簡(jiǎn)支空心板梁整體化層參與結(jié)構(gòu)受力計(jì)算研究

元信文 劉子瑋

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 天津 300142

1 引言

預(yù)應(yīng)力空心板梁具有預(yù)制、安裝施工便捷，建筑高度低的特點(diǎn)。空心板梁梁高低，減少了道路改造抬升及橋頭平交路網(wǎng)改造規(guī)模，在市政跨河橋梁中，相比于同跨徑預(yù)應(yīng)力小箱梁，具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

在杭州紹興等平原河網(wǎng)城市地區(qū)，市政道路受河道寬度限制，大量采用了中小跨徑預(yù)應(yīng)力空心板梁，這些橋梁在新建地鐵等工程引起的橋梁拆復(fù)建時(shí)，表現(xiàn)出明顯的優(yōu)點(diǎn)。即橋梁可以減少拆遷規(guī)模，分片拆除，未拆除的橋梁既可以利用，也可以作為臨時(shí)便橋使用，降低了工程造價(jià)，減少了交通導(dǎo)改費(fèi)用。如果拆除后的空心板梁結(jié)構(gòu)完好、滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，可以在墩臺(tái)施工完成后重新架設(shè)利用。

在早期空心板梁通用圖中，鉸縫的結(jié)構(gòu)尺寸較小。小鉸縫整體剛度與空心板的剛度相差甚遠(yuǎn)，鉸縫無法承受板梁之間的長(zhǎng)期受力和變形，存在鉸縫破壞問題。2000年左右，改良設(shè)計(jì)的空心板梁鉸縫開始逐漸出現(xiàn)，梁片寬度也由1m加寬為1.25m。大鉸縫空心板梁較先出現(xiàn)在先張法空心板梁當(dāng)中，06年左右，大連市采用的先張法預(yù)應(yīng)力空心板梁寬度達(dá)1.5m，該先張法空心板梁即采用了大鉸縫。2006年交一院的先張法空心板梁通用圖同樣采用了大鉸縫，其鉸縫構(gòu)造尺寸基本接近于現(xiàn)在通用的大鉸縫尺寸。隨著《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2003）、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）規(guī)范的實(shí)施，2008年交通部頒發(fā)了根據(jù)04新混規(guī)設(shè)計(jì)的后張法預(yù)應(yīng)力空心板梁標(biāo)準(zhǔn)圖，該標(biāo)準(zhǔn)圖采用大鉸縫空心板，鉸縫構(gòu)造形式得到定型。大鉸縫后張法預(yù)應(yīng)力空心板梁開始得到廣泛采用。采用大鉸縫后，空心板梁鉸縫破壞情況已經(jīng)基本很少發(fā)生。

國(guó)內(nèi)存量預(yù)應(yīng)力空心板梁橋很多，將來會(huì)有大量的既有空心板梁橋需要維修加固或者更換既有主梁，因此有必要對(duì)預(yù)應(yīng)力空心板梁進(jìn)行細(xì)化研究分析。

2 空心板梁整體化層傳統(tǒng)計(jì)算理論

簡(jiǎn)支空心板梁的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是把橋面整體化層作為橋面鋪裝，對(duì)橋面整體化層的研究不夠重視；結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)把橋面整體化層按照二期恒載進(jìn)行計(jì)算，不考慮整體化層參與受力。這樣分析的結(jié)果偏安全，但是與空心板梁橋?qū)嶋H的結(jié)構(gòu)受力情況相差較大。另外，這樣計(jì)算會(huì)導(dǎo)致空心板梁的頂板壓應(yīng)力顯著偏大，極端情況下計(jì)算的頂板受壓應(yīng)力會(huì)超過規(guī)范容許值，導(dǎo)致計(jì)算無法通過。因此，有必要將整體化層納入結(jié)構(gòu)計(jì)算并進(jìn)行研究。

