先張法預應力混凝土剛接空心板（橋梁）標準化設計

沈炯偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

先張法預應力混凝土空心板具有結(jié)構(gòu)高度低、工廠化程度高、運輸?shù)跹b方便、施工速度快及工程造價低等特點。自20世紀60年代以來，在上海內(nèi)環(huán)線、外環(huán)線、S32、G1501等高速公路橋梁及大量中小跨徑地面橋梁上均得到運用。長期以來上海地區(qū)采用的空心板梁結(jié)構(gòu)型式主要有上海市標準空心板（見圖1）及交通部標準空心板（見圖2），兩者空心板梁之間均通過鉸縫相連。

圖1 上海市空心板橫斷面圖

由于超重載交通等影響，鉸接空心板梁整體性及耐久性能較差的特點越來越突出。由于鉸縫連接性能較差，在重載交通反復作用下，結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出鉸縫連接先破壞失效后，單梁受力致結(jié)構(gòu)破壞的特點。在高架橋、跨線橋等大型新建橋梁工程中，鉸接空心板梁逐漸被預制小箱梁、現(xiàn)澆箱梁等整體受力及耐久性能好的結(jié)構(gòu)型式所代替。

圖2 交通部空心板橫斷面圖

對于普通跨河中小橋梁、跨線橋而言，預制小箱梁、T梁等結(jié)構(gòu)梁高及單梁起吊重量相對較大，不利于橋梁縱斷面設計及吊裝施工，現(xiàn)澆箱梁也存在支架搭設困難等問題?？绾又行蛄河绕湫枰捎媒Y(jié)構(gòu)高度低、起吊重量小的上部結(jié)構(gòu)，以盡可能降低橋面標高，方便運輸和吊裝施工。因此迫切需要推廣一種既具有鉸接空心板結(jié)構(gòu)高度低、運輸和吊裝方便等優(yōu)點，又具有良好整體受力性能的結(jié)構(gòu)型式——剛接空心板。

1 研究內(nèi)容

剛接空心板梁是在原鉸接空心板梁的基礎上，將板梁之間的鉸縫連接改為橋面板剛接連接的一種結(jié)構(gòu)型式。板梁的結(jié)構(gòu)高度、先張法制作工藝等基本上與鉸接空心板相同，可充分利用現(xiàn)有空心板梁預制場的資源。

由于空心板梁之間采用了剛接連接并在端部設置端橫梁，結(jié)構(gòu)整體受力性能大大提高，橋梁的耐久性能有了可靠的保證。

鑒于剛接空心板梁在結(jié)構(gòu)高度、工廠化程度、運輸和吊裝等方面表現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢及廣闊的應用前景，編制剛接空心板梁標準圖具有較大的實際應用價值。為此，受上海市建筑建材業(yè)市場管理總站委托，上海市政工程設計研究總院聯(lián)合上海多家設計、施工及管理單位，開展了先張法預應力混凝土空心板（橋梁）標準設計的研究工作，編制了先張法預應力混凝土剛接空心板（橋梁）標準圖。

該標準圖適用于跨徑10~22 m、汽車荷載等級為公-Ⅰ/Ⅱ級與城-A/B級、環(huán)境類別為Ⅰ類的公路/城市橋梁先張法預應力混凝土剛接空心板（橋梁），人群荷載不控制設計。

剛接空心板（橋梁）橫斷面如圖3所示。

圖3 剛接空心板（橋梁）橫斷面（單位：mm）

2 主要技術(shù)標準

（1）跨徑：10 m、13 m、16 m、18 m、20 m、22m。

（2）斜交角：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°。

（3）汽車荷載：公-Ⅰ/Ⅱ級、城-A/B級。

（4）設計基準期：100 a。

（5）設計使用年限：100 a。

（6）橋梁設計安全等級：一級/二級。

（7）耐久性環(huán)境類別：Ⅰ類。

3 結(jié)構(gòu)設計

3.1 梁長與梁高

10~22 m先張法預應力混凝土剛接空心板，采用單梁預制，簡支安裝，現(xiàn)澆接縫及端橫梁的結(jié)構(gòu)體系（見表1）。

考慮到汽車荷載重型化和結(jié)構(gòu)耐久性的要求，同時兼顧剛接空心板與鉸接空心板的可替換性，該標準圖中剛接空心板梁高取值在原上海鉸接空心板的基礎上增加3~5 cm的高度，以保證空心板的安全儲備，同時可以增大結(jié)構(gòu)剛度，減少撓度。

表1 空心板參數(shù)表 m

3.2 橫斷面布置

根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015），單輛汽車的橫向車輪距為1.8 m，空心板的合理寬度應小于1.8 m，以避免單板上同時分配到單車道的汽車荷載。該標準圖在設計時，主梁間距控制在1.8 m以內(nèi)。

標準圖分別給出了橋?qū)?.5 m、12 m、16 m、24 m的單幅橋梁和橋?qū)?2×9 m、2×13.5 m、2×16.75 m的雙幅橋梁標準橫斷面布置圖，如圖4、圖5和表2所示。

圖4 單幅橋梁典型橫斷面布置圖（單位：mm）

圖5 雙幅橋梁典型橫斷面布置圖（單位：mm）

為實現(xiàn)工廠標準化生產(chǎn)，預制部分空心板寬度均一致，通過調(diào)整濕接縫寬度以適應橋梁寬度的變化，該方法可涵蓋8~30 m范圍內(nèi)任何寬度的橋梁。

