一種π型截面梁橋的工程性能分析

張 興，覃仁昊

(中交公路規劃設計院有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550000)

1 前 言

裝配式PC/RC空心板橋因為具有構造簡單、建筑高度小、利于標準化設計和工廠化生產、施工方便、適應性強等優點，在公路與城市橋梁上應用廣泛，但是隨著交通量的迅速增大，超載、超限車輛越來越多，橋梁病害也隨之增多。文獻表明，在已發現的橋梁病害中，裝配式PC/RC空心板橋占比較大。裝配式空心板的主要病害有：鉸縫損傷、開裂；板端應預應力張拉產生的裂縫；板體縱、橫裂縫；支座脫落、板的撓度過大等；這些病害對于空心板橋的承載力、耐久性和使用性能均會產生不同程度的影響。由于空心板在使用中存在的問題，目前已經有城市頒布相關條例，擬減少空心板在公路建設中的應用。

目前基于空心板的改進方法，主要用兩種思路一種是針對鉸縫及其相關部分的改進；另一種是摒棄傳統的構造，提出適用于中小跨徑的裝配式混凝土梁板的新型結構形式——席進等人提出了低高度密肋式預應力簡支T梁來代替空心板橋，并針對該類結構進行了參數分析；雷波等人針對此類截面進行了截面效率分析，得出了該類截面適用于小跨徑橋梁的上部結構的結論。

本研究依托實際工程項目貴州省六盤水市六枝特區永豐大橋項目，一座主跨125 m上承式鋼筋混凝土拱橋，在設計過程中，拱上建筑的結構形式的合理選擇，對于該項目的后期的運營、養護有著至關重要的作用。為了克服空心板橋存在的這些問題，受文獻的啟發，結合工程的現實情況，本著“結構簡單、受力明確、方便施工”的原則，提出一種低高度π型截面梁方案應用于拱上車道板。本文主要針對這種π型截面梁的工程性能進行分析，并與傳統的空心板進行對比。

2 工程背景

貴州省六盤水市六枝特區永豐大橋項目位于六枝特區巖腳鎮與龍河鎮交界處，橫跨巖腳河，是《六枝特區干線公路網規劃》的重要組成部分，建成后將大幅改善兩地交通狀況，對于河兩岸的經濟、文化交流大有裨益。永豐大橋主橋為一跨125 m上承式鋼筋RC箱型拱橋，橋寬11.4 m，矢跨比1/5，拱上建筑為11×12.3 m的PCπ型梁。π型梁結構如圖1所示。

圖1 拱上車道板橫斷面圖

這種結構的主要特點是，一片π型梁由兩個矮T梁通過剛接形成，架設以后，再通過濕接縫形成橋面，濕接縫數量少，大部分接縫在預制場完成，接縫質量可控。預應力梁肋中心配置，可以避免T梁預制時產生側彎的情況；同時，由于采用兩片矮T梁連接而成，安裝時，結構穩定，不需要采取專門的穩定措施，避免的T梁安裝過程中存在翻倒的風險。

3 構造方面的對比分析

如圖1所示，為π型梁的標準截面，通過與13 m空心標準圖的構造對比，可以得出以下結論。

π型梁為開口型截面，相比空心板這類閉口型截面具有預制簡單，脫模方便的優點，且無內模，避免了空心板因為內模上浮，壓縮頂板厚度的問題；后期使用中，相比空心板，π型梁具有便于維護和檢修的優勢。

π型梁橫向連接采用現澆濕接縫，屬于剛性接頭，施工易實現，相比空心板的接縫，剛度大，橫向聯系更加穩固，避免了空心板因為鉸縫損壞造成單板受力的問題，且濕接縫接縫數量少，便于施工。

π型梁的支座設置在每個梁肋下，為單支座，而每片空心板則需要設置雙支座，安裝時容易出現支座脫空的情況；且支座數量多，加重后期維護和檢修的工作量。

吊裝次數少，梁片數相比空心大幅減少，能減少梁的預制批次和吊裝循環次數，極大的減少施工循環作業次數。

相比空心板，π型梁可稍加改造形成結構連續結構。

4 力學性能的對比分析

4.1 截面效率分析

為了驗證所擬定的π型梁截面尺寸的合理性，計算該截面的截面效率。有關截面效率的定義可參考相關文獻。

圖2 截面效率計算示意圖

(1)

(Ny-ΔNy)(ks+kx)=Mg2+p

(2)

(3)

