空心板梁桥预应力体系设计问题探析

袁汉君

摘要：空心板梁桥应用非常广泛，其优化设计一直以轻薄、经济为主要目标，不断减小板厚，以期获得最大的结构挖空率，这些都会对空心板梁的使用性能和耐久性能产生不利的影响，因此在选择空心板预应力体系和确定截面尺寸时应当综合考虑结构受力、预应力布置、施工工艺、结构耐久性等多方面要求。文章分析了空心板预应力体系设计中应当解决的若干问题，并提出了解决方案。

关键词：空心板梁桥；预应力体系；设计

中图分类号：TU378文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）09-0176-02

在薄壁、空心板梁的优化设计过程中，需解决以下几个矛盾，即大挖空率与钢铰线群锚体系布束空间之间的矛盾；薄壁构造与结构耐久性之间的矛盾；企口深浅与铰接板横向共同工作的矛盾；梁高降低与结构上拱度之间的矛盾。如何处理好上述矛盾，是合理选择预应力体系与确定截面尺寸的前提。

一、大挖空率和钢铰线群锚体系布束空间之间的矛盾

在空心板梁的设计中，总是希望能够增加空心板的结构挖空率，从而减轻上部结构自重和降低梁高，并且使下部结构的受力更加合理。但是挖空率的加大必然会导致底板及腹板的减薄，而钢铰线群锚体系需要较大的锚固空间来进行钢铰线的布置，因此常常会出现由预应力的锚固空间来控制截面的情况。空心板梁的挖空率过大将会导致空心板端部锚固区锚下应力过大。采用扁锚虽可进一步增大挖空率，但是会带来一系列的问题。因此，在设

计中不能一味的追求截面的大挖空率，而必须考虑挖空率和钢铰线布束之间的平衡。

二、薄壁构造与结构耐久性之间的矛盾

为了增加空心板的挖空率，在设计中就必须减薄底板、腹板和顶板的厚度，这必然会使混凝土保护层的厚度取值偏小，使混凝土的碳化速度加快，导致预应力钢筋及普通钢筋的锈蚀；此外，如果使用扁锚体系进一步减薄

壁厚，则会造成管道灌浆不密实、预应力筋容易锈蚀的问题，这些都会影响结构的耐久性。

三、企口深浅和铰接板共同工作的矛盾

空心板梁是典型的铰接板体系，要想保证各块板之间的共同工作就必须靠企口和桥面铺装的作用。从结构型式上分，空心板一般可分为翼缘空心板、深铰空心板和浅铰空心板。翼缘空心板由于翼缘部分较为薄弱，横向铰接效果不好，导致横向整体性较弱等问题，目前国内已很少采用；深铰空心板克服了翼缘空心板的缺点，只要铰缝间混凝土的施工质量得到保证，就可以发挥其横向整体性好、铰缝间连接可靠的优点，因而应用最为广泛，但其缺点是铰缝间的混凝土量较大，增加结构自重，而且该部分混凝土在施工中的振捣质量也难以保证；浅铰空心板与深铰空心板相比，主要优点是同样的板宽，由于铰的高度小，其截面挖空率更高，降低了结构自重，经济性更为优越，且铰缝间混凝土的施工质量易保证，但浅铰空心板横向联结差，整体性不好，因而其应用受到一定限制。目前浅铰空心板的应用已逐渐增多。

在目前的空心板设计中，一方面为增大挖空率、减小铰缝自重想采用小企口和减少铺装层厚度，另一方面如果这样做，则桥梁结构横向整体性较差，有可能导致各板不能共同工作。虽然设计人员为增强结构横向整体性，可在浅铰缝中设置钢纤维混凝土，但这样铰缝混凝土与桥面铺装层必须分开浇注，施工麻烦，且造价也有所提高。有人提出采用变高度铰缝，即铰缝的高度随预应力束布置的变化而变化。在跨中处，一般预应力束布置靠近板的下缘，则该段采用深铰缝；在靠近支点处，预应力束由在跨中的靠近下缘逐渐向上弯起靠近上缘，该段铰缝的高度也随之变化，铰缝的高度从跨中到支点逐渐由大变小，在梁端处，变为浅铰或无铰。这种变高度铰空心板，应该说在一定程度上综合了深铰空心板和浅铰空心板的优点，整体性较浅铰空心板好，工程量较深铰空心板也有所减少，并且铰缝可采用与桥面铺装层同等标号的混凝土，实现同期浇筑，施工方便。但如果采用变高度铰缝，则跨中到支座截面不等，模板制做比较麻烦。不过在进行空心板的标准化设计时，不管在理论计算还是工程实践中，同种跨径不论正板或斜板，都采用相同的板高，相同的钢铰线布置，也就是说，对同种跨径，侧模的形式是可以固定的。此外，如果采用钢纤维混凝土铺装层，一方面可以加强桥梁的整体性能，另一方面也能够降低桥面铺装层的厚度，从而进一步的降低上部结构的高度。

