預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件整體預(yù)應(yīng)力化技術(shù)研究

王海有，白 哲，周海濤，王 健，王壹帆，曹金奎，王曉豐，薛秋香，黃建輝，李 莉，銀曉東

(1.平頂山市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南 平頂山 467000；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036；3.河南中亞交建集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000；4.平頂山市公路工程質(zhì)量檢測中心，河南 平頂山 467000；5.鄭州市大道公路工程有限公司，河南 鄭州 450000；6.平頂山市瑞輝公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，河南 平頂山 467000；7.平頂山市公路交通勘察設(shè)計院，河南 平頂山 467000)

由于預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋具有跨越能力較大、結(jié)構(gòu)及受力簡單、施工便捷、能大批量工廠化流水線集中生產(chǎn)、造價低等優(yōu)點在實際工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。國辦發(fā)〔2017〕19號《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進(jìn)建筑業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的意見》要求：加快產(chǎn)業(yè)升級，促進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展，推動裝配式建筑等在全國大量推廣，實現(xiàn)裝配式建筑工業(yè)化制造、裝配化施工，這將會推動裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋更多地應(yīng)用。然而這種橋型發(fā)生早期病害的概率較高，特別是企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土損壞的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，導(dǎo)致橋梁承載能力降低，甚至出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象[2-4]，嚴(yán)重時還會發(fā)生安全事故，導(dǎo)致不得不頻繁維修，一般使用壽命為5～8 a[5]，這與橋梁的設(shè)計使用壽命相差甚遠(yuǎn)。因此，進(jìn)行更深層次的分析研究十分必要。

(a)受荷前空心板

(b)受荷前企口縫和橋面鋪裝

(c)受荷后空心板

(d)受荷后企口縫和橋面鋪裝

1 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件的現(xiàn)狀及容易損壞的原因

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件的現(xiàn)狀

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件是指在汽車荷載作用下產(chǎn)生較大變形的構(gòu)件，主要有：空心板、企口縫和橋面鋪裝。

企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土是在預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板安裝后現(xiàn)澆而成的，預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板帶有拱度，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土澆筑后形成和預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板相同的拱度，如圖1(b)所示。企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土相對于空心板混凝土來講是“新混凝土”，空心板混凝土是“舊混凝土”，“新、舊混凝土”之間結(jié)合力很弱。在大變形構(gòu)件中，空心板混凝土是預(yù)應(yīng)力的，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土是非預(yù)應(yīng)力的。

在汽車荷載作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板要與非預(yù)應(yīng)力的企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載[6]，產(chǎn)生較大變形是必然的。從目前的設(shè)計角度講，預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板是荷載的承擔(dān)者，甚至不考慮企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土承擔(dān)荷載的能力[7-8]，但實際情況并非如此。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋企口縫混凝土脫落嚴(yán)重，如圖2所示。企口縫混凝土與橋板混凝土之間沒有設(shè)置摩擦筋，空心板立面絕大部分光滑平整，企口縫混凝土脫落，兩者基本不結(jié)合，如圖3所示。橋面鋪裝混凝土容易損壞，如圖4、圖5所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋企口縫混凝土脫落

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋拆解維修

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋橋面鋪裝損壞

圖5 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋橋面鋪裝鑿除維修

1.2 企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土容易損壞的原因

在受到荷載(P1，不大于設(shè)計荷載，即不出現(xiàn)負(fù)拱度)作用時，預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板下部始終受壓，具有抵消較大變形而不開裂的性能，如圖1(a)和圖1(c)所示；而當(dāng)企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土受到荷載(P2，不論荷載大小)作用時，下部都受拉，由于混凝土的抗拉能力很小，極易產(chǎn)生裂縫，如圖1(b)和圖1(d)所示。也就是說，當(dāng)預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板受到荷載作用而變形時，由于非預(yù)應(yīng)力混凝土的企口縫和橋面鋪裝的隨從性差，不能與之一起共同變形[9]，而且企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土的承載能力弱于預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板，所以企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土必然極易遭到損壞[10-11]。

在大變形構(gòu)件中預(yù)應(yīng)力混凝土和非預(yù)應(yīng)力混凝土共存的狀況下，企口縫混凝土、橋面鋪裝混凝土與橋板混凝土之間的結(jié)合力越強，前者越容易被更易變形(主要表現(xiàn)在先變形、變形快和變形幅度大)的預(yù)應(yīng)力混凝土橋板破壞；但是，如果企口縫混凝土、橋面鋪裝混凝土與橋板混凝土之間的結(jié)合力不強，前者會承擔(dān)更大的荷載，而其是按不承受荷載構(gòu)件設(shè)計的，同樣會很容易損壞。

