小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)T型梁和空心板梁適用性比較分析

陳 鄂

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心(有限公司)，山西 太原 030000)

1 引 言

我國橋梁建設(shè)已有多年的歷史，空心板梁橋具有高度小、形式簡單、力學方便、重量輕，施工方便，可批量生產(chǎn)等優(yōu)點成為使用最多的橋型特別是在小跨徑橋梁中。預制空心板梁橋板梁通過鉸縫進行連接，而鉸縫受力薄弱不能很好傳遞橫向力，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體性差。隨著交通運輸量及車輛超限運輸不斷增大，使得公路橋梁出現(xiàn)了不同程度的損壞，橋梁結(jié)構(gòu)逐漸變成單板受力。特別是山西省做為煤炭資源大省，以煤炭運輸為主，大噸位載重車輛數(shù)量逐年遞增。

在這樣的交通條件下，預制空心板梁橋鉸縫縱向開裂的現(xiàn)象十分嚴重，板梁縱、橫向開裂，橋梁整體性降低，板梁撓度過大等病害，使得橋梁使用安全性和耐久性降低，存在安全隱患，每年花費大量資金用于維修加固。

2 研究分析

空心板梁構(gòu)造簡單、受力明確，有預應力混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可做成空心和實心斷面形式，能適應各種條件狀況下的彎、坡、斜橋。在城市道路、低等級公路和高速公路中得到廣泛應用。因受設(shè)計理論、計算方法、施工工藝、材料性能等因素制約，工程實例中板梁病害突出、維修加固費用高，不能夠滿足橋梁健康、可持續(xù)發(fā)展需求，在超載超重現(xiàn)象較為突出的省份尤為明顯。

在交通運輸部頒布的《公路橋梁通用圖》中，小跨徑(20 m及以下跨徑長度)的橋梁結(jié)構(gòu)仍以鉸接的空心板結(jié)構(gòu)形式為主，即便鋼筋尺寸、鉸縫尺寸等指標進行了優(yōu)化，也無法從本質(zhì)上解決鉸縫受力薄弱的問題。

要想完全解決鉸縫受力不利的問題，最直接的辦法就是消除鉸縫，變鉸縫為濕接縫，改善結(jié)構(gòu)受力增加橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，保證橋梁的耐久性。為克服空心板梁存在的病害，結(jié)合工程實際情況，按照“結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、經(jīng)濟適用”思路，提出T型梁截面的方案。本文主要針對T型梁截面的工程實例進行比較。

3 結(jié)構(gòu)性能比較

依托實體工程太原市東二環(huán)高速公路賴毛溝中橋，驗證了設(shè)計工作的實際應用情況，評價了T型梁在小跨徑橋梁中的設(shè)計效果和實用效益。

本文選取16 m跨徑的簡支梁橋，橋面寬度為16.5 m，荷載等級為公路-Ⅰ級，選取T型梁和空心板梁兩種截面進行分析比較。

表1 T型梁與空心板梁截面特性比較

由表1可以看出，T型梁的截面積要大于空心板梁，其中T型梁高為1.3 m，空心板梁高為0.8 m。T型梁截面的抗彎慣性矩遠小于空心板梁，因空心板梁是閉合截面特性且梁高低于T型梁，在這點上可以通過濕接縫和橫隔板來彌補不足。T型梁具有優(yōu)異的橫向抗彎和抗扭性能，尤其橫向抗彎慣性矩是空心板梁的3.1倍，良好的橫向抗彎慣性矩有助于梁體運營期整體穩(wěn)定性與安全性。T型梁抗扭慣性矩是空心板梁1.5倍，增加可使橋梁在偏載作用下各梁受力更均衡。

T型梁為開口型截面，相比空心板梁這種閉口型截面具有預制簡單，便于脫模等優(yōu)點。運營使用中，T型梁比空心板梁更便于維修和加固。

T型梁通過現(xiàn)澆濕接縫形式進行橫向連接，屬于剛性連接，而空心板梁以鉸縫連接。相對而言T型梁橋剛度大，橫向連接更加穩(wěn)固，免去了空心板因鉸縫受損出現(xiàn)單板受力的狀況，且濕接縫數(shù)量少，施工階段易于控制質(zhì)量，橋梁整體性更好。

