新型裝配式倒T形空心板橋設(shè)計

張 培 旭

(福州市公路事業(yè)發(fā)展中心， 福建 福州 350002)

鉸接空心板橋具有建筑高度低、便于預(yù)制和施工等優(yōu)點，在我國公路系統(tǒng)中大量使用，占有重要的地位。但是，對鉸接空心板橋病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)其在投入運營多年后，在重載交通的車輛荷載下，鉸接空心板橋出現(xiàn)了較多對橋梁結(jié)構(gòu)不利的病害，以鉸縫病害為主，鉸縫開裂后影響橋梁的橫向聯(lián)系，使橋梁的整體受力性能下降，逐漸使其形成“單板受力”現(xiàn)象，威脅橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[1]。

為了充分了解鉸接空心板橋的受力性能和破壞模式，以普通鉸接空心板橋為研究對象，進行足尺模型試驗和有限元分析[2-3]，在模擬的車輛荷載作用下，結(jié)合面先于空心板開裂，開裂荷載約為70 kN，結(jié)合面裂縫沿豎橋向向上延伸，沿縱橋向從跨中向兩側(cè)延伸，最終形成豎向通縫和縱向通縫，導致“單板受力”現(xiàn)象。以設(shè)置門式構(gòu)造鋼筋的鉸接空心板橋為研究對象，進行足尺模型試驗和有限元分析[4]，在模擬的車輛荷載約為70 kN時，隨著荷載增大，結(jié)合面開裂并形成豎向通縫，但未出現(xiàn)縱向通縫。通過兩者的分析表明，通過增設(shè)結(jié)合面構(gòu)造鋼筋未能提高鉸縫構(gòu)造的開裂荷載，鉸縫構(gòu)造是鉸接空心板橋的受力薄弱部位。

對于鉸縫構(gòu)造，我國早期主要采用小(淺)鉸縫構(gòu)造，有的甚至未設(shè)置鉸縫鋼筋或僅設(shè)置受拉鋼筋[5]；隨著交通量增長和重載交通的發(fā)展，普遍采用大(深)鉸縫構(gòu)造，以加強橋梁的橫向聯(lián)系，增強橋梁的整體性?？芍b配式空心板橋的發(fā)展趨勢為增大現(xiàn)澆構(gòu)造。

目前對鉸縫的主要改進措施有增設(shè)結(jié)合面構(gòu)造鋼筋和增設(shè)阻裂鋼板構(gòu)造。文獻[6]提出了在結(jié)合面增設(shè)不同形式的構(gòu)造鋼筋，設(shè)置于結(jié)合面的構(gòu)造鋼筋以期提高鉸縫的新老混凝土粘結(jié)強度。陳寶春等[7]提出鉸接空心板橋的鉸縫構(gòu)造裂縫控制措施，在鉸縫中增設(shè)開孔鋼板，阻止結(jié)合面裂縫沿豎向向上開展?？芍?，裝配式空心板橋另一發(fā)展趨勢為在結(jié)合面處增設(shè)可以延緩或阻止其裂縫開展的構(gòu)造措施。

本文為克服國內(nèi)鉸接空心板橋的不足，結(jié)合裝配式空心板橋的發(fā)展趨勢，提出一種新型裝配式空心板橋構(gòu)造—倒T形空心板橋，通過試驗和有限元分析討論設(shè)計計算方法，并給出了一座16 m跨徑的橋梁設(shè)計算例。

1 新型倒T形空心板橋提出及其構(gòu)造

1.1 新型倒T形空心板橋提出

如圖1—圖3所示，美國倒T形板橋[8]主要包括預(yù)制倒T形板和現(xiàn)澆混凝土層。預(yù)制倒T形板板側(cè)伸出帶有90°彎鉤的鋼筋作為現(xiàn)澆混凝土層“下放鋼筋籠”的架立鋼筋。預(yù)制倒T形板吊裝到位后，架模澆筑現(xiàn)澆混凝土層。

