空心板梁橋預應力體系設計問題探析

袁漢君

摘要：空心板梁橋應用非常廣泛，其優化設計一直以輕薄、經濟為主要目標，不斷減小板厚，以期獲得最大的結構挖空率，這些都會對空心板梁的使用性能和耐久性能產生不利的影響，因此在選擇空心板預應力體系和確定截面尺寸時應當綜合考慮結構受力、預應力布置、施工工藝、結構耐久性等多方面要求。文章分析了空心板預應力體系設計中應當解決的若干問題，并提出了解決方案。

關鍵詞：空心板梁橋；預應力體系；設計

中圖分類號：TU378文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）09-0176-02

在薄壁、空心板梁的優化設計過程中，需解決以下幾個矛盾，即大挖空率與鋼鉸線群錨體系布束空間之間的矛盾；薄壁構造與結構耐久性之間的矛盾；企口深淺與鉸接板橫向共同工作的矛盾；梁高降低與結構上拱度之間的矛盾。如何處理好上述矛盾，是合理選擇預應力體系與確定截面尺寸的前提。

一、大挖空率和鋼鉸線群錨體系布束空間之間的矛盾

在空心板梁的設計中，總是希望能夠增加空心板的結構挖空率，從而減輕上部結構自重和降低梁高，并且使下部結構的受力更加合理。但是挖空率的加大必然會導致底板及腹板的減薄，而鋼鉸線群錨體系需要較大的錨固空間來進行鋼鉸線的布置，因此常常會出現由預應力的錨固空間來控制截面的情況。空心板梁的挖空率過大將會導致空心板端部錨固區錨下應力過大。采用扁錨雖可進一步增大挖空率，但是會帶來一系列的問題。因此，在設

計中不能一味的追求截面的大挖空率，而必須考慮挖空率和鋼鉸線布束之間的平衡。

二、薄壁構造與結構耐久性之間的矛盾

為了增加空心板的挖空率，在設計中就必須減薄底板、腹板和頂板的厚度，這必然會使混凝土保護層的厚度取值偏小，使混凝土的碳化速度加快，導致預應力鋼筋及普通鋼筋的銹蝕；此外，如果使用扁錨體系進一步減薄

壁厚，則會造成管道灌漿不密實、預應力筋容易銹蝕的問題，這些都會影響結構的耐久性。

三、企口深淺和鉸接板共同工作的矛盾

空心板梁是典型的鉸接板體系，要想保證各塊板之間的共同工作就必須靠企口和橋面鋪裝的作用。從結構型式上分，空心板一般可分為翼緣空心板、深鉸空心板和淺鉸空心板。翼緣空心板由于翼緣部分較為薄弱，橫向鉸接效果不好，導致橫向整體性較弱等問題，目前國內已很少采用；深鉸空心板克服了翼緣空心板的缺點，只要鉸縫間混凝土的施工質量得到保證，就可以發揮其橫向整體性好、鉸縫間連接可靠的優點，因而應用最為廣泛，但其缺點是鉸縫間的混凝土量較大，增加結構自重，而且該部分混凝土在施工中的振搗質量也難以保證；淺鉸空心板與深鉸空心板相比，主要優點是同樣的板寬，由于鉸的高度小，其截面挖空率更高，降低了結構自重，經濟性更為優越，且鉸縫間混凝土的施工質量易保證，但淺鉸空心板橫向聯結差，整體性不好，因而其應用受到一定限制。目前淺鉸空心板的應用已逐漸增多。

在目前的空心板設計中，一方面為增大挖空率、減小鉸縫自重想采用小企口和減少鋪裝層厚度，另一方面如果這樣做，則橋梁結構橫向整體性較差，有可能導致各板不能共同工作。雖然設計人員為增強結構橫向整體性，可在淺鉸縫中設置鋼纖維混凝土，但這樣鉸縫混凝土與橋面鋪裝層必須分開澆注，施工麻煩，且造價也有所提高。有人提出采用變高度鉸縫，即鉸縫的高度隨預應力束布置的變化而變化。在跨中處，一般預應力束布置靠近板的下緣，則該段采用深鉸縫；在靠近支點處，預應力束由在跨中的靠近下緣逐漸向上彎起靠近上緣，該段鉸縫的高度也隨之變化，鉸縫的高度從跨中到支點逐漸由大變小，在梁端處，變為淺鉸或無鉸。這種變高度鉸空心板，應該說在一定程度上綜合了深鉸空心板和淺鉸空心板的優點，整體性較淺鉸空心板好，工程量較深鉸空心板也有所減少，并且鉸縫可采用與橋面鋪裝層同等標號的混凝土，實現同期澆筑，施工方便。但如果采用變高度鉸縫，則跨中到支座截面不等，模板制做比較麻煩。不過在進行空心板的標準化設計時，不管在理論計算還是工程實踐中，同種跨徑不論正板或斜板，都采用相同的板高，相同的鋼鉸線布置，也就是說，對同種跨徑，側模的形式是可以固定的。此外，如果采用鋼纖維混凝土鋪裝層，一方面可以加強橋梁的整體性能，另一方面也能夠降低橋面鋪裝層的厚度，從而進一步的降低上部結構的高度。

