简支空心板梁整体化层参与结构受力计算研究

元信文 刘子玮

中国铁路设计集团有限公司 天津 300142

1 引言

预应力空心板梁具有预制、安装施工便捷，建筑高度低的特点。空心板梁梁高低，减少了道路改造抬升及桥头平交路网改造规模，在市政跨河桥梁中，相比于同跨径预应力小箱梁，具有竞争优势。

在杭州绍兴等平原河网城市地区，市政道路受河道宽度限制，大量采用了中小跨径预应力空心板梁，这些桥梁在新建地铁等工程引起的桥梁拆复建时，表现出明显的优点。即桥梁可以减少拆迁规模，分片拆除，未拆除的桥梁既可以利用，也可以作为临时便桥使用，降低了工程造价，减少了交通导改费用。如果拆除后的空心板梁结构完好、满足相关设计规范要求，可以在墩台施工完成后重新架设利用。

在早期空心板梁通用图中，铰缝的结构尺寸较小。小铰缝整体刚度与空心板的刚度相差甚远，铰缝无法承受板梁之间的长期受力和变形，存在铰缝破坏问题。2000年左右，改良设计的空心板梁铰缝开始逐渐出现，梁片宽度也由1m加宽为1.25m。大铰缝空心板梁较先出现在先张法空心板梁当中，06年左右，大连市采用的先张法预应力空心板梁宽度达1.5m，该先张法空心板梁即采用了大铰缝。2006年交一院的先张法空心板梁通用图同样采用了大铰缝，其铰缝构造尺寸基本接近于现在通用的大铰缝尺寸。随着《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）规范的实施，2008年交通部颁发了根据04新混规设计的后张法预应力空心板梁标准图，该标准图采用大铰缝空心板，铰缝构造形式得到定型。大铰缝后张法预应力空心板梁开始得到广泛采用。采用大铰缝后，空心板梁铰缝破坏情况已经基本很少发生。

国内存量预应力空心板梁桥很多，将来会有大量的既有空心板梁桥需要维修加固或者更换既有主梁，因此有必要对预应力空心板梁进行细化研究分析。

2 空心板梁整体化层传统计算理论

简支空心板梁的传统设计方法是把桥面整体化层作为桥面铺装，对桥面整体化层的研究不够重视；结构计算时把桥面整体化层按照二期恒载进行计算，不考虑整体化层参与受力。这样分析的结果偏安全，但是与空心板梁桥实际的结构受力情况相差较大。另外，这样计算会导致空心板梁的顶板压应力显著偏大，极端情况下计算的顶板受压应力会超过规范容许值，导致计算无法通过。因此，有必要将整体化层纳入结构计算并进行研究。

3 简支空心板梁现浇层与预制板结合情况研究

根据康省帧[1]、王复明的试验结果，在不设置连接钢筋的情况下，现浇桥面铺装层与预制空心板梁粘结良好，试验中铺装层没有发生剪切破坏，桥面铺装层与预制空心板梁共同受力性能良好。该试验所采用的构件，现浇桥面铺装层厚度为10cm。根据吴颖恒[2]、张俊平的实桥荷载试验，考虑桥面铺装的影响因素时，桥梁的受力和变形情况更符合装配式空心板桥的实际受力状态。由此可知,在设置空心板梁反预拱度及保证整体化层设计厚度的情况下, 将整体化层纳入受力结构计算，具有理论及实验结果支撑。

陆进祥[3]对不同厚度桥面现浇层参与空心板梁结构受力进行了计算对比，分析了不同厚度桥面现浇层对空心板梁承载能力的影响。

4 简支空心板梁考虑现浇整体化层的结构计算方法

4.1 计算模型

本文以交通部08标准图的20m后张法预应力空心板梁作为算例，研究简支空心板梁的受力情况。

示例：20m跨径简支空心板梁桥，桥面宽度为9.75m，两侧设防撞护栏，桥梁全宽10.75m，共设中板8块、边板2块。设计荷载为公路-Ⅰ级活载。桥梁横断面如图1所示，板梁截面如图2所示。

图1 预应力简支空心板梁桥标准横断面（单位：mm）

图2 预制预应力空心板中板截面（单位：mm）

4.2 结构分析及建模情况

1）计算模型A

采用桥博软件对空心板梁进行分析计算时，将整体化层作为恒载加入,整体化层不参与受力。

2）计算模型B

采用桥博4.4.3结构分析软件对简支梁进行建模分析，简支空心板梁的预制梁部分为主截面，现浇整体化层作为子截面，按照施工顺序参与受力。

3）配束情况：原交通部标准图中板配束为φs15-5、φs15-4钢束各2束。结合2015版《公路桥涵设计通用规范》的荷载标准，本简支空心板梁中板钢束配置增加为φs15-5共4束。

4.3 简支空心板梁与标准图计算指标对比见表1

表1 简支空心板梁与标准图计算结果对比

4.4 计算结果分析

可以看出相较于原计算模式A，考虑整体化层参与受力的模型B简支空心板梁受力指标有很大提高，抗弯强度富余度由16.7%提高至34.7%；持久状况板梁上缘最大法向压应力由14.94 mPa下降至7.53 mPa，主梁抗压安全储备大大增强；频遇组合跨中下缘最小应力由0.48 mPa增加至1.63 mPa，主梁抗裂安全储备明显增加。

4.5 抗剪能力分析

相较于原计算模式，模型B抗剪能力变化不大。

4.6 空心板梁横向铰接与刚接分析

如果考虑整体化层的刚接作用，则本例边板汽车活载横向分布系数增加约1.5%，中板汽车活载横向分布系数降低约3%。由于中板控制设计，因此按刚接板梁法计算的简支空心板梁的承载能力有所提高，但影响不大。