根據以上公式，計算得出表1。

表1 截面效率指標對比

從表1中可以看出，π型梁的截面效率指標明顯高于空心板的截面效率指標，約為空心板的170%，這說明π型梁相比空心板具有更高的活載承載能力。

另外，截面效率指標的合理區間為0.45～0.55，據此，本項目采用的π型梁截面是合理可行的。

4.2 結構力學性能分析

為了便于比較，采用L=13 m的標準跨徑，對π型梁和空心板進行對比。采用有限單元法，基于Midas/Civil 2015，分別建立兩種截面的簡支梁有限元模型，在滿足現行《公路公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋梁設計規范JTG3362-2018》驗算內容的前提下，選取π型梁的一肢與一片空心板進行對比。對結構的基頻，內力和跨中撓度等進行對比分析。結果如表2～表4所示。

表2 π型梁和空心板荷載效應對比

表3 兩種結構的抗力效應比值

表4 結構基頻對比(前3階)

由表1可以看出，在恒載狀態下，兩種結構的反力、剪力及彎矩效應具有相當的效應水平，但恒載狀態下，空心板的跨中撓度是π型梁的183%，在“恒+活載”狀態下，由于橫向分布系數較大，π型梁的反力、剪力及彎矩效應均明顯高于空心板，但是跨中撓度僅為空心板的68%，說明π型梁相比空心板，具有更高的抗彎剛度，抵抗因外荷載引起變形的能力更強。

由表2可以看出，空心板相比π型梁，抗力效應比值較大，這說明，此時空心板的承載能力仍然具有較大的富余量，但是根據表1的計算結果判斷，如若繼續增大空心板的荷載，結構的撓曲變形必將繼續增大，過大的撓曲變形在長期的使用中，必然會影響結構的正常使用性能、耐久性能和承載能力。這一情況也從側面印證了撓度過大，是目前空心板結構存在的主要病害之一。

由表3可以看出，兩種結構的前三階振型相同，π型梁的豎向對稱振動基頻為7.5 hz，空心板的豎向對稱振動基頻為6.4 hz，也從側面反映π型梁具有較高的豎向剛度。這對于以受彎為主的梁結構來說，較高的豎向剛度對于減小跨中的下撓，有積極的作用。其他的兩種振型也表明，π型梁在豎向和橫向的剛度均均比空心板的更大。

同時，由于自振頻率較低，在汽車和人群荷載的激勵下，空心板更容易發生受迫振動，行車和行人過橋時，更易感知結構振動，引起不適。

綜上所述，在力學性能方面，π型梁比空心板，具有截面效率高，活載承載能力更強、通行舒適性更好等優勢。

5 經濟性能的對比分析

在對比了力學性能后，現在將對兩種結構的經濟性能進行對比，以主材為對象，對比兩種結構的工程經濟性，結果如表5所示。

表5 兩種結構的主要材料參數(單跨)

由表5可以看出，在混凝土用量和預應力鋼束用量上，π型梁均比空心板要少，但普通鋼筋用量相比空心板要高，混凝土按500元/m3，普通鋼筋按4 000元/t，鋼絞線按5 000元/t計，π型梁在材料費用上相比空心板高約25%。但是，在施工環節上，就本項目而言，采用π型梁，纜索吊需往返吊裝44次，濕接縫施工33道；若采用空心板，纜索吊需往返吊裝99次，鉸縫施工88道。按平均2片/天的吊裝進度，能節約至少1個月的工期。這期間節約的設備租金、人工費用以及提前通車帶來的經濟效益，將遠超過材料成本的付出。因此，采用π型梁，對于方便施工和節省工期來說是有利的。

6 結論及展望

(1)π型梁采用開口結構，預制時模板的安裝、脫模簡單；

(2)每片π型梁之間采用剛接，減少了接縫數量，結構受力明確，結構的整體性能更佳，避免了空心板鉸縫易破壞的問題；

(3)π型梁相比空心板，具有更高的承載效率，截面的利用率更高；

(4)π型梁相比空心板，結構的抗彎剛度更大，撓曲變形更小，對于提高結構的耐久性有積極的作用；

(5)π型梁自振頻率較高，不易受行人和車輛的頻率激勵而產生受迫振動，通行舒適性更佳；

(6)用于拱上建筑時，π型梁相比空心板，普通鋼筋消耗略高，但方便施工、節約工期和成本，從項目遠期價值來看，具有更高的經濟性。

目前，該項目仍在施工，從目前的分析來看，該種結構的應用前景可期，該種結構也是首次在貴州省內項目采用，其工程性能還有待進一步的驗證。