3 簡(jiǎn)支空心板梁現(xiàn)澆層與預(yù)制板結(jié)合情況研究

根據(jù)康省幀[1]、王復(fù)明的試驗(yàn)結(jié)果，在不設(shè)置連接鋼筋的情況下，現(xiàn)澆橋面鋪裝層與預(yù)制空心板梁粘結(jié)良好，試驗(yàn)中鋪裝層沒有發(fā)生剪切破壞，橋面鋪裝層與預(yù)制空心板梁共同受力性能良好。該試驗(yàn)所采用的構(gòu)件，現(xiàn)澆橋面鋪裝層厚度為10cm。根據(jù)吳穎恒[2]、張俊平的實(shí)橋荷載試驗(yàn)，考慮橋面鋪裝的影響因素時(shí)，橋梁的受力和變形情況更符合裝配式空心板橋的實(shí)際受力狀態(tài)。由此可知,在設(shè)置空心板梁反預(yù)拱度及保證整體化層設(shè)計(jì)厚度的情況下, 將整體化層納入受力結(jié)構(gòu)計(jì)算，具有理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果支撐。

陸進(jìn)祥[3]對(duì)不同厚度橋面現(xiàn)澆層參與空心板梁結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行了計(jì)算對(duì)比，分析了不同厚度橋面現(xiàn)澆層對(duì)空心板梁承載能力的影響。

4 簡(jiǎn)支空心板梁考慮現(xiàn)澆整體化層的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

4.1 計(jì)算模型

本文以交通部08標(biāo)準(zhǔn)圖的20m后張法預(yù)應(yīng)力空心板梁作為算例，研究簡(jiǎn)支空心板梁的受力情況。

示例：20m跨徑簡(jiǎn)支空心板梁橋，橋面寬度為9.75m，兩側(cè)設(shè)防撞護(hù)欄，橋梁全寬10.75m，共設(shè)中板8塊、邊板2塊。設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)活載。橋梁橫斷面如圖1所示，板梁截面如圖2所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支空心板梁橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面（單位：mm）

圖2 預(yù)制預(yù)應(yīng)力空心板中板截面（單位：mm）

4.2 結(jié)構(gòu)分析及建模情況

1）計(jì)算模型A

采用橋博軟件對(duì)空心板梁進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，將整體化層作為恒載加入,整體化層不參與受力。

2）計(jì)算模型B

采用橋博4.4.3結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行建模分析，簡(jiǎn)支空心板梁的預(yù)制梁部分為主截面，現(xiàn)澆整體化層作為子截面，按照施工順序參與受力。

3）配束情況：原交通部標(biāo)準(zhǔn)圖中板配束為φs15-5、φs15-4鋼束各2束。結(jié)合2015版《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的荷載標(biāo)準(zhǔn)，本簡(jiǎn)支空心板梁中板鋼束配置增加為φs15-5共4束。

4.3 簡(jiǎn)支空心板梁與標(biāo)準(zhǔn)圖計(jì)算指標(biāo)對(duì)比見表1

表1 簡(jiǎn)支空心板梁與標(biāo)準(zhǔn)圖計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

可以看出相較于原計(jì)算模式A，考慮整體化層參與受力的模型B簡(jiǎn)支空心板梁受力指標(biāo)有很大提高，抗彎強(qiáng)度富余度由16.7%提高至34.7%；持久狀況板梁上緣最大法向壓應(yīng)力由14.94 mPa下降至7.53 mPa，主梁抗壓安全儲(chǔ)備大大增強(qiáng)；頻遇組合跨中下緣最小應(yīng)力由0.48 mPa增加至1.63 mPa，主梁抗裂安全儲(chǔ)備明顯增加。

4.5 抗剪能力分析

相較于原計(jì)算模式，模型B抗剪能力變化不大。

4.6 空心板梁橫向鉸接與剛接分析

如果考慮整體化層的剛接作用，則本例邊板汽車活載橫向分布系數(shù)增加約1.5%，中板汽車活載橫向分布系數(shù)降低約3%。由于中板控制設(shè)計(jì)，因此按剛接板梁法計(jì)算的簡(jiǎn)支空心板梁的承載能力有所提高，但影響不大。

