小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)T型梁和空心板梁適用性比較分析

陳 鄂

(山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司)，山西 太原 030000)

1 引 言

我國(guó)橋梁建設(shè)已有多年的歷史，空心板梁橋具有高度小、形式簡(jiǎn)單、力學(xué)方便、重量輕，施工方便，可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)成為使用最多的橋型特別是在小跨徑橋梁中。預(yù)制空心板梁橋板梁通過(guò)鉸縫進(jìn)行連接，而鉸縫受力薄弱不能很好傳遞橫向力，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體性差。隨著交通運(yùn)輸量及車(chē)輛超限運(yùn)輸不斷增大，使得公路橋梁出現(xiàn)了不同程度的損壞，橋梁結(jié)構(gòu)逐漸變成單板受力。特別是山西省做為煤炭資源大省，以煤炭運(yùn)輸為主，大噸位載重車(chē)輛數(shù)量逐年遞增。

在這樣的交通條件下，預(yù)制空心板梁橋鉸縫縱向開(kāi)裂的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，板梁縱、橫向開(kāi)裂，橋梁整體性降低，板梁撓度過(guò)大等病害，使得橋梁使用安全性和耐久性降低，存在安全隱患，每年花費(fèi)大量資金用于維修加固。

2 研究分析

空心板梁構(gòu)造簡(jiǎn)單、受力明確，有預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可做成空心和實(shí)心斷面形式，能適應(yīng)各種條件狀況下的彎、坡、斜橋。在城市道路、低等級(jí)公路和高速公路中得到廣泛應(yīng)用。因受設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法、施工工藝、材料性能等因素制約，工程實(shí)例中板梁病害突出、維修加固費(fèi)用高，不能夠滿足橋梁健康、可持續(xù)發(fā)展需求，在超載超重現(xiàn)象較為突出的省份尤為明顯。

在交通運(yùn)輸部頒布的《公路橋梁通用圖》中，小跨徑(20 m及以下跨徑長(zhǎng)度)的橋梁結(jié)構(gòu)仍以鉸接的空心板結(jié)構(gòu)形式為主，即便鋼筋尺寸、鉸縫尺寸等指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化，也無(wú)法從本質(zhì)上解決鉸縫受力薄弱的問(wèn)題。

要想完全解決鉸縫受力不利的問(wèn)題，最直接的辦法就是消除鉸縫，變鉸縫為濕接縫，改善結(jié)構(gòu)受力增加橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，保證橋梁的耐久性。為克服空心板梁存在的病害，結(jié)合工程實(shí)際情況，按照“結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受力明確、經(jīng)濟(jì)適用”思路，提出T型梁截面的方案。本文主要針對(duì)T型梁截面的工程實(shí)例進(jìn)行比較。

3 結(jié)構(gòu)性能比較

依托實(shí)體工程太原市東二環(huán)高速公路賴毛溝中橋，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)工作的實(shí)際應(yīng)用情況，評(píng)價(jià)了T型梁在小跨徑橋梁中的設(shè)計(jì)效果和實(shí)用效益。

本文選取16 m跨徑的簡(jiǎn)支梁橋，橋面寬度為16.5 m，荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，選取T型梁和空心板梁兩種截面進(jìn)行分析比較。

表1 T型梁與空心板梁截面特性比較

由表1可以看出，T型梁的截面積要大于空心板梁，其中T型梁高為1.3 m，空心板梁高為0.8 m。T型梁截面的抗彎慣性矩遠(yuǎn)小于空心板梁，因空心板梁是閉合截面特性且梁高低于T型梁，在這點(diǎn)上可以通過(guò)濕接縫和橫隔板來(lái)彌補(bǔ)不足。T型梁具有優(yōu)異的橫向抗彎和抗扭性能，尤其橫向抗彎慣性矩是空心板梁的3.1倍，良好的橫向抗彎慣性矩有助于梁體運(yùn)營(yíng)期整體穩(wěn)定性與安全性。T型梁抗扭慣性矩是空心板梁1.5倍，增加可使橋梁在偏載作用下各梁受力更均衡。

T型梁為開(kāi)口型截面，相比空心板梁這種閉口型截面具有預(yù)制簡(jiǎn)單，便于脫模等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)營(yíng)使用中，T型梁比空心板梁更便于維修和加固。

T型梁通過(guò)現(xiàn)澆濕接縫形式進(jìn)行橫向連接，屬于剛性連接，而空心板梁以鉸縫連接。相對(duì)而言T型梁橋剛度大，橫向連接更加穩(wěn)固，免去了空心板因鉸縫受損出現(xiàn)單板受力的狀況，且濕接縫數(shù)量少，施工階段易于控制質(zhì)量，橋梁整體性更好。

相比空心板梁，T型梁也易于轉(zhuǎn)化為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)。

4 力學(xué)性能對(duì)比分析

在相同跨徑、橫向分布系數(shù)、汽車(chē)荷載等級(jí)及車(chē)道數(shù)量情況下，T型梁與空心板梁正截面抗彎承載力對(duì)比見(jiàn)表2所示。

