小跨径桥梁结构T型梁和空心板梁适用性比较分析

陈 鄂

(山西省交通建设工程质量检测中心(有限公司)，山西 太原 030000)

1 引 言

我国桥梁建设已有多年的历史，空心板梁桥具有高度小、形式简单、力学方便、重量轻，施工方便，可批量生产等优点成为使用最多的桥型特别是在小跨径桥梁中。预制空心板梁桥板梁通过铰缝进行连接，而铰缝受力薄弱不能很好传递横向力，使得桥梁结构整体性差。随着交通运输量及车辆超限运输不断增大，使得公路桥梁出现了不同程度的损坏，桥梁结构逐渐变成单板受力。特别是山西省做为煤炭资源大省，以煤炭运输为主，大吨位载重车辆数量逐年递增。

在这样的交通条件下，预制空心板梁桥铰缝纵向开裂的现象十分严重，板梁纵、横向开裂，桥梁整体性降低，板梁挠度过大等病害，使得桥梁使用安全性和耐久性降低，存在安全隐患，每年花费大量资金用于维修加固。

2 研究分析

空心板梁构造简单、受力明确，有预应力混凝土和钢筋混凝土结构，可做成空心和实心断面形式，能适应各种条件状况下的弯、坡、斜桥。在城市道路、低等级公路和高速公路中得到广泛应用。因受设计理论、计算方法、施工工艺、材料性能等因素制约，工程实例中板梁病害突出、维修加固费用高，不能够满足桥梁健康、可持续发展需求，在超载超重现象较为突出的省份尤为明显。

在交通运输部颁布的《公路桥梁通用图》中，小跨径(20 m及以下跨径长度)的桥梁结构仍以铰接的空心板结构形式为主，即便钢筋尺寸、铰缝尺寸等指标进行了优化，也无法从本质上解决铰缝受力薄弱的问题。

要想完全解决铰缝受力不利的问题，最直接的办法就是消除铰缝，变铰缝为湿接缝，改善结构受力增加桥梁结构的整体性，保证桥梁的耐久性。为克服空心板梁存在的病害，结合工程实际情况，按照“结构简单、受力明确、经济适用”思路，提出T型梁截面的方案。本文主要针对T型梁截面的工程实例进行比较。

3 结构性能比较

依托实体工程太原市东二环高速公路赖毛沟中桥，验证了设计工作的实际应用情况，评价了T型梁在小跨径桥梁中的设计效果和实用效益。

本文选取16 m跨径的简支梁桥，桥面宽度为16.5 m，荷载等级为公路-Ⅰ级，选取T型梁和空心板梁两种截面进行分析比较。

表1 T型梁与空心板梁截面特性比较

由表1可以看出，T型梁的截面积要大于空心板梁，其中T型梁高为1.3 m，空心板梁高为0.8 m。T型梁截面的抗弯惯性矩远小于空心板梁，因空心板梁是闭合截面特性且梁高低于T型梁，在这点上可以通过湿接缝和横隔板来弥补不足。T型梁具有优异的横向抗弯和抗扭性能，尤其横向抗弯惯性矩是空心板梁的3.1倍，良好的横向抗弯惯性矩有助于梁体运营期整体稳定性与安全性。T型梁抗扭惯性矩是空心板梁1.5倍，增加可使桥梁在偏载作用下各梁受力更均衡。

T型梁为开口型截面，相比空心板梁这种闭口型截面具有预制简单，便于脱模等优点。运营使用中，T型梁比空心板梁更便于维修和加固。

T型梁通过现浇湿接缝形式进行横向连接，属于刚性连接，而空心板梁以铰缝连接。相对而言T型梁桥刚度大，横向连接更加稳固，免去了空心板因铰缝受损出现单板受力的状况，且湿接缝数量少，施工阶段易于控制质量，桥梁整体性更好。

