20 m預(yù)制空心板先張法和后張法對(duì)比研究

王勝良

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 概述

20 世紀(jì) 80 年代以后，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了全面的發(fā)展，橋梁建設(shè)作為交通的“生命線”工程，發(fā)展迅猛。據(jù)交通運(yùn)輸部《2021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2020年末全國(guó)公路橋梁96.11×104座、7 380.21×104延米，其中特大橋梁7 417座、1 347.87×104延 米，大 橋13.45×104座、3 715.89×104延米。特大橋與大橋所占比例分別為0.77%、13.99%，中小跨徑橋梁占比為85.24%。由此可得，中小跨徑橋梁在我國(guó)公路橋梁中占有很大比重。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)役公路小跨徑橋梁中，板梁所占比為53.4%。預(yù)制空心板橋作為我國(guó)最常見(jiàn)的橋型之一，具有體積小、重量輕、構(gòu)造簡(jiǎn)單、建筑高度低、造價(jià)低、工廠預(yù)制施工方便等優(yōu)點(diǎn)。

2 預(yù)制空心板的兩種施工工藝

在工程運(yùn)用實(shí)際中，預(yù)制空心板按有無(wú)預(yù)應(yīng)力筋分為鋼筋混凝土空心板和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板根據(jù)施工工藝不同分為先張法和后張法。

2.1 先張法空心板

先張法預(yù)制空心板的施工是在澆筑混凝土前在臺(tái)座上或鋼模上張拉預(yù)應(yīng)力筋，并用夾具將張拉完畢的預(yù)應(yīng)力筋臨時(shí)固定在臺(tái)座的橫梁上或鋼模上，然后進(jìn)行非預(yù)應(yīng)力筋的綁扎，支設(shè)模板，澆筑混凝土，養(yǎng)護(hù)混凝土至規(guī)定強(qiáng)度（一般不低于混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的75%），保證預(yù)應(yīng)力筋與混凝土之間有足夠的粘結(jié)力時(shí)，放張或切斷預(yù)應(yīng)力筋，使預(yù)應(yīng)力筋彈性回縮，通過(guò)混凝土與預(yù)應(yīng)力筋之間的粘結(jié)力傳遞預(yù)應(yīng)力，使之對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件受拉區(qū)的混凝產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。

由于預(yù)應(yīng)力空心板屬于中小型預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，先張法可采用臺(tái)座法，臺(tái)座法施工主要工藝流程是：清理臺(tái)座、刷隔離劑→預(yù)應(yīng)力筋制作、非預(yù)應(yīng)力筋骨架制作→穿預(yù)應(yīng)力筋及安放非預(yù)應(yīng)力鋼筋骨架→安放預(yù)埋鐵件→調(diào)整初應(yīng)力→張拉預(yù)應(yīng)力筋一安裝模板→澆筑混凝土→養(yǎng)護(hù)混凝土→拆除模板→放張、切斷預(yù)應(yīng)力筋→構(gòu)件起吊堆放→繼續(xù)養(yǎng)護(hù)→運(yùn)輸?shù)街付üこ态F(xiàn)場(chǎng)。

2.2 后張法空心板

后張法預(yù)制空心板的施工工藝是先澆筑留有預(yù)應(yīng)力筋孔道的構(gòu)件，待其混凝土達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度后，在預(yù)留孔道內(nèi)穿入預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，并利用錨具把張拉后的預(yù)應(yīng)力筋錨固在構(gòu)件的端部，依靠構(gòu)件端部的錨具將預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)張拉力傳遞給混凝土，使其產(chǎn)生預(yù)加壓應(yīng)力，最后進(jìn)行孔道壓漿并澆注梁端封錨混凝土，使預(yù)應(yīng)力筋與混凝土構(gòu)件形成整體。

3 先張法和后張法空心板對(duì)比研究

3.1 工程概況

根據(jù)張家港市綜合交通規(guī)劃及路網(wǎng)規(guī)劃，規(guī)劃形成“六橫五縱”市域快速干道網(wǎng)及“六橫九縱”市域結(jié)構(gòu)性主干路網(wǎng)絡(luò)。考慮盡可能減少后期建設(shè)對(duì)鐵路的影響，避免二次建設(shè)，結(jié)合此次南沿江城際鐵路建設(shè)同步實(shí)施沿線主要相關(guān)道路。

本工程共涉及9條道路與南沿江城際鐵路相交，分別為：暨陽(yáng)西路、港華路、張楊公路西段、張皋路、章卿路、西二環(huán)匝道、老204國(guó)道、晨豐公路（交界河路）、新204國(guó)道。其中張皋路部分工程采用跨度L為20 m的空心板梁，單幅橋，橋?qū)?3.05 m，汽車(chē)荷載采用公路Ⅰ級(jí)，行車(chē)道數(shù)為3車(chē)道，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，標(biāo)準(zhǔn)路面橫坡設(shè)置為單向橫坡2%，橋面布置為13.05 m=0.525 m（SS級(jí)防撞護(hù)欄）+12.00 m（行車(chē)道）+0.525 m（SS級(jí)防撞護(hù)欄）。現(xiàn)通過(guò)此工程實(shí)例來(lái)研究分析兩種施工工藝對(duì)工程量及結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響。

