結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸接空心板設(shè)計(jì)與施工

葛金城（河北省高速公路石安改擴(kuò)建籌建處，石家莊050000）

結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸接空心板設(shè)計(jì)與施工

葛金城
（河北省高速公路石安改擴(kuò)建籌建處，石家莊050000）

針對(duì)現(xiàn)有鉸接空心板橋的薄弱部位——鉸縫，采用一種在空心板與鉸縫結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的構(gòu)造，通過(guò)開孔鋼板改變結(jié)合面裂縫開展的路徑，達(dá)到延緩空心板與鉸縫結(jié)合面通縫形成的目的。進(jìn)行了一座3×10m的結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸接空心板橋的設(shè)計(jì)與施工，開展了該空心板橋的靜載試驗(yàn)，結(jié)果表明結(jié)合面底板開孔鋼板的空心板橋在1.3倍公路-I級(jí)荷載作用下鉸縫不會(huì)開裂。

鉸接空心板橋鉸縫開孔鋼板靜載試驗(yàn)

1 前言

2007年我國(guó)依據(jù)交通部頒布的《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJD60-2004）和《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》（JTJD62-2004）出版了新的公路橋涵標(biāo)準(zhǔn)圖（新標(biāo)準(zhǔn)圖）。新標(biāo)準(zhǔn)圖中的空心板橋?yàn)樵鰪?qiáng)空心板與鉸縫的共同作用，在空心板底部增設(shè)了門式鋼筋或單肢鋼筋。針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)圖中的鉸縫構(gòu)造，葉見(jiàn)曙等[1]、吳慶雄等[2]分別針對(duì)底部采用單肢鋼筋和門式鋼筋的鉸接空心板鉸縫進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明空心板與鉸縫的結(jié)合面依舊是新標(biāo)準(zhǔn)圖的薄弱環(huán)節(jié)。

此外，有學(xué)者提出新的鉸縫鋼筋構(gòu)造[3-5]以及建議提高鉸縫填料強(qiáng)度[6]等措施以提高鉸縫性能。陳康明等[7]進(jìn)行的參數(shù)分析表明所提出的新的鉸縫鋼筋構(gòu)造和增大鉸縫混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)結(jié)合面性能沒(méi)有明顯改善。

既有研究表明，我國(guó)目前采用的所有鉸縫構(gòu)造形式，在豎向荷載作用下，空心板與鉸縫結(jié)合面最先發(fā)生開裂，并沿結(jié)合面擴(kuò)展，最終導(dǎo)致結(jié)合面通縫形成并引起鉸縫構(gòu)造失效，形成“單板受力”。因此，為延緩鉸縫構(gòu)造結(jié)合面通縫的形成，保證鉸縫構(gòu)造與空心板的受力性能相接近，本文介紹一種在結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的空心板橋的設(shè)計(jì)與施工，并采用實(shí)橋靜載試驗(yàn)以驗(yàn)證結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸縫構(gòu)造對(duì)延緩鉸縫結(jié)合面開裂的有效性。

2 結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸縫構(gòu)造

為了延緩空心板與鉸縫的結(jié)合面開裂，保證鉸縫構(gòu)造與空心板的受力保持接近的狀態(tài)，文獻(xiàn)[8]提出一種結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸縫構(gòu)造。通過(guò)足尺模型試驗(yàn)和非線性有限元分析研究了在車輛荷載作用下，結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸接空心板橋的受力性能。研究表明：與新標(biāo)準(zhǔn)圖中空心板橋相比，在結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板，對(duì)鉸接空心板橋整體受力性能沒(méi)有明顯影響；但在結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板后，空心板與鉸縫構(gòu)造結(jié)合面開裂時(shí)，裂縫的擴(kuò)展不會(huì)按照原來(lái)的結(jié)合面向上擴(kuò)展，而是繞過(guò)開孔鋼板后再沿結(jié)合面向上擴(kuò)展，鉸縫裂縫開展路徑的變化大幅度延緩了空心板與鉸縫結(jié)合面的開裂，鉸縫開裂荷載提高3.50倍，鉸縫形成通縫時(shí)的荷載提高4.51倍。

3 結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的空心板橋設(shè)計(jì)

以某高速公路一座3×10m跨徑裝配式鋼筋混凝土空心板橋?yàn)槔榻B結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的空心板橋的設(shè)計(jì)。

空心板橋每跨計(jì)算跨徑9.60m，橫斷面由7片中板和2片邊板組成，板高50cm，板和板之間底緣間距1cm。全橋立面布置見(jiàn)圖1，中板橫截面見(jiàn)圖2，上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置見(jiàn)圖3。

鉸縫構(gòu)造及鉸縫內(nèi)配筋與新標(biāo)準(zhǔn)圖中空心板橋鉸縫構(gòu)造相似。中板鉸縫構(gòu)造見(jiàn)圖4（a），鉸縫構(gòu)造內(nèi)的鋼筋見(jiàn)圖4（b）所示，分別在鉸縫構(gòu)造內(nèi)配置的剪刀鋼筋（①號(hào)鋼筋）、縱向受力鋼筋（②號(hào)鋼筋），以及空心板結(jié)合面鋼筋（③號(hào)鋼筋）。

為了使結(jié)合面底部開孔鋼板與空心板鋼筋骨架連成整體，在空心板鉸縫結(jié)合面底部設(shè)置一塊預(yù)埋鋼板④與空心板內(nèi)箍筋焊接，如圖4（c）所示。為了使在澆筑鉸縫混凝土?xí)r使混凝土能順利填充鉸縫的下部空間，將鉸縫結(jié)合面底部設(shè)置的鋼板⑤設(shè)半圓形孔洞。預(yù)埋鋼板④和開孔鋼板⑤均采用寬6cm、厚2cm的鋼板，開孔鋼板的孔徑6cm，各孔中心距20cm，詳見(jiàn)圖4（d）。