四、梁高降低與結構上拱度之間的矛盾

在城市橋梁及高速公路線上，降低梁高有利于提高橋下凈空，降低路堤高度，從而帶來巨大的經濟效應，因此設計人員都希望能夠設計低高度梁。但是梁高的降低會使預應力鋼筋的用量有所增大，同時還會導致截面剛度的大幅度減小（截面剛度與高度的立方成正比），這樣會使結構在預應力施工階段的上拱度有較大增加，在巨大的預應力的長期作用下，結構的收縮徐變使得上拱度增大，從而對于橋梁的使用性能會造成很大的不便。為此，可降低預應力度，采用部分預應力混凝土空心板梁A類構件，一方面可以一定程度的減少預應力筋的用量，降低結構的上拱度，保證橋梁的正常使用；另一方面又可以增加結構的延性，避免出現脆性破壞。

采用緩粘結預應力體系，可以做到不預留孔道，不需孔道灌漿，施工時與無粘結體系一樣，而在施工完成后，靠包裹于預應力筋的緩凝砂漿或油脂隨時間延長而逐漸凝結硬化與預應力鋼筋形成粘結而達到與有粘結預應力體系幾乎完全相同的效果。而且可以根據需要設定硬化所需的時間。另外緩粘結預應力筋，可以采用分散布束，減小預應力布束所占的空間，可以使截面的挖空率得到進一步降低。但是由于采用分散布束，預應力筋需要布置在腹板上才能滿足承載力的要求，所以預應力筋的抗彎效率會有所降低，這樣必然會增加預應力筋的用量。

塑料波紋管留孔、真空輔助壓漿是近年涌現出來的新材料與新工藝，并已在南京長江二橋橋塔施工中得到了成功應用。塑料波紋管配合真空輔助灌漿技術，可有效地保證壓漿質量，防止預應力筋的銹蝕，并且塑料波紋管自身相對于金屬波紋管具有強度高、剛度大、密封性好、可施工性好、耐腐性強、孔道摩阻小等優點，如應用于寬幅空心板梁橋能夠有效提高結構的耐久性。

高強預應力材料是現代預應力材料的發展方向。在歐洲，鋼絞線抗拉標準強度已達2160MPa并批量生產；在日本，已研制出抗拉強度高達2300MPa的預應力鋼絞線；我國目前也已推出2000級MPa預應力體系，比目前常用的1860級強度提高了7.5%。如將其應用于寬幅空心板梁，則能夠減小斷面尺寸，減輕梁體自重，同時又能夠減少所需鋼鉸線的數量，從而減少墊板、波紋管等配套使用材料，進一步優化寬幅空心板截面，減小工程費用。

除了高強度的發展方向，大直徑也是預應力材料的發展方向。日本市場已經開發出綜合強度大于1770MPa，由19根粗細不一的鋼絲扭鉸而成，直徑為Ф21.8和Ф28.6的大直徑鋼絞線，其單根抗拉極限強度達573~949kN（相當于現有Ф15.2鋼絞線的3～5倍），錨具可配用HVM22及HVM28，已開始在橋梁建設工程中應用，而且有逐漸增多的趨勢，但由于我國現不能生產Ф21.8和Ф28.6鋼絞線，而進口鋼絞線價格太高，因此阻礙了該技術在我國的推廣。大直徑鋼絞線體系（結合緩粘結預應力技術）吸收了緩粘結預應力體系摩阻小、安全性較高和無需孔道灌漿等優點，同時由于其一根即可代替3～5根Ф15.2 鋼絞線，因而解決了緩粘結預應力體系由于分散布束而降低抗彎效率的問題，因此在寬幅空心板設計中采用大直徑鋼絞線，有利于減小板厚，增大挖空率，并可避免由于灌漿不實帶來的對耐久性的不利影響。

高性能混凝土具有高強度、高抗滲性和優良體積穩定性，它在提高混凝土強度的同時還對混凝土的其他指標進行一定的限制，例如彈模、和易性、密實性以及抗炭化能力等。如果將高強、高性能混凝土應用于寬幅空心板可以進一步降低梁高，減小端部錨固區錨下局部承壓破壞的概率；在能夠減小寬幅空心板梁斷面尺寸的同時，也能大大提高結構的耐久性能，延長使用壽命。

參考文獻

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