剛接空心板在中小跨徑橋梁中的應(yīng)用

許延祺

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082

引言

隨著我國(guó)交通行業(yè)的高速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力空心板是目前中小橋設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的一種結(jié)構(gòu)形式。預(yù)制空心板梁是裝配式簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)體系，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)日益顯現(xiàn)，在全國(guó)各地的公路或者城市道路中的中小跨徑橋梁上得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心板橫向連接方式的選擇對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的受力尤為關(guān)鍵，橫向連接方式不同則計(jì)算模式不同，從橫向連接方式來(lái)說(shuō)分為鉸接空心板及剛接空心板［4］。本文結(jié)合某市政工程跨河橋，對(duì)于空心板梁橋從設(shè)計(jì)、施工、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行深入分析，選取合適的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。

1 預(yù)制空心板橫向連接主要方式

1.1 鉸縫連接及其病害

這種形式的空心板橫向連接方式在我國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)中最為流行，原交通部于2008年頒布了空心板梁的標(biāo)準(zhǔn)圖。鉸縫的連接模式從最早的小鉸縫，甚至無(wú)鉸縫，經(jīng)過(guò)幾年的演變后，優(yōu)化為大鉸縫的形式，大鉸縫高度一般大于2／3梁高，并且設(shè)計(jì)當(dāng)中明確鉸縫鑿毛，鉸縫混凝土澆筑、振搗、勾縫等施工工藝均需要滿足相關(guān)要求［5］。小鉸縫及大鉸縫構(gòu)造如圖1所示。

圖1 鉸縫構(gòu)造Fig.1 Structural drawing of hinge joint

不管是以何種鉸縫形式連接，由于鉸縫傳力機(jī)理不明確，設(shè)計(jì)理論不夠完善，且設(shè)計(jì)中經(jīng)常忽略鉸縫混凝土的收縮效應(yīng)，沒(méi)有足夠重視新舊混凝土間粘結(jié)力的弱化。施工期間或預(yù)制板側(cè)面未認(rèn)真鑿毛并清理表面，造成新舊混凝土之間結(jié)合能力差，或?qū)τ阢q縫混凝土配合比控制不嚴(yán)，振搗不到位，養(yǎng)護(hù)不到位，造成鉸縫部位成為上部結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。即使在鉸縫中加入一些普通鋼筋，也僅僅是對(duì)鉸縫內(nèi)的混凝土進(jìn)行了加強(qiáng)，鉸縫仍可以從新舊混凝土的粘結(jié)處首先發(fā)生破壞，輕者縱向裂縫，重者縱向破碎。一旦鉸縫失效，橋梁不能橫向傳遞車輛荷載，從而導(dǎo)致計(jì)算假定模式失效，造成單板受力，使空心板梁橋承載能力大大下降［6-9］。故采用鉸接的空心板梁橋近幾年在北京、上海等大型城市的橋梁工程中已經(jīng)很少。

1.2 橫向連接方式優(yōu)化比較

根據(jù)文獻(xiàn)［9］的研究成果可知，國(guó)外常見(jiàn)的空心板之間的橫向連接主要有板頂現(xiàn)澆混凝土連接、施加橫向預(yù)應(yīng)力連接以及采用加強(qiáng)普通鋼筋連接。如英國(guó)常采用的連接方式，通過(guò)增加板頂現(xiàn)澆混凝土的用量來(lái)達(dá)到加強(qiáng)橫向連接的目的；日本常用通過(guò)增加端橫隔板及中橫隔板，在其中施加橫向預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)其橫向整體性；美國(guó)學(xué)者建議通過(guò)在橋梁縱向每隔一段距離設(shè)置橫向加強(qiáng)普通鋼筋進(jìn)行連接，提高其整體性。國(guó)外的空心板的橫向設(shè)計(jì)均提升到了明確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，而非僅僅從構(gòu)造形式上實(shí)現(xiàn)橫向連接。但是這些做法比我國(guó)目前設(shè)計(jì)的空心板梁橋構(gòu)造復(fù)雜，材料用量大，建設(shè)初期的投資費(fèi)用也比較高，現(xiàn)階段并不完全適用于我國(guó)的橋梁建設(shè)。

基于此，近幾年中，剛接空心板逐漸被橋梁工程師們應(yīng)用，這種結(jié)構(gòu)形式四五年前首先出現(xiàn)于上海地區(qū)，但是在上海以外地區(qū)尤其是北方地區(qū)，至今仍未采用過(guò)。這種結(jié)構(gòu)形式構(gòu)思起源于裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其特點(diǎn)為將空心板梁頂預(yù)制成兩翼帶懸臂的結(jié)構(gòu)形式，待主梁吊裝就位后，通過(guò)一段現(xiàn)澆混凝土把空心板梁連接成整體。由于現(xiàn)澆段混凝土具有一定的剛度，橫向板與板之間除了傳遞剪力，還傳遞彎矩，故稱為剛接空心板?，F(xiàn)澆段構(gòu)造如圖2所示。