圖1 橋型布置立面圖（單位：m）

圖2 中板截面圖

圖3 橫斷面布置圖（單位：cm）

圖4 結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸縫構(gòu)造（單位：cm）

4 結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的空心板橋施工

結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板空心板橋施工步驟為：

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙綁扎鋼筋，在空心板底部預(yù)埋底部結(jié)合面構(gòu)造鋼筋，其在預(yù)制時(shí)沿縱橋向彎折并緊貼內(nèi)模，同時(shí)在箍筋上按照設(shè)計(jì)位置焊接一塊沿縱橋向全長(zhǎng)布置的預(yù)埋鋼板④，如圖5（a）所示。

（2）制作空心板模板，并進(jìn)行空心板混凝土澆筑，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（3）拆除空心板模板后，將底部結(jié)合面構(gòu)造鋼筋扳出，并清除預(yù)埋鋼板④表面的浮漿，將開孔鋼板⑤焊接在預(yù)埋鋼板上，并調(diào)整底部結(jié)合面鋼筋使其穿過(guò)半圓形開孔，如圖5（b）所示。

（4）將空心板吊裝至設(shè)計(jì)位置。

（5）將鉸縫構(gòu)造鋼筋通過(guò)雙面焊接的方式連接到結(jié)合面底部預(yù)埋鋼筋，并使其延伸至相鄰空心板頂部，并放置剪刀鋼筋，如圖5（c）所示。

（6）鉸縫及鋪裝層混凝土澆筑，并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)施工圖

5 實(shí)橋靜載試驗(yàn)

5.1 有限元模型

采用橋梁專用有限元程序MIDAS/Civil建立有限元模型，主梁采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，支座采用彈性連接進(jìn)行模擬。簡(jiǎn)支空心板橋采用梁格法進(jìn)行建模，模型共劃分261個(gè)節(jié)點(diǎn)、348個(gè)單元?？招陌搴?jiǎn)支梁橋的有限元模型見(jiàn)圖6。

圖6 有限元模型示意圖

5.2 靜載試驗(yàn)工況

為驗(yàn)證結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的鉸縫性能，根據(jù)簡(jiǎn)支梁橋的受力特點(diǎn)，選擇第一跨跨中截面（圖7中I-I截面）為控制截面，進(jìn)行靜載試驗(yàn)。

分別根據(jù)鉸縫彎矩最不利和剪力最不利原則進(jìn)行等效加載。本橋設(shè)計(jì)荷載為公路—I級(jí)，為了驗(yàn)證開孔鋼板能否提高鉸縫開裂荷載，本次試驗(yàn)采用分級(jí)加載的方式，鉸縫彎矩最不利和剪力最不利工況均等效加載至1.3倍公路—I級(jí)荷載。本次靜載試驗(yàn)采用3輛550kN的三軸載重汽車加載。按1.0倍公路—I級(jí)荷載和1.3倍公路—I級(jí)荷載進(jìn)行等效加載時(shí)荷載試驗(yàn)效率均介于0.95～1.05間。

圖7 靜載測(cè)試截面示意圖（單位：m）

圖8 鉸縫位移測(cè)點(diǎn)布置圖

5.3 測(cè)點(diǎn)布置

鉸縫位移采用位移計(jì)測(cè)量，取測(cè)試跨測(cè)試斷面下游側(cè)第一個(gè)、第四個(gè)鉸縫作為觀測(cè)對(duì)象。如圖8所示。通過(guò)在鉸縫左右兩側(cè)布置豎向和水平位移計(jì)分別測(cè)試鉸縫左右兩側(cè)空心板的相對(duì)豎向位移和鉸縫張開量，以此判斷在1.0倍和1.3倍公路—I級(jí)等效荷載作用下鉸縫是否會(huì)開裂。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)鉸縫位移的測(cè)試得到：1.0倍和1.3倍公路—I級(jí)荷載作用下，鉸縫彎矩最不利工況時(shí)，鉸縫兩側(cè)空心板相對(duì)豎向撓度分別為0.008mm和0.011mm，鉸縫張開量分別為0.015mm和0.021mm；鉸縫剪力最大工況時(shí)，鉸縫兩側(cè)空心板相對(duì)豎向撓度分別為0.032和0.042mm，鉸縫張開量分別為0.024和0.031mm。

通過(guò)實(shí)橋靜載試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，在1.3倍公路-I級(jí)荷載作用下結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的空心板橋鉸縫不會(huì)開裂。

6 結(jié)論

（1）針對(duì)現(xiàn)有鉸接空心板橋的薄弱部位——鉸縫構(gòu)造，介紹了一種空心板與鉸縫構(gòu)造結(jié)合面底部設(shè)開孔鋼板的構(gòu)造，通過(guò)開孔鋼板改變結(jié)合面裂縫開展的路徑，達(dá)到延緩空心板與鉸縫構(gòu)造結(jié)合面通縫形成的目的。

（2）介紹了一種鉸縫與空心板結(jié)合面底板設(shè)開孔鋼板的空心板橋的設(shè)計(jì)與施工，為今后裝配式空心板橋的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

（3）對(duì)有結(jié)合面底板設(shè)開孔鋼板的空心板橋進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)合面底板設(shè)開孔鋼板的鉸縫構(gòu)造能夠有效地控制鉸縫開裂。在1.3倍公路-I級(jí)荷載作用下，結(jié)合面底板設(shè)開孔鋼板的空心板橋鉸縫不會(huì)開裂。

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