剛接后張法預應力混凝土空心板設計計算及試驗研究＊

王紅良，陳堯三 ，單豪良，李志峰，羅曉峰

（1.華匯工程設計集團股份有限公司，浙江 紹興 312000；2.浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312099）

0 引言

預應力混凝土空心板具有橋板高度低、預制施工簡單、易實現標準化和工廠化施工、產品質量可靠、施工吊裝設備容易解決等優點，是公路橋梁工程中廣泛應用的一種結構形式。采用先張法施工的空心板，因其需要直線布筋及脫模等，梁板端部抗剪承載能力偏弱；采用后張法施工的空心板，因其連接均采用鉸縫連接，鉸縫尺寸較小，各梁板之間橫向連系較弱，在車輛荷載反復作用下，空心板易發生單板受力現象等，因此易導致空心板出現縱橫向裂縫甚至破壞，影響空心板橋梁的安全性和耐久性。

本文在對比交通運輸部頒布的大鉸縫預制空心板、上海市先張法預應力混凝土剛接板和浙江省公路橋梁裝配式預應力混凝土矮T梁，提出剛接后張法預應力混凝土空心板。

1 理論分析

通過對單塊和多塊空心板的工況分析，確定其邊界條件、荷載組合情況；考慮跨徑、混凝土強度、配筋率和不同張拉應力組合作用下，空心板梁的承載力和撓度；考慮后澆濕接縫與預制空心板的不同模量，建立一種基于弱非線性雙模量的簡化模型，推導單板受力等最不利荷載組合下全橋應力微分方程，確定空心板間應力傳遞橫向系數，設計橫向拼裝連接構造，預防橫向接縫處開裂的通病。最終得到其合理截面尺寸和上拱撓度控制下的預應力張拉值。

2 有限元分析

采用大型通用有限元軟件Ansys對剛接后張法預應力混凝土空心板的承載力進行計算。混凝土強度等級為C50，混凝土抗拉度、抗壓強度、彈性模量，鋼筋的抗拉強度、彈性模量，預應力筋的抗拉強度，均按設計要求設定。混凝土本構關系選用GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》推薦使用的曲線（見圖1）。預應力筋本構關系采用三折線曲線模型（見圖2）。混凝土采用Solid65單元，鋼筋及預應力鋼筋采用Link8單元。

圖1 混凝土本構關系模型

圖2 預應力筋本構關系模型

單板模型及應力分布情況如圖3，4所示。預應力張拉后，橋板拱起0.49mm，單板跨中最大拉應力為2.7MPa。單板影響線及橋板剛接狀態下的荷載橫向分布系數如圖5，6所示。

圖3 單板模型

圖4 單板應力分布情況

圖5 單板影響線

圖6 單板橫向分布系數

3 試驗驗證

3.1 測試項目和測點布置

試件長4 960mm，為縮尺結構（相似比1∶2），測點布置如圖7所示。

圖7 測點布置示意

1）應變測點布置 分別在試驗梁的1/4，1/2，3/4處布置測點，每處在梁兩測沿梁高布置4個測點，梁底1個測點，共計30個測點，用于觀察該截面處應變沿梁高的變化情況。

2）撓度測點布置為滿足正常使用對結構的剛度要求，判別最大撓度是否小于設計計算值或規范規定的允許值，在梁的跨中、四分點處布置2個撓度測點、支座處布置2個撓度測點，共計5個。

3.2 試驗結果

試驗采用單調靜力加載試驗的方法，逐級加載，直至試件破壞，跨中和L/4處的撓度如圖8所示，跨中最大撓度值為50.3mm。

圖8 跨中及/4處的撓度

承載力結果（見表1），由相似理論推算的計算結果（見表2）。通過試驗，發現其承載力均滿足規范要求，實測跨中的極限承載力為296.4kN，試件破壞時未出現失穩破壞現象。

表1 試驗結果

表2 由相似理論推算的計算結果 kN

4 結語

本文對剛接后張法預應力混凝土空心板進行了理論分析設計、有限元數值計算及試驗驗證，通過研究得出如下結論。

1）新設計的剛接后張法預應力混凝土空心板單梁的試驗結果與有限元數值分析吻合，完全符合現行規范，可作為中小型橋梁的上部結構進行推廣應用。

2）剛接后張法預應力混凝土空心板能充分發揮預應力鋼束的性能，特別是端部抗剪能力優于先張法預應力混凝土板，具有更高的經濟性，且剛接的連接構造能有效避免因空心板鉸縫失效導致單板受力而開裂等問題。