圖1 美國采用的倒T形板橋橫截面示意圖

圖2 預(yù)制倒T形板鋼筋構(gòu)造示意圖

圖3 “下放鋼筋籠”設(shè)置

這種倒T形板橋構(gòu)造相鄰的下翼板上方具有較大的現(xiàn)澆混凝土層空間，符合我國裝配式空心板橋向增大現(xiàn)澆構(gòu)造的趨勢。從文獻[8]可知，投入運營多年后，在相鄰下翼板之間的現(xiàn)澆混凝土層上方出現(xiàn)縱橋向裂縫，與國內(nèi)鉸接空心板橋的結(jié)合面裂縫沿豎橋向和縱橋向延伸類似，在橋面出現(xiàn)相應(yīng)的縱橋向裂縫。因此，吳慶雄等[9]結(jié)合裝配式空心板橋的發(fā)展趨勢，綜合美國倒T形板橋構(gòu)造和空心板橋主梁的挖空構(gòu)造，在預(yù)制主梁的相鄰下翼緣上方增設(shè)鋼板構(gòu)造，提出一種新型裝配式空心板橋構(gòu)造——倒T形空心板橋。

1.2 新型倒T形空心板橋構(gòu)造

1.2.1 總體設(shè)計

倒T形空心板橋橫截面構(gòu)造示意圖如圖4所示，包括預(yù)制倒T形空心板、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層和阻裂鋼板構(gòu)造。預(yù)制倒T形空心板有伸出板頂和板側(cè)的構(gòu)造鋼筋與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層連接；現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層有“下放鋼筋籠”。倒T形空心板橋相鄰的下翼緣之間不連接，允許主梁的相互變形，為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層提供較大的現(xiàn)澆空間，可提高橋梁的荷載橫向傳遞能力，使橋梁具有更好的整體性。

說明：1為預(yù)制倒T形空心板；2為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層；3為L形鋼板；4為Ω形鋼板；5為預(yù)制板N9鋼筋；6為預(yù)制板N10鋼筋；7為預(yù)制板N13鋼筋；8為“下放鋼筋籠”箍筋；9為“下放鋼筋籠”縱筋。

1.2.2 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層設(shè)計

如圖5所示，對于10 cm厚現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層采用混凝土結(jié)構(gòu)，“下放鋼筋籠”箍筋與伸出預(yù)制板側(cè)的門式構(gòu)造鋼筋焊接，中間設(shè)置通長φ10縱筋6根。箍筋等構(gòu)造鋼筋采用HPB300級鋼筋，主筋采用HRB400級鋼筋。

圖5 現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層構(gòu)造(單位：mm)

1.2.3 鋼板構(gòu)造設(shè)計

如圖6所示，Ω形鋼板和L形鋼板沿縱橋向通長布置，采用Q345級冷軋鋼板輥壓冷彎成型，厚度3 mm。預(yù)制倒T形空心板下翼緣通長φ32鋼筋，預(yù)埋的L形鋼板與鋼筋焊接；Ω形鋼板焊接于L形鋼板上方。

圖6 鋼板構(gòu)造示意圖(單位：mm)

2 新型倒T形空心板橋設(shè)計計算方法

新型倒T形空心板屬于一種“裝配-整體式組合板橋”[10]，其結(jié)構(gòu)形式介于裝配式梁橋和整體現(xiàn)澆板橋之間。本文以一跨8 m跨徑的鋼筋混凝土簡支梁橋開展荷載橫向分布系數(shù)的計算方法討論，并提出桿系有限元建模方法和設(shè)計計算要點探討。

2.1 荷載橫向分布系數(shù)

2.1.1 荷載橫向分布試驗

采用3片倒T型空心板組成的足尺模型進行荷載橫向分布試驗，見圖7。依次在每片空心板跨中截面施加0.5倍公路-I級車輛荷載后軸重的豎向荷載F=35 kN，加載示意圖見圖8。

圖7 試驗?zāi)Ｐ蜋M截面(單位：mm)

圖8 橫向分布試驗加載(單位：mm)

進行荷載橫向分布試驗加載時，利用百分表讀取各片倒T形空心板的豎向撓度，按式(1)計算荷載橫向分布影響線豎標值[10]，得到倒T形空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)，試驗結(jié)果見圖9。

圖9 荷載橫向分布系數(shù)試驗值

(1)

式中：wij為單位力作用于j號板時第i號板的撓度；ηij為i號板的荷載橫向分布影響線在j號板位置處的豎標值；n為主梁數(shù)量。

2.1.2 有限元法求解荷載橫向分布系數(shù)

采用文獻[11]的建模方法，應(yīng)用ABAQUS通用有限元軟件建立圖7中3片主梁組成的倒T型空心板有限元模型，見圖10。分別采用線性減縮積分單元C3D8R、桁架單元T3D2和殼單元S4R模擬混凝土、鋼筋和鋼板構(gòu)造。