圖2 剛接空心板現(xiàn)澆段構(gòu)造Fig.2 Structure of cast-in-situ section of rigid hollow slab

2 研究?jī)?nèi)容及模型建立

2.1 研究?jī)?nèi)容

本工程采用的空心板跨徑為10m、13m、16m、20m四種。本文選取跨徑為20m、橋梁寬度13m的空心板梁橋作為研究對(duì)象，采用Midas Civil 2019建立梁格法模型，分別對(duì)比鉸接空心板與剛接空心板之間在尺寸構(gòu)造、截面特性、受力及變形情況、材料指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性等方面的優(yōu)劣［10-12］，提出本工程優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式。

2.2 模型的建立

對(duì)于寬度13m的橋梁，若采用鉸接空心板，橫向應(yīng)為10片梁，由2片邊梁和8片中梁組成，梁格間距1.25m，若采用剛接空心板，橫向應(yīng)為6片梁，由4片中梁和2片邊梁組成，梁格間距2.21m。兩種方案橫斷面如圖3所示。

圖3 空心板橫向布置（單位：cm）Fig.3 Transverse arrangement of hollow slab（unit：cm）

對(duì)于兩種斷面分別建立Midas Civil模型，如圖4所示。

圖4 空心板梁格法模型Fig.4 Hollow slab beam grid method model

3 20m空心板優(yōu)化方案比選

3.1 截面尺寸構(gòu)造比選

預(yù)制中板跨中斷面如圖5所示。

圖5 空心板跨中斷面（單位：mm）Fig.5 Hollow slab mid span section（unit：mm）

兩種斷面尺寸構(gòu)造參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)（單位：m）Tab.1 Two structural dimension parameters（unit：m）

由于剛接板采用現(xiàn)澆濕接縫的形式，其預(yù)制梁頂?shù)装搴穸?、腹板厚度均適當(dāng)增加，同時(shí)設(shè)置端橫梁，其優(yōu)勢(shì)可表現(xiàn)為如下幾方面：

（1）取消鉸縫，改為混凝土現(xiàn)澆段，從傳力機(jī)理上改善了鉸接板橫向連接差的問(wèn)題，由鉸接連接優(yōu)化為剛接連接，避免了因鉸縫開(kāi)裂、破壞造成的橫向傳力假定的失效，從而導(dǎo)致各片梁橫向受力不均甚至單板受力等不利工況的產(chǎn)生。

（2）由于預(yù)制結(jié)構(gòu)橫向接縫處最易出現(xiàn)病害，剛接板寬度由1.24m增加為1.55m，而且現(xiàn)澆段寬度可取為0.4m～0.8m，故對(duì)于同等寬度的橋梁來(lái)說(shuō)，接縫數(shù)量變少，降低了接縫處發(fā)生破壞的概率，提高了結(jié)構(gòu)的整體性。

（3）由于簡(jiǎn)支空心板梁剛度較小，且混凝土澆筑過(guò)程中由于定位不當(dāng)時(shí)長(zhǎng)會(huì)造成板底上浮，易造成頂板厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，從而造成頂板壓應(yīng)力過(guò)大甚至超限。故剛接板頂板厚度由12cm優(yōu)化為15cm。

（4）適當(dāng)提高了跨中腹板厚度，減少了支點(diǎn)腹板厚度，一方面可以保證跨中斷面混凝土的振搗質(zhì)量，并且加大預(yù)應(yīng)力波紋管的凈保護(hù)層，提高其抗剪承載能力；另一方面在滿足支點(diǎn)處抗剪承載力的前提下，減輕其自重。

（5）由于空心板結(jié)構(gòu)跨中斷面底板較薄，鋼絞線張拉時(shí)鋼束端部混凝土承擔(dān)較大的拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生順橋向裂縫，支點(diǎn)處底板厚度由12cm優(yōu)化為30cm，通過(guò)增加底板厚度，可以有效預(yù)防這一不利現(xiàn)象的發(fā)生。

（6）增設(shè)端橫梁，加強(qiáng)橋梁橫向整體性。在汽車荷載偏載作用下，空心板作為薄壁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的畸變變形容易在拐角處產(chǎn)生縱向裂縫，端橫梁的設(shè)置使荷載在板梁之間的橫向分布均勻，橫向受力性能更好。

