應(yīng)力疊合木橋面板的發(fā)展與應(yīng)用

（吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130000；中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130000）

一、應(yīng)力疊合木橋面板的發(fā)展

橋面板是木結(jié)構(gòu)橋梁最主要的組成部分，常用的形式有螺釘疊合木橋面板、膠合木橋面板、交錯疊合木橋面板和應(yīng)力疊合木橋面板。目前研究和應(yīng)用較為成熟的是應(yīng)力疊合木橋面板，其在國外已成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁中應(yīng)用最廣泛的橋面板結(jié)構(gòu)形式。

先在疊合板上用電鉆預(yù)留出孔，再將疊合板按照預(yù)留孔的位置布好，然后再將預(yù)應(yīng)力筋穿入孔道，通過千斤頂或預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備在疊合板內(nèi)施加側(cè)向預(yù)壓應(yīng)力，使疊合板之間產(chǎn)生摩擦力，從而把一塊一塊的獨(dú)立的板變成一個剛性的整體板結(jié)構(gòu)，這樣當(dāng)有荷載作用在疊合板上時，其就可以將荷載傳遞到鄰近的疊合板上。后來為了提高施工速度，增加疊合板之間的摩擦力，使用膠合技術(shù)預(yù)先將疊合板用膠粘在一起，粘合之前在疊合板上預(yù)留空洞，然后在孔洞內(nèi)穿上鋼筋，通過張拉的方式將疊合板壓緊再進(jìn)行錨固，應(yīng)力疊合木橋面板的概念就清晰化了。

在加拿大之前使用的木橋面板多為螺釘疊合木橋面板，到了20 世紀(jì)70 年代晚期，隨著時間的增長，許多橋面板出現(xiàn)了木板與木板間的滑移錯動，有瀝青鋪裝層的橋面板有的出現(xiàn)了鋪裝層開裂或者脫空的問題。受到預(yù)應(yīng)力混凝土概念的啟發(fā)，在1976 年安大略首次提出了預(yù)應(yīng)力疊合板的概念，并在舊橋加固改造中進(jìn)行了成功應(yīng)用。最早的應(yīng)力疊合木橋面板的概念是指在橋面板的外側(cè)固定上下預(yù)留孔的鋼板，在橋面板上、下兩個方向上通過鋼板預(yù)留孔穿上預(yù)應(yīng)力鋼筋，對橋面板進(jìn)行加固，這種方法在當(dāng)時被叫做橫向后張預(yù)應(yīng)力法。當(dāng)時不管是設(shè)計方法，還是施工技術(shù)和養(yǎng)護(hù)措施都還不太完善，隨著時間的推移橋面板上側(cè)的預(yù)應(yīng)力筋會損壞，但是這種技術(shù)在螺釘疊合木橋面板的加固上是非常成功的。

應(yīng)力疊合木橋面板的設(shè)計方法在1979 年由安大略交通部聯(lián)合加拿大皇后大學(xué)（Queens University）首次提出，安大略省公路橋梁設(shè)計規(guī)范（簡稱OHBDC）當(dāng)年就采用它。受此設(shè)計方法的啟發(fā)，這種技術(shù)在1981 年在新建木結(jié)構(gòu)橋梁中得到了應(yīng)用，從此使得木橋面板不管是在研究方面還是在應(yīng)用上都達(dá)到了一個新高度。

1981 年加拿大安大略省建成了世界上第一座使用了應(yīng)力疊合木橋面板的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁。美國第一座應(yīng)力疊合木橋于1987 年在明尼蘇達(dá)州的庫克縣建成。隨著應(yīng)力疊合木橋面板概念的清晰化，疊合板、膠合、預(yù)應(yīng)力這些名詞在統(tǒng)一概念中也能夠更加清楚的進(jìn)行描述，比之前的預(yù)應(yīng)力板人們也更容易接受。因此，應(yīng)力疊合木橋面板的施工技術(shù)也迅速的被推廣開來，安大略省公路橋梁設(shè)計規(guī)范（1991 版）引入這個概念。1996 年為止，由于應(yīng)力疊合木橋面板可以使用較小尺寸規(guī)格的木板，軟木和等級較低的硬木都可以得到利用，美國共建了400 余座應(yīng)力疊合木結(jié)構(gòu)橋梁，為了研究他們的使用性能還對其中的40 座進(jìn)行了現(xiàn)場檢驗(yàn)和測試。