在工作狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板始終上部受拉下部受壓，而企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土的受力狀態(tài)剛好與之相反，即始終上部受壓下部受拉，兩種受力相反的混凝土構(gòu)件共同承受相同的較大變形，必然會遭到損壞，而且企口縫混凝土、橋面鋪裝混凝土的承載能力弱于預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，所以企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土必然首先遭到損壞。在預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件中，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土是違背受力特點的構(gòu)件，是違背變形需要的構(gòu)件，這種設(shè)計缺陷導(dǎo)致的結(jié)果是：只要承受一次較大荷載(使產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度的荷載，實際這樣的荷載頻繁而普遍)的作用，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土就會產(chǎn)生裂縫，如果其下部沒有配置鋼筋，它們會很快碎裂；如果配置有鋼筋，裂縫會得到一定的控制而延緩碎裂，但仍然會發(fā)生早期損壞。

雖然企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土容易損壞的原因很多，也很復(fù)雜，但其根本原因在于企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土是非預(yù)應(yīng)力混凝土，不具備抵消較大變形而不損壞的性能，非預(yù)應(yīng)力混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土共存且非預(yù)應(yīng)力混凝土相對較弱導(dǎo)致非預(yù)應(yīng)力混凝土容易損壞。因此，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土容易損壞的問題一直沒有得到很好地解決，只有預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件整體同質(zhì)化，使它們具有相同或者相近的性能，才能從根本上改變企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土容易產(chǎn)生早期損壞的現(xiàn)狀。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件整體預(yù)應(yīng)力化的方法

針對上述問題，提出的解決思路是：把非預(yù)應(yīng)力的企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土變?yōu)轭A(yù)應(yīng)力混凝土，同時增加它們之間的結(jié)合力，把橋梁上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件整體預(yù)應(yīng)力化，縱、橫、豎三個維度整體化，提高整體變形能力和承載能力，保證橋梁在承受荷載作用時能夠協(xié)同一致地變形以及共同承擔(dān)荷載。

2.1 設(shè)置摩擦筋和連接筋

在企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化以后，它們與空心板混凝土之間的結(jié)合力對橋梁承受橫向分布荷載的能力影響很大，它們與空心板混凝土之間的結(jié)合力越強，越不會損壞，相反會增強它們在承受荷載作用時協(xié)同一致變形以及共同承擔(dān)荷載的能力。

2.1.1 設(shè)置摩擦筋

為了增強企口縫混凝土與空心板混凝土之間的結(jié)合力，預(yù)制空心板時，在其混凝土側(cè)立面預(yù)埋摩擦筋，空心板安裝前把預(yù)埋鋼筋一端剝離出來，預(yù)埋鋼筋被澆筑在企口縫混凝土之中，把企口縫混凝土和空心板混凝土連接在一起，共同受力，一起變形，如圖6所示。

(a) (b)

在荷載作用下，荷載從作用點橫向分布，向兩側(cè)空心板的變形量是逐漸減小的，企口縫混凝土與空心板混凝土之間存在相對位移的趨勢。由于荷載(P3)作用點的位置不同，對于某一空心板混凝土與企口縫混凝土的界面，有時是空心板混凝土帶動企口縫混凝土向下變形，有時是企口縫混凝土帶動空心板混凝土向下變形。如圖6(a)所示，在荷載(P3)的作用下，1號空心板向下變形，左側(cè)的預(yù)埋摩擦筋會帶動企口縫混凝土向下共同變形，而右側(cè)的預(yù)埋摩擦筋則不會帶動(或者說帶動作用很小)2號空心板向下變形；如果荷載作用點在2號空心板上，則情況相反。因此，企口縫混凝土與空心板混凝土之間的摩擦筋應(yīng)按照圖6(b)設(shè)置，不論是企口縫混凝土帶動空心板混凝土向下變形，或者是空心板混凝土帶動企口縫混凝土向下變形，它們之間都能夠通過摩擦筋很好地連接并共同受力，一起變形，更好地承擔(dān)橫向分布荷載。

摩擦筋通常采用HRB335級鋼筋，直徑取12 mm或14 mm，縱向間距為(300±50)mm，長度為(400±50)mm，傾角為45°±5°。

2.1.2 設(shè)置連接筋

為了加強橋面鋪裝混凝土與空心板混凝土在經(jīng)受荷載作用時協(xié)同一致變形的能力，空心板混凝土頂面應(yīng)預(yù)埋連接筋，把橋面鋪裝混凝土和空心板混凝土連接在一起，共同受力，一起變形。另外，連接筋的設(shè)置增強了橋面鋪裝混凝土與空心板混凝土的整體性，能夠提高承載能力。目前新建橋梁都設(shè)置連接筋，對于舊橋改造采用植筋的方法參照執(zhí)行。

2.2 企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化的方法

2.2.1 設(shè)計企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土中的鋼筋企口縫混凝土的下部配置縱向鋼筋；橋面鋪裝混凝土上部、下部配置鋼筋網(wǎng)。

