預應力空心板梁梁高的優化設計

吉禹霏，潘志強

（1.天津市市政（公路）工程研究院，天津 300074；2.中國市政工程華北設計研究總院，天津 300074）

0 引言

預應力空心板梁是公路橋梁中普遍采用的結構形式。該結構預制安裝，節省工期，且工藝成熟，預應力結構相對于鋼筋混凝土結構，更適于大跨徑橋梁，同時鋼材耗量少，混凝土開裂現象較輕。當橋梁跨徑大于20 m，往往采用預應力結構。

預應力空心板梁應用于跨河橋，跨線橋等等，尤其是工期緊張的工程更能展現出它的優勢。但經過長期實際工程的應用，也暴露出一些問題，例如鉸縫處混凝土開裂，導致單板受力，梁底出現裂縫，更甚者出現橋面開裂，梁體縱向或者橫向通縫。分析其原因，梁體的剛度和強度是主要因素，其中梁體高度是重要影響因素，但在實際工程中梁高往往受限制，如跨河橋，為滿足通航凈空，減薄梁高；跨公路橋，為滿足車輛凈空，同時還有減小引橋長度，降低梁高；同樣跨鐵路橋對凈空要求更大，更嚴格，因此減小梁高往往成了首選方案。降低梁高導致橋梁整體性、剛度和強度的降低，同時還增加工程造價。下面通過理論和實際詳細闡述優化梁高對橋梁工程的重要性。

1 預應力空心板梁梁高優化設計

唐津高速公路天津段沿線經過寧河縣、漢沽區、清河農場、塘沽區，全長60.663 km。沿線共有橋涵68座，對預應力板梁結構形式的橋梁進行詳細檢測，發現15座橋梁預應力板梁梁底存在不同程度的縱、橫向裂縫病害，大部分梁底裂縫寬度大于0.2 mm，長度基本貫穿整個梁體，因此需要換梁。現以漢南鐵路橋20 m預應力空心板梁為例（見圖1），該橋舊梁采用0.9 m梁高的預應力空心板，現將其與目前普遍采用的1.0 m梁高20 m預應力空心板進行對比分析，具體分析不同梁高對工程受力、造價的影響。

圖1 全橋實景

漢南鐵路橋橋梁分為上下行兩幅橋，每半幅橋全寬12.5 m，其橫向布置為：0.5 m（防撞墻）+3.5 m（緊急停車帶）+2×3.75 m（行車帶）+1.0 m（工作帶）。該橋建成于1998年，第23孔為20 m預應力板梁，經檢測該孔橋梁普遍存在梁底縱向裂縫，該橋梁需進行加固維修，現以第23孔20 m預應力空心板梁為例進一步分析說明。

該橋梁底的縱向裂縫幾乎貫通且每片梁均存在此問題（見圖2）。

圖2 板梁梁底縱裂實景

現通過對原設計的0.9 m梁高預應力空心板梁與現在普遍采用的1.0 m梁高預應力空心板梁進行對比分析（見圖3、圖4）。兩種空心板梁截面寬度相同，橫橋向布置相同，二期恒載及活載布置相同，并采用相同布置的鋼絞線及普通鋼筋，現分析兩種梁高不同的空心板其受力情況。二期恒載均為10 kN/m2，鋼絞線均采用5φs15.2 mm高強度低松弛鋼絞線頂底板各兩根。

圖3 0.9 m梁高空心板梁中板斷面圖（單位：cm）

圖4 1.0 m梁高空心板梁中板斷面圖（單位：cm）

現通過MIDAS軟件進行計算分析，計算模型采用單片梁模擬，兩種板梁的橋寬相同，車道荷載布置相同，但折算到單片梁的橫向分布系數不同，0.9 m梁高空心板梁橫向分布系數0.267，1.0 m梁高空心板梁橫向分布系數0.296，由于截面慣性矩大，橫向分布系數計算與截面慣性矩有關，因此在相同荷載的情況下，1.0 m梁高空心板梁受力相對大一些。由于1.0 m梁高空心板梁截面面積及慣性矩均大于0.9 m梁高空心板梁，因此在較大荷載作用下，其梁體自身的剛度、強度等產生的抗力優勢，完全抵消了荷載大的作用，計算結果見圖5、圖6所示。

圖5 0.9 m梁高20 m預應力空心板梁內力圖（單位：kN·m）

圖6 1.0 m梁高20 m預應力空心板梁內力圖（單位：kN·m）

表1為0.9 m梁高與1.0 m梁高20 m預應力空心板梁抗力對比分析表。

由以上對比分析可以看出，在相同的荷載作用下，1.0 m梁高空心板梁結構應力小于0.9 m梁高空心板梁，因此1.0 m梁高的空心板梁耐久性能更好；1.0 m梁高空心板梁結構抗力大于0.9 m梁高空心板梁，因此1.0 m梁高的空心板梁能承受更大的荷載。

表1 參數及應力抗力對比分析表

現對比分析一下結構的經濟性，1.0 m梁高空心板梁混凝土用量12.2 m3，0.9 m梁高空心板梁混凝土用量11.5 m3，對比分析混凝土用量1.0 m梁高空心板梁比0.9 m梁高空心板梁多0.7 m3，即多了6%的混凝土用量，但從應力撓度及抗力分析可以看出，應力最大優化14%，撓度優化26%，抗力優化14%，因此梁高增加10 cm，混凝土用量增加6%，而應力及撓度的降低及抗力的增加，均遠遠超于混凝土用量的增加。

若保持兩種梁高的抗力相同，則1.0 m梁高空心板梁的鋼絞線用量比0.9 m梁高空心板梁節約11%，因此在滿足同等設計等級荷載的情況下，1.0m梁高空心板梁比0.9 m梁高空心板梁造價更低，更經濟。

2 結語

（1）空心板梁采用合理梁高既可以加大橋梁結構抗力性能，延長橋梁使用壽命，同時還可以節約鋼材，降低造價。

（2）適當增加空心板梁梁高，可增加梁體剛鉸縫的橫向連接，增加橋梁的整體性能。

（3）空心板梁梁高增加，對結構自重的增加影響很小，而對結構受力的影響非常大，結構自重增加6%，而結構抗力增加14%，因此空心板梁在設計時不能一味的追求最小梁高，應對比分析，取最優化的梁高。

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[2]葉見曙.結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，1997.

[3]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

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