4.7 整体化层厚度对于结构主要受力指标的影响

本次研究对不同整体化层厚度的空心板梁所对应的结构主要受力指标进行了分析整理，结果如图3所示。

图3 主梁上下缘法向应力分析（单位:MPa）

从上图可以看出，随着现浇整体化层厚度的增加，简支空心板梁下缘抗裂应力储备快速增加，现浇整体化层厚度大于8cm后，简支空心板梁下缘最小应力趋于稳定。随着现浇整体化层厚度的增加，简支简支空心板梁上缘最大法向压应力持续下降，当现浇整体化层厚度大于12cm后，简支简支空心板梁上缘最大法向压应力减小不再明显。随着现浇整体化层厚度的增加，简支简支空心板梁抗弯强度持续增加且不收敛。因此现浇整体化层的合理厚度宜采用12～14cm且不宜大于16cm。

5 简支空心板梁整体化层配筋改进方法

5.1 简支空心板梁整体化层改进设计研究思路

原空心板梁标准图，由于桥面整体化层为10cm，布置单层钢筋网，整体化层表层素混凝土缺少钢筋保护，在车辆荷载作用下存在磨损破坏的可能性，故设计习惯上将其作为二期恒载。

本文提出，将原空心板梁之上的桥面整体化层加厚，配置双层钢筋，这样现浇整体化层的钢筋保护层厚度不至于过大，结构耐久性可得到很大的提高。

5.2 简支空心板梁整体化层截面及钢筋构造

简支空心板梁截面的预制部分，仍采用交通部08版后张法预应力空心板梁的截面形式。为适应2015年公路桥梁通用规范实施后新的活载形式，将原空心板梁通用图上的桥面整体化层加厚，配置双层钢筋，使其成为现浇桥面板结构。现浇整体化层的厚度拟定为12～14cm，这样能保证混凝土振捣以及钢筋的净保护层满足规范要求，同时也能防止铰缝破坏，保证整体化层结构的整体性和耐久性。整体化层内双层钢筋网建议采用φ12或φ10螺纹钢筋，也可以采用双层带肋钢筋网。预制板梁顶部可预留架立钢筋，作为钢筋网片的定位钢筋，同时也能增强整体化层与预制板的整体性。

5.3 简支空心板梁优化整体化层后的结构优越性

按照上述思路优化整体化层设计的简支空心板梁，整体化层实际上成为现浇桥面板，整体化层和预制空心板梁组成混凝土组合梁结构。此种结构在施工便利性、经济性、耐久性及受力性能方面，显著优于同跨径钢板组合梁、钢箱组合梁及钢波纹板组合梁。

6 简支空心板梁桥整体化层计算理论用于既有桥加固

6.1 简支空心板梁既有桥主要加固方法比较

既有空心板梁涉及到加强结构承载能力的加固方法主要有三种，分别是梁底黏贴钢板法，施加横向预应力钢束法和加强空心板梁整体化层法。

在梁底黏贴钢板起到的增加承载能力作用比较有限，无法同时修复铰缝，而且需要在梁底打孔钻眼，对主梁混凝土和钢筋会造成伤害，影响结构耐久性。此外，所贴钢板及螺栓需要经常进行防腐养护，后期养护费用较高。因此黏贴钢板加固方法主要用于桥面无法进行断交施工或者断交施工代价较大的场合，如少数交通繁忙的高速公路和城市主干道。

施加横向预应力钢束法仅能增加空心板梁梁片之间的横向整体受力，仅适用于铰缝破坏而且空心板整体完好的情况，而且对主梁承载能力提高甚微，因此这种加固方法适用范围较为有限。

加强空心板梁整体化层法是较为彻底的能有效提高空心板梁承载能力的方法，该法可以同时修复破坏的空心板铰缝。

6.2 简支空心板梁既有桥加强整体化层加固方法要点

首先，在原设计基础上对铰缝钢筋和混凝土进行加强，以增加铰缝的抗弯和抗剪强度，使其更好的发挥横向联系的作用。铰缝维修时增设并加粗铰缝钢筋。

其次，重新铺装加强现浇整体化层，现浇整体化层的厚度要满足设置双层钢筋网的要求，因此最小厚度不得小于12cm。重新浇筑桥面整体化层时，应按照10cm间距加密桥面铺装钢筋网，适当提高整体化层层混凝土强度等级，使桥面整体化层参与梁板和铰缝共同受力。

具体做法：凿除原桥面铺装后，板梁顶面需进行凿毛。拉毛可采用垂直于跨径方向划槽，槽深0.6～0.8cm,每延米桥长不少于10～15道。现浇新的整体化层前，须用钢刷清除结合面上的浮皮，用水冲洗清洗桥面残渣和灰尘，严禁油腻污染板梁顶面。为保证桥面整体化层能与板梁共同受力，浇筑整体化层混凝土前需涂抹界面剂。

7 主要结论

（1） 在桥面整体化层内配置双层钢筋网，将桥面整体化层作为现浇桥面板结构，整体化层可参与主梁结构受力，采用这种配筋方法的整体化层能有效防止铰缝破坏。

（2）现浇整体化层的合理厚度宜采用12～14cm且不宜大于16cm。

（3）简支空心板梁桥强化设计整体化层，具有优秀的经济性和受力性能，与同跨径组合钢梁结构相比具有优势。

（4）简支空心板梁桥强化整体化层设计理论用于既有桥加固，具有良好的应用前景。