先张法预应力钢绞线混凝土空心板梁的运用及问题建议

李 莉，周 军

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 200292；2.上海绿地景汇置业有限公司，上海市 201400）

0 引言

先张法预应力钢绞线混凝土空心板梁以其造价低、施工方便、可以工厂化生产等优点得到广泛应用。在上海地区的内环高架、地面桥梁及跨线桥都有大量的运用。

1 空心板梁在工程中的运用

2008年设计施工的乌鲁木齐市外环路东北段高架工程全长约5 km，上部主要为预应力空心板结构，下部均采用扩大基础。荷载等级：公路-Ⅰ级；设计基准期：100 a；安全等级：桥梁设计安全等级为一级。高架主线标准桥宽13 m、18 m、25.5 m；匝道标准桥宽8 m。基本采用跨径16～21 m的简支空心板梁，梁高0.9 m。标准板宽1.0 m、1.1 m。另外高架变宽处采用异形空心板，板宽1～1.2 m。

在这个工程中，空心板梁有其独特的优势。

首先，从地理位置来讲，乌鲁木齐市位于亚欧大陆腹地，地处北天山北麓、准噶尔盆地南缘，海拔680～920 m。冬季为当年11月中旬开始到来年的3月底，大约有4个半月时间。乌鲁木齐一年内可施工时间较短，由于海拔较高，施工难度也较大。因此上部结构需要考虑选用施工方便，且可缩短施工周期的结构形式。

其次，从结构自身的特点来讲，它材料指标低，自重轻，工程总造价也低。

以下对预制先张法预应力空心板梁、预制后张法“T”形梁、预制后张法小箱梁和预应力混凝土连续大箱梁进行各方面特性比较。

（1）预制先张法预应力空心板梁结构

空心板结构高度低，工厂化程度高，运输、吊装方便，对地面交通影响较小，工程造价低，施工便利灵活，工期短；在施工工期较短的要求下，在景观要求不高，高架平面线形较为简单的地区，可采用这种结构形式。

（2）预制后张法“T”形梁

预应力混凝土T型梁在我国已有几十年的使用历史，是较为常用的结构形式，其跨越能力较大，最大跨径达50 m左右。其缺点是桥梁建筑高度较高，从桥下仰视梁底，纵、横梁密布，比较凌乱，景观稍差。

（3）预制后张法小箱梁

小箱梁结构也是较为常用的结构形式，其设计和施工经验成熟，跨径灵活，最大跨径达40 m左右，主梁为预制构件，可在工厂和施工现场预制，待主梁安装完毕后，浇筑现浇段把桥面连成整体。小箱梁的优点是整体性好，耐久性佳，造价低，施工方便，对施工设备没有特殊要求。近年来在设计等级较高的城市桥梁中运用较为广泛。

（4）预应力混凝土连续大箱梁

预应力混凝土连续箱梁整体性能好，抗扭刚度大，能适应各种平面线型和桥宽的变化，跨越能力也较大，在25～50 m左右。箱梁结构简洁、轻盈，线条流畅，桥下视觉较通透开阔，行车平稳，总体上较为美观舒适，结构耐久性好。预应力混凝土连续箱梁施工工艺成熟。

下面就这几种结构形式进行材料指标比选（见表 1）。

表1 几种结构形式材料指标比选表

从以上的各种结构形式的性能来讲，预应力混凝土连续大箱梁的各种性能较好，材料指标最高；空心板梁的各种性能一般，材料指标最低。所以空心板梁最为经济。

最后，空心板梁的结构形式也要和当地的施工水平相吻合。通过对以往工程的调查，空心板结构形式在当地运用普遍。对预制结构加工厂进行了解，当地的空心板预制技术成熟，对预置T梁和小箱梁没有丰富经验。

因此，空心板梁作为上部最优方案进行推荐。

2 空心板梁的病害——“单板受力”

先张法预应力钢绞线混凝土空心板梁有很多的优点和结构的适用性，在工程中运用较为广泛，但是它也存在一些问题，特别是“单板受力”现象。“单板受力”现象产生和发展对桥梁结构、道路行车安全产生了不利影响。

“单板受力”现象是一种综合性病害，是由诸多病害累积而形成的。通过对以往工程的观察与检测，对“单板受力”的一般病害特征作以下归纳总结。

2.1 一般病害特征

（1）“单板受力”多发生于重车方向的行车道范围内的板梁结构上，其他结构形式(如T型梁桥、箱型梁桥)及预应力结构桥梁相对病害较轻。

（2）“单板受力”病害的主要特征表现为其铰缝混凝土被剪切破坏，损坏后混凝土逐步松散而脱落。雨雪水常通过破碎后的铰缝渗入板底，留下明显的渗水、渗浆痕迹。在桥面铺装层上部表现为沿铰缝方向产生不规则的纵向裂缝，严重时形成一条网裂破碎带。

（3）“单板受力”发展初期，当重型车辆通过“单板受力”的空心板时产生明显弹性下挠，使其与两侧的空心板上下错动后，形成台阶。待重车过后，这种错动消除，又恢复原状。

（4）如果长期经受超过设计标准的重型车辆作用，使“单板受力”现象逐渐加重，进入这种病害“后期”阶段，则弹性下挠逐渐变成塑性变形，“单板受力”的空心板与两侧的空心板之间形成永久性台阶或造成两端伸缩缝开裂，更为严重的造成板底开裂。

