刚接空心板在中小跨径桥梁中的应用

许延祺

北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082

引言

随着我国交通行业的高速发展，预应力空心板是目前中小桥设计中广泛应用的一种结构形式。预制空心板梁是装配式简支结构体系，其结构高度低，工厂化程度高，运输、吊装方便，对地面交通影响小，工程造价低。自20世纪60年代以来，经过数十年的发展和完善，空心板梁标准化、工厂化、机械化的优势日益显现，在全国各地的公路或者城市道路中的中小跨径桥梁上得到了广泛的应用［1-3］。预制预应力空心板横向连接方式的选择对于整体结构的受力尤为关键，横向连接方式不同则计算模式不同，从横向连接方式来说分为铰接空心板及刚接空心板［4］。本文结合某市政工程跨河桥，对于空心板梁桥从设计、施工、经济性等多方面进行深入分析，选取合适的结构形式进行工程设计。

1 预制空心板横向连接主要方式

1.1 铰缝连接及其病害

这种形式的空心板横向连接方式在我国的桥梁设计中最为流行，原交通部于2008年颁布了空心板梁的标准图。铰缝的连接模式从最早的小铰缝，甚至无铰缝，经过几年的演变后，优化为大铰缝的形式，大铰缝高度一般大于2／3梁高，并且设计当中明确铰缝凿毛，铰缝混凝土浇筑、振捣、勾缝等施工工艺均需要满足相关要求［5］。小铰缝及大铰缝构造如图1所示。

图1 铰缝构造Fig.1 Structural drawing of hinge joint

不管是以何种铰缝形式连接，由于铰缝传力机理不明确，设计理论不够完善，且设计中经常忽略铰缝混凝土的收缩效应，没有足够重视新旧混凝土间粘结力的弱化。施工期间或预制板侧面未认真凿毛并清理表面，造成新旧混凝土之间结合能力差，或对于铰缝混凝土配合比控制不严，振捣不到位，养护不到位，造成铰缝部位成为上部结构的薄弱环节。即使在铰缝中加入一些普通钢筋，也仅仅是对铰缝内的混凝土进行了加强，铰缝仍可以从新旧混凝土的粘结处首先发生破坏，轻者纵向裂缝，重者纵向破碎。一旦铰缝失效，桥梁不能横向传递车辆荷载，从而导致计算假定模式失效，造成单板受力，使空心板梁桥承载能力大大下降［6-9］。故采用铰接的空心板梁桥近几年在北京、上海等大型城市的桥梁工程中已经很少。

1.2 横向连接方式优化比较

根据文献［9］的研究成果可知，国外常见的空心板之间的横向连接主要有板顶现浇混凝土连接、施加横向预应力连接以及采用加强普通钢筋连接。如英国常采用的连接方式，通过增加板顶现浇混凝土的用量来达到加强横向连接的目的；日本常用通过增加端横隔板及中横隔板，在其中施加横向预应力加强其横向整体性；美国学者建议通过在桥梁纵向每隔一段距离设置横向加强普通钢筋进行连接，提高其整体性。国外的空心板的横向设计均提升到了明确的结构设计范畴，而非仅仅从构造形式上实现横向连接。但是这些做法比我国目前设计的空心板梁桥构造复杂，材料用量大，建设初期的投资费用也比较高，现阶段并不完全适用于我国的桥梁建设。

基于此，近几年中，刚接空心板逐渐被桥梁工程师们应用，这种结构形式四五年前首先出现于上海地区，但是在上海以外地区尤其是北方地区，至今仍未采用过。这种结构形式构思起源于装配式预应力混凝土箱梁，其特点为将空心板梁顶预制成两翼带悬臂的结构形式，待主梁吊装就位后，通过一段现浇混凝土把空心板梁连接成整体。由于现浇段混凝土具有一定的刚度，横向板与板之间除了传递剪力，还传递弯矩，故称为刚接空心板。现浇段构造如图2所示。

图2 刚接空心板现浇段构造Fig.2 Structure of cast-in-situ section of rigid hollow slab

2 研究内容及模型建立

2.1 研究内容

本工程采用的空心板跨径为10m、13m、16m、20m四种。本文选取跨径为20m、桥梁宽度13m的空心板梁桥作为研究对象，采用Midas Civil 2019建立梁格法模型，分别对比铰接空心板与刚接空心板之间在尺寸构造、截面特性、受力及变形情况、材料指标及经济性等方面的优劣［10-12］，提出本工程优化后的结构形式。

2.2 模型的建立

对于宽度13m的桥梁，若采用铰接空心板，横向应为10片梁，由2片边梁和8片中梁组成，梁格间距1.25m，若采用刚接空心板，横向应为6片梁，由4片中梁和2片边梁组成，梁格间距2.21m。两种方案横断面如图3所示。

