一種π型截面梁橋的工程性能分析

張 興，覃仁昊

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司貴州分公司，貴州 貴陽 550000)

1 前 言

裝配式PC/RC空心板橋因?yàn)榫哂袠?gòu)造簡單、建筑高度小、利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工廠化生產(chǎn)、施工方便、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在公路與城市橋梁上應(yīng)用廣泛，但是隨著交通量的迅速增大，超載、超限車輛越來越多，橋梁病害也隨之增多。文獻(xiàn)表明，在已發(fā)現(xiàn)的橋梁病害中，裝配式PC/RC空心板橋占比較大。裝配式空心板的主要病害有：鉸縫損傷、開裂；板端應(yīng)預(yù)應(yīng)力張拉產(chǎn)生的裂縫；板體縱、橫裂縫；支座脫落、板的撓度過大等；這些病害對(duì)于空心板橋的承載力、耐久性和使用性能均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。由于空心板在使用中存在的問題，目前已經(jīng)有城市頒布相關(guān)條例，擬減少空心板在公路建設(shè)中的應(yīng)用。

目前基于空心板的改進(jìn)方法，主要用兩種思路一種是針對(duì)鉸縫及其相關(guān)部分的改進(jìn)；另一種是摒棄傳統(tǒng)的構(gòu)造，提出適用于中小跨徑的裝配式混凝土梁板的新型結(jié)構(gòu)形式——席進(jìn)等人提出了低高度密肋式預(yù)應(yīng)力簡支T梁來代替空心板橋，并針對(duì)該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)分析；雷波等人針對(duì)此類截面進(jìn)行了截面效率分析，得出了該類截面適用于小跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

本研究依托實(shí)際工程項(xiàng)目貴州省六盤水市六枝特區(qū)永豐大橋項(xiàng)目，一座主跨125 m上承式鋼筋混凝土拱橋，在設(shè)計(jì)過程中，拱上建筑的結(jié)構(gòu)形式的合理選擇，對(duì)于該項(xiàng)目的后期的運(yùn)營、養(yǎng)護(hù)有著至關(guān)重要的作用。為了克服空心板橋存在的這些問題，受文獻(xiàn)的啟發(fā)，結(jié)合工程的現(xiàn)實(shí)情況，本著“結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、方便施工”的原則，提出一種低高度π型截面梁方案應(yīng)用于拱上車道板。本文主要針對(duì)這種π型截面梁的工程性能進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)的空心板進(jìn)行對(duì)比。

2 工程背景

貴州省六盤水市六枝特區(qū)永豐大橋項(xiàng)目位于六枝特區(qū)巖腳鎮(zhèn)與龍河鎮(zhèn)交界處，橫跨巖腳河，是《六枝特區(qū)干線公路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分，建成后將大幅改善兩地交通狀況，對(duì)于河兩岸的經(jīng)濟(jì)、文化交流大有裨益。永豐大橋主橋?yàn)橐豢?25 m上承式鋼筋RC箱型拱橋，橋?qū)?1.4 m，矢跨比1/5，拱上建筑為11×12.3 m的PCπ型梁。π型梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 拱上車道板橫斷面圖

這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是，一片π型梁由兩個(gè)矮T梁通過剛接形成，架設(shè)以后，再通過濕接縫形成橋面，濕接縫數(shù)量少，大部分接縫在預(yù)制場(chǎng)完成，接縫質(zhì)量可控。預(yù)應(yīng)力梁肋中心配置，可以避免T梁預(yù)制時(shí)產(chǎn)生側(cè)彎的情況；同時(shí)，由于采用兩片矮T梁連接而成，安裝時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不需要采取專門的穩(wěn)定措施，避免的T梁安裝過程中存在翻倒的風(fēng)險(xiǎn)。

3 構(gòu)造方面的對(duì)比分析

如圖1所示，為π型梁的標(biāo)準(zhǔn)截面，通過與13 m空心標(biāo)準(zhǔn)圖的構(gòu)造對(duì)比，可以得出以下結(jié)論。

π型梁為開口型截面，相比空心板這類閉口型截面具有預(yù)制簡單，脫模方便的優(yōu)點(diǎn)，且無內(nèi)模，避免了空心板因?yàn)閮?nèi)模上浮，壓縮頂板厚度的問題；后期使用中，相比空心板，π型梁具有便于維護(hù)和檢修的優(yōu)勢(shì)。

π型梁橫向連接采用現(xiàn)澆濕接縫，屬于剛性接頭，施工易實(shí)現(xiàn)，相比空心板的接縫，剛度大，橫向聯(lián)系更加穩(wěn)固，避免了空心板因?yàn)殂q縫損壞造成單板受力的問題，且濕接縫接縫數(shù)量少，便于施工。

π型梁的支座設(shè)置在每個(gè)梁肋下，為單支座，而每片空心板則需要設(shè)置雙支座，安裝時(shí)容易出現(xiàn)支座脫空的情況；且支座數(shù)量多，加重后期維護(hù)和檢修的工作量。

吊裝次數(shù)少，梁片數(shù)相比空心大幅減少，能減少梁的預(yù)制批次和吊裝循環(huán)次數(shù)，極大的減少施工循環(huán)作業(yè)次數(shù)。

相比空心板，π型梁可稍加改造形成結(jié)構(gòu)連續(xù)結(jié)構(gòu)。

4 力學(xué)性能的對(duì)比分析

4.1 截面效率分析

為了驗(yàn)證所擬定的π型梁截面尺寸的合理性，計(jì)算該截面的截面效率。有關(guān)截面效率的定義可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

圖2 截面效率計(jì)算示意圖

(1)

(Ny-ΔNy)(ks+kx)=Mg2+p

(2)

(3)