2.2 “单板受力”现象的成因

“单板受力”产生的受内外多种因素影响，这种病害的一般成因有以下几点：

（1）桥面沥青混凝土面层的水破坏。由于沥青面层与防水混凝土铺装层在材料特性上存在较大差异，往往存在“两张皮”现象。加之沥青混凝土不可避免的渗透性，使水封闭于夹层间，首先造成沥青面层破坏，久而久之，造成防水混凝土薄弱地带(如局部凸起或局部低洼、微小麻面蜂窝、铰缝处等)的唧浆、破损，直接导致桥面横向作用降低。

（2）桥梁结构自身特点决定横向整体作用薄弱。空心板梁由于受结构高度的限制，它在强度与刚度方面，与箱型梁、T型梁等梁式结构比较，相对偏小。用铰缝来保证整个上部构造的整体作用也比较薄弱。特别是受到超过设计标准的重型车辆作用，易造成“单板受力”现象的产生。

（3）桥梁长期经常性受到超过设计标准的重型车辆作用。

（4）施工质量的影响。空心板梁结构桥梁施工工艺简单，桥梁跨径小。一般对其投入的施工队伍的技术力量比较薄弱，施工机械比较简陋，操作要求不够严格，这些因素都造成桥梁的工程质量与大型桥梁相比存在一定差距。在同一路线、同一种结构形式的桥梁，有的发生单板受力，有的却没有发生，这说明预制板的“单板受力”与施工质量有密切的关系，施工方面因素主要有：

a.预制板时为保证质量，侧模板通常使用钢模，预留的楔状铰缝比较光滑，对铰缝混凝土的联系起到不利的作用。根据有关文献介绍，新老混凝土结合面之间的抗拉强度大约为混凝土抗拉强度的l／3，所以混凝土空心板与铰缝之间的连接不可能十分牢靠紧密，本身就是承受荷载的薄弱环节。桥梁施工质量较差，在出现单板受力的桥梁中，都存在着施工质量问题。如铰缝水泥混凝土振捣不密实；铺装水泥混凝土达不到设计厚度,铺装层水泥混凝土内的钢筋网片绑扎不规范，间距过大，个别部位形成素混凝土。

b.桥梁下部和预制板梁等各部位标高控制不准，安装后导致梁顶标高偏高。利用桥面铺装层厚度来进行调整标高施工误差，从而造成铺装厚度小于设计值，导致增加了铰缝破坏的机率。

c.每块预制板通常都设4个支座，施工中很难保证4个支座受力完全一致。橡胶支座上有一个较大的接触面，施工时即使是同一支座，也难以保证接触面全面与梁板底面紧密接触，造成受力不均匀,给梁端受剪留下隐患。

3 “单板受力”现象的防治

对于先张法预应力钢绞线混凝土空心板梁存在的病害，在乌鲁木齐市外环路东北段高架工程中进行了相应的预防和控制，使“单板受力”现象尽可能得以避免。

（1）在进行桥梁设计计算时，全方面考虑到各种不利的情况，使桥梁设计与计算始终处于安全状态。

（2）铰缝内混凝土充分振捣，铰缝内混凝土标号必须达到设计要求，而且铰缝混凝土须达到设计强度时方能通车使用。

（3）采取板顶拉毛，清除板顶泥浆，加强混凝土铺装层与行车道板粘结。使其成为整体共同受力。

（4）梁体顶面预埋伸出抗剪钢筋并与钢筋网绑扎或焊接，以增加钢筋网的抗拉性能和桥面铺装的抗剪能力。

（5）预制板侧面需认真凿毛，并仔细清除由于凿毛而产生的松动的混凝土块，以增强新旧混凝土之间的粘结和抗剪能力。铰缝混凝土浇筑前，应对梁体侧面进行洒水湿润,以保证新旧混凝土之间的良好结合。

（6）增强铰缝钢筋，钢筋由Φ8全部改为Φ12，弥补过去铰缝设计的抗剪切能力的不足。

（7）梁底支座范围内进行找平，使梁底和支座水平放置，尽可能保证接触面全面与梁板底面紧密接触。

（8）加强施工前的技术交底，督促项目部对施工操作人员和试验人员进行岗前培训，提高施工技术和施工质量。

4 结语

先张法预应力钢绞线混凝土空心板梁以其自身的优势在小跨径桥梁工程中运用较为广泛，尤其在受场地和工期限制，且其跨数较多时，它的经济效益更为突出。但在工程使用时，也要注意它存在的一些隐患和不足，就此提出一些结论和建议：

（1）超过几何尺寸限制的超限车辆和超过设计荷载的超载车辆的疲劳冲击作用是造成桥面损坏、铰缝破损和“单板受力”的根本原因，因此有必要采取措施限制超载、超限。

（2）基于出现“单板受力”的原因分析，我们需要在设计阶段捉出有针对性的加强措施，将此种病害消灭于萌芽状态，以确保完工后的桥梁正常使用。

（3）根据ANSYS分析结果，底板加固更能增强结构刚度，有利于防止出现“单板受力”，因为底板在荷载作用下一般处于受拉状态，使结构内部连接松弛，容易产生微裂缝，就会降低结构刚度，因此从底板增加钢板连接的效果比在顶板增加联系的效果好。

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