四、梁高降低与结构上拱度之间的矛盾

在城市桥梁及高速公路线上，降低梁高有利于提高桥下净空，降低路堤高度，从而带来巨大的经济效应，因此设计人员都希望能够设计低高度梁。但是梁高的降低会使预应力钢筋的用量有所增大，同时还会导致截面刚度的大幅度减小（截面刚度与高度的立方成正比），这样会使结构在预应力施工阶段的上拱度有较大增加，在巨大的预应力的长期作用下，结构的收缩徐变使得上拱度增大，从而对于桥梁的使用性能会造成很大的不便。为此，可降低预应力度，采用部分预应力混凝土空心板梁A类构件，一方面可以一定程度的减少预应力筋的用量，降低结构的上拱度，保证桥梁的正常使用；另一方面又可以增加结构的延性，避免出现脆性破坏。

采用缓粘结预应力体系，可以做到不预留孔道，不需孔道灌浆，施工时与无粘结体系一样，而在施工完成后，靠包裹于预应力筋的缓凝砂浆或油脂随时间延长而逐渐凝结硬化与预应力钢筋形成粘结而达到与有粘结预应力体系几乎完全相同的效果。而且可以根据需要设定硬化所需的时间。另外缓粘结预应力筋，可以采用分散布束，减小预应力布束所占的空间，可以使截面的挖空率得到进一步降低。但是由于采用分散布束，预应力筋需要布置在腹板上才能满足承载力的要求，所以预应力筋的抗弯效率会有所降低，这样必然会增加预应力筋的用量。

塑料波纹管留孔、真空辅助压浆是近年涌现出来的新材料与新工艺，并已在南京长江二桥桥塔施工中得到了成功应用。塑料波纹管配合真空辅助灌浆技术，可有效地保证压浆质量，防止预应力筋的锈蚀，并且塑料波纹管自身相对于金属波纹管具有强度高、刚度大、密封性好、可施工性好、耐腐性强、孔道摩阻小等优点，如应用于宽幅空心板梁桥能够有效提高结构的耐久性。

高强预应力材料是现代预应力材料的发展方向。在欧洲，钢绞线抗拉标准强度已达2160MPa并批量生产；在日本，已研制出抗拉强度高达2300MPa的预应力钢绞线；我国目前也已推出2000级MPa预应力体系，比目前常用的1860级强度提高了7.5%。如将其应用于宽幅空心板梁，则能够减小断面尺寸，减轻梁体自重，同时又能够减少所需钢铰线的数量，从而减少垫板、波纹管等配套使用材料，进一步优化宽幅空心板截面，减小工程费用。

除了高强度的发展方向，大直径也是预应力材料的发展方向。日本市场已经开发出综合强度大于1770MPa，由19根粗细不一的钢丝扭铰而成，直径为Ф21.8和Ф28.6的大直径钢绞线，其单根抗拉极限强度达573~949kN（相当于现有Ф15.2钢绞线的3～5倍），锚具可配用HVM22及HVM28，已开始在桥梁建设工程中应用，而且有逐渐增多的趋势，但由于我国现不能生产Ф21.8和Ф28.6钢绞线，而进口钢绞线价格太高，因此阻碍了该技术在我国的推广。大直径钢绞线体系（结合缓粘结预应力技术）吸收了缓粘结预应力体系摩阻小、安全性较高和无需孔道灌浆等优点，同时由于其一根即可代替3～5根Ф15.2 钢绞线，因而解决了缓粘结预应力体系由于分散布束而降低抗弯效率的问题，因此在宽幅空心板设计中采用大直径钢绞线，有利于减小板厚，增大挖空率，并可避免由于灌浆不实带来的对耐久性的不利影响。

高性能混凝土具有高强度、高抗渗性和优良体积稳定性，它在提高混凝土强度的同时还对混凝土的其他指标进行一定的限制，例如弹模、和易性、密实性以及抗炭化能力等。如果将高强、高性能混凝土应用于宽幅空心板可以进一步降低梁高，减小端部锚固区锚下局部承压破坏的概率；在能够减小宽幅空心板梁断面尺寸的同时，也能大大提高结构的耐久性能，延长使用寿命。

参考文献

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