新型剛接空心板橋梁應用與技術指標分析

黃巍峰

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

新型剛接空心板橋梁應用與技術指標分析

黃巍峰

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

結合傳統鉸接空心板存在的不足及病害，介紹了新型預制裝配式剛接空心板，并針對S7公路工程20 m跨徑的剛接空心板進行了結構分析。此外對三種空心板進行了技術指標對比。

剛接空心板；鉸縫；病害；耐久性；裂縫；強度；技術指標；造價

0 引言

空心板結構是目前被廣泛采用的橋梁結構形式，其結構高度低，工廠化程度高，運輸、吊裝方便，對地面交通影響較小，工程造價低。自20世紀60年代以來，經過數十年的發展和完善，空心板梁標準化、工廠化、機械化的優勢日漸凸顯，在上海內環線、外環線、S32、G1501等高速公路橋梁及大量中小跨徑地面橋梁上均得到運用。

但隨著交通量增大、重車和超載車輛增多，空心板橋梁在使用一定年限后也暴露出一系列的問題，特別是鉸縫破壞，導致空心板單梁受力問題，一直無法得到徹底解決，從而影響橋梁的運營安全和結構壽命[1]。上海市城鄉建設和交通委員會在《上海市城市道路和公路設計指導意見》中明文規定，限制預制裝配式鉸接空心板結構在高等級公路和城市道路上的使用[2]。因此，開發適用于中小跨徑橋梁的新型預制裝配式空心板結構，具有非常重要的現實意義。

1 鉸接空心板病害分析

通過資料收集和調查分析，鉸接空心板的主要病害有：鉸縫開裂，空心板底出現縱橫向裂縫，橋面鋪裝開裂、支座脫空等（見圖1）。造成上述問題的根本原因，是由于鉸接空心板的受力計算模式與實際存在偏差。由于鉸縫混凝土體積較小，以及施工質量、重車和超載等外部因素，造成鉸縫本身極易破壞，無法實現力的傳遞，從而導致計算假定模式失效，造成單梁受力，進而引起開裂破壞。

圖1 鉸接空心板病害

針對鉸縫連接可靠性較差的缺點，改進橫向連接方式，將鉸接變為剛性連接，將對改善鉸接空心板剛度較小，整體性、行車條件和耐久性較差及根治相關病害起到至關重要的作用。

2 新型剛接空心板簡介

（1）鉸接空心板的鉸縫是結構的薄弱環節。新型剛接空心板結構將板梁預制成兩側帶挑臂的形式，板與板之間的連接改進為后澆濕接頭的剛性連接[3]。

（2）傳統空心板的頂、底板及腹板尺寸較小，結構耐久性、可靠性較差。新型剛接空心板增加了截面構造尺寸，提高了結構的可靠程度。

幾種空心板橫斷面對比見圖2。

圖2 空心板構造對比（單位：mm）

（3）目前空心板預制內模多采用充氣膠囊，而氣囊在施工過程中極易上浮，造成頂板尺寸減小。剛接空心板采用一次性內膜，可有效防止氣囊上浮造成的截面尺寸變化。

（4）新型剛接空心板每片梁使用4個支座，同時在梁端設置端橫梁，增加橫向剛度和整體性。如此可改善鉸接空心板由于施工誤差造成支座脫空后的不利受力情況。

（5）該新型結構采用后張法體系，按A類結構設計。圖3為其跨中鋼束布置斷面，圖4為普通鋼筋斷面。混凝土采用C50，鋼鉸線采用低松弛高強度鋼絞線，公稱直徑φs15.2mm，其抗拉強度標準值fpk=1860MPa，設計張拉力0.75 fpk；普通鋼筋采用HRB400及HPB300。

圖3 剛接空心板鋼束布置斷面（單位：mm）

圖4 剛接空心板普通鋼筋斷面（單位：mm）

3 工程實例

本文采用的工程實例為S7公路工程[4]。主線高架在寶安公路南側設有一對平行匝道，橋寬為9 m。匝道在跨越地面河道楊涇時，由于受起橋點位置及橋梁縱坡的制約，橋面標高僅6.3 m。如采用與主線相同的小箱梁結構，則跨越河道的橋梁梁底標高將無法滿足水務部門的最低要求，因此該匝道部分橋跨采用了跨徑為19.96 m的剛接空心板結構，有效控制了結構高度。橋梁設計荷載等級為公路－I級，安全等級為一級，標準橫斷面布置見圖5。

圖5 橫斷面布置（單位：mm）

計算執行《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）[5]及《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62-2004）[6]。荷載等級為公路－I級。二期恒載為10 cm鋼筋混凝土鋪裝、10 cm瀝青混凝土鋪裝及防撞護欄，鋪裝不參與結構受力。體系升降溫按30℃考慮，溫度梯度及混凝土收縮徐變按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[6]相關條文取值。

