新型刚接空心板桥梁应用与技术指标分析

黄巍峰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

新型刚接空心板桥梁应用与技术指标分析

黄巍峰

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

结合传统铰接空心板存在的不足及病害，介绍了新型预制装配式刚接空心板，并针对S7公路工程20 m跨径的刚接空心板进行了结构分析。此外对三种空心板进行了技术指标对比。

刚接空心板；铰缝；病害；耐久性；裂缝；强度；技术指标；造价

0 引言

空心板结构是目前被广泛采用的桥梁结构形式，其结构高度低，工厂化程度高，运输、吊装方便，对地面交通影响较小，工程造价低。自20世纪60年代以来，经过数十年的发展和完善，空心板梁标准化、工厂化、机械化的优势日渐凸显，在上海内环线、外环线、S32、G1501等高速公路桥梁及大量中小跨径地面桥梁上均得到运用。

但随着交通量增大、重车和超载车辆增多，空心板桥梁在使用一定年限后也暴露出一系列的问题，特别是铰缝破坏，导致空心板单梁受力问题，一直无法得到彻底解决，从而影响桥梁的运营安全和结构寿命[1]。上海市城乡建设和交通委员会在《上海市城市道路和公路设计指导意见》中明文规定，限制预制装配式铰接空心板结构在高等级公路和城市道路上的使用[2]。因此，开发适用于中小跨径桥梁的新型预制装配式空心板结构，具有非常重要的现实意义。

1 铰接空心板病害分析

通过资料收集和调查分析，铰接空心板的主要病害有：铰缝开裂，空心板底出现纵横向裂缝，桥面铺装开裂、支座脱空等（见图1）。造成上述问题的根本原因，是由于铰接空心板的受力计算模式与实际存在偏差。由于铰缝混凝土体积较小，以及施工质量、重车和超载等外部因素，造成铰缝本身极易破坏，无法实现力的传递，从而导致计算假定模式失效，造成单梁受力，进而引起开裂破坏。

图1 铰接空心板病害

针对铰缝连接可靠性较差的缺点，改进横向连接方式，将铰接变为刚性连接，将对改善铰接空心板刚度较小，整体性、行车条件和耐久性较差及根治相关病害起到至关重要的作用。

2 新型刚接空心板简介

（1）铰接空心板的铰缝是结构的薄弱环节。新型刚接空心板结构将板梁预制成两侧带挑臂的形式，板与板之间的连接改进为后浇湿接头的刚性连接[3]。

（2）传统空心板的顶、底板及腹板尺寸较小，结构耐久性、可靠性较差。新型刚接空心板增加了截面构造尺寸，提高了结构的可靠程度。

几种空心板横断面对比见图2。

图2 空心板构造对比（单位：mm）

（3）目前空心板预制内模多采用充气胶囊，而气囊在施工过程中极易上浮，造成顶板尺寸减小。刚接空心板采用一次性内膜，可有效防止气囊上浮造成的截面尺寸变化。

（4）新型刚接空心板每片梁使用4个支座，同时在梁端设置端横梁，增加横向刚度和整体性。如此可改善铰接空心板由于施工误差造成支座脱空后的不利受力情况。

（5）该新型结构采用后张法体系，按A类结构设计。图3为其跨中钢束布置断面，图4为普通钢筋断面。混凝土采用C50，钢铰线采用低松弛高强度钢绞线，公称直径φs15.2mm，其抗拉强度标准值fpk=1860MPa，设计张拉力0.75 fpk；普通钢筋采用HRB400及HPB300。

图3 刚接空心板钢束布置断面（单位：mm）

图4 刚接空心板普通钢筋断面（单位：mm）

3 工程实例

本文采用的工程实例为S7公路工程[4]。主线高架在宝安公路南侧设有一对平行匝道，桥宽为9 m。匝道在跨越地面河道杨泾时，由于受起桥点位置及桥梁纵坡的制约，桥面标高仅6.3 m。如采用与主线相同的小箱梁结构，则跨越河道的桥梁梁底标高将无法满足水务部门的最低要求，因此该匝道部分桥跨采用了跨径为19.96 m的刚接空心板结构，有效控制了结构高度。桥梁设计荷载等级为公路－I级，安全等级为一级，标准横断面布置见图5。

图5 横断面布置（单位：mm）

计算执行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）[5]及《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）[6]。荷载等级为公路－I级。二期恒载为10 cm钢筋混凝土铺装、10 cm沥青混凝土铺装及防撞护栏，铺装不参与结构受力。体系升降温按30℃考虑，温度梯度及混凝土收缩徐变按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[6]相关条文取值。

