新型剛接空心板橋梁應(yīng)用與技術(shù)指標(biāo)分析

黃巍峰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

新型剛接空心板橋梁應(yīng)用與技術(shù)指標(biāo)分析

黃巍峰

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

結(jié)合傳統(tǒng)鉸接空心板存在的不足及病害，介紹了新型預(yù)制裝配式剛接空心板，并針對(duì)S7公路工程20 m跨徑的剛接空心板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。此外對(duì)三種空心板進(jìn)行了技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

剛接空心板；鉸縫；病害；耐久性；裂縫；強(qiáng)度；技術(shù)指標(biāo)；造價(jià)

0 引言

空心板結(jié)構(gòu)是目前被廣泛采用的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其結(jié)構(gòu)高度低，工廠化程度高，運(yùn)輸、吊裝方便，對(duì)地面交通影響較小，工程造價(jià)低。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展和完善，空心板梁標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、機(jī)械化的優(yōu)勢(shì)日漸凸顯，在上海內(nèi)環(huán)線、外環(huán)線、S32、G1501等高速公路橋梁及大量中小跨徑地面橋梁上均得到運(yùn)用。

但隨著交通量增大、重車(chē)和超載車(chē)輛增多，空心板橋梁在使用一定年限后也暴露出一系列的問(wèn)題，特別是鉸縫破壞，導(dǎo)致空心板單梁受力問(wèn)題，一直無(wú)法得到徹底解決，從而影響橋梁的運(yùn)營(yíng)安全和結(jié)構(gòu)壽命[1]。上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì)在《上海市城市道路和公路設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)》中明文規(guī)定，限制預(yù)制裝配式鉸接空心板結(jié)構(gòu)在高等級(jí)公路和城市道路上的使用[2]。因此，開(kāi)發(fā)適用于中小跨徑橋梁的新型預(yù)制裝配式空心板結(jié)構(gòu)，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鉸接空心板病害分析

通過(guò)資料收集和調(diào)查分析，鉸接空心板的主要病害有：鉸縫開(kāi)裂，空心板底出現(xiàn)縱橫向裂縫，橋面鋪裝開(kāi)裂、支座脫空等（見(jiàn)圖1）。造成上述問(wèn)題的根本原因，是由于鉸接空心板的受力計(jì)算模式與實(shí)際存在偏差。由于鉸縫混凝土體積較小，以及施工質(zhì)量、重車(chē)和超載等外部因素，造成鉸縫本身極易破壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)力的傳遞，從而導(dǎo)致計(jì)算假定模式失效，造成單梁受力，進(jìn)而引起開(kāi)裂破壞。

圖1 鉸接空心板病害

針對(duì)鉸縫連接可靠性較差的缺點(diǎn)，改進(jìn)橫向連接方式，將鉸接變?yōu)閯傂赃B接，將對(duì)改善鉸接空心板剛度較小，整體性、行車(chē)條件和耐久性較差及根治相關(guān)病害起到至關(guān)重要的作用。

2 新型剛接空心板簡(jiǎn)介

（1）鉸接空心板的鉸縫是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。新型剛接空心板結(jié)構(gòu)將板梁預(yù)制成兩側(cè)帶挑臂的形式，板與板之間的連接改進(jìn)為后澆濕接頭的剛性連接[3]。

（2）傳統(tǒng)空心板的頂、底板及腹板尺寸較小，結(jié)構(gòu)耐久性、可靠性較差。新型剛接空心板增加了截面構(gòu)造尺寸，提高了結(jié)構(gòu)的可靠程度。

幾種空心板橫斷面對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 空心板構(gòu)造對(duì)比（單位：mm）

（3）目前空心板預(yù)制內(nèi)模多采用充氣膠囊，而氣囊在施工過(guò)程中極易上浮，造成頂板尺寸減小。剛接空心板采用一次性內(nèi)膜，可有效防止氣囊上浮造成的截面尺寸變化。

（4）新型剛接空心板每片梁使用4個(gè)支座，同時(shí)在梁端設(shè)置端橫梁，增加橫向剛度和整體性。如此可改善鉸接空心板由于施工誤差造成支座脫空后的不利受力情況。

（5）該新型結(jié)構(gòu)采用后張法體系，按A類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖3為其跨中鋼束布置斷面，圖4為普通鋼筋斷面?；炷敛捎肅50，鋼鉸線采用低松弛高強(qiáng)度鋼絞線，公稱(chēng)直徑φs15.2mm，其抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，設(shè)計(jì)張拉力0.75 fpk；普通鋼筋采用HRB400及HPB300。

圖3 剛接空心板鋼束布置斷面（單位：mm）

圖4 剛接空心板普通鋼筋斷面（單位：mm）

3 工程實(shí)例

本文采用的工程實(shí)例為S7公路工程[4]。主線高架在寶安公路南側(cè)設(shè)有一對(duì)平行匝道，橋?qū)挒? m。匝道在跨越地面河道楊涇時(shí)，由于受起橋點(diǎn)位置及橋梁縱坡的制約，橋面標(biāo)高僅6.3 m。如采用與主線相同的小箱梁結(jié)構(gòu)，則跨越河道的橋梁梁底標(biāo)高將無(wú)法滿足水務(wù)部門(mén)的最低要求，因此該匝道部分橋跨采用了跨徑為19.96 m的剛接空心板結(jié)構(gòu)，有效控制了結(jié)構(gòu)高度。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路－I級(jí)，安全等級(jí)為一級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見(jiàn)圖5。

