20 m预制空心板先张法和后张法对比研究

王胜良

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 概述

20 世纪 80 年代以后，我国基础设施建设取得了全面的发展，桥梁建设作为交通的“生命线”工程，发展迅猛。据交通运输部《2021年交通运输行业发展统计公报》，2020年末全国公路桥梁96.11×104座、7 380.21×104延米，其中特大桥梁7 417座、1 347.87×104延 米，大 桥13.45×104座、3 715.89×104延米。特大桥与大桥所占比例分别为0.77%、13.99%，中小跨径桥梁占比为85.24%。由此可得，中小跨径桥梁在我国公路桥梁中占有很大比重。 据统计，在现役公路小跨径桥梁中，板梁所占比为53.4%。预制空心板桥作为我国最常见的桥型之一，具有体积小、重量轻、构造简单、建筑高度低、造价低、工厂预制施工方便等优点。

2 预制空心板的两种施工工艺

在工程运用实际中，预制空心板按有无预应力筋分为钢筋混凝土空心板和预应力钢筋混凝土空心板，预应力钢筋混凝土空心板根据施工工艺不同分为先张法和后张法。

2.1 先张法空心板

先张法预制空心板的施工是在浇筑混凝土前在台座上或钢模上张拉预应力筋，并用夹具将张拉完毕的预应力筋临时固定在台座的横梁上或钢模上，然后进行非预应力筋的绑扎，支设模板，浇筑混凝土，养护混凝土至规定强度（一般不低于混凝土设计强度标准值的75%），保证预应力筋与混凝土之间有足够的粘结力时，放张或切断预应力筋，使预应力筋弹性回缩，通过混凝土与预应力筋之间的粘结力传递预应力，使之对钢筋混凝土构件受拉区的混凝产生预压应力。

由于预应力空心板属于中小型预应力混凝土构件，先张法可采用台座法，台座法施工主要工艺流程是：清理台座、刷隔离剂→预应力筋制作、非预应力筋骨架制作→穿预应力筋及安放非预应力钢筋骨架→安放预埋铁件→调整初应力→张拉预应力筋一安装模板→浇筑混凝土→养护混凝土→拆除模板→放张、切断预应力筋→构件起吊堆放→继续养护→运输到指定工程现场。

2.2 后张法空心板

后张法预制空心板的施工工艺是先浇筑留有预应力筋孔道的构件，待其混凝土达到规定强度后，在预留孔道内穿入预应力筋进行张拉，并利用锚具把张拉后的预应力筋锚固在构件的端部，依靠构件端部的锚具将预应力筋的预张拉力传递给混凝土，使其产生预加压应力，最后进行孔道压浆并浇注梁端封锚混凝土，使预应力筋与混凝土构件形成整体。

3 先张法和后张法空心板对比研究

3.1 工程概况

根据张家港市综合交通规划及路网规划，规划形成“六横五纵”市域快速干道网及“六横九纵”市域结构性主干路网络。考虑尽可能减少后期建设对铁路的影响，避免二次建设，结合此次南沿江城际铁路建设同步实施沿线主要相关道路。

本工程共涉及9条道路与南沿江城际铁路相交，分别为：暨阳西路、港华路、张杨公路西段、张皋路、章卿路、西二环匝道、老204国道、晨丰公路（交界河路）、新204国道。其中张皋路部分工程采用跨度L为20 m的空心板梁，单幅桥，桥宽13.05 m，汽车荷载采用公路Ⅰ级，行车道数为3车道，设计时速80 km/h，标准路面横坡设置为单向横坡2%，桥面布置为13.05 m=0.525 m（SS级防撞护栏）+12.00 m（行车道）+0.525 m（SS级防撞护栏）。现通过此工程实例来研究分析两种施工工艺对工程量及结构内力影响。