4.7 整體化層厚度對(duì)于結(jié)構(gòu)主要受力指標(biāo)的影響

本次研究對(duì)不同整體化層厚度的空心板梁所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)主要受力指標(biāo)進(jìn)行了分析整理，結(jié)果如圖3所示。

圖3 主梁上下緣法向應(yīng)力分析（單位:MPa）

從上圖可以看出，隨著現(xiàn)澆整體化層厚度的增加，簡(jiǎn)支空心板梁下緣抗裂應(yīng)力儲(chǔ)備快速增加，現(xiàn)澆整體化層厚度大于8cm后，簡(jiǎn)支空心板梁下緣最小應(yīng)力趨于穩(wěn)定。隨著現(xiàn)澆整體化層厚度的增加，簡(jiǎn)支簡(jiǎn)支空心板梁上緣最大法向壓應(yīng)力持續(xù)下降，當(dāng)現(xiàn)澆整體化層厚度大于12cm后，簡(jiǎn)支簡(jiǎn)支空心板梁上緣最大法向壓應(yīng)力減小不再明顯。隨著現(xiàn)澆整體化層厚度的增加，簡(jiǎn)支簡(jiǎn)支空心板梁抗彎強(qiáng)度持續(xù)增加且不收斂。因此現(xiàn)澆整體化層的合理厚度宜采用12～14cm且不宜大于16cm。

5 簡(jiǎn)支空心板梁整體化層配筋改進(jìn)方法

5.1 簡(jiǎn)支空心板梁整體化層改進(jìn)設(shè)計(jì)研究思路

原空心板梁標(biāo)準(zhǔn)圖，由于橋面整體化層為10cm，布置單層鋼筋網(wǎng)，整體化層表層素混凝土缺少鋼筋保護(hù)，在車輛荷載作用下存在磨損破壞的可能性，故設(shè)計(jì)習(xí)慣上將其作為二期恒載。

本文提出，將原空心板梁之上的橋面整體化層加厚，配置雙層鋼筋，這樣現(xiàn)澆整體化層的鋼筋保護(hù)層厚度不至于過大，結(jié)構(gòu)耐久性可得到很大的提高。

5.2 簡(jiǎn)支空心板梁整體化層截面及鋼筋構(gòu)造

簡(jiǎn)支空心板梁截面的預(yù)制部分，仍采用交通部08版后張法預(yù)應(yīng)力空心板梁的截面形式。為適應(yīng)2015年公路橋梁通用規(guī)范實(shí)施后新的活載形式，將原空心板梁通用圖上的橋面整體化層加厚，配置雙層鋼筋，使其成為現(xiàn)澆橋面板結(jié)構(gòu)。現(xiàn)澆整體化層的厚度擬定為12～14cm，這樣能保證混凝土振搗以及鋼筋的凈保護(hù)層滿足規(guī)范要求，同時(shí)也能防止鉸縫破壞，保證整體化層結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。整體化層內(nèi)雙層鋼筋網(wǎng)建議采用φ12或φ10螺紋鋼筋，也可以采用雙層帶肋鋼筋網(wǎng)。預(yù)制板梁頂部可預(yù)留架立鋼筋，作為鋼筋網(wǎng)片的定位鋼筋，同時(shí)也能增強(qiáng)整體化層與預(yù)制板的整體性。

5.3 簡(jiǎn)支空心板梁優(yōu)化整體化層后的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性

按照上述思路優(yōu)化整體化層設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)支空心板梁，整體化層實(shí)際上成為現(xiàn)澆橋面板，整體化層和預(yù)制空心板梁組成混凝土組合梁結(jié)構(gòu)。此種結(jié)構(gòu)在施工便利性、經(jīng)濟(jì)性、耐久性及受力性能方面，顯著優(yōu)于同跨徑鋼板組合梁、鋼箱組合梁及鋼波紋板組合梁。

