π型截面梁桥的工程性能

史兴奇

(呼兰区公路事业发展中心，黑龙江 哈尔滨 150000)

1 前 言

装配式PC/RC空心板桥因为具有构造简单、建筑高度小、利于标准化设计和工厂化生产、施工方便、适应性强等优点，在公路与城市桥梁上应用广泛，但是随着交通量的迅速增大，超载、超限车辆越来越多，桥梁病害也随之增多。文献表明，在已发现的桥梁病害中，装配式PC/RC空心板桥占比较大。装配式空心板的主要病害有：铰缝损伤、开裂；板端应预应力张拉产生的裂缝；板体纵、横裂缝；支座脱落、板的挠度过大等；这些病害对于空心板桥的承载力、耐久性和使用性能均会产生不同程度的影响。由于空心板在使用中存在的问题，目前已经有城市颁布相关条例，拟减少空心板在公路建设中的应用。

目前基于空心板的改进方法，主要用两种思路一种是针对铰缝及其相关部分的改进；另一种是摒弃传统的构造，提出适用于中小跨径的装配式混凝土梁板的新型结构形式——席进等人提出了低高度密肋式预应力简支T梁来代替空心板桥，并针对该类结构进行了参数分析；雷波等人针对此类截面进行了截面效率分析，得出了该类截面适用于小跨径桥梁的上部结构的结论。

本研究依托实际工程项目，一座主跨125 m上承式钢筋混凝土拱桥，在设计过程中，拱上建筑的结构形式的合理选择，对于该项目的后期的运营、养护有着至关重要的作用。为了克服空心板桥存在的这些问题，受文献的启发，结合工程的现实情况，本着“结构简单、受力明确、方便施工”的原则，提出一种低高度π型截面梁方案应用于拱上车道板。本文主要针对这种π型截面梁的工程性能进行分析，并与传统的空心板进行对比。

2 构造方面的对比分析

π型梁的标准截面，通过与13 m空心标准图的构造对比，可以得出以下结论。

π型梁为开口型截面，相比空心板这类闭口型截面具有预制简单，脱模方便的优点，且无内模，避免了空心板因为内模上浮，压缩顶板厚度的问题；后期使用中，相比空心板，π型梁具有便于维护和检修的优势。

π型梁横向连接采用现浇湿接缝，属于刚性接头，施工易实现，相比空心板的接缝，刚度大，横向联系更加稳固，避免了空心板因为铰缝损坏造成单板受力的问题，且湿接缝接缝数量少，便于施工。

π型梁的支座设置在每个梁肋下，为单支座，而每片空心板则需要设置双支座，安装时容易出现支座脱空的情况；且支座数量多，加重后期维护和检修的工作量。

吊装次数少，梁片数相比空心大幅减少，能减少梁的预制批次和吊装循环次数，极大的减少施工循环作业次数。

相比空心板，π型梁可稍加改造形成结构连续结构。

3 力学性能的对比分析

3.1 截面效率分析

为了验证所拟定的π型梁截面尺寸的合理性，计算该截面的截面效率。有关截面效率的定义可参考相关文献。

图1 截面效率计算示意图

(1)

(Ny-ΔNy)(ks+kx)=Mg2+p

(2)

(3)

根据以上公式，计算得出表1。

表1 截面效率指标对比

从表1中可以看出，π型梁的截面效率指标明显高于空心板的截面效率指标，约为空心板的170%，这说明π型梁相比空心板具有更高的活载承载能力。

另外，截面效率指标的合理区间为0.45～0.55，据此，本项目采用的π型梁截面是合理可行的。

3.2 结构力学性能分析

为了便于比较，采用L=13 m的标准跨径，对π型梁和空心板进行对比。采用有限单元法，基于Midas Civil 2015，分别建立两种截面的简支梁有限元模型，在满足现行《公路公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范JTG3362—2018》验算内容的前提下，选取π型梁的一肢与一片空心板进行对比。对结构的基频，内力和跨中挠度等进行对比分析。结果如表2～表4所示。

表2 π型梁和空心板荷载效应对比

表3 两种结构的抗力效应比值

表4 结构基频对比(前3阶)

由表1可以看出，在恒载状态下，两种结构的反力、剪力及弯矩效应具有相当的效应水平，但恒载状态下，空心板的跨中挠度是π型梁的183%，在“恒+活载”状态下，由于横向分布系数较大，π型梁的反力、剪力及弯矩效应均明显高于空心板，但是跨中挠度仅为空心板的68%，说明π型梁相比空心板，具有更高的抗弯刚度，抵抗因外荷载引起变形的能力更强。

由表2可以看出，空心板相比π型梁，抗力效应比值较大，这说明，此时空心板的承载能力仍然具有较大的富余量，但是根据表1的计算结果判断，如若继续增大空心板的荷载，结构的挠曲变形必将继续增大，过大的挠曲变形在长期的使用中，必然会影响结构的正常使用性能、耐久性能和承载能力。这一情况也从侧面印证了挠度过大，是目前空心板结构存在的主要病害之一。

由表3可以看出，两种结构的前三阶振型相同，π型梁的竖向对称振动基频为7.5 hz，空心板的竖向对称振动基频为6.4 hz，也从侧面反映π型梁具有较高的竖向刚度。这对于以受弯为主的梁结构来说，较高的竖向刚度对于减小跨中的下挠，有积极的作用。其他的两种振型也表明，π型梁在竖向和横向的刚度均均比空心板的更大。

同时，由于自振频率较低，在汽车和人群荷载的激励下，空心板更容易发生受迫振动，行车和行人过桥时，更易感知结构振动，引起不适。

综上所述，在力学性能方面，π型梁比空心板，具有截面效率高，活载承载能力更强、通行舒适性更好等优势。

4 经济性能的对比分析

在对比了力学性能后，现在将对两种结构的经济性能进行对比，以主材为对象，对比两种结构的工程经济性，结果如表5所示。

表5 两种结构的主要材料参数(单跨)

由表5可以看出，在混凝土用量和预应力钢束用量上，π型梁均比空心板要少，但普通钢筋用量相比空心板要高，混凝土按500元/m3，普通钢筋按4 000元/t，钢绞线按5 000元/t计，π型梁在材料费用上相比空心板高约25%。但是，在施工环节上，就本项目而言，采用π型梁，缆索吊需往返吊装44次，湿接缝施工33道；若采用空心板，缆索吊需往返吊装99次，铰缝施工88道。按平均2片/天的吊装进度，能节约至少1个月的工期。这期间节约的设备租金、人工费用以及提前通车带来的经济效益，将远超过材料成本的付出。因此，采用π型梁，对于方便施工和节省工期来说是有利的。

5 结论及展望

(1)π型梁采用开口结构，预制时模板的安装、脱模简单；

(2)每片π型梁之间采用刚接，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；

(3)π型梁相比空心板，具有更高的承载效率，截面的利用率更高；

(4)π型梁相比空心板，结构的抗弯刚度更大，挠曲变形更小，对于提高结构的耐久性有积极的作用；

(5)π型梁自振频率较高，不易受行人和车辆的频率激励而产生受迫振动，通行舒适性更佳；

(6)用于拱上建筑时，π型梁相比空心板，普通钢筋消耗略高，但方便施工、节约工期和成本，从项目远期价值来看，具有更高的经济性。

目前，该项目仍在施工，从目前的分析来看，该种结构的应用前景可期，该种结构也是首次在贵州省内项目采用，其工程性能还有待进一步的验证。