表2 T型梁與空心板梁正截面抗彎承載能力

由表2比較可以得出，抗剪承載力T型梁與空心板梁之比為1.15，說(shuō)明T型梁的抗剪性能優(yōu)于空心板梁；抗彎承載力T型梁與空心板梁之比為1.63，說(shuō)明T型梁的抗彎性能優(yōu)于空心板梁。T型梁的剪力、彎矩效應(yīng)均優(yōu)于空心板梁，說(shuō)明T型梁具有更好的抗彎剛度和承受荷載引起變形的能力。

表3 T型梁橋與空心板梁橋結(jié)構(gòu)基頻對(duì)比

由表3可以看出，兩種結(jié)構(gòu)形式的前三階振型一致，T型梁橋豎向?qū)ΨQ振動(dòng)頻率為10.30 Hz，空心板梁橋的為6.85 Hz，說(shuō)明T型梁橋具有更好的豎向剛度。對(duì)于以受彎為主的簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)，更高的豎向剛度能有效減小跨中撓度。

在橋梁力學(xué)性能方面，T型梁橋比空心板梁橋具有更優(yōu)截面效率，承載能力更強(qiáng)、車(chē)輛通行性更好等優(yōu)勢(shì)。

5 經(jīng)濟(jì)適用性能的對(duì)比分析

5.1 耐久性

混凝土暴露在大氣環(huán)境下易發(fā)生碳化，進(jìn)而發(fā)生鋼筋銹蝕，最終使橋梁結(jié)構(gòu)耐久性能下降。T型梁因兩側(cè)翼緣板寬度足夠可設(shè)置豎向排水管，空心板梁只能設(shè)置斜向排水管，使得空心板梁排水能力差，積水易隨著排水孔流到混凝土上對(duì)邊梁進(jìn)行腐蝕，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)一般空心板梁橋邊梁腐蝕比例要高于T型梁橋?？招陌辶簽殚]合腔室，若橋面防水層失效，雨水滲入腔室內(nèi)，且空心板梁普遍沒(méi)有設(shè)置排氣孔，造成腔內(nèi)混凝土的腐蝕破壞。

5.2 養(yǎng)護(hù)維修

運(yùn)營(yíng)期空心板梁結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)無(wú)法觀測(cè)到，不能完全反應(yīng)出結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，而T型梁結(jié)構(gòu)各部位均可見(jiàn)?？招陌辶翰捎秒p支座支撐，部分支座易出現(xiàn)老化、脫空、偏壓等病害，且圓形支座相較于矩形支座易于損壞，使梁體產(chǎn)生扭矩，最終導(dǎo)致梁體出現(xiàn)縱向、斜裂縫。而T型梁設(shè)置單支座，支座受損概率也更低。故T型梁橋比空心板梁橋在養(yǎng)護(hù)、維修、加固方面更有優(yōu)勢(shì)。

5.3 經(jīng)濟(jì)性比較

公路橋梁除了要考慮耐久性、養(yǎng)護(hù)維修，還要從經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行考慮。上部結(jié)構(gòu)以跨徑16 m，橋梁凈寬15.5 m為例，對(duì)兩種截面形式的橋梁進(jìn)行工程量。

表4 兩種截面形式上部結(jié)構(gòu)工程量

由表4可以看出，相同橋梁跨徑及寬度下，T型梁片數(shù)較空心板梁少，但總造價(jià)要高，T型梁與空心板梁在材料費(fèi)用上相比高約22%。T型梁比空心板梁高，土方量也相對(duì)減少可有效降低工程造價(jià)。T型梁吊裝次數(shù)比空心板梁少，極大的減少施工作業(yè)量和縮短工期。施工期的縮短，為提前通車(chē)帶來(lái)可觀經(jīng)濟(jì)效益，也能節(jié)省設(shè)備、人工費(fèi)用。因此，T型梁結(jié)構(gòu)對(duì)施工成本和節(jié)省工期來(lái)說(shuō)是有利的，其效益將遠(yuǎn)超材料成本的付出。

6 結(jié)論及展望

(1)T型梁采用開(kāi)口型截面，預(yù)制簡(jiǎn)單、脫模方便。T型梁為濕接縫連接，減少了接縫數(shù)量，結(jié)構(gòu)受力明確，結(jié)構(gòu)的整體性能更佳，避免了空心板鉸縫易破壞的問(wèn)題。T型梁也易于轉(zhuǎn)化為連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)。

(2)T型梁相比空心板，T型梁具有更好的抗彎剛度和承受荷載引起變形的能力，車(chē)輛通過(guò)性也更好，提升結(jié)構(gòu)的耐久性有積極的作用。

(3)T型梁相對(duì)空心板耐久性好，采用單支座受力明確，便于養(yǎng)護(hù)維修；T型梁架設(shè)易側(cè)翻，施工階段經(jīng)濟(jì)性差。板梁造價(jià)更低，適用于平原地區(qū)使用?？紤]到施工周期及成橋質(zhì)量，T型梁可在山區(qū)公路建設(shè)中選用。T型梁橋整體經(jīng)濟(jì)效益還是很不錯(cuò)的。