3.2 两种空心板工程量对比分析

本工程分别采用先张法与后张法空心板时横桥向布置见表1。

表1 先张法与后张法横桥向布置

由表1可知，对于本工程需要先张法预应力空心板10个中板、2个边板、11个铰缝；而后张法预应力空心板需要8个中板、2个边板、9个铰缝。

现以中板为例，对两种空心板进行分析研究。先张法预应力混凝土空心板中板横断面如图1所示，板宽99 cm，梁高95 cm，跨高比为21∶1；中板预应力筋布置如图2所示，每片空心板板底配有14根15.2钢绞线。

图1 先张法中板横断面（cm）

图2 先张法中板预应力筋布置图（cm）

后张法预应力混凝土空心板中板横断面如图3所示，板宽124 cm，梁高95 cm，跨高比为21∶1；中板预应力筋布置如图4所示，每片梁配有4孔预应力钢束，其中1号预应力束为6根1sφ5.2钢绞线，2号预应力束为5根sφ15.2钢绞线。

图3 后张法中板横断面（cm）

图4 后张法中板预应力筋布置图（cm）

现将两种空心板一跨的主要工程量统计见表2。

表2 先张法和后张法空心板工程量对比

由表2数据可知，两种空心板一跨所需C50混凝土的工程量基本相等，先张法空心板钢绞线比后张法少1 074.2 kg，HRB400钢筋多9 185.7 kg，HPB300钢筋少3 762.0 kg。因此，对于整个工程来说，后张法空心板的工程造价低于先张法空心板。

3.3 两种空心板结构内力对比分析

本工程采用桥梁博士（V4.3.0）分别对先张法和后张法空心板进行建模计算，汽车荷载考虑横向分布，其中支点位置按杠杆法计算，L/4位置以及跨中位置按铰接板法计算。首先对比其中板最大弯矩包络图，结果如图5和图6所示。

图5 先张法中板弯矩包络图（kN·m）

图6 后张法中板弯矩包络图（kN·m）

由弯矩包络图可知，先张法空心板正截面强度安全系数K=2 443.3/2 167.0=1.13，后张法安全系数K=3 378.9/2 447.0=1.38。两种空心板的正截面抗弯强度均满足要求，后张法的安全系数大于先张法。

在两种空心板结构外边缘配置相同直径和间距的箍筋，根据计算结果，对两种空心板的抗剪能力进行对比分析，其最大剪力包络图如图7、图8所示。

图7 先张法中板剪力包络图（kN）

图8 后张法中板剪力包络图（kN）

由最大剪力包络图可知，两种空心板抗剪强度均满足要求。由于两种空心板最大区别在于后张法钢绞线在支点处弯起，使得两种空心板支点附近抗剪能力有所区别。为此，将两种空心板支点位置附近、L/4及跨中位置的抗剪结果列于表3和表4，其中安全系数K为抗剪抗力与最大剪力的比值。

表3 先张法空心板抗剪计算结果

表4 后张法空心板支点位置抗剪计算结果

通过对比表3和表4，可以明显得出两种空心板抗剪强度均满足要求，且在距离梁端2 m范围内，后张法空心板的最大抗剪安全系数大于先张法空心板抗剪安全系数；在L/4到跨中范围内，后张法空心板的最大抗剪安全系数小于先张法空心板抗剪安全系数。原因在于先张法空心板钢绞线在板底水平布置，而后张法空心板钢绞线在大部分位置水平布置于板底，仅在支点位置弯起，而这部分弯起的钢绞线会为空心板提供抗力，使得后张法空心板在支点位置附近总抗力大于先张法。在跨中位置，两种空心板的钢绞线均水平布置于板底，箍筋相同，但由于先张法空心板板宽小，配箍率高，导致后张法空心板抗剪总抗力在跨中位置附近小于先张法空心板。

4 结论

文章以一个工程实例为依据，统计分析了两种空心板一跨的主要工程量，利用有限元软件对20 m跨度的先张法和后张法空心板进行建模计算，并对其正截面抗弯能力、斜截面抗剪能力进行对比分析，得出以下结论：（1）对于20 m跨度的空心板，采用后张法施工工艺比先张法更经济。（2）后张法空心板正截面抗弯强度安全系数大于先张法，斜截面抗剪能力优于先张法空心板。（3）对于20 m装配式预应力空心板建议采用后张法施工。