图3 空心板横向布置（单位：cm）Fig.3 Transverse arrangement of hollow slab（unit：cm）

对于两种断面分别建立Midas Civil模型，如图4所示。

图4 空心板梁格法模型Fig.4 Hollow slab beam grid method model

3 20m空心板优化方案比选

3.1 截面尺寸构造比选

预制中板跨中断面如图5所示。

图5 空心板跨中断面（单位：mm）Fig.5 Hollow slab mid span section（unit：mm）

两种断面尺寸构造参数见表1。

表1 两种结构尺寸参数（单位：m）Tab.1 Two structural dimension parameters（unit：m）

由于刚接板采用现浇湿接缝的形式，其预制梁顶底板厚度、腹板厚度均适当增加，同时设置端横梁，其优势可表现为如下几方面：

（1）取消铰缝，改为混凝土现浇段，从传力机理上改善了铰接板横向连接差的问题，由铰接连接优化为刚接连接，避免了因铰缝开裂、破坏造成的横向传力假定的失效，从而导致各片梁横向受力不均甚至单板受力等不利工况的产生。

（2）由于预制结构横向接缝处最易出现病害，刚接板宽度由1.24m增加为1.55m，而且现浇段宽度可取为0.4m～0.8m，故对于同等宽度的桥梁来说，接缝数量变少，降低了接缝处发生破坏的概率，提高了结构的整体性。

（3）由于简支空心板梁刚度较小，且混凝土浇筑过程中由于定位不当时长会造成板底上浮，易造成顶板厚度达不到设计值，从而造成顶板压应力过大甚至超限。故刚接板顶板厚度由12cm优化为15cm。

（4）适当提高了跨中腹板厚度，减少了支点腹板厚度，一方面可以保证跨中断面混凝土的振捣质量，并且加大预应力波纹管的净保护层，提高其抗剪承载能力；另一方面在满足支点处抗剪承载力的前提下，减轻其自重。

（5）由于空心板结构跨中断面底板较薄，钢绞线张拉时钢束端部混凝土承担较大的拉应力，容易产生顺桥向裂缝，支点处底板厚度由12cm优化为30cm，通过增加底板厚度，可以有效预防这一不利现象的发生。

（6）增设端横梁，加强桥梁横向整体性。在汽车荷载偏载作用下，空心板作为薄壁结构产生的畸变变形容易在拐角处产生纵向裂缝，端横梁的设置使荷载在板梁之间的横向分布均匀，横向受力性能更好。

3.2 截面特性比较

主梁截面特性主要包括截面面积、抗弯惯性矩及抗扭惯性矩三方面内容，由于两种结构预制板宽度不同，本文选取单片中板的三种截面特性除以板宽，得到每延米板宽的截面特性值进行比较分析，对比见表2。

表2 两种结构中板截面特性Tab.2 Section characteristics of plates in two kinds of structures

从表2中可以看出，两种空心板面积差异不大，但是刚接板在面积略低的前提下，每延米抗弯惯性矩和抗扭惯性矩均大于铰接板，尤其是抗扭惯性矩，刚接板为铰接板的1.33倍。这说明刚接板的抗弯能力更强，尤其是在承担偏心荷载作用下，其横向受力更为均匀，抗扭转能力更好。若再计入刚接板连接段的影响，这种差距将进一步增大。而铰接板由于抗扭刚度小，会造成在偏心荷载作用下产生较大的扭转应力，而这种应力若采用单梁法计算模型分析一般是被忽略的。

3.3 受力特性及变形比较

1.活载作用下主梁跨中竖向变形比较

对于空心板来说，偏载布置为活载最不利的加载方式。故在进行活载横向布置时，按照偏载进行布置。铰接空心板及刚接空心板各板在活载作用下跨中竖向位移，如图6所示。

图6 活载作用下各主梁竖向位移Fig.6 Vertical displacement of each main beam under live load

从图6中可以看出，在活载作用下，刚接空心板比铰接空心板各主梁之间位移差小，刚接空心板两侧边板位移比为1∶0.54，铰接空心板两侧边板位移比为1∶0.31，由此可以得出刚接空心板各板之间受力更为均匀，更趋向于整体受力；而铰接空心板由于铰缝连接弱，横向整体性差，承受活载效应一侧的板竖向位移明显大于未承受活载效应一侧的板。

2.偏心恒载作用下竖向反力比较

空心板截面小、自重轻，故二期恒载对其的影响相对于大跨径桥梁来说更为明显。二期恒载一般由桥面铺装荷载和防撞护栏荷载（包括隔音屏、灯杆等）组成。对于每片梁来说，桥面铺装荷载可以近似理解为沿梁体结构中线加载。但是防撞护栏位于边梁结构中线外侧，故为偏心加载。防撞护栏荷载一般取单侧10kN／m（若再叠加考虑隔音屏等因素会更大），为单片空心板梁延米重量的0.6倍左右，其偏心效应对结构反力的影响是非常重要的。表3为铰接空心板及刚接空心板在防撞护栏荷载作用下各梁反力值。

