應力疊合木橋面板的發展與應用

（吉林交通職業技術學院，吉林 長春 130000；中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林 長春 130000）

一、應力疊合木橋面板的發展

橋面板是木結構橋梁最主要的組成部分，常用的形式有螺釘疊合木橋面板、膠合木橋面板、交錯疊合木橋面板和應力疊合木橋面板。目前研究和應用較為成熟的是應力疊合木橋面板，其在國外已成為現代木結構橋梁中應用最廣泛的橋面板結構形式。

先在疊合板上用電鉆預留出孔，再將疊合板按照預留孔的位置布好，然后再將預應力筋穿入孔道，通過千斤頂或預應力張拉設備在疊合板內施加側向預壓應力，使疊合板之間產生摩擦力，從而把一塊一塊的獨立的板變成一個剛性的整體板結構，這樣當有荷載作用在疊合板上時，其就可以將荷載傳遞到鄰近的疊合板上。后來為了提高施工速度，增加疊合板之間的摩擦力，使用膠合技術預先將疊合板用膠粘在一起，粘合之前在疊合板上預留空洞，然后在孔洞內穿上鋼筋，通過張拉的方式將疊合板壓緊再進行錨固，應力疊合木橋面板的概念就清晰化了。

在加拿大之前使用的木橋面板多為螺釘疊合木橋面板，到了20 世紀70 年代晚期，隨著時間的增長，許多橋面板出現了木板與木板間的滑移錯動，有瀝青鋪裝層的橋面板有的出現了鋪裝層開裂或者脫空的問題。受到預應力混凝土概念的啟發，在1976 年安大略首次提出了預應力疊合板的概念，并在舊橋加固改造中進行了成功應用。最早的應力疊合木橋面板的概念是指在橋面板的外側固定上下預留孔的鋼板，在橋面板上、下兩個方向上通過鋼板預留孔穿上預應力鋼筋，對橋面板進行加固，這種方法在當時被叫做橫向后張預應力法。當時不管是設計方法，還是施工技術和養護措施都還不太完善，隨著時間的推移橋面板上側的預應力筋會損壞，但是這種技術在螺釘疊合木橋面板的加固上是非常成功的。

應力疊合木橋面板的設計方法在1979 年由安大略交通部聯合加拿大皇后大學（Queens University）首次提出，安大略省公路橋梁設計規范（簡稱OHBDC）當年就采用它。受此設計方法的啟發，這種技術在1981 年在新建木結構橋梁中得到了應用，從此使得木橋面板不管是在研究方面還是在應用上都達到了一個新高度。

1981 年加拿大安大略省建成了世界上第一座使用了應力疊合木橋面板的現代木結構橋梁。美國第一座應力疊合木橋于1987 年在明尼蘇達州的庫克縣建成。隨著應力疊合木橋面板概念的清晰化，疊合板、膠合、預應力這些名詞在統一概念中也能夠更加清楚的進行描述，比之前的預應力板人們也更容易接受。因此，應力疊合木橋面板的施工技術也迅速的被推廣開來，安大略省公路橋梁設計規范（1991 版）引入這個概念。1996 年為止，由于應力疊合木橋面板可以使用較小尺寸規格的木板，軟木和等級較低的硬木都可以得到利用，美國共建了400 余座應力疊合木結構橋梁，為了研究他們的使用性能還對其中的40 座進行了現場檢驗和測試。

在日本、澳大利亞、挪威、瑞士、巴西等國家，應力疊合木橋面板也得到了較好的發展和應用。自從1990 年悉尼科技大學開展應力疊合木橋面板的研究應用以來，在全國范圍內成功建立了40 多座原型橋。歐洲第一次使用此技術是在1985 年，瑞士有一座橋梁要改建，便使用了應力疊合木橋面板。1994 年瑞典還修建了兩座用來承受重載交通的應力疊合木橋。

二、應力疊合木橋面板的截面形式

1、矩形的應力疊合木橋面板

在現代木結構橋梁中矩形的應力疊合木橋面板是應用最多最廣泛的形式。疊合板大多由實心的規格材組成，根據橋面板厚度和跨徑的不同決定采用一排還是兩排預應力筋。

如果橋梁結構的跨徑較大，矩形的應力疊合木橋面板只能作為橋面板使用，如果橋梁結構的跨徑較小，應力疊合木橋面板可以直接作為梁板結構。。

2、T 形應力疊合木橋面板

T 形應力疊合木橋面板是由層板膠合木梁組成的，其中翼緣板梁高度較小，為了增加橫斷面的縱向剛度，并在其間按照一定的間距放置高度較大的縱梁，也就是腹板梁，然后在頂面翼緣板和腹板梁體內預先鉆好的孔中穿入預應力筋，從而形成了T 形的應力疊合木橋面板。

這種類型的應力疊合木橋面板直接作板梁結構。美國西佛吉尼亞州在群88 年首次使用了T 形應力疊合木橋面板。該橋跨徑為22.3m，梁橫截面為150mm×1140mm，橋面板厚230mm。