在日本、澳大利亞、挪威、瑞士、巴西等國家，應(yīng)力疊合木橋面板也得到了較好的發(fā)展和應(yīng)用。自從1990 年悉尼科技大學(xué)開展應(yīng)力疊合木橋面板的研究應(yīng)用以來，在全國范圍內(nèi)成功建立了40 多座原型橋。歐洲第一次使用此技術(shù)是在1985 年，瑞士有一座橋梁要改建，便使用了應(yīng)力疊合木橋面板。1994 年瑞典還修建了兩座用來承受重載交通的應(yīng)力疊合木橋。

二、應(yīng)力疊合木橋面板的截面形式

1、矩形的應(yīng)力疊合木橋面板

在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁中矩形的應(yīng)力疊合木橋面板是應(yīng)用最多最廣泛的形式。疊合板大多由實(shí)心的規(guī)格材組成，根據(jù)橋面板厚度和跨徑的不同決定采用一排還是兩排預(yù)應(yīng)力筋。

如果橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑較大，矩形的應(yīng)力疊合木橋面板只能作為橋面板使用，如果橋梁結(jié)構(gòu)的跨徑較小，應(yīng)力疊合木橋面板可以直接作為梁板結(jié)構(gòu)。。

2、T 形應(yīng)力疊合木橋面板

T 形應(yīng)力疊合木橋面板是由層板膠合木梁組成的，其中翼緣板梁高度較小，為了增加橫斷面的縱向剛度，并在其間按照一定的間距放置高度較大的縱梁，也就是腹板梁，然后在頂面翼緣板和腹板梁體內(nèi)預(yù)先鉆好的孔中穿入預(yù)應(yīng)力筋，從而形成了T 形的應(yīng)力疊合木橋面板。

這種類型的應(yīng)力疊合木橋面板直接作板梁結(jié)構(gòu)。美國西佛吉尼亞州在群88 年首次使用了T 形應(yīng)力疊合木橋面板。該橋跨徑為22.3m，梁橫截面為150mm×1140mm，橋面板厚230mm。

3、箱形應(yīng)力疊合木橋面板

箱形的應(yīng)力疊合木橋面板（梁）的組成主要為頂板、腹板和底板，然后將預(yù)應(yīng)力筋穿入預(yù)先鉆好的孔中，便形成了這種箱形的應(yīng)力疊合木橋面板（梁）。

4、拱形應(yīng)力疊合木橋面板

拱形應(yīng)力疊合木橋面板不管是在設(shè)計方法上，還是在力學(xué)性能上，其與普通的應(yīng)力疊合木橋面板相比差異較大。

第一座拱形的應(yīng)力疊合木橋是由英國人在2002 年建造而成的，拱形應(yīng)力疊合木橋面板主要用在人行天橋、低等級公路和鄉(xiāng)村橋梁上，其跨徑一般為6—26m。

5、桁架式應(yīng)力疊合木橋面板

桁架式的應(yīng)力疊合木橋面板的概念是巴西人首次提出的，由規(guī)格較小的木板組成一篇一片的桁架，并在每片桁架上預(yù)留孔洞，然后穿入預(yù)應(yīng)力鋼筋形成橫向的應(yīng)力疊合木橋面板。其特點(diǎn)是整體剛度增加，抵抗變形的能力提高。

6、蜂窩式應(yīng)力疊合木橋面板

安大略交通部最早在1988 年提出了蜂窩的概念，自然資源部在1993 年建設(shè)了第一座實(shí)橋。蜂窩式應(yīng)力疊合木橋面板和箱形應(yīng)力疊合木橋面板的概念很相似。但是蜂窩孔的間距較小，頂?shù)装搴穸容^小，厚度一般在45-63mm 之間，兩孔之間的間距不超過500mm。