表3 空心板主梁反力（单位：kN）Tab.3 Reaction of hollow slab main beam（unit：kN）

从表3中可以看出，在防撞护栏偏心荷载作用下，结构受力有如下特点：

（1）两种结构次边板会产生负反力，铰接空心板产生的负反力更大，且中板反力分配不均匀，呈现正负反力交替出现的情况。

（2）边板反力明显大于其余板，而且由于其余板负反力的存在，边板反力值大于防撞护栏荷载实际加载值（实际加载最大为100kN），铰接空心板边板反力甚至为荷载实际加载值的2倍。

结构呈现这种受力特点，究其原因主要是因为对于支点处反力分配来说，近似可以看为多点支承的横向连续梁。因为预制结构横向连接弱，铰接空心板仅靠铰缝连接，无法实现真正意义的多板共同受力；而刚接空心板虽然加强了横向联系，且设置了端横梁，但是与支承刚度相比，仍然是偏小。基于此，采用单梁法计算得出的结构反力是偏不安全的。

3.基本组合各板结构抗力比较

基本组合作用下，两种结构最不利边板及中板跨中断面结构弯矩及抗力见表4。

表4 跨中断面结构内力及抗力Tab.4 Internal force and resistance of mid span section structure

由表4可以看出，铰接空心板承载能力安全系数较低，安全储备差，边板安全储备仅为5%，若遇到超载等极端情况，结构安全性有较大隐患。而优化后的刚接空心板承载能力安全储备大幅提高，有效地提高了结构的安全性。

4.频域组合各板结构应力比较

频域组合下两种结构最不利边板及中板下缘正应力分布，如图7、图8所示。

图7 铰接空心板频遇组合应力（单位：MPa）Fig.7 Combined stress diagram of hinged hollow slab（unit：MPa）

图8 刚接空心板频遇组合应力（单位：MPa）Fig.8 Combined stress diagram of rigid hollow slab（unit：MPa）

由图7、图8可以看出，频遇组合下，铰接空心板跨中下缘应力储备较差，中板甚至出现拉应力，能满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）中的规定，但是对于结构耐久性有较大的影响，会造成结构带病工作。而刚接空心板跨中下缘压应力储备合理，受力性能有明显的改善。

3.4 材料指标及经济性比较

两种结构全桥混凝土、钢束、普通钢筋每平米指标见表5。

表5 两种结构材料指标比较Tab.5 Comparison of indexes of two structural materials

从表5可以得到：

（1）刚接空心板每平米混凝土用量低于铰接空心板，这说明在同等宽度和跨径的情况下，刚接空心板自重远小于铰接空心板，仅为其的74%，此举对于盖梁、墩身、基础的负荷也会相应减少，下部结构造价也会降低。

（2）铰接空心板每平米钢束及钢筋量低于刚接空心板，但是铰接空心板钢束及钢筋用量偏少已是工程界广泛认同的事实，甚至已经某种程度上影响了其安全性。刚接空心板优化了钢束及钢筋布置，合理地增加了钢束及钢筋用量。

（3）每平米造价刚接空心板略高于铰接空心板，但增加量小于1%，在没有大幅提高材料指标及造价的前提下，刚接空心板达到了较好的受力效果。

4 结论

1.由于刚接空心板预制板宽度大于铰接空心板，对于同等宽度的桥梁，刚接空心板梁的片数、横向连接的数量均小于铰接空心板，且把铰缝优化为现浇段，增设了横隔板，提高了结构的整体性。

2.刚接空心板预制板抗弯惯性矩及抗扭惯性矩均大于铰接空心板，在提高了其抗弯承载能力的同时，在偏心荷载作用下，有更好的抗扭转能力。

3.在偏心活载及偏心恒载作用下，刚接空心板每块板的受力及变形比铰接空心板更为均匀，且在防撞护栏偏心荷载作用下，次边梁会产生负反力，从而造成边梁反力值大于荷载实际加载值，故采用单梁法计算得出的结构反力是偏不安全的。

4.铰接空心板承载能力及应力安全储备过低，存在安全隐患，而刚接空心板优化了截面尺寸及钢束钢筋配置，有效地提高了其安全性。

5.刚接空心板每平米造价略高于铰接空心板，但由于刚接空心板每平米自重轻，对于下部结构负荷也会减少，从而减少下部结构造价。故刚接空心板在几乎没有提高工程造价的前提下，较好地优化了结构受力性能，值得在中小跨径桥梁设计中广泛应用。