预应力空心板梁梁高的优化设计

吉禹霏，潘志强

（1.天津市市政（公路）工程研究院，天津 300074；2.中国市政工程华北设计研究总院，天津 300074）

0 引言

预应力空心板梁是公路桥梁中普遍采用的结构形式。该结构预制安装，节省工期，且工艺成熟，预应力结构相对于钢筋混凝土结构，更适于大跨径桥梁，同时钢材耗量少，混凝土开裂现象较轻。当桥梁跨径大于20 m，往往采用预应力结构。

预应力空心板梁应用于跨河桥，跨线桥等等，尤其是工期紧张的工程更能展现出它的优势。但经过长期实际工程的应用，也暴露出一些问题，例如铰缝处混凝土开裂，导致单板受力，梁底出现裂缝，更甚者出现桥面开裂，梁体纵向或者横向通缝。分析其原因，梁体的刚度和强度是主要因素，其中梁体高度是重要影响因素，但在实际工程中梁高往往受限制，如跨河桥，为满足通航净空，减薄梁高；跨公路桥，为满足车辆净空，同时还有减小引桥长度，降低梁高；同样跨铁路桥对净空要求更大，更严格，因此减小梁高往往成了首选方案。降低梁高导致桥梁整体性、刚度和强度的降低，同时还增加工程造价。下面通过理论和实际详细阐述优化梁高对桥梁工程的重要性。

1 预应力空心板梁梁高优化设计

唐津高速公路天津段沿线经过宁河县、汉沽区、清河农场、塘沽区，全长60.663 km。沿线共有桥涵68座，对预应力板梁结构形式的桥梁进行详细检测，发现15座桥梁预应力板梁梁底存在不同程度的纵、横向裂缝病害，大部分梁底裂缝宽度大于0.2 mm，长度基本贯穿整个梁体，因此需要换梁。现以汉南铁路桥20 m预应力空心板梁为例（见图1），该桥旧梁采用0.9 m梁高的预应力空心板，现将其与目前普遍采用的1.0 m梁高20 m预应力空心板进行对比分析，具体分析不同梁高对工程受力、造价的影响。

图1 全桥实景

汉南铁路桥桥梁分为上下行两幅桥，每半幅桥全宽12.5 m，其横向布置为：0.5 m（防撞墙）+3.5 m（紧急停车带）+2×3.75 m（行车带）+1.0 m（工作带）。该桥建成于1998年，第23孔为20 m预应力板梁，经检测该孔桥梁普遍存在梁底纵向裂缝，该桥梁需进行加固维修，现以第23孔20 m预应力空心板梁为例进一步分析说明。

该桥梁底的纵向裂缝几乎贯通且每片梁均存在此问题（见图2）。

图2 板梁梁底纵裂实景

现通过对原设计的0.9 m梁高预应力空心板梁与现在普遍采用的1.0 m梁高预应力空心板梁进行对比分析（见图3、图4）。两种空心板梁截面宽度相同，横桥向布置相同，二期恒载及活载布置相同，并采用相同布置的钢绞线及普通钢筋，现分析两种梁高不同的空心板其受力情况。二期恒载均为10 kN/m2，钢绞线均采用5φs15.2 mm高强度低松弛钢绞线顶底板各两根。

图3 0.9 m梁高空心板梁中板断面图（单位：cm）

图4 1.0 m梁高空心板梁中板断面图（单位：cm）

现通过MIDAS软件进行计算分析，计算模型采用单片梁模拟，两种板梁的桥宽相同，车道荷载布置相同，但折算到单片梁的横向分布系数不同，0.9 m梁高空心板梁横向分布系数0.267，1.0 m梁高空心板梁横向分布系数0.296，由于截面惯性矩大，横向分布系数计算与截面惯性矩有关，因此在相同荷载的情况下，1.0 m梁高空心板梁受力相对大一些。由于1.0 m梁高空心板梁截面面积及惯性矩均大于0.9 m梁高空心板梁，因此在较大荷载作用下，其梁体自身的刚度、强度等产生的抗力优势，完全抵消了荷载大的作用，计算结果见图5、图6所示。

图5 0.9 m梁高20 m预应力空心板梁内力图（单位：kN·m）

图6 1.0 m梁高20 m预应力空心板梁内力图（单位：kN·m）

表1为0.9 m梁高与1.0 m梁高20 m预应力空心板梁抗力对比分析表。

由以上对比分析可以看出，在相同的荷载作用下，1.0 m梁高空心板梁结构应力小于0.9 m梁高空心板梁，因此1.0 m梁高的空心板梁耐久性能更好；1.0 m梁高空心板梁结构抗力大于0.9 m梁高空心板梁，因此1.0 m梁高的空心板梁能承受更大的荷载。

表1 参数及应力抗力对比分析表

现对比分析一下结构的经济性，1.0 m梁高空心板梁混凝土用量12.2 m3，0.9 m梁高空心板梁混凝土用量11.5 m3，对比分析混凝土用量1.0 m梁高空心板梁比0.9 m梁高空心板梁多0.7 m3，即多了6%的混凝土用量，但从应力挠度及抗力分析可以看出，应力最大优化14%，挠度优化26%，抗力优化14%，因此梁高增加10 cm，混凝土用量增加6%，而应力及挠度的降低及抗力的增加，均远远超于混凝土用量的增加。

若保持两种梁高的抗力相同，则1.0 m梁高空心板梁的钢绞线用量比0.9 m梁高空心板梁节约11%，因此在满足同等设计等级荷载的情况下，1.0m梁高空心板梁比0.9 m梁高空心板梁造价更低，更经济。

2 结语

（1）空心板梁采用合理梁高既可以加大桥梁结构抗力性能，延长桥梁使用寿命，同时还可以节约钢材，降低造价。

（2）适当增加空心板梁梁高，可增加梁体刚铰缝的横向连接，增加桥梁的整体性能。

（3）空心板梁梁高增加，对结构自重的增加影响很小，而对结构受力的影响非常大，结构自重增加6%，而结构抗力增加14%，因此空心板梁在设计时不能一味的追求最小梁高，应对比分析，取最优化的梁高。

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[2]叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，1997.

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