谢克修
合肥市公路桥梁工程有限责任公司 合肥市 230051
摘要：为克服传统装配式空心板桥的病害，本文提出了施加横向体内预应力钢束来横向连接各空心板的方法，消除了企口缝这一薄弱环节，提高了装配式空心板桥的空间整体性。并采用有限元软件MIDAS分析施加横向体内预应力的装配式空心板桥力学性能，验证该横向连接方法的可行性和有效性。
关键词：空心板梁桥；铰缝病害；横向预应力；结构性能
1 引言
装配式空心板桥具有自重轻，预制方便，用材经济，易于工厂化和标准化施工等诸多优点，在国内得到广泛采用，是我国中小跨径桥梁最常见的桥型。[1]但是随着装配式空心板桥服役期的延长和交通量的加大，特别是车辆超载现象严重，同时受自然环境的影响、某些局部设计不合理、施工工艺条件限制等原因使得国内很多在役的装配式空心板桥出现铰接缝破坏的情况，造成装配式空心板桥承载能力和耐久性下降，情况严重时将导致其横向连接失效，引起“单板受力”，严重威胁桥上行车安全。[2]
为克服装配式空心板桥铰接缝破坏这一病害，本文在传统装配式空心板桥的基础上，保留各板之间的铰接缝，在横桥向两侧面施加横向体内预应力钢束，通过加强横向联系的形式使空心板梁桥在外荷载作用下各块空心板能够协同工作，并对这种新型装配式空心板桥的空间整体受力性能、横向预应力张拉控制应力和配束进行了研究。
2 施加横向预应力装配式空心板桥的工作原理
目前，装配式空心板桥多用于跨径小于20m的中小跨径公路桥梁上，这类空心板的截面形式多为单孔或双孔截面，并在侧面留有企口缝。空心板间的横向联系构造主要采用混凝土铰接缝的形式，铰接缝通过传递各板之间的竖向剪力实现车辆荷载的横向分配。由于铰缝病害削弱了其传递剪力的作用，企口缝容易在车辆荷载作用下被剪坏，造成单板受力，降低了装配式空心板桥的整体性，影响其承载能力，给行车安全留下隐患。[3]
在保有铰缝这个构造的前提下，进一步施加横向预应力联系各块空心板，这样就有可能从根源解决铰缝病害的问题。施加横向预应力钢束的装配式空心板桥的工作机理主要有两种：摩擦抗剪设计方法和PCI设计方法。
2.1 摩擦抗剪设计方法（无横隔梁横向预应力）
摩擦抗剪可用在下列接触面：既有的或潜在的裂缝位置处、不同材料的接触面、不同时间浇注的混凝土的接触面。通过设置贯穿接触面的摩擦抗剪钢筋可以传递剪力。当剪力作用在裂缝位置时，一侧的裂缝面相对另一侧会产生滑移趋势，如果裂缝表面粗糙且不规则，伴随着裂缝之间的相对滑移，接触面会分离，进而使得钢筋受拉，极限状态就是钢筋应力达到屈服；反之钢筋会给裂缝面提供自锁力。施加的剪力就由裂缝面之间的摩擦力、裂缝面突出部分的阻力以及钢筋的销栓作用来承受。
摩擦抗剪依赖于横穿裂缝的普通钢筋提供的自锁力，只要使接触面处于受压状态，也能够传递剪力。在设计的车载作用下，板间传递的最大剪力值是一定的（按照铰接梁法或者刚接梁法理论可以得到），当设计的横向预应力水平使得梁间摩擦传递的剪力极限值等于设计传递的剪力值时，横向预应力水平是比较经济的。
由摩擦抗剪确定横向预应力张拉值公式如下：
S×Vmax ≤ n×μ×N (1)
式中：S为安全系数，取1.15；Vmax表示铰接缝连接的装配式空心板桥各板之间铰接缝所能抵抗的最大剪力值；n为钢束数量；μ为空心板侧面间的摩擦系数；N为每束横向预应力钢束有效张拉值。
2.2 PCI设计方法（有横隔梁横向预应力）
在PCI设计规范中，横向预应力提供的横向刚度需要保证挠度小于0.5mm。设计假定活载主要由有横向预应力的横隔梁分担，根据跨径布置3至5道横隔梁。在有横隔梁作为横向联系的情况下，外荷载可以由横向全宽的空心板整体协同受力，位移曲线也会变得更加平顺。横隔梁需要横向连续通长布置，同时浇筑等深铰缝以及横向预应力。
横向预应力张拉值确定有两种方式：
a. 通过建立梁格模型：按照最不利横梁内力影响线进行栏杆自重以及车辆荷载加载，得出正负弯矩最大值，通过保证横隔梁上下翼缘受压，并根据相关规范保有1.7-3.4MPa压应力，以此得出最小横向预应力的值。
b. 根据PCI推荐公式：.jpg)
式中：D为空心板高度；W为桥梁宽度；KL为跨高比修正系数，KL=1.0+0.003(L/D-30)；KS为斜交角修正系数，KS=1.0+0.002θ；θ为斜交角；L为桥梁跨径；P为每延米预应力大小，kip/ft
这两种设计方法的作用机理有所不同，在空心板桥铰缝和桥面板没有出现裂缝时，摩擦抗剪设计中的横向预应力对其荷载的横向分布的影响微乎其微，只有当开裂并在开裂面上有滑移趋势时，横向预应力才开始参与工作，在一定程度上能够使开裂铰缝继续发挥其原有传递横向剪力的作用，避免裂缝进一步的发展。所以为了从根源上避免铰缝开裂，预制铰接空心板梁桥时，采用带有横隔梁的横向预应力形式更为有效。