3、箱形應力疊合木橋面板

箱形的應力疊合木橋面板（梁）的組成主要為頂板、腹板和底板，然后將預應力筋穿入預先鉆好的孔中，便形成了這種箱形的應力疊合木橋面板（梁）。

4、拱形應力疊合木橋面板

拱形應力疊合木橋面板不管是在設計方法上，還是在力學性能上，其與普通的應力疊合木橋面板相比差異較大。

第一座拱形的應力疊合木橋是由英國人在2002 年建造而成的，拱形應力疊合木橋面板主要用在人行天橋、低等級公路和鄉村橋梁上，其跨徑一般為6—26m。

5、桁架式應力疊合木橋面板

桁架式的應力疊合木橋面板的概念是巴西人首次提出的，由規格較小的木板組成一篇一片的桁架，并在每片桁架上預留孔洞，然后穿入預應力鋼筋形成橫向的應力疊合木橋面板。其特點是整體剛度增加，抵抗變形的能力提高。

6、蜂窩式應力疊合木橋面板

安大略交通部最早在1988 年提出了蜂窩的概念，自然資源部在1993 年建設了第一座實橋。蜂窩式應力疊合木橋面板和箱形應力疊合木橋面板的概念很相似。但是蜂窩孔的間距較小，頂底板厚度較小，厚度一般在45-63mm 之間，兩孔之間的間距不超過500mm。

三、影響應力疊合木橋面板性能的主要因素

影響應力疊合木橋面板性能的因素主要包括以下幾個方面：預應力水平、使用現場的溫度、木材的徐變、對接接頭等。

1、預應力水平

疊合板之間的之所以能夠傳遞荷載是因為它們粗糙的表面之間有摩擦力，當摩擦力較小也就是木材表面較光滑時，荷載傳遞的有效性大大降低甚至有時不能夠傳遞；如果木材表面很粗糙形成了較大的摩擦力，作用相鄰板之間的荷載就可以進行傳遞了。

預應力松弛會使得疊合板間的壓力隨著時間的增長而變得越來越小，板間的摩擦力也就越來越小，荷載無法在板件傳遞時，橋面板性能變差。因此，為了保證應力疊合木橋面板的橫向剛度，規范對疊合板之間的最小壓力進行了規定。

2、使用現場的溫度

使用現場的溫度變化主要指的是早晚溫差和由于季節變化引起的溫差，由于早晚溫度變化對疊合板的應力帶來的影響一般是可以忽略的，由于季節變化帶來的影響是最主要的。當橋梁在夏天施工，到了冬天溫度變化對應力產生的影響就會顯現。

木材的熱膨脹系數與其品種和紋路方向有關，在應力疊合木橋面板中，木材順紋方向的熱膨脹系數約為預應力鋼筋熱膨脹系數的2.5 倍，因此考慮到木材本身的物理力學性和應力疊合木橋面板體系的特點，疊合板之間收縮是引起鋼筋預應力損失和疊合板層間壓力減小最主要的因素。

疊合板的應力受溫度影響。溫度降低到0℃以下會改變疊合板的尺寸，改變預應力鋼筋的應力，從而影響橋的使用性能，當溫度上升到冰點以上時，低于冰點溫度造成的預應力損失似乎可以完全恢復。當溫度降至冰點以下時，疊合板的含水量增大增加了應力損失。實驗室和現場試驗的結果表明，在木材含水量較高的情況下，溫度變化造成的預應力損失要大得多。美國公路和運輸協會官方規范規定所有木材在安裝時的含水量應等于或低于19%，這種規定可以避免預應力損失的產生。

3、木材的徐變

應力疊合木橋面板的初始預應力損失主要由于木材的徐變引起的。Taylor 在1983 年進行了一系列的試驗，研究表明在第一周內徐變效應對應力影響是最大的，不低于張拉力的50%，1988 年Di Carlantonio 研究表明徐變引起的預應力損失約為張拉力的40%，1989 年Olvia 等報告表明為60%。

4、對接接頭

當疊合板的長度不能滿足應力疊合板的長度要求時，我們可以使用對接接頭將疊合板接長。使用了對接接頭后，疊合板所使用的木材的尺寸要求可以大大降低，因此在選在木材時的選擇空間就比較大，單從這一點就可以降低橋梁的造價。但是，由于應力疊合木橋面板的跨越能力是由變形決定的，也就是所謂的剛度，而對接接頭的引入使得橋面板的剛度大大降低，因此在進行設計時必須嚴格按照規范的規定進行，不能一味的追求地造家而影響橋面板的跨越能力和承載力。

四、結語

從橋面板在國內外的發展和應用可以看出，應力疊合木橋面板是一種力學性能良好、截面形式豐富、耐久性較好的橋面板形式。本文系統總結了其發展和應用情況，將影響其使用性能的關鍵因素進行了梳理和分析，希望對以后的相關研究有所幫助。