圖10 3梁式有限元模型

簡支邊界采用約束位移來實現(xiàn)，新、舊混凝土的接觸面采用“接觸對”功能模擬。有限元模型的材料特性僅考慮彈性階段，材料參數(shù)見表1。

表1 有限元材料參數(shù)

由有限元法和試驗得到的3梁式的荷載橫向分布影響線豎標值比較如圖11所示，有限元法計算的結(jié)果與試驗的結(jié)果吻合效果好，最大誤差僅為-0.97%，說明有限元模型適用于倒T形空心板橋的荷載橫向分布分析。

圖11 有限元值與試驗值的對比(3梁式)

為了使橫向分析結(jié)果更有代表性，本文采用相同方法建立由5片主梁組成的倒T型空心板橋模型，并將有限元分析結(jié)果與后述的簡化方法進行對比分析，如圖12所示。

圖12 5梁式有限元模型

2.1.3 簡化算法求解荷載橫向分布系數(shù)

可采用鉸接板法、剛接板法和比擬正交異性板法(G-M法)[10]求解裝配式梁橋荷載橫向分布系數(shù)。鉸接板法假定相鄰板梁之間視為鉸接，只傳遞剪力；剛接板法假定相鄰板梁之間視為剛接，傳遞剪力和彎矩；G-M法將橋梁結(jié)構(gòu)近似為整體，比擬成理想的正交異形板，將其剛度換算成兩向剛度不同的比擬彈性平板進行求解。

運用鉸接板法和剛接板法求解倒T形空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)時，可利用現(xiàn)有的荷載橫向分布影響線豎標表進行計算。然而，運用G-M法時，利用計算圖表進行手工計算較為繁瑣，還存在誤差，為此，利用G-M法解析計算公式[12-13]和數(shù)學計算軟件MathCAD求解。

2.1.4 結(jié)果對比分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，由簡化算法和有限元法求得5梁式的1#—3#倒T形空心板的荷載橫向分布影響線豎標值，結(jié)果顯示，與有限元計算結(jié)果比較，鉸接板法和剛接板法計算結(jié)果存在較大的誤差，G-M法計算結(jié)果吻合較好。鉸接板法、剛接板法和G-M法的最大誤差分別為：1#板-19.99%、22.56%和-9.75%；2#板-18.95%、11.45%和3.00%；3#板9.52%、-2.80%和-2.11%。因此，G-M法適用于計算倒T形空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)，而鉸接板法和剛接板法不適用。

2.2 桿系有限元建模方法

利用MIDAS/Civil分析軟件，應(yīng)用“梁格法”建立上述足尺模型的三維桿系模型[14]，如圖13所示。主梁根據(jù)實際橫向剛度取值；虛擬橫梁只有剛度，不計重量。邊界條件為簡支，采用一般支承模擬，不考慮板式橡膠支座的剛度。

圖13 桿系有限元模型

如圖14所示，桿系有限元計算的1#板、2#板和3#板的誤差最大僅為-0.98%，1.25%，1.30%，與試驗的結(jié)果吻合良好。因此，采用“梁格法”建立的桿系有限元模型適用于倒T形空心板橋的設(shè)計建模，可用于線彈性受力階段的分析計算。

圖14 桿系有限元值與試驗值的對比(3梁式)

2.3 設(shè)計計算要點探討

建議根據(jù)標準[15]第8.1.4條和第8.1.5條進行內(nèi)力組合，進行正截面抗彎和斜截面抗剪驗算。其中，內(nèi)力組合包括：作用效應(yīng)基本組合、作用短期效應(yīng)組合和作用長期效應(yīng)組合。內(nèi)力組合時，共分為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層混凝土未達到和達到強度設(shè)計值兩個階段。

對于施工階段的應(yīng)力驗算，建議參照標準[15]第7.2.4條進行受壓區(qū)混凝土邊緣的壓應(yīng)力、受拉鋼筋的應(yīng)力和中性軸處的主拉應(yīng)力(剪應(yīng)力)等鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面應(yīng)力驗算。

倒T形空心板橋在結(jié)合面相應(yīng)的混凝土發(fā)生開裂時，結(jié)合面的粘結(jié)應(yīng)力未超過限值，即結(jié)合面未發(fā)生粘結(jié)失效[11]。因此，建議無需對結(jié)合面進行設(shè)計驗算。