6 簡(jiǎn)支空心板梁橋整體化層計(jì)算理論用于既有橋加固

6.1 簡(jiǎn)支空心板梁既有橋主要加固方法比較

既有空心板梁涉及到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)承載能力的加固方法主要有三種，分別是梁底黏貼鋼板法，施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼束法和加強(qiáng)空心板梁整體化層法。

在梁底黏貼鋼板起到的增加承載能力作用比較有限，無法同時(shí)修復(fù)鉸縫，而且需要在梁底打孔鉆眼，對(duì)主梁混凝土和鋼筋會(huì)造成傷害，影響結(jié)構(gòu)耐久性。此外，所貼鋼板及螺栓需要經(jīng)常進(jìn)行防腐養(yǎng)護(hù)，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高。因此黏貼鋼板加固方法主要用于橋面無法進(jìn)行斷交施工或者斷交施工代價(jià)較大的場(chǎng)合，如少數(shù)交通繁忙的高速公路和城市主干道。

施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼束法僅能增加空心板梁梁片之間的橫向整體受力，僅適用于鉸縫破壞而且空心板整體完好的情況，而且對(duì)主梁承載能力提高甚微，因此這種加固方法適用范圍較為有限。

加強(qiáng)空心板梁整體化層法是較為徹底的能有效提高空心板梁承載能力的方法，該法可以同時(shí)修復(fù)破壞的空心板鉸縫。

6.2 簡(jiǎn)支空心板梁既有橋加強(qiáng)整體化層加固方法要點(diǎn)

首先，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)鉸縫鋼筋和混凝土進(jìn)行加強(qiáng)，以增加鉸縫的抗彎和抗剪強(qiáng)度，使其更好的發(fā)揮橫向聯(lián)系的作用。鉸縫維修時(shí)增設(shè)并加粗鉸縫鋼筋。

其次，重新鋪裝加強(qiáng)現(xiàn)澆整體化層，現(xiàn)澆整體化層的厚度要滿足設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)的要求，因此最小厚度不得小于12cm。重新澆筑橋面整體化層時(shí)，應(yīng)按照10cm間距加密橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)，適當(dāng)提高整體化層層混凝土強(qiáng)度等級(jí)，使橋面整體化層參與梁板和鉸縫共同受力。

具體做法：鑿除原橋面鋪裝后，板梁頂面需進(jìn)行鑿毛。拉毛可采用垂直于跨徑方向劃槽，槽深0.6～0.8cm,每延米橋長(zhǎng)不少于10～15道。現(xiàn)澆新的整體化層前，須用鋼刷清除結(jié)合面上的浮皮，用水沖洗清洗橋面殘?jiān)突覊m，嚴(yán)禁油膩污染板梁頂面。為保證橋面整體化層能與板梁共同受力，澆筑整體化層混凝土前需涂抹界面劑。

7 主要結(jié)論

（1） 在橋面整體化層內(nèi)配置雙層鋼筋網(wǎng)，將橋面整體化層作為現(xiàn)澆橋面板結(jié)構(gòu)，整體化層可參與主梁結(jié)構(gòu)受力，采用這種配筋方法的整體化層能有效防止鉸縫破壞。

（2）現(xiàn)澆整體化層的合理厚度宜采用12～14cm且不宜大于16cm。

（3）簡(jiǎn)支空心板梁橋強(qiáng)化設(shè)計(jì)整體化層，具有優(yōu)秀的經(jīng)濟(jì)性和受力性能，與同跨徑組合鋼梁結(jié)構(gòu)相比具有優(yōu)勢(shì)。

（4）簡(jiǎn)支空心板梁橋強(qiáng)化整體化層設(shè)計(jì)理論用于既有橋加固，具有良好的應(yīng)用前景。