3.2 截面特性比較

主梁截面特性主要包括截面面積、抗彎慣性矩及抗扭慣性矩三方面內(nèi)容，由于兩種結(jié)構(gòu)預(yù)制板寬度不同，本文選取單片中板的三種截面特性除以板寬，得到每延米板寬的截面特性值進(jìn)行比較分析，對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 兩種結(jié)構(gòu)中板截面特性Tab.2 Section characteristics of plates in two kinds of structures

從表2中可以看出，兩種空心板面積差異不大，但是剛接板在面積略低的前提下，每延米抗彎慣性矩和抗扭慣性矩均大于鉸接板，尤其是抗扭慣性矩，剛接板為鉸接板的1.33倍。這說(shuō)明剛接板的抗彎能力更強(qiáng)，尤其是在承擔(dān)偏心荷載作用下，其橫向受力更為均勻，抗扭轉(zhuǎn)能力更好。若再計(jì)入剛接板連接段的影響，這種差距將進(jìn)一步增大。而鉸接板由于抗扭剛度小，會(huì)造成在偏心荷載作用下產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，而這種應(yīng)力若采用單梁法計(jì)算模型分析一般是被忽略的。

3.3 受力特性及變形比較

1.活載作用下主梁跨中豎向變形比較

對(duì)于空心板來(lái)說(shuō)，偏載布置為活載最不利的加載方式。故在進(jìn)行活載橫向布置時(shí)，按照偏載進(jìn)行布置。鉸接空心板及剛接空心板各板在活載作用下跨中豎向位移，如圖6所示。

圖6 活載作用下各主梁豎向位移Fig.6 Vertical displacement of each main beam under live load

從圖6中可以看出，在活載作用下，剛接空心板比鉸接空心板各主梁之間位移差小，剛接空心板兩側(cè)邊板位移比為1∶0.54，鉸接空心板兩側(cè)邊板位移比為1∶0.31，由此可以得出剛接空心板各板之間受力更為均勻，更趨向于整體受力；而鉸接空心板由于鉸縫連接弱，橫向整體性差，承受活載效應(yīng)一側(cè)的板豎向位移明顯大于未承受活載效應(yīng)一側(cè)的板。

2.偏心恒載作用下豎向反力比較

空心板截面小、自重輕，故二期恒載對(duì)其的影響相對(duì)于大跨徑橋梁來(lái)說(shuō)更為明顯。二期恒載一般由橋面鋪裝荷載和防撞護(hù)欄荷載（包括隔音屏、燈桿等）組成。對(duì)于每片梁來(lái)說(shuō)，橋面鋪裝荷載可以近似理解為沿梁體結(jié)構(gòu)中線加載。但是防撞護(hù)欄位于邊梁結(jié)構(gòu)中線外側(cè)，故為偏心加載。防撞護(hù)欄荷載一般取單側(cè)10kN／m（若再疊加考慮隔音屏等因素會(huì)更大），為單片空心板梁延米重量的0.6倍左右，其偏心效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)反力的影響是非常重要的。表3為鉸接空心板及剛接空心板在防撞護(hù)欄荷載作用下各梁反力值。

表3 空心板主梁反力（單位：kN）Tab.3 Reaction of hollow slab main beam（unit：kN）

從表3中可以看出，在防撞護(hù)欄偏心荷載作用下，結(jié)構(gòu)受力有如下特點(diǎn)：

（1）兩種結(jié)構(gòu)次邊板會(huì)產(chǎn)生負(fù)反力，鉸接空心板產(chǎn)生的負(fù)反力更大，且中板反力分配不均勻，呈現(xiàn)正負(fù)反力交替出現(xiàn)的情況。

（2）邊板反力明顯大于其余板，而且由于其余板負(fù)反力的存在，邊板反力值大于防撞護(hù)欄荷載實(shí)際加載值（實(shí)際加載最大為100kN），鉸接空心板邊板反力甚至為荷載實(shí)際加載值的2倍。

結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)這種受力特點(diǎn)，究其原因主要是因?yàn)閷?duì)于支點(diǎn)處反力分配來(lái)說(shuō)，近似可以看為多點(diǎn)支承的橫向連續(xù)梁。因?yàn)轭A(yù)制結(jié)構(gòu)橫向連接弱，鉸接空心板僅靠鉸縫連接，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義的多板共同受力；而剛接空心板雖然加強(qiáng)了橫向聯(lián)系，且設(shè)置了端橫梁，但是與支承剛度相比，仍然是偏小?；诖耍捎脝瘟悍ㄓ?jì)算得出的結(jié)構(gòu)反力是偏不安全的。

