先张法预应力混凝土刚接空心板（桥梁）标准化设计

沈炯伟

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

先张法预应力混凝土空心板具有结构高度低、工厂化程度高、运输吊装方便、施工速度快及工程造价低等特点。自20世纪60年代以来，在上海内环线、外环线、S32、G1501等高速公路桥梁及大量中小跨径地面桥梁上均得到运用。长期以来上海地区采用的空心板梁结构型式主要有上海市标准空心板（见图1）及交通部标准空心板（见图2），两者空心板梁之间均通过铰缝相连。

图1 上海市空心板横断面图

由于超重载交通等影响，铰接空心板梁整体性及耐久性能较差的特点越来越突出。由于铰缝连接性能较差，在重载交通反复作用下，结构呈现出铰缝连接先破坏失效后，单梁受力致结构破坏的特点。在高架桥、跨线桥等大型新建桥梁工程中，铰接空心板梁逐渐被预制小箱梁、现浇箱梁等整体受力及耐久性能好的结构型式所代替。

图2 交通部空心板横断面图

对于普通跨河中小桥梁、跨线桥而言，预制小箱梁、T梁等结构梁高及单梁起吊重量相对较大，不利于桥梁纵断面设计及吊装施工，现浇箱梁也存在支架搭设困难等问题。跨河中小桥梁尤其需要采用结构高度低、起吊重量小的上部结构，以尽可能降低桥面标高，方便运输和吊装施工。因此迫切需要推广一种既具有铰接空心板结构高度低、运输和吊装方便等优点，又具有良好整体受力性能的结构型式——刚接空心板。

1 研究内容

刚接空心板梁是在原铰接空心板梁的基础上，将板梁之间的铰缝连接改为桥面板刚接连接的一种结构型式。板梁的结构高度、先张法制作工艺等基本上与铰接空心板相同，可充分利用现有空心板梁预制场的资源。

由于空心板梁之间采用了刚接连接并在端部设置端横梁，结构整体受力性能大大提高，桥梁的耐久性能有了可靠的保证。

鉴于刚接空心板梁在结构高度、工厂化程度、运输和吊装等方面表现出的技术优势及广阔的应用前景，编制刚接空心板梁标准图具有较大的实际应用价值。为此，受上海市建筑建材业市场管理总站委托，上海市政工程设计研究总院联合上海多家设计、施工及管理单位，开展了先张法预应力混凝土空心板（桥梁）标准设计的研究工作，编制了先张法预应力混凝土刚接空心板（桥梁）标准图。

该标准图适用于跨径10~22 m、汽车荷载等级为公-Ⅰ/Ⅱ级与城-A/B级、环境类别为Ⅰ类的公路/城市桥梁先张法预应力混凝土刚接空心板（桥梁），人群荷载不控制设计。

刚接空心板（桥梁）横断面如图3所示。

图3 刚接空心板（桥梁）横断面（单位：mm）

2 主要技术标准

（1）跨径：10 m、13 m、16 m、18 m、20 m、22m。

（2）斜交角：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°。

（3）汽车荷载：公-Ⅰ/Ⅱ级、城-A/B级。

（4）设计基准期：100 a。

（5）设计使用年限：100 a。

（6）桥梁设计安全等级：一级/二级。

（7）耐久性环境类别：Ⅰ类。

3 结构设计

3.1 梁长与梁高

10~22 m先张法预应力混凝土刚接空心板，采用单梁预制，简支安装，现浇接缝及端横梁的结构体系（见表1）。

考虑到汽车荷载重型化和结构耐久性的要求，同时兼顾刚接空心板与铰接空心板的可替换性，该标准图中刚接空心板梁高取值在原上海铰接空心板的基础上增加3~5 cm的高度，以保证空心板的安全储备，同时可以增大结构刚度，减少挠度。

表1 空心板参数表 m

3.2 横断面布置

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），单辆汽车的横向车轮距为1.8 m，空心板的合理宽度应小于1.8 m，以避免单板上同时分配到单车道的汽车荷载。该标准图在设计时，主梁间距控制在1.8 m以内。

标准图分别给出了桥宽8.5 m、12 m、16 m、24 m的单幅桥梁和桥宽 2×9 m、2×13.5 m、2×16.75 m的双幅桥梁标准横断面布置图，如图4、图5和表2所示。