圖5 橫斷面布置（單位：mm）

計(jì)算執(zhí)行《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）[5]及《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》（JTG D62-2004）[6]。荷載等級(jí)為公路－I級(jí)。二期恒載為10 cm鋼筋混凝土鋪裝、10 cm瀝青混凝土鋪裝及防撞護(hù)欄，鋪裝不參與結(jié)構(gòu)受力。體系升降溫按30℃考慮，溫度梯度及混凝土收縮徐變按《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》[6]相關(guān)條文取值。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 橫向分布計(jì)算

空心板橫向采用剛性連接，以剛接板梁法計(jì)算得出橫向分布系數(shù)（見(jiàn)表1）。

表1 橫向分布系數(shù)

4.2 正截面抗裂驗(yàn)算

短期效應(yīng)組合下板梁截面上下緣最小正應(yīng)力如圖6所示。

圖6 短期效應(yīng)組合上下緣最小正應(yīng)力（單位：MPa）

長(zhǎng)期效應(yīng)組合下板梁截面上下緣最小正應(yīng)力如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)期效應(yīng)組合上下緣最小正應(yīng)力（單位：MPa）

結(jié)構(gòu)在短期和長(zhǎng)期效應(yīng)組合下均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，正截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

4.3 斜截面抗裂驗(yàn)算

短期效應(yīng)組合下板梁截面最小主應(yīng)力見(jiàn)圖8。

圖8 短期效應(yīng)組合截面主拉應(yīng)力（單位：MPa）

最大主拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的0.7×ftk= 0.7×2.65=1.86 MPa。

4.4 正常使用極限狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算

標(biāo)準(zhǔn)組合下板梁截面上下緣最大正應(yīng)力見(jiàn)圖9。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)組合上下緣最大正應(yīng)力（單位：MPa）

受壓區(qū)的混凝土最大壓應(yīng)力小于規(guī)范要求的0.5×fck=0.5×32.4=16.2 MPa。

標(biāo)準(zhǔn)組合下板梁截面主應(yīng)力見(jiàn)圖10。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合截面最大主壓應(yīng)力（單位：MPa）

標(biāo)準(zhǔn)組合下混凝土的主壓應(yīng)力滿足規(guī)范要求小于0.6×fck=0.6×32.4=19.4 MPa。

4.4 正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

跨中截面最大彎矩為4 801 kN·m，截面抗力為5 047 kN·m，滿足使用要求。圖11為 最大抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖。

圖11 最大抗力對(duì)應(yīng)內(nèi)力圖（單位：kN·m）

通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果可知，剛接空心板在抗裂驗(yàn)算、承載能力驗(yàn)算等方面均能滿足規(guī)范要求。

5 綜合比較

剛接空心板在連接方式、力學(xué)性能、行車(chē)條件等方面具有傳統(tǒng)鉸接空心板無(wú)法比擬的先天優(yōu)勢(shì);在施工方面，與傳統(tǒng)鉸接板橋梁施工相同，上部結(jié)構(gòu)采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)吊裝方法施工，上下結(jié)構(gòu)可同時(shí)平行作業(yè)，有利于保證橋梁的施工進(jìn)度。

以下是對(duì)剛接空心板、上海版空心板及交通部版空心板的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行綜合對(duì)比分析（見(jiàn)圖12～圖14）。

圖12 混凝土用量對(duì)比

圖13 鋼絞線用量指標(biāo)對(duì)比

圖14 鋼筋用量指標(biāo)對(duì)比

通過(guò)不同跨徑板梁的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，剛接空心板的混凝土用量?jī)H為交通部空心板的70%左右，同時(shí)也低于上海版空心板。這得益于剛接空心板兩側(cè)設(shè)置了挑臂及現(xiàn)澆濕接頭，斷面布置更為合理，提高了腹板的利用效率，從而節(jié)省了混凝土用量。同時(shí)利用現(xiàn)澆濕接頭的寬度變化，可使剛接空心板對(duì)于邊寬度橋梁的適應(yīng)能力大大高于傳統(tǒng)鉸接空心板。

跨徑16 m以下的剛接空心板預(yù)應(yīng)力束用量與鉸接空心板基本相同，而20 m及以上跨徑時(shí)略低。鋼筋指標(biāo)與交通部版鉸接空心板也基本相同，但高于上海版鉸接空心板。

經(jīng)綜合比較，以三孔地面橋梁為例，剛接空心板橋梁綜合造價(jià)約為5 000元/m2，略高于上海版鉸接空心板4 800元/m2的造價(jià)，但遠(yuǎn)低于交通部版空心板5 500元/m2的造價(jià)。

6 結(jié)論

后張法剛接空心板是一種介于鉸接空心板與小箱梁之間的結(jié)構(gòu)形式，繼承了鉸接空心板結(jié)構(gòu)高度低、工廠化程度高、施工快速方便、工程造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)和小箱梁整體性好、行車(chē)條件好、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)濕接頭的剛性連接，從根本上根治了傳統(tǒng)鉸接空心板由于鉸縫破壞而造成的一系列病害。此外，剛接空心板對(duì)變寬度橋梁的適應(yīng)能力遠(yuǎn)高于鉸接空心板，并憑借其跨徑布置靈活、結(jié)構(gòu)高度較低等優(yōu)點(diǎn)，在中小跨徑橋梁的設(shè)計(jì)中可得到廣泛的適用。

[1]秦懷榮.裝配式板橋單板病害原因分析及對(duì)策[J].工程與建設(shè)，2007，21(1)：21-25.

[2]上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì).上海市城市道路和公路設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)（試行）[Z].上海：上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會(huì)，2009.

[3]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司.中小跨徑橋梁新結(jié)構(gòu)科研報(bào)告[R].上海：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，2013.

[4]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司.S7公路新建工程施工圖[Z].上海：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，2015.

[5]JTG D60-2015，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[6]JTG D62-2004，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].

U445

B

1009-7716（2016）05-0227-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.063

2016-02-19

黃巍峰（1980-），男，上海人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。