3.基本組合各板結(jié)構(gòu)抗力比較

基本組合作用下，兩種結(jié)構(gòu)最不利邊板及中板跨中斷面結(jié)構(gòu)彎矩及抗力見(jiàn)表4。

表4 跨中斷面結(jié)構(gòu)內(nèi)力及抗力Tab.4 Internal force and resistance of mid span section structure

由表4可以看出，鉸接空心板承載能力安全系數(shù)較低，安全儲(chǔ)備差，邊板安全儲(chǔ)備僅為5%，若遇到超載等極端情況，結(jié)構(gòu)安全性有較大隱患。而優(yōu)化后的剛接空心板承載能力安全儲(chǔ)備大幅提高，有效地提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

4.頻域組合各板結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較

頻域組合下兩種結(jié)構(gòu)最不利邊板及中板下緣正應(yīng)力分布，如圖7、圖8所示。

圖7 鉸接空心板頻遇組合應(yīng)力（單位：MPa）Fig.7 Combined stress diagram of hinged hollow slab（unit：MPa）

圖8 剛接空心板頻遇組合應(yīng)力（單位：MPa）Fig.8 Combined stress diagram of rigid hollow slab（unit：MPa）

由圖7、圖8可以看出，頻遇組合下，鉸接空心板跨中下緣應(yīng)力儲(chǔ)備較差，中板甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力，能滿足《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 3362—2018）中的規(guī)定，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)耐久性有較大的影響，會(huì)造成結(jié)構(gòu)帶病工作。而剛接空心板跨中下緣壓應(yīng)力儲(chǔ)備合理，受力性能有明顯的改善。

3.4 材料指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性比較

兩種結(jié)構(gòu)全橋混凝土、鋼束、普通鋼筋每平米指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 兩種結(jié)構(gòu)材料指標(biāo)比較Tab.5 Comparison of indexes of two structural materials

從表5可以得到：

（1）剛接空心板每平米混凝土用量低于鉸接空心板，這說(shuō)明在同等寬度和跨徑的情況下，剛接空心板自重遠(yuǎn)小于鉸接空心板，僅為其的74%，此舉對(duì)于蓋梁、墩身、基礎(chǔ)的負(fù)荷也會(huì)相應(yīng)減少，下部結(jié)構(gòu)造價(jià)也會(huì)降低。

（2）鉸接空心板每平米鋼束及鋼筋量低于剛接空心板，但是鉸接空心板鋼束及鋼筋用量偏少已是工程界廣泛認(rèn)同的事實(shí)，甚至已經(jīng)某種程度上影響了其安全性。剛接空心板優(yōu)化了鋼束及鋼筋布置，合理地增加了鋼束及鋼筋用量。

（3）每平米造價(jià)剛接空心板略高于鉸接空心板，但增加量小于1%，在沒(méi)有大幅提高材料指標(biāo)及造價(jià)的前提下，剛接空心板達(dá)到了較好的受力效果。

4 結(jié)論

1.由于剛接空心板預(yù)制板寬度大于鉸接空心板，對(duì)于同等寬度的橋梁，剛接空心板梁的片數(shù)、橫向連接的數(shù)量均小于鉸接空心板，且把鉸縫優(yōu)化為現(xiàn)澆段，增設(shè)了橫隔板，提高了結(jié)構(gòu)的整體性。

2.剛接空心板預(yù)制板抗彎慣性矩及抗扭慣性矩均大于鉸接空心板，在提高了其抗彎承載能力的同時(shí)，在偏心荷載作用下，有更好的抗扭轉(zhuǎn)能力。

3.在偏心活載及偏心恒載作用下，剛接空心板每塊板的受力及變形比鉸接空心板更為均勻，且在防撞護(hù)欄偏心荷載作用下，次邊梁會(huì)產(chǎn)生負(fù)反力，從而造成邊梁反力值大于荷載實(shí)際加載值，故采用單梁法計(jì)算得出的結(jié)構(gòu)反力是偏不安全的。

4.鉸接空心板承載能力及應(yīng)力安全儲(chǔ)備過(guò)低，存在安全隱患，而剛接空心板優(yōu)化了截面尺寸及鋼束鋼筋配置，有效地提高了其安全性。

5.剛接空心板每平米造價(jià)略高于鉸接空心板，但由于剛接空心板每平米自重輕，對(duì)于下部結(jié)構(gòu)負(fù)荷也會(huì)減少，從而減少下部結(jié)構(gòu)造價(jià)。故剛接空心板在幾乎沒(méi)有提高工程造價(jià)的前提下，較好地優(yōu)化了結(jié)構(gòu)受力性能，值得在中小跨徑橋梁設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。