4 結構分析

4.1 橫向分布計算

空心板橫向采用剛性連接，以剛接板梁法計算得出橫向分布系數（見表1）。

表1 橫向分布系數

4.2 正截面抗裂驗算

短期效應組合下板梁截面上下緣最小正應力如圖6所示。

圖6 短期效應組合上下緣最小正應力（單位：MPa）

長期效應組合下板梁截面上下緣最小正應力如圖7所示。

圖7 長期效應組合上下緣最小正應力（單位：MPa）

結構在短期和長期效應組合下均未出現拉應力，正截面抗裂驗算結果滿足規范要求。

4.3 斜截面抗裂驗算

短期效應組合下板梁截面最小主應力見圖8。

圖8 短期效應組合截面主拉應力（單位：MPa）

最大主拉應力遠小于規范要求的0.7×ftk= 0.7×2.65=1.86 MPa。

4.4 正常使用極限狀態應力驗算

標準組合下板梁截面上下緣最大正應力見圖9。

圖9 標準組合上下緣最大正應力（單位：MPa）

受壓區的混凝土最大壓應力小于規范要求的0.5×fck=0.5×32.4=16.2 MPa。

標準組合下板梁截面主應力見圖10。

圖10 標準組合截面最大主壓應力（單位：MPa）

標準組合下混凝土的主壓應力滿足規范要求小于0.6×fck=0.6×32.4=19.4 MPa。

4.4 正截面抗彎強度驗算

跨中截面最大彎矩為4 801 kN·m，截面抗力為5 047 kN·m，滿足使用要求。圖11為 最大抗力對應內力圖。

圖11 最大抗力對應內力圖（單位：kN·m）

通過以上計算結果可知，剛接空心板在抗裂驗算、承載能力驗算等方面均能滿足規范要求。

5 綜合比較

剛接空心板在連接方式、力學性能、行車條件等方面具有傳統鉸接空心板無法比擬的先天優勢;在施工方面，與傳統鉸接板橋梁施工相同，上部結構采用工廠預制、現場吊裝方法施工，上下結構可同時平行作業，有利于保證橋梁的施工進度。

以下是對剛接空心板、上海版空心板及交通部版空心板的技術經濟指標進行綜合對比分析（見圖12～圖14）。

圖12 混凝土用量對比

圖13 鋼絞線用量指標對比

圖14 鋼筋用量指標對比

通過不同跨徑板梁的對比可以發現，剛接空心板的混凝土用量僅為交通部空心板的70%左右，同時也低于上海版空心板。這得益于剛接空心板兩側設置了挑臂及現澆濕接頭，斷面布置更為合理，提高了腹板的利用效率，從而節省了混凝土用量。同時利用現澆濕接頭的寬度變化，可使剛接空心板對于邊寬度橋梁的適應能力大大高于傳統鉸接空心板。

跨徑16 m以下的剛接空心板預應力束用量與鉸接空心板基本相同，而20 m及以上跨徑時略低。鋼筋指標與交通部版鉸接空心板也基本相同，但高于上海版鉸接空心板。

經綜合比較，以三孔地面橋梁為例，剛接空心板橋梁綜合造價約為5 000元/m2，略高于上海版鉸接空心板4 800元/m2的造價，但遠低于交通部版空心板5 500元/m2的造價。

6 結論

后張法剛接空心板是一種介于鉸接空心板與小箱梁之間的結構形式，繼承了鉸接空心板結構高度低、工廠化程度高、施工快速方便、工程造價低的優點和小箱梁整體性好、行車條件好、耐久性好的優點。通過濕接頭的剛性連接，從根本上根治了傳統鉸接空心板由于鉸縫破壞而造成的一系列病害。此外，剛接空心板對變寬度橋梁的適應能力遠高于鉸接空心板，并憑借其跨徑布置靈活、結構高度較低等優點，在中小跨徑橋梁的設計中可得到廣泛的適用。

[1]秦懷榮.裝配式板橋單板病害原因分析及對策[J].工程與建設，2007，21(1)：21-25.

[2]上海市城鄉建設和交通委員會.上海市城市道路和公路設計指導意見（試行）[Z].上海：上海市城鄉建設和交通委員會，2009.

[3]上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司.中小跨徑橋梁新結構科研報告[R].上海：上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，2013.

[4]上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司.S7公路新建工程施工圖[Z].上海：上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，2015.

[5]JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].

[6]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

U445

B

1009-7716（2016）05-0227-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.063

2016-02-19

黃巍峰（1980-），男，上海人，工程師，從事橋梁設計工作。