表2 空心板典型橫斷面布置參數(shù)表

3.3 單片預制空心板構(gòu)造尺寸

剛接空心板截面仍采用與原上海市鉸接空心板一致的雙孔洞的截面型式（見圖6和圖7）。底面橫向為平坡，頂板設2%橫坡。構(gòu)造參數(shù)見表3。

圖6 等截面剛接空心板構(gòu)造（10～13 m）（單位：mm）

原上海市鉸接空心板底寬為1 m，剛接空心板預制梁底寬取1.1 m，中梁頂板寬1.25m，邊梁頂板寬1.475m（帶挑臂），可充分利用現(xiàn)有的預制場地。

為改善結(jié)構(gòu)的整體受力，剛接空心板在梁端支承處設置了端橫梁，橫梁寬350 mm（見圖8）。

剛接空心板仍沿用鉸接空心板膠囊成型的施工工藝。由于空心板預制過程中膠囊芯模上浮導致頂板實際厚度較設計小，從而影響頂板的局部受力和結(jié)構(gòu)的耐久性，原上海市鉸接空心板頂板最小厚度僅為80 mm，該次剛接空心板標準圖頂板厚度不小于100 mm。

圖7 變截面剛接空心板構(gòu)造（16～22 m）（單位：mm）

圖8 剛接空心板端橫梁構(gòu)造圖（單位：mm）

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，原上海市鉸接空心板采用雙孔洞的截面型式，鏤空率比較大，用料非常經(jīng)濟，但腹板相應比較薄，支點附近主拉應力比較大，為減小支點附近的主拉應力，16 m及以上的剛接空心板孔洞采用變截面型式，支點附近孔洞縮小5 cm以增加腹板厚度。經(jīng)計算，22 m空心板支點處改用變厚度腹板后，主拉應力從2.44 MPa減小到1.68 MPa，效果明顯改善（見圖 9）。

圖9 剛接空心板主拉應力（單位：MPa）

剛接空心板內(nèi)模采用膠囊成型。10~13 m跨徑空心板采用等截面圓形膠囊；16~18 m跨徑空心板共用一類變截面圓端形膠囊；20~22 m跨徑空心板共用另一類變截面圓端形膠囊。膠囊尺寸見表4及圖10所示。

3.4 材料

混凝土：C50混凝土。

預應力鋼絞線：1×7-15.20高強度低松弛鋼絞線。

普通鋼筋：吊環(huán)鋼筋和直徑小于12 mm的構(gòu)造鋼筋采用HPB300鋼筋；受力鋼筋和直徑不小于12 mm的構(gòu)造鋼筋采用HRB400鋼筋。

3.5 技術(shù)經(jīng)濟指標

對比交通部鉸接空心板、上海市鉸接空心板和本文剛接空心板，三種空心板技術(shù)指標和工程量指標比較見表5和表6。

圖10 不同跨徑（16 m、18 m）空心板共用變截面膠囊示意圖（單位：mm）

從技術(shù)指標對比得到，剛接空心板與鉸接空心板梁高與剛度相當，可實現(xiàn)等剛度替換，為鉸接空心板換梁提供了可能。

從工程量指標對比得到：剛接空心板與交通部鉸接空心板相比，主梁混凝土用量平均減少3%，普鋼平均增加1%，預應力平均減少8%；與上海市鉸接空心板相比，主梁混凝土用量相當，預應力平均節(jié)省20%，普鋼增加26%?？梢钥闯觯瑒偨涌招陌宓男б媸敲黠@的。

4 推廣應用

剛接空心板自標準圖發(fā)布以來，在上海及周邊地區(qū)新建和改建橋梁中得到了廣泛的應用（見圖11和圖12）。據(jù)不完全統(tǒng)計，上海地區(qū)已有上百座新建橋梁采用了剛接空心板，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。剛接空心板已經(jīng)成為22 m以下中小跨徑橋梁的首選。

表4 膠囊尺寸參數(shù)表

表5 各類空心板技術(shù)指標

表6 各類空心板工程量指標

圖11 剛接空心板在新建橋梁中的應用

圖12 剛接空心板在老橋改造中的應用

由于剛接空心板仍保留了原先上海市鉸接空心板內(nèi)孔為圓形或圓端形的截面型式，可充分利用各空心板預制場現(xiàn)有的設備和生產(chǎn)工藝，梁高和結(jié)構(gòu)剛度基本上與鉸接空心板相近，這給剛接空心板在橋梁舊橋改造中的推廣和應用創(chuàng)造了條件。目前上海地區(qū)有大量的鉸接空心板老橋，存在一定程度的病害，亟待修復。針對現(xiàn)有的鉸接空心板橋梁舊橋改造，可將需要改造的舊橋空心板拆除，用剛接空心板替換，無須對下部結(jié)構(gòu)進行拆除重建，同時由于兩者梁高相近，可通過鋪裝進行局部調(diào)整，不影響結(jié)構(gòu)整體線形。因此剛接空心板在老橋改造中具有廣泛的應用價值。

5 結(jié)語

本文所介紹的剛接空心板是在充分利用各預制場現(xiàn)有的設備和生產(chǎn)工藝的前提下，進行工廠化生產(chǎn)的。該梁保留了鉸接空心板建筑高度小、制作安裝方便、起吊重量輕、造價低、用鋼量少的優(yōu)點，同時又改善了原有鉸接空心板橋梁鉸縫薄弱的缺陷，在新橋建設和老橋改造過程中具有很高的推廣價值。