4 结构分析

4.1 横向分布计算

空心板横向采用刚性连接，以刚接板梁法计算得出横向分布系数（见表1）。

表1 横向分布系数

4.2 正截面抗裂验算

短期效应组合下板梁截面上下缘最小正应力如图6所示。

图6 短期效应组合上下缘最小正应力（单位：MPa）

长期效应组合下板梁截面上下缘最小正应力如图7所示。

图7 长期效应组合上下缘最小正应力（单位：MPa）

结构在短期和长期效应组合下均未出现拉应力，正截面抗裂验算结果满足规范要求。

4.3 斜截面抗裂验算

短期效应组合下板梁截面最小主应力见图8。

图8 短期效应组合截面主拉应力（单位：MPa）

最大主拉应力远小于规范要求的0.7×ftk= 0.7×2.65=1.86 MPa。

4.4 正常使用极限状态应力验算

标准组合下板梁截面上下缘最大正应力见图9。

图9 标准组合上下缘最大正应力（单位：MPa）

受压区的混凝土最大压应力小于规范要求的0.5×fck=0.5×32.4=16.2 MPa。

标准组合下板梁截面主应力见图10。

图10 标准组合截面最大主压应力（单位：MPa）

标准组合下混凝土的主压应力满足规范要求小于0.6×fck=0.6×32.4=19.4 MPa。

4.4 正截面抗弯强度验算

跨中截面最大弯矩为4 801 kN·m，截面抗力为5 047 kN·m，满足使用要求。图11为 最大抗力对应内力图。

图11 最大抗力对应内力图（单位：kN·m）

通过以上计算结果可知，刚接空心板在抗裂验算、承载能力验算等方面均能满足规范要求。

5 综合比较

刚接空心板在连接方式、力学性能、行车条件等方面具有传统铰接空心板无法比拟的先天优势;在施工方面，与传统铰接板桥梁施工相同，上部结构采用工厂预制、现场吊装方法施工，上下结构可同时平行作业，有利于保证桥梁的施工进度。

以下是对刚接空心板、上海版空心板及交通部版空心板的技术经济指标进行综合对比分析（见图12～图14）。

图12 混凝土用量对比

图13 钢绞线用量指标对比

图14 钢筋用量指标对比

通过不同跨径板梁的对比可以发现，刚接空心板的混凝土用量仅为交通部空心板的70%左右，同时也低于上海版空心板。这得益于刚接空心板两侧设置了挑臂及现浇湿接头，断面布置更为合理，提高了腹板的利用效率，从而节省了混凝土用量。同时利用现浇湿接头的宽度变化，可使刚接空心板对于边宽度桥梁的适应能力大大高于传统铰接空心板。

跨径16 m以下的刚接空心板预应力束用量与铰接空心板基本相同，而20 m及以上跨径时略低。钢筋指标与交通部版铰接空心板也基本相同，但高于上海版铰接空心板。

经综合比较，以三孔地面桥梁为例，刚接空心板桥梁综合造价约为5 000元/m2，略高于上海版铰接空心板4 800元/m2的造价，但远低于交通部版空心板5 500元/m2的造价。

6 结论

后张法刚接空心板是一种介于铰接空心板与小箱梁之间的结构形式，继承了铰接空心板结构高度低、工厂化程度高、施工快速方便、工程造价低的优点和小箱梁整体性好、行车条件好、耐久性好的优点。通过湿接头的刚性连接，从根本上根治了传统铰接空心板由于铰缝破坏而造成的一系列病害。此外，刚接空心板对变宽度桥梁的适应能力远高于铰接空心板，并凭借其跨径布置灵活、结构高度较低等优点，在中小跨径桥梁的设计中可得到广泛的适用。

[1]秦怀荣.装配式板桥单板病害原因分析及对策[J].工程与建设，2007，21(1)：21-25.

[2]上海市城乡建设和交通委员会.上海市城市道路和公路设计指导意见（试行）[Z].上海：上海市城乡建设和交通委员会，2009.

[3]上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司.中小跨径桥梁新结构科研报告[R].上海：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，2013.

[4]上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司.S7公路新建工程施工图[Z].上海：上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，2015.

[5]JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].

[6]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

U445

B

1009-7716（2016）05-0227-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.063

2016-02-19

黄巍峰（1980-），男，上海人，工程师，从事桥梁设计工作。