图4 单幅桥梁典型横断面布置图（单位：mm）

图5 双幅桥梁典型横断面布置图（单位：mm）

为实现工厂标准化生产，预制部分空心板宽度均一致，通过调整湿接缝宽度以适应桥梁宽度的变化，该方法可涵盖8~30 m范围内任何宽度的桥梁。

表2 空心板典型横断面布置参数表

3.3 单片预制空心板构造尺寸

刚接空心板截面仍采用与原上海市铰接空心板一致的双孔洞的截面型式（见图6和图7）。底面横向为平坡，顶板设2%横坡。构造参数见表3。

图6 等截面刚接空心板构造（10～13 m）（单位：mm）

原上海市铰接空心板底宽为1 m，刚接空心板预制梁底宽取1.1 m，中梁顶板宽1.25m，边梁顶板宽1.475m（带挑臂），可充分利用现有的预制场地。

为改善结构的整体受力，刚接空心板在梁端支承处设置了端横梁，横梁宽350 mm（见图8）。

刚接空心板仍沿用铰接空心板胶囊成型的施工工艺。由于空心板预制过程中胶囊芯模上浮导致顶板实际厚度较设计小，从而影响顶板的局部受力和结构的耐久性，原上海市铰接空心板顶板最小厚度仅为80 mm，该次刚接空心板标准图顶板厚度不小于100 mm。

图7 变截面刚接空心板构造（16～22 m）（单位：mm）

图8 刚接空心板端横梁构造图（单位：mm）

调研发现，原上海市铰接空心板采用双孔洞的截面型式，镂空率比较大，用料非常经济，但腹板相应比较薄，支点附近主拉应力比较大，为减小支点附近的主拉应力，16 m及以上的刚接空心板孔洞采用变截面型式，支点附近孔洞缩小5 cm以增加腹板厚度。经计算，22 m空心板支点处改用变厚度腹板后，主拉应力从2.44 MPa减小到1.68 MPa，效果明显改善（见图 9）。

图9 刚接空心板主拉应力（单位：MPa）

刚接空心板内模采用胶囊成型。10~13 m跨径空心板采用等截面圆形胶囊；16~18 m跨径空心板共用一类变截面圆端形胶囊；20~22 m跨径空心板共用另一类变截面圆端形胶囊。胶囊尺寸见表4及图10所示。

3.4 材料

混凝土：C50混凝土。

预应力钢绞线：1×7-15.20高强度低松弛钢绞线。

普通钢筋：吊环钢筋和直径小于12 mm的构造钢筋采用HPB300钢筋；受力钢筋和直径不小于12 mm的构造钢筋采用HRB400钢筋。

3.5 技术经济指标

对比交通部铰接空心板、上海市铰接空心板和本文刚接空心板，三种空心板技术指标和工程量指标比较见表5和表6。

图10 不同跨径（16 m、18 m）空心板共用变截面胶囊示意图（单位：mm）

从技术指标对比得到，刚接空心板与铰接空心板梁高与刚度相当，可实现等刚度替换，为铰接空心板换梁提供了可能。

从工程量指标对比得到：刚接空心板与交通部铰接空心板相比，主梁混凝土用量平均减少3%，普钢平均增加1%，预应力平均减少8%；与上海市铰接空心板相比，主梁混凝土用量相当，预应力平均节省20%，普钢增加26%。可以看出，刚接空心板的效益是明显的。

4 推广应用

刚接空心板自标准图发布以来，在上海及周边地区新建和改建桥梁中得到了广泛的应用（见图11和图12）。据不完全统计，上海地区已有上百座新建桥梁采用了刚接空心板，取得了较好的经济效益和社会效益。刚接空心板已经成为22 m以下中小跨径桥梁的首选。

表4 胶囊尺寸参数表

表5 各类空心板技术指标

表6 各类空心板工程量指标

图11 刚接空心板在新建桥梁中的应用

图12 刚接空心板在老桥改造中的应用

由于刚接空心板仍保留了原先上海市铰接空心板内孔为圆形或圆端形的截面型式，可充分利用各空心板预制场现有的设备和生产工艺，梁高和结构刚度基本上与铰接空心板相近，这给刚接空心板在桥梁旧桥改造中的推广和应用创造了条件。目前上海地区有大量的铰接空心板老桥，存在一定程度的病害，亟待修复。针对现有的铰接空心板桥梁旧桥改造，可将需要改造的旧桥空心板拆除，用刚接空心板替换，无须对下部结构进行拆除重建，同时由于两者梁高相近，可通过铺装进行局部调整，不影响结构整体线形。因此刚接空心板在老桥改造中具有广泛的应用价值。

5 结语

本文所介绍的刚接空心板是在充分利用各预制场现有的设备和生产工艺的前提下，进行工厂化生产的。该梁保留了铰接空心板建筑高度小、制作安装方便、起吊重量轻、造价低、用钢量少的优点，同时又改善了原有铰接空心板桥梁铰缝薄弱的缺陷，在新桥建设和老桥改造过程中具有很高的推广价值。