π型截面梁橋的工程性能

史興奇

(呼蘭區(qū)公路事業(yè)發(fā)展中心，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 前 言

裝配式PC/RC空心板橋因為具有構(gòu)造簡單、建筑高度小、利于標準化設計和工廠化生產(chǎn)、施工方便、適應性強等優(yōu)點，在公路與城市橋梁上應用廣泛，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；板端應預應力張拉產(chǎn)生的裂縫；板體縱、橫裂縫；支座脫落、板的撓度過大等；這些病害對于空心板橋的承載力、耐久性和使用性能均會產(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)有城市頒布相關條例，擬減少空心板在公路建設中的應用。

目前基于空心板的改進方法，主要用兩種思路一種是針對鉸縫及其相關部分的改進；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——席進等人提出了低高度密肋式預應力簡支T梁來代替空心板橋，并針對該類結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)分析；雷波等人針對此類截面進行了截面效率分析，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。

本研究依托實際工程項目，一座主跨125 m上承式鋼筋混凝土拱橋，在設計過程中，拱上建筑的結(jié)構(gòu)形式的合理選擇，對于該項目的后期的運營、養(yǎng)護有著至關重要的作用。為了克服空心板橋存在的這些問題，受文獻的啟發(fā)，結(jié)合工程的現(xiàn)實情況，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型截面梁方案應用于拱上車道板。本文主要針對這種π型截面梁的工程性能進行分析，并與傳統(tǒng)的空心板進行對比。

2 構(gòu)造方面的對比分析

π型梁的標準截面，通過與13 m空心標準圖的構(gòu)造對比，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制簡單，脫模方便的優(yōu)點，且無內(nèi)模，避免了空心板因為內(nèi)模上浮，壓縮頂板厚度的問題；后期使用中，相比空心板，π型梁具有便于維護和檢修的優(yōu)勢。

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，避免了空心板因為鉸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型梁的支座設置在每個梁肋下，為單支座，而每片空心板則需要設置雙支座，安裝時容易出現(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)。

3 力學性能的對比分析

3.1 截面效率分析

為了驗證所擬定的π型梁截面尺寸的合理性，計算該截面的截面效率。有關截面效率的定義可參考相關文獻。

圖1 截面效率計算示意圖

(1)

(Ny-ΔNy)(ks+kx)=Mg2+p

(2)

(3)

根據(jù)以上公式，計算得出表1。

表1 截面效率指標對比

從表1中可以看出，π型梁的截面效率指標明顯高于空心板的截面效率指標，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，截面效率指標的合理區(qū)間為0.45～0.55，據(jù)此，本項目采用的π型梁截面是合理可行的。

3.2 結(jié)構(gòu)力學性能分析

為了便于比較，采用L=13 m的標準跨徑，對π型梁和空心板進行對比。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應力混凝土橋梁設計規(guī)范JTG3362—2018》驗算內(nèi)容的前提下，選取π型梁的一肢與一片空心板進行對比。對結(jié)構(gòu)的基頻，內(nèi)力和跨中撓度等進行對比分析。結(jié)果如表2～表4所示。

表2 π型梁和空心板荷載效應對比

表3 兩種結(jié)構(gòu)的抗力效應比值

表4 結(jié)構(gòu)基頻對比(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、剪力及彎矩效應具有相當?shù)男?，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。

由表2可以看出，空心板相比π型梁，抗力效應比值較大，這說明，此時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振動基頻為7.5 hz，空心板的豎向?qū)ΨQ振動基頻為6.4 hz，也從側(cè)面反映π型梁具有較高的豎向剛度。這對于以受彎為主的梁結(jié)構(gòu)來說，較高的豎向剛度對于減小跨中的下?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，由于自振頻率較低，在汽車和人群荷載的激勵下，空心板更容易發(fā)生受迫振動，行車和行人過橋時，更易感知結(jié)構(gòu)振動，引起不適。

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

4 經(jīng)濟性能的對比分析

在對比了力學性能后，現(xiàn)在將對兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性能進行對比，以主材為對象，對比兩種結(jié)構(gòu)的工程經(jīng)濟性，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，在混凝土用量和預應力鋼束用量上，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，π型梁在材料費用上相比空心板高約25%。但是，在施工環(huán)節(jié)上，就本項目而言，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/天的吊裝進度，能節(jié)約至少1個月的工期。這期間節(jié)約的設備租金、人工費用以及提前通車帶來的經(jīng)濟效益，將遠超過材料成本的付出。因此，采用π型梁，對于方便施工和節(jié)省工期來說是有利的。

5 結(jié)論及展望

(1)π型梁采用開口結(jié)構(gòu)，預制時模板的安裝、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而產(chǎn)生受迫振動，通行舒適性更佳；

(6)用于拱上建筑時，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，從項目遠期價值來看，具有更高的經(jīng)濟性。

目前，該項目仍在施工，從目前的分析來看，該種結(jié)構(gòu)的應用前景可期，該種結(jié)構(gòu)也是首次在貴州省內(nèi)項目采用，其工程性能還有待進一步的驗證。