三、影響應(yīng)力疊合木橋面板性能的主要因素

影響應(yīng)力疊合木橋面板性能的因素主要包括以下幾個方面：預(yù)應(yīng)力水平、使用現(xiàn)場的溫度、木材的徐變、對接接頭等。

1、預(yù)應(yīng)力水平

疊合板之間的之所以能夠傳遞荷載是因?yàn)樗鼈兇植诘谋砻嬷g有摩擦力，當(dāng)摩擦力較小也就是木材表面較光滑時，荷載傳遞的有效性大大降低甚至有時不能夠傳遞；如果木材表面很粗糙形成了較大的摩擦力，作用相鄰板之間的荷載就可以進(jìn)行傳遞了。

預(yù)應(yīng)力松弛會使得疊合板間的壓力隨著時間的增長而變得越來越小，板間的摩擦力也就越來越小，荷載無法在板件傳遞時，橋面板性能變差。因此，為了保證應(yīng)力疊合木橋面板的橫向剛度，規(guī)范對疊合板之間的最小壓力進(jìn)行了規(guī)定。

2、使用現(xiàn)場的溫度

使用現(xiàn)場的溫度變化主要指的是早晚溫差和由于季節(jié)變化引起的溫差，由于早晚溫度變化對疊合板的應(yīng)力帶來的影響一般是可以忽略的，由于季節(jié)變化帶來的影響是最主要的。當(dāng)橋梁在夏天施工，到了冬天溫度變化對應(yīng)力產(chǎn)生的影響就會顯現(xiàn)。

木材的熱膨脹系數(shù)與其品種和紋路方向有關(guān)，在應(yīng)力疊合木橋面板中，木材順紋方向的熱膨脹系數(shù)約為預(yù)應(yīng)力鋼筋熱膨脹系數(shù)的2.5 倍，因此考慮到木材本身的物理力學(xué)性和應(yīng)力疊合木橋面板體系的特點(diǎn)，疊合板之間收縮是引起鋼筋預(yù)應(yīng)力損失和疊合板層間壓力減小最主要的因素。

疊合板的應(yīng)力受溫度影響。溫度降低到0℃以下會改變疊合板的尺寸，改變預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力，從而影響橋的使用性能，當(dāng)溫度上升到冰點(diǎn)以上時，低于冰點(diǎn)溫度造成的預(yù)應(yīng)力損失似乎可以完全恢復(fù)。當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)以下時，疊合板的含水量增大增加了應(yīng)力損失。實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果表明，在木材含水量較高的情況下，溫度變化造成的預(yù)應(yīng)力損失要大得多。美國公路和運(yùn)輸協(xié)會官方規(guī)范規(guī)定所有木材在安裝時的含水量應(yīng)等于或低于19%，這種規(guī)定可以避免預(yù)應(yīng)力損失的產(chǎn)生。

3、木材的徐變

應(yīng)力疊合木橋面板的初始預(yù)應(yīng)力損失主要由于木材的徐變引起的。Taylor 在1983 年進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，研究表明在第一周內(nèi)徐變效應(yīng)對應(yīng)力影響是最大的，不低于張拉力的50%，1988 年Di Carlantonio 研究表明徐變引起的預(yù)應(yīng)力損失約為張拉力的40%，1989 年Olvia 等報告表明為60%。

4、對接接頭

當(dāng)疊合板的長度不能滿足應(yīng)力疊合板的長度要求時，我們可以使用對接接頭將疊合板接長。使用了對接接頭后，疊合板所使用的木材的尺寸要求可以大大降低，因此在選在木材時的選擇空間就比較大，單從這一點(diǎn)就可以降低橋梁的造價。但是，由于應(yīng)力疊合木橋面板的跨越能力是由變形決定的，也就是所謂的剛度，而對接接頭的引入使得橋面板的剛度大大降低，因此在進(jìn)行設(shè)計時必須嚴(yán)格按照規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行，不能一味的追求地造家而影響橋面板的跨越能力和承載力。

四、結(jié)語

從橋面板在國內(nèi)外的發(fā)展和應(yīng)用可以看出，應(yīng)力疊合木橋面板是一種力學(xué)性能良好、截面形式豐富、耐久性較好的橋面板形式。本文系統(tǒng)總結(jié)了其發(fā)展和應(yīng)用情況，將影響其使用性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行了梳理和分析，希望對以后的相關(guān)研究有所幫助。