相比空心板梁，T型梁也易于轉(zhuǎn)化為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)。

4 力學性能對比分析

在相同跨徑、橫向分布系數(shù)、汽車荷載等級及車道數(shù)量情況下，T型梁與空心板梁正截面抗彎承載力對比見表2所示。

表2 T型梁與空心板梁正截面抗彎承載能力

由表2比較可以得出，抗剪承載力T型梁與空心板梁之比為1.15，說明T型梁的抗剪性能優(yōu)于空心板梁；抗彎承載力T型梁與空心板梁之比為1.63，說明T型梁的抗彎性能優(yōu)于空心板梁。T型梁的剪力、彎矩效應均優(yōu)于空心板梁，說明T型梁具有更好的抗彎剛度和承受荷載引起變形的能力。

表3 T型梁橋與空心板梁橋結(jié)構(gòu)基頻對比

由表3可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的前三階振型一致，T型梁橋豎向?qū)ΨQ振動頻率為10.30 Hz，空心板梁橋的為6.85 Hz，說明T型梁橋具有更好的豎向剛度。對于以受彎為主的簡支梁橋結(jié)構(gòu)，更高的豎向剛度能有效減小跨中撓度。

在橋梁力學性能方面，T型梁橋比空心板梁橋具有更優(yōu)截面效率，承載能力更強、車輛通行性更好等優(yōu)勢。

5 經(jīng)濟適用性能的對比分析

5.1 耐久性

混凝土暴露在大氣環(huán)境下易發(fā)生碳化，進而發(fā)生鋼筋銹蝕，最終使橋梁結(jié)構(gòu)耐久性能下降。T型梁因兩側(cè)翼緣板寬度足夠可設(shè)置豎向排水管，空心板梁只能設(shè)置斜向排水管，使得空心板梁排水能力差，積水易隨著排水孔流到混凝土上對邊梁進行腐蝕，通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)一般空心板梁橋邊梁腐蝕比例要高于T型梁橋。空心板梁為閉合腔室，若橋面防水層失效，雨水滲入腔室內(nèi)，且空心板梁普遍沒有設(shè)置排氣孔，造成腔內(nèi)混凝土的腐蝕破壞。

5.2 養(yǎng)護維修

運營期空心板梁結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)無法觀測到，不能完全反應出結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，而T型梁結(jié)構(gòu)各部位均可見?？招陌辶翰捎秒p支座支撐，部分支座易出現(xiàn)老化、脫空、偏壓等病害，且圓形支座相較于矩形支座易于損壞，使梁體產(chǎn)生扭矩，最終導致梁體出現(xiàn)縱向、斜裂縫。而T型梁設(shè)置單支座，支座受損概率也更低。故T型梁橋比空心板梁橋在養(yǎng)護、維修、加固方面更有優(yōu)勢。

5.3 經(jīng)濟性比較

公路橋梁除了要考慮耐久性、養(yǎng)護維修，還要從經(jīng)濟性方面進行考慮。上部結(jié)構(gòu)以跨徑16 m，橋梁凈寬15.5 m為例，對兩種截面形式的橋梁進行工程量。

表4 兩種截面形式上部結(jié)構(gòu)工程量

由表4可以看出，相同橋梁跨徑及寬度下，T型梁片數(shù)較空心板梁少，但總造價要高，T型梁與空心板梁在材料費用上相比高約22%。T型梁比空心板梁高，土方量也相對減少可有效降低工程造價。T型梁吊裝次數(shù)比空心板梁少，極大的減少施工作業(yè)量和縮短工期。施工期的縮短，為提前通車帶來可觀經(jīng)濟效益，也能節(jié)省設(shè)備、人工費用。因此，T型梁結(jié)構(gòu)對施工成本和節(jié)省工期來說是有利的，其效益將遠超材料成本的付出。

6 結(jié)論及展望

(1)T型梁采用開口型截面，預制簡單、脫模方便。T型梁為濕接縫連接，減少了接縫數(shù)量，結(jié)構(gòu)受力明確，結(jié)構(gòu)的整體性能更佳，避免了空心板鉸縫易破壞的問題。T型梁也易于轉(zhuǎn)化為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)。

(2)T型梁相比空心板，T型梁具有更好的抗彎剛度和承受荷載引起變形的能力，車輛通過性也更好，提升結(jié)構(gòu)的耐久性有積極的作用。

(3)T型梁相對空心板耐久性好，采用單支座受力明確，便于養(yǎng)護維修；T型梁架設(shè)易側(cè)翻，施工階段經(jīng)濟性差。板梁造價更低，適用于平原地區(qū)使用。考慮到施工周期及成橋質(zhì)量，T型梁可在山區(qū)公路建設(shè)中選用。T型梁橋整體經(jīng)濟效益還是很不錯的。