根據(jù)以上公式，計(jì)算得出表1。

表1 截面效率指標(biāo)對(duì)比

從表1中可以看出，π型梁的截面效率指標(biāo)明顯高于空心板的截面效率指標(biāo)，約為空心板的170%，這說明π型梁相比空心板具有更高的活載承載能力。

另外，截面效率指標(biāo)的合理區(qū)間為0.45～0.55，據(jù)此，本項(xiàng)目采用的π型梁截面是合理可行的。

4.2 結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

為了便于比較，采用L=13 m的標(biāo)準(zhǔn)跨徑，對(duì)π型梁和空心板進(jìn)行對(duì)比。采用有限單元法，基于Midas/Civil 2015，分別建立兩種截面的簡支梁有限元模型，在滿足現(xiàn)行《公路公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范JTG3362-2018》驗(yàn)算內(nèi)容的前提下，選取π型梁的一肢與一片空心板進(jìn)行對(duì)比。對(duì)結(jié)構(gòu)的基頻，內(nèi)力和跨中撓度等進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果如表2～表4所示。

表2 π型梁和空心板荷載效應(yīng)對(duì)比

表3 兩種結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)比值

表4 結(jié)構(gòu)基頻對(duì)比(前3階)

由表1可以看出，在恒載狀態(tài)下，兩種結(jié)構(gòu)的反力、剪力及彎矩效應(yīng)具有相當(dāng)?shù)男?yīng)水平，但恒載狀態(tài)下，空心板的跨中撓度是π型梁的183%，在“恒+活載”狀態(tài)下，由于橫向分布系數(shù)較大，π型梁的反力、剪力及彎矩效應(yīng)均明顯高于空心板，但是跨中撓度僅為空心板的68%，說明π型梁相比空心板，具有更高的抗彎剛度，抵抗因外荷載引起變形的能力更強(qiáng)。

由表2可以看出，空心板相比π型梁，抗力效應(yīng)比值較大，這說明，此時(shí)空心板的承載能力仍然具有較大的富余量，但是根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果判斷，如若繼續(xù)增大空心板的荷載，結(jié)構(gòu)的撓曲變形必將繼續(xù)增大，過大的撓曲變形在長期的使用中，必然會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能、耐久性能和承載能力。這一情況也從側(cè)面印證了撓度過大，是目前空心板結(jié)構(gòu)存在的主要病害之一。

由表3可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的前三階振型相同，π型梁的豎向?qū)ΨQ振動(dòng)基頻為7.5 hz，空心板的豎向?qū)ΨQ振動(dòng)基頻為6.4 hz，也從側(cè)面反映π型梁具有較高的豎向剛度。這對(duì)于以受彎為主的梁結(jié)構(gòu)來說，較高的豎向剛度對(duì)于減小跨中的下?lián)?，有積極的作用。其他的兩種振型也表明，π型梁在豎向和橫向的剛度均均比空心板的更大。

同時(shí)，由于自振頻率較低，在汽車和人群荷載的激勵(lì)下，空心板更容易發(fā)生受迫振動(dòng)，行車和行人過橋時(shí)，更易感知結(jié)構(gòu)振動(dòng)，引起不適。

綜上所述，在力學(xué)性能方面，π型梁比空心板，具有截面效率高，活載承載能力更強(qiáng)、通行舒適性更好等優(yōu)勢(shì)。

5 經(jīng)濟(jì)性能的對(duì)比分析

在對(duì)比了力學(xué)性能后，現(xiàn)在將對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行對(duì)比，以主材為對(duì)象，對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的工程經(jīng)濟(jì)性，結(jié)果如表5所示。

表5 兩種結(jié)構(gòu)的主要材料參數(shù)(單跨)

由表5可以看出，在混凝土用量和預(yù)應(yīng)力鋼束用量上，π型梁均比空心板要少，但普通鋼筋用量相比空心板要高，混凝土按500元/m3，普通鋼筋按4 000元/t，鋼絞線按5 000元/t計(jì)，π型梁在材料費(fèi)用上相比空心板高約25%。但是，在施工環(huán)節(jié)上，就本項(xiàng)目而言，采用π型梁，纜索吊需往返吊裝44次，濕接縫施工33道；若采用空心板，纜索吊需往返吊裝99次，鉸縫施工88道。按平均2片/天的吊裝進(jìn)度，能節(jié)約至少1個(gè)月的工期。這期間節(jié)約的設(shè)備租金、人工費(fèi)用以及提前通車帶來的經(jīng)濟(jì)效益，將遠(yuǎn)超過材料成本的付出。因此，采用π型梁，對(duì)于方便施工和節(jié)省工期來說是有利的。

6 結(jié)論及展望

(1)π型梁采用開口結(jié)構(gòu)，預(yù)制時(shí)模板的安裝、脫模簡單；

(2)每片π型梁之間采用剛接，減少了接縫數(shù)量，結(jié)構(gòu)受力明確，結(jié)構(gòu)的整體性能更佳，避免了空心板鉸縫易破壞的問題；

(3)π型梁相比空心板，具有更高的承載效率，截面的利用率更高；

(4)π型梁相比空心板，結(jié)構(gòu)的抗彎剛度更大，撓曲變形更小，對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的耐久性有積極的作用；

(5)π型梁自振頻率較高，不易受行人和車輛的頻率激勵(lì)而產(chǎn)生受迫振動(dòng)，通行舒適性更佳；

(6)用于拱上建筑時(shí)，π型梁相比空心板，普通鋼筋消耗略高，但方便施工、節(jié)約工期和成本，從項(xiàng)目遠(yuǎn)期價(jià)值來看，具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

目前，該項(xiàng)目仍在施工，從目前的分析來看，該種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景可期，該種結(jié)構(gòu)也是首次在貴州省內(nèi)項(xiàng)目采用，其工程性能還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。