3.2 兩種空心板工程量對(duì)比分析

本工程分別采用先張法與后張法空心板時(shí)橫橋向布置見(jiàn)表1。

表1 先張法與后張法橫橋向布置

由表1可知，對(duì)于本工程需要先張法預(yù)應(yīng)力空心板10個(gè)中板、2個(gè)邊板、11個(gè)鉸縫；而后張法預(yù)應(yīng)力空心板需要8個(gè)中板、2個(gè)邊板、9個(gè)鉸縫。

現(xiàn)以中板為例，對(duì)兩種空心板進(jìn)行分析研究。先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板中板橫斷面如圖1所示，板寬99 cm，梁高95 cm，跨高比為21∶1；中板預(yù)應(yīng)力筋布置如圖2所示，每片空心板板底配有14根15.2鋼絞線。

圖1 先張法中板橫斷面（cm）

圖2 先張法中板預(yù)應(yīng)力筋布置圖（cm）

后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板中板橫斷面如圖3所示，板寬124 cm，梁高95 cm，跨高比為21∶1；中板預(yù)應(yīng)力筋布置如圖4所示，每片梁配有4孔預(yù)應(yīng)力鋼束，其中1號(hào)預(yù)應(yīng)力束為6根1sφ5.2鋼絞線，2號(hào)預(yù)應(yīng)力束為5根sφ15.2鋼絞線。

圖3 后張法中板橫斷面（cm）

圖4 后張法中板預(yù)應(yīng)力筋布置圖（cm）

現(xiàn)將兩種空心板一跨的主要工程量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 先張法和后張法空心板工程量對(duì)比

由表2數(shù)據(jù)可知，兩種空心板一跨所需C50混凝土的工程量基本相等，先張法空心板鋼絞線比后張法少1 074.2 kg，HRB400鋼筋多9 185.7 kg，HPB300鋼筋少3 762.0 kg。因此，對(duì)于整個(gè)工程來(lái)說(shuō)，后張法空心板的工程造價(jià)低于先張法空心板。

3.3 兩種空心板結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比分析

本工程采用橋梁博士（V4.3.0）分別對(duì)先張法和后張法空心板進(jìn)行建模計(jì)算，汽車(chē)荷載考慮橫向分布，其中支點(diǎn)位置按杠桿法計(jì)算，L/4位置以及跨中位置按鉸接板法計(jì)算。首先對(duì)比其中板最大彎矩包絡(luò)圖，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 先張法中板彎矩包絡(luò)圖（kN·m）

圖6 后張法中板彎矩包絡(luò)圖（kN·m）

由彎矩包絡(luò)圖可知，先張法空心板正截面強(qiáng)度安全系數(shù)K=2 443.3/2 167.0=1.13，后張法安全系數(shù)K=3 378.9/2 447.0=1.38。兩種空心板的正截面抗彎強(qiáng)度均滿足要求，后張法的安全系數(shù)大于先張法。

在兩種空心板結(jié)構(gòu)外邊緣配置相同直徑和間距的箍筋，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩種空心板的抗剪能力進(jìn)行對(duì)比分析，其最大剪力包絡(luò)圖如圖7、圖8所示。

圖7 先張法中板剪力包絡(luò)圖（kN）

圖8 后張法中板剪力包絡(luò)圖（kN）

由最大剪力包絡(luò)圖可知，兩種空心板抗剪強(qiáng)度均滿足要求。由于兩種空心板最大區(qū)別在于后張法鋼絞線在支點(diǎn)處彎起，使得兩種空心板支點(diǎn)附近抗剪能力有所區(qū)別。為此，將兩種空心板支點(diǎn)位置附近、L/4及跨中位置的抗剪結(jié)果列于表3和表4，其中安全系數(shù)K為抗剪抗力與最大剪力的比值。

表3 先張法空心板抗剪計(jì)算結(jié)果

表4 后張法空心板支點(diǎn)位置抗剪計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)比表3和表4，可以明顯得出兩種空心板抗剪強(qiáng)度均滿足要求，且在距離梁端2 m范圍內(nèi)，后張法空心板的最大抗剪安全系數(shù)大于先張法空心板抗剪安全系數(shù)；在L/4到跨中范圍內(nèi)，后張法空心板的最大抗剪安全系數(shù)小于先張法空心板抗剪安全系數(shù)。原因在于先張法空心板鋼絞線在板底水平布置，而后張法空心板鋼絞線在大部分位置水平布置于板底，僅在支點(diǎn)位置彎起，而這部分彎起的鋼絞線會(huì)為空心板提供抗力，使得后張法空心板在支點(diǎn)位置附近總抗力大于先張法。在跨中位置，兩種空心板的鋼絞線均水平布置于板底，箍筋相同，但由于先張法空心板板寬小，配箍率高，導(dǎo)致后張法空心板抗剪總抗力在跨中位置附近小于先張法空心板。

4 結(jié)論

文章以一個(gè)工程實(shí)例為依據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了兩種空心板一跨的主要工程量，利用有限元軟件對(duì)20 m跨度的先張法和后張法空心板進(jìn)行建模計(jì)算，并對(duì)其正截面抗彎能力、斜截面抗剪能力進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：（1）對(duì)于20 m跨度的空心板，采用后張法施工工藝比先張法更經(jīng)濟(jì)。（2）后張法空心板正截面抗彎強(qiáng)度安全系數(shù)大于先張法，斜截面抗剪能力優(yōu)于先張法空心板。（3）對(duì)于20 m裝配式預(yù)應(yīng)力空心板建議采用后張法施工。