相比空心板梁，T型梁也易于转化为连续梁桥结构。

4 力学性能对比分析

在相同跨径、横向分布系数、汽车荷载等级及车道数量情况下，T型梁与空心板梁正截面抗弯承载力对比见表2所示。

表2 T型梁与空心板梁正截面抗弯承载能力

由表2比较可以得出，抗剪承载力T型梁与空心板梁之比为1.15，说明T型梁的抗剪性能优于空心板梁；抗弯承载力T型梁与空心板梁之比为1.63，说明T型梁的抗弯性能优于空心板梁。T型梁的剪力、弯矩效应均优于空心板梁，说明T型梁具有更好的抗弯刚度和承受荷载引起变形的能力。

表3 T型梁桥与空心板梁桥结构基频对比

由表3可以看出，两种结构形式的前三阶振型一致，T型梁桥竖向对称振动频率为10.30 Hz，空心板梁桥的为6.85 Hz，说明T型梁桥具有更好的竖向刚度。对于以受弯为主的简支梁桥结构，更高的竖向刚度能有效减小跨中挠度。

在桥梁力学性能方面，T型梁桥比空心板梁桥具有更优截面效率，承载能力更强、车辆通行性更好等优势。

5 经济适用性能的对比分析

5.1 耐久性

混凝土暴露在大气环境下易发生碳化，进而发生钢筋锈蚀，最终使桥梁结构耐久性能下降。T型梁因两侧翼缘板宽度足够可设置竖向排水管，空心板梁只能设置斜向排水管，使得空心板梁排水能力差，积水易随着排水孔流到混凝土上对边梁进行腐蚀，通过现场调查发现一般空心板梁桥边梁腐蚀比例要高于T型梁桥。空心板梁为闭合腔室，若桥面防水层失效，雨水渗入腔室内，且空心板梁普遍没有设置排气孔，造成腔内混凝土的腐蚀破坏。

5.2 养护维修

运营期空心板梁结构腔体内无法观测到，不能完全反应出结构健康状态，而T型梁结构各部位均可见。空心板梁采用双支座支撑，部分支座易出现老化、脱空、偏压等病害，且圆形支座相较于矩形支座易于损坏，使梁体产生扭矩，最终导致梁体出现纵向、斜裂缝。而T型梁设置单支座，支座受损概率也更低。故T型梁桥比空心板梁桥在养护、维修、加固方面更有优势。

5.3 经济性比较

公路桥梁除了要考虑耐久性、养护维修，还要从经济性方面进行考虑。上部结构以跨径16 m，桥梁净宽15.5 m为例，对两种截面形式的桥梁进行工程量。

表4 两种截面形式上部结构工程量

由表4可以看出，相同桥梁跨径及宽度下，T型梁片数较空心板梁少，但总造价要高，T型梁与空心板梁在材料费用上相比高约22%。T型梁比空心板梁高，土方量也相对减少可有效降低工程造价。T型梁吊装次数比空心板梁少，极大的减少施工作业量和缩短工期。施工期的缩短，为提前通车带来可观经济效益，也能节省设备、人工费用。因此，T型梁结构对施工成本和节省工期来说是有利的，其效益将远超材料成本的付出。

6 结论及展望

(1)T型梁采用开口型截面，预制简单、脱模方便。T型梁为湿接缝连接，减少了接缝数量，结构受力明确，结构的整体性能更佳，避免了空心板铰缝易破坏的问题。T型梁也易于转化为连续梁桥结构。

(2)T型梁相比空心板，T型梁具有更好的抗弯刚度和承受荷载引起变形的能力，车辆通过性也更好，提升结构的耐久性有积极的作用。

(3)T型梁相对空心板耐久性好，采用单支座受力明确，便于养护维修；T型梁架设易侧翻，施工阶段经济性差。板梁造价更低，适用于平原地区使用。考虑到施工周期及成桥质量，T型梁可在山区公路建设中选用。T型梁桥整体经济效益还是很不错的。