(jīng)濟(jì)。

2 結(jié)語(yǔ)

（1）空心板梁采用合理梁高既可以加大橋梁結(jié)構(gòu)抗力性能，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，同時(shí)還可以節(jié)約鋼材，降低造價(jià)。

（2）適當(dāng)增加空心板梁梁高，可增加梁體剛鉸縫的橫向連接，增加橋梁的整體性能。

（3）空心板梁梁高增加，對(duì)結(jié)構(gòu)自重的增加影響很小，而對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響非常大，結(jié)構(gòu)自重增加6%，而結(jié)構(gòu)抗力增加14%，因此空心板梁在設(shè)計(jì)時(shí)不能一味的追求最小梁高，應(yīng)對(duì)比分析，取最優(yōu)化的梁高。

[1]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[4]JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].