应力叠合木桥面板的发展与应用

（吉林交通职业技术学院，吉林 长春 130000；中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林 长春 130000）

一、应力叠合木桥面板的发展

桥面板是木结构桥梁最主要的组成部分，常用的形式有螺钉叠合木桥面板、胶合木桥面板、交错叠合木桥面板和应力叠合木桥面板。目前研究和应用较为成熟的是应力叠合木桥面板，其在国外已成为现代木结构桥梁中应用最广泛的桥面板结构形式。

先在叠合板上用电钻预留出孔，再将叠合板按照预留孔的位置布好，然后再将预应力筋穿入孔道，通过千斤顶或预应力张拉设备在叠合板内施加侧向预压应力，使叠合板之间产生摩擦力，从而把一块一块的独立的板变成一个刚性的整体板结构，这样当有荷载作用在叠合板上时，其就可以将荷载传递到邻近的叠合板上。后来为了提高施工速度，增加叠合板之间的摩擦力，使用胶合技术预先将叠合板用胶粘在一起，粘合之前在叠合板上预留空洞，然后在孔洞内穿上钢筋，通过张拉的方式将叠合板压紧再进行锚固，应力叠合木桥面板的概念就清晰化了。

在加拿大之前使用的木桥面板多为螺钉叠合木桥面板，到了20 世纪70 年代晚期，随着时间的增长，许多桥面板出现了木板与木板间的滑移错动，有沥青铺装层的桥面板有的出现了铺装层开裂或者脱空的问题。受到预应力混凝土概念的启发，在1976 年安大略首次提出了预应力叠合板的概念，并在旧桥加固改造中进行了成功应用。最早的应力叠合木桥面板的概念是指在桥面板的外侧固定上下预留孔的钢板，在桥面板上、下两个方向上通过钢板预留孔穿上预应力钢筋，对桥面板进行加固，这种方法在当时被叫做横向后张预应力法。当时不管是设计方法，还是施工技术和养护措施都还不太完善，随着时间的推移桥面板上侧的预应力筋会损坏，但是这种技术在螺钉叠合木桥面板的加固上是非常成功的。

应力叠合木桥面板的设计方法在1979 年由安大略交通部联合加拿大皇后大学（Queens University）首次提出，安大略省公路桥梁设计规范（简称OHBDC）当年就采用它。受此设计方法的启发，这种技术在1981 年在新建木结构桥梁中得到了应用，从此使得木桥面板不管是在研究方面还是在应用上都达到了一个新高度。

1981 年加拿大安大略省建成了世界上第一座使用了应力叠合木桥面板的现代木结构桥梁。美国第一座应力叠合木桥于1987 年在明尼苏达州的库克县建成。随着应力叠合木桥面板概念的清晰化，叠合板、胶合、预应力这些名词在统一概念中也能够更加清楚的进行描述，比之前的预应力板人们也更容易接受。因此，应力叠合木桥面板的施工技术也迅速的被推广开来，安大略省公路桥梁设计规范（1991 版）引入这个概念。1996 年为止，由于应力叠合木桥面板可以使用较小尺寸规格的木板，软木和等级较低的硬木都可以得到利用，美国共建了400 余座应力叠合木结构桥梁，为了研究他们的使用性能还对其中的40 座进行了现场检验和测试。

在日本、澳大利亚、挪威、瑞士、巴西等国家，应力叠合木桥面板也得到了较好的发展和应用。自从1990 年悉尼科技大学开展应力叠合木桥面板的研究应用以来，在全国范围内成功建立了40 多座原型桥。欧洲第一次使用此技术是在1985 年，瑞士有一座桥梁要改建，便使用了应力叠合木桥面板。1994 年瑞典还修建了两座用来承受重载交通的应力叠合木桥。

二、应力叠合木桥面板的截面形式

1、矩形的应力叠合木桥面板

在现代木结构桥梁中矩形的应力叠合木桥面板是应用最多最广泛的形式。叠合板大多由实心的规格材组成，根据桥面板厚度和跨径的不同决定采用一排还是两排预应力筋。

如果桥梁结构的跨径较大，矩形的应力叠合木桥面板只能作为桥面板使用，如果桥梁结构的跨径较小，应力叠合木桥面板可以直接作为梁板结构。。

2、T 形应力叠合木桥面板

T 形应力叠合木桥面板是由层板胶合木梁组成的，其中翼缘板梁高度较小，为了增加横断面的纵向刚度，并在其间按照一定的间距放置高度较大的纵梁，也就是腹板梁，然后在顶面翼缘板和腹板梁体内预先钻好的孔中穿入预应力筋，从而形成了T 形的应力叠合木桥面板。

这种类型的应力叠合木桥面板直接作板梁结构。美国西佛吉尼亚州在群88 年首次使用了T 形应力叠合木桥面板。该桥跨径为22.3m，梁横截面为150mm×1140mm，桥面板厚230mm。