圖7 企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土中鋼筋設(shè)置示意圖

橋面鋪裝混凝土上部配置鋼筋是為了預(yù)應(yīng)力形成時控制混凝土裂縫。由于我國汽車運輸普遍超載，預(yù)應(yīng)力混凝土空心橋板有可能出現(xiàn)負(fù)拱度，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土下部配置縱向鋼筋的作用是出現(xiàn)負(fù)拱度時控制混凝土裂縫。

鋼筋網(wǎng)中縱、橫向都設(shè)置受力筋?？v向受力鋼筋(包括企口縫混凝土下部縱向鋼筋)用于控制混凝土裂縫；橫向受力鋼筋有利于橫向分布荷載[12]，亦即有利于橫向協(xié)同一致變形。

圖8 企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化施工工藝

圖9 企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化前后下部拉應(yīng)力對比示意圖

企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土中鋼筋的設(shè)置如圖7所示，企口縫混凝土下部縱向配置3根鋼筋，采用HRB335級鋼筋，直徑取14 mm或16 mm；橋面鋪裝混凝土上部、下部配置鋼筋網(wǎng)，采用HRB335級鋼筋，直徑取12 mm或14 mm，鋼筋間距均為100 mm。

2.2.2 企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化

企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化的施工工藝如圖8所示，主要步驟有：①設(shè)置摩擦筋；②設(shè)置連接筋；③做防撞帶，由于防撞帶的自重較大，其對邊板的拱度值影響較大，進(jìn)而影響“第⑥步”給邊板加載的數(shù)量，所以橋板安裝后要首先做防撞帶；④設(shè)置企口縫混凝土縱向鋼筋；⑤設(shè)置橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)；⑥給橋板施加靜載，預(yù)應(yīng)力橋板安裝后，在其下安置吊籃，用質(zhì)量為25 kg的沙袋，人工對每一橋板分別加載，縱向從中線開始向兩端對稱加載，直至每一橋板拱度值都為零，對橋板施加的靜載分兩部分：一是等于企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土重量之和的荷載，其均勻地施加在橋板上，稱為企鋪荷載，需要首先施加，二是用于調(diào)整橋板拱度值的荷載，稱為調(diào)拱荷載；⑦企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)，按照公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTG/T 3650-2020)執(zhí)行；⑧卸載，澆筑企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土的過程中，根據(jù)混凝土的澆筑進(jìn)度分批等重量逐步卸掉企鋪荷載，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土強度達(dá)到設(shè)計強度的80%以上時，卸掉施加在橋板上的調(diào)拱荷載。

卸載時，縱向要小批量、對稱、慢速卸載；橫向各橋板要同步卸載。采用人工卸載，有利于控制縱向小批、對稱、慢速卸載和橫向同步卸載。在卸載的過程中，橋板的拱度逐步恢復(fù)，拱度值也逐步恢復(fù)到設(shè)計預(yù)拱度值，并帶動企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土逐步形成拱度，在企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土內(nèi)部形成縱向預(yù)應(yīng)力。

2.3 企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土是否預(yù)應(yīng)力化下部拉應(yīng)力分析

考慮是否預(yù)應(yīng)力化時，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土下部拉應(yīng)力的對比如圖9所示。

由圖9可知：企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土不預(yù)應(yīng)力化時，無論承受荷載大小其下部均受拉，并且拉應(yīng)力隨荷載的增加而增加，而水泥混凝土的抗拉強度很小，所以在汽車荷載作用下企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土很容易產(chǎn)生裂縫損壞；企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化后，在設(shè)計荷載(P設(shè))范圍內(nèi)其下部拉應(yīng)力均為零(實際總是受壓)，當(dāng)承受荷載超過設(shè)計荷載時其下部才可能會受拉。因此，企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土經(jīng)過預(yù)應(yīng)力化改造，承受荷載不超過設(shè)計荷載時，不會產(chǎn)生裂縫損壞。

3 結(jié)論

(1)在預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件中設(shè)置非預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件是企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土產(chǎn)生早期損壞的根本原因。

(2)在同質(zhì)化的情況下，企口縫混凝土與橋板混凝土之間設(shè)置摩擦筋，橋面鋪裝混凝土與橋板混凝土之間設(shè)置連接筋，有利于橋梁上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件協(xié)同一致地變形，同時能夠提高承載能力。

(3)企口縫混凝土和橋面鋪裝混凝土預(yù)應(yīng)力化后，消除了預(yù)應(yīng)力混凝土與非預(yù)應(yīng)力混凝土共存的狀況，使預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋上部結(jié)構(gòu)大變形構(gòu)件整體同質(zhì)化，增強了協(xié)同一致性，在設(shè)計荷載范圍內(nèi)整體具有抵消大變形而不損壞的性能，是避免企口縫混凝土與橋面鋪裝混凝土早期損壞，保證橋梁使用品質(zhì)和使用壽命的根本途徑。