倒T形空心板橋的受力薄弱部位為Ω形鋼板上方的受拉區(qū)混凝土，先于等高度的其余區(qū)段混凝土發(fā)生開裂[11]。建議參照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計》[16](JTG 3362—2018)和《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》[17](JTG D61—2005)的相關(guān)條文規(guī)定進行橫橋向和縱橋向的抗彎、抗剪承載力驗算。

3 新型倒T形空心板橋設(shè)計算例

3.1 工程概況

某橋原長8.6 m，為1跨6.6 m實心板。由于橋孔泄水能力不足，且路線須拓寬改造，決定在原橋址拆除舊橋重建。新建橋梁采用2跨16 m簡支裝配式混凝土空心板，橋型布置如圖15所示。若采用2007年標準圖的鉸接空心板橋，由于該路段交通量較大，運營一段時間后可能會出現(xiàn)鉸縫病害，威脅橋梁安全[6]，因此按照裝配式倒T形空心板橋設(shè)計。

圖15 橋型布置立面圖(單位：cm)

3.2 預(yù)制倒T形空心板設(shè)計

實際工程中倒T形空心板橋的計算跨徑為15.96 m，由5片中板和2片邊板組成，板和板間距1 cm?？招陌鍢驒M斷面布置如圖16所示。

圖16 橫斷面布置圖(單位：cm)

倒T形空心板中板和邊板橫截面和配筋圖見圖17和圖18，縱向鋼筋布置圖如圖19所示。中板底寬1.24 m，頂板寬1.08 m，板高0.8 m，中間為八邊形空心結(jié)構(gòu)，上下緣厚0.12 m，兩側(cè)的下翼緣寬0.08 m，高0.20 m。邊板底寬1.87 m，頂板寬1.77 m，其余尺寸和中板一致。邊板較中板少設(shè)置一側(cè)伸出板側(cè)的門式構(gòu)造鋼筋，其余鋼筋設(shè)置相同。預(yù)制板的混凝土強度為C30級，縱筋采用HRB400級，其余鋼筋為HPB300級。

圖17 倒T形空心板中板截面圖(單位：mm)

圖18 倒T形空心板邊板截面圖(單位：mm)

圖19 倒T形空心板縱向鋼筋布置圖(單位：mm)

3.3 抗彎和抗剪承載力驗算

先求得恒載內(nèi)力，再按照規(guī)范[15]第8.1.4條和第8.1.5條進行內(nèi)力組合，包括：作用效應(yīng)基本組合、作用短期效應(yīng)組合和作用長期效應(yīng)組合。內(nèi)力組合時，共分為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層混凝土未達到和未達到強度設(shè)計值兩階段。

正截面抗彎承載力按規(guī)范第5.2.2條和第5.2.3條進行驗算。抗彎承載力驗算結(jié)果見表2?？梢钥闯觯缰薪孛鎻澗卦O(shè)計值γ0Md為1 705 kN·m，小于抗彎承載力Mu=2 401 kN·m。

表2 正截面抗彎承載力驗算

斜截面抗剪承載力按規(guī)范第5.2.6—第5.2.11條進行驗算，驗算截面包括距支座中心h/2處(截面1-1)和箍筋間距改變處(截面2-2)，如圖20所示?？辜舫休d力驗算結(jié)果見表3。可以看出，三個控制截面的剪力設(shè)計值均小于斜截面抗剪承載力。

表3 斜截面抗剪承載力驗算

圖20 驗算示意圖

3.4 施工階段驗算

施工階段受壓區(qū)邊緣壓應(yīng)力、受拉鋼筋應(yīng)力和受彎構(gòu)件中性軸主拉應(yīng)力需按規(guī)范[15]第7.2.4條的規(guī)定進行驗算，驗算結(jié)果見表4，由驗算可知施工階段混凝土和鋼筋的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

表4 施工階段應(yīng)力驗算

4 結(jié) 語

(1) 為了避免鉸接空心板橋的不足，結(jié)合裝配式空心板橋的發(fā)展趨勢，本文提出了一種由預(yù)制倒T形空心板、現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)層、Ω形與L形阻裂鋼板構(gòu)造組成的新型倒T形空心板橋。

(2) 通過試驗和有限元分析，結(jié)果表明G-M法適用于計算倒T形空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)；建議采用“梁格法”建立倒T形空心板的桿系有限元模型；給出了施工階段和受力薄弱部位的設(shè)計計算要點。

(3) 給出了一跨16 m跨徑的鋼筋混凝土簡支倒T形空心板橋的設(shè)計算例，并給出結(jié)構(gòu)設(shè)計詳圖，可供類似橋梁實際與施工提供參考。