3、箱形应力叠合木桥面板

箱形的应力叠合木桥面板（梁）的组成主要为顶板、腹板和底板，然后将预应力筋穿入预先钻好的孔中，便形成了这种箱形的应力叠合木桥面板（梁）。

4、拱形应力叠合木桥面板

拱形应力叠合木桥面板不管是在设计方法上，还是在力学性能上，其与普通的应力叠合木桥面板相比差异较大。

第一座拱形的应力叠合木桥是由英国人在2002 年建造而成的，拱形应力叠合木桥面板主要用在人行天桥、低等级公路和乡村桥梁上，其跨径一般为6—26m。

5、桁架式应力叠合木桥面板

桁架式的应力叠合木桥面板的概念是巴西人首次提出的，由规格较小的木板组成一篇一片的桁架，并在每片桁架上预留孔洞，然后穿入预应力钢筋形成横向的应力叠合木桥面板。其特点是整体刚度增加，抵抗变形的能力提高。

6、蜂窝式应力叠合木桥面板

安大略交通部最早在1988 年提出了蜂窝的概念，自然资源部在1993 年建设了第一座实桥。蜂窝式应力叠合木桥面板和箱形应力叠合木桥面板的概念很相似。但是蜂窝孔的间距较小，顶底板厚度较小，厚度一般在45-63mm 之间，两孔之间的间距不超过500mm。

三、影响应力叠合木桥面板性能的主要因素

影响应力叠合木桥面板性能的因素主要包括以下几个方面：预应力水平、使用现场的温度、木材的徐变、对接接头等。

1、预应力水平

叠合板之间的之所以能够传递荷载是因为它们粗糙的表面之间有摩擦力，当摩擦力较小也就是木材表面较光滑时，荷载传递的有效性大大降低甚至有时不能够传递；如果木材表面很粗糙形成了较大的摩擦力，作用相邻板之间的荷载就可以进行传递了。

预应力松弛会使得叠合板间的压力随着时间的增长而变得越来越小，板间的摩擦力也就越来越小，荷载无法在板件传递时，桥面板性能变差。因此，为了保证应力叠合木桥面板的横向刚度，规范对叠合板之间的最小压力进行了规定。

2、使用现场的温度

使用现场的温度变化主要指的是早晚温差和由于季节变化引起的温差，由于早晚温度变化对叠合板的应力带来的影响一般是可以忽略的，由于季节变化带来的影响是最主要的。当桥梁在夏天施工，到了冬天温度变化对应力产生的影响就会显现。

木材的热膨胀系数与其品种和纹路方向有关，在应力叠合木桥面板中，木材顺纹方向的热膨胀系数约为预应力钢筋热膨胀系数的2.5 倍，因此考虑到木材本身的物理力学性和应力叠合木桥面板体系的特点，叠合板之间收缩是引起钢筋预应力损失和叠合板层间压力减小最主要的因素。

叠合板的应力受温度影响。温度降低到0℃以下会改变叠合板的尺寸，改变预应力钢筋的应力，从而影响桥的使用性能，当温度上升到冰点以上时，低于冰点温度造成的预应力损失似乎可以完全恢复。当温度降至冰点以下时，叠合板的含水量增大增加了应力损失。实验室和现场试验的结果表明，在木材含水量较高的情况下，温度变化造成的预应力损失要大得多。美国公路和运输协会官方规范规定所有木材在安装时的含水量应等于或低于19%，这种规定可以避免预应力损失的产生。

3、木材的徐变

应力叠合木桥面板的初始预应力损失主要由于木材的徐变引起的。Taylor 在1983 年进行了一系列的试验，研究表明在第一周内徐变效应对应力影响是最大的，不低于张拉力的50%，1988 年Di Carlantonio 研究表明徐变引起的预应力损失约为张拉力的40%，1989 年Olvia 等报告表明为60%。

4、对接接头

当叠合板的长度不能满足应力叠合板的长度要求时，我们可以使用对接接头将叠合板接长。使用了对接接头后，叠合板所使用的木材的尺寸要求可以大大降低，因此在选在木材时的选择空间就比较大，单从这一点就可以降低桥梁的造价。但是，由于应力叠合木桥面板的跨越能力是由变形决定的，也就是所谓的刚度，而对接接头的引入使得桥面板的刚度大大降低，因此在进行设计时必须严格按照规范的规定进行，不能一味的追求地造家而影响桥面板的跨越能力和承载力。

四、结语

从桥面板在国内外的发展和应用可以看出，应力叠合木桥面板是一种力学性能良好、截面形式丰富、耐久性较好的桥面板形式。本文系统总结了其发展和应用情况，将影响其使用性能的关键因素进行了梳理和分析，希望对以后的相关研究有所帮助。