3 装配式预应力空心板桥空间整体受力性能
3.1 模型建立
以一座由10块空心板组成的跨径为16m的装配式预应力混凝土简支空心板桥为研究对象，建立2个有限元模型。模型1为铰接缝连接的装配式空心板桥有限元模型，如图1所示，采用虚拟横梁释放梁端约束来模拟铰缝链接。模型2为横向体内预应力连接的装配式空心板桥有限元模型，如图2所示，采用梁格法建模。全桥布置3根横向预应力钢束，分别设置在桥两端和中部的3道30cm厚的横隔板内，通过后张法进行张拉。
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4 横向体内预应力束设计
4.1 最小横向体内预应力设计
在实际应用中需要确定横向体内预应力钢束的张拉水平，给定张拉控制值。在综合考虑空心板梁高跨比D/L和空心板桥宽跨比B/L的基础上，根据PCI的梁格法理论求出装配式空心板桥中横向预应力张拉最小值，通过比较不同参数下的预应力设计值，最终确定实际工程所需要的横向预应力张拉控制值。
为了保证施加横向体内预应力钢束的装配式空心板桥的空间整体性，则需要保证空心板间铰缝不开裂，即最不利外荷载作用下横隔梁的上下翼缘均为压应力保持全截面受压。用式（3）表达：
优化后的空心板梁通用截面形式如图5所示，在四种梁高的情况下，对不同跨径及不同桥宽进行横向预应力设计值计算，依照所得数据进行系数修正拟合，得到非标准情况下最小横向预应力大小。
图5 四种梁横断面
4.2 宽跨比B/L、高跨比D/L对横向预应力张拉值的影响
铰缝连接的装配式空心板桥各板之间铰接缝所能传递的最大剪力值与空心板桥的跨径密切相关，而外荷载作用下横隔梁的正负最大弯矩又决定了横向预应力钢束的张拉水平，因此，宽跨比B/L就对横向预应力钢束的张拉水平有很大影响。
（1）不同桥宽最小横向预应力设计值
图6所示为假定L/D=30时，不同桥梁宽度下最小横向预应力设计值。对于任意梁高，随着桥梁宽度的增加，所需的最小横向预应力也随之增大。对于相同桥宽，高粱所需的最小横向预应力大于矮梁所需要的横向预应力，这主要是为了补偿由于较薄的横隔梁引起的横向刚度损失。图中所示曲线有两个明显不同的斜率，原因是在窄桥的情况下负弯矩工况启主要控制设计作用，在宽桥的情况下正弯矩工况启主要控制设计作用。
（2）不同高跨比最小横向预应力设计值
如图7所示，图中给出了不同梁高的空心板梁在不同高跨比下的最小横向预应力设计值大小。由图可知，高跨比对横向预应力设计值大小的影响不是很显著。但可以看出，当正弯矩工况控制设计时，跨高比越大所需横向预应力越大，当负弯矩控制设计时，跨高比越大，横向预应力设计值会相对减小。这种现象在窄梁中有更明显的体现。
图6 不同桥宽最小横向预应力设计值 图7 不同高跨比最小横向预应力设计值
5 结语
为克服传统装配式空心板桥的病害，本文提出了一种采用施加横向体内预应力钢束来横向连接各空心板，消除了企口缝这一薄弱环节，提高了装配式空心板桥的空间整体性。并采用有限元软件MIDAS分析施加横向体内预应力的装配式空心板桥力学性能，验证该横向连接方法的可行性和有效性。
对比分析铰接装配式空心板桥和施加横向体内预应力连接的装配式空心板桥的荷载横向分布影响线和位移云图可知：施加横向体内预应力钢束的装配式空心板桥的空间整体性明显好于铰接装配式空心板桥的空间整体性，与未来装配式空心板桥的设计发展趋势吻合。
对于施加横向体内预应力连接的装配式空心板桥，并非其横向预应力值施加的越大其空间整体性越好，当所施加的横向预应力值达到一定水平之后，继续增大预应力水平对提高装配式空心板桥的整体性能并没有显著作用。在不同参数对应的横向预应力水平下，同一高跨比的装配式空心板桥的空间整体性基本相同。不同宽跨比的装配式空心板桥，随着宽跨比的减小，空心板的荷载横向分布影响线越趋于缓和，装配式空心板桥的空间整体性也就越好。
参考文献:
[1] 姚玲森.桥梁工程[M]. 北京:人民交通出版社, 2003:115.
[2] 赵文龙. 施加横向预应力的装配式空心板桥力学性能分析[D].郑州大学,2015.
[3] 杨敏,靳欣华.混凝土空心板梁桥典型病害成因分析及防治策略[J].城市道桥与防洪,2008(08):112-115+220.
论文作者:谢克修
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/24
标签：预应力论文; 横向论文; 板桥论文; 横隔论文; 剪力论文; 荷载论文; 裂缝论文; 《防护工程》2018年第13期论文;