先張法預應力混凝土剛接空心板（橋梁）標準化設計

沈炯偉

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

先張法預應力混凝土空心板具有結構高度低、工廠化程度高、運輸吊裝方便、施工速度快及工程造價低等特點。自20世紀60年代以來，在上海內環線、外環線、S32、G1501等高速公路橋梁及大量中小跨徑地面橋梁上均得到運用。長期以來上海地區采用的空心板梁結構型式主要有上海市標準空心板（見圖1）及交通部標準空心板（見圖2），兩者空心板梁之間均通過鉸縫相連。

圖1 上海市空心板橫斷面圖

由于超重載交通等影響，鉸接空心板梁整體性及耐久性能較差的特點越來越突出。由于鉸縫連接性能較差，在重載交通反復作用下，結構呈現出鉸縫連接先破壞失效后，單梁受力致結構破壞的特點。在高架橋、跨線橋等大型新建橋梁工程中，鉸接空心板梁逐漸被預制小箱梁、現澆箱梁等整體受力及耐久性能好的結構型式所代替。

圖2 交通部空心板橫斷面圖

對于普通跨河中小橋梁、跨線橋而言，預制小箱梁、T梁等結構梁高及單梁起吊重量相對較大，不利于橋梁縱斷面設計及吊裝施工，現澆箱梁也存在支架搭設困難等問題。跨河中小橋梁尤其需要采用結構高度低、起吊重量小的上部結構，以盡可能降低橋面標高，方便運輸和吊裝施工。因此迫切需要推廣一種既具有鉸接空心板結構高度低、運輸和吊裝方便等優點，又具有良好整體受力性能的結構型式——剛接空心板。

1 研究內容

剛接空心板梁是在原鉸接空心板梁的基礎上，將板梁之間的鉸縫連接改為橋面板剛接連接的一種結構型式。板梁的結構高度、先張法制作工藝等基本上與鉸接空心板相同，可充分利用現有空心板梁預制場的資源。

由于空心板梁之間采用了剛接連接并在端部設置端橫梁，結構整體受力性能大大提高，橋梁的耐久性能有了可靠的保證。

鑒于剛接空心板梁在結構高度、工廠化程度、運輸和吊裝等方面表現出的技術優勢及廣闊的應用前景，編制剛接空心板梁標準圖具有較大的實際應用價值。為此，受上海市建筑建材業市場管理總站委托，上海市政工程設計研究總院聯合上海多家設計、施工及管理單位，開展了先張法預應力混凝土空心板（橋梁）標準設計的研究工作，編制了先張法預應力混凝土剛接空心板（橋梁）標準圖。

該標準圖適用于跨徑10~22 m、汽車荷載等級為公-Ⅰ/Ⅱ級與城-A/B級、環境類別為Ⅰ類的公路/城市橋梁先張法預應力混凝土剛接空心板（橋梁），人群荷載不控制設計。

剛接空心板（橋梁）橫斷面如圖3所示。

圖3 剛接空心板（橋梁）橫斷面（單位：mm）

2 主要技術標準

（1）跨徑：10 m、13 m、16 m、18 m、20 m、22m。

（2）斜交角：0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°。

（3）汽車荷載：公-Ⅰ/Ⅱ級、城-A/B級。

（4）設計基準期：100 a。

（5）設計使用年限：100 a。

（6）橋梁設計安全等級：一級/二級。

（7）耐久性環境類別：Ⅰ類。

3 結構設計

3.1 梁長與梁高

10~22 m先張法預應力混凝土剛接空心板，采用單梁預制，簡支安裝，現澆接縫及端橫梁的結構體系（見表1）。

考慮到汽車荷載重型化和結構耐久性的要求，同時兼顧剛接空心板與鉸接空心板的可替換性，該標準圖中剛接空心板梁高取值在原上海鉸接空心板的基礎上增加3~5 cm的高度，以保證空心板的安全儲備，同時可以增大結構剛度，減少撓度。

表1 空心板參數表 m

3.2 橫斷面布置

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015），單輛汽車的橫向車輪距為1.8 m，空心板的合理寬度應小于1.8 m，以避免單板上同時分配到單車道的汽車荷載。該標準圖在設計時，主梁間距控制在1.8 m以內。

標準圖分別給出了橋寬8.5 m、12 m、16 m、24 m的單幅橋梁和橋寬 2×9 m、2×13.5 m、2×16.75 m的雙幅橋梁標準橫斷面布置圖，如圖4、圖5和表2所示。

圖4 單幅橋梁典型橫斷面布置圖（單位：mm）

圖5 雙幅橋梁典型橫斷面布置圖（單位：mm）

為實現工廠標準化生產，預制部分空心板寬度均一致，通過調整濕接縫寬度以適應橋梁寬度的變化，該方法可涵蓋8~30 m范圍內任何寬度的橋梁。

表2 空心板典型橫斷面布置參數表

3.3 單片預制空心板構造尺寸

剛接空心板截面仍采用與原上海市鉸接空心板一致的雙孔洞的截面型式（見圖6和圖7）。底面橫向為平坡，頂板設2%橫坡。構造參數見表3。

圖6 等截面剛接空心板構造（10～13 m）（單位：mm）

原上海市鉸接空心板底寬為1 m，剛接空心板預制梁底寬取1.1 m，中梁頂板寬1.25m，邊梁頂板寬1.475m（帶挑臂），可充分利用現有的預制場地。

為改善結構的整體受力，剛接空心板在梁端支承處設置了端橫梁，橫梁寬350 mm（見圖8）。

剛接空心板仍沿用鉸接空心板膠囊成型的施工工藝。由于空心板預制過程中膠囊芯模上浮導致頂板實際厚度較設計小，從而影響頂板的局部受力和結構的耐久性，原上海市鉸接空心板頂板最小厚度僅為80 mm，該次剛接空心板標準圖頂板厚度不小于100 mm。

圖7 變截面剛接空心板構造（16～22 m）（單位：mm）

圖8 剛接空心板端橫梁構造圖（單位：mm）

調研發現，原上海市鉸接空心板采用雙孔洞的截面型式，鏤空率比較大，用料非常經濟，但腹板相應比較薄，支點附近主拉應力比較大，為減小支點附近的主拉應力，16 m及以上的剛接空心板孔洞采用變截面型式，支點附近孔洞縮小5 cm以增加腹板厚度。經計算，22 m空心板支點處改用變厚度腹板后，主拉應力從2.44 MPa減小到1.68 MPa，效果明顯改善（見圖 9）。

圖9 剛接空心板主拉應力（單位：MPa）

剛接空心板內模采用膠囊成型。10~13 m跨徑空心板采用等截面圓形膠囊；16~18 m跨徑空心板共用一類變截面圓端形膠囊；20~22 m跨徑空心板共用另一類變截面圓端形膠囊。膠囊尺寸見表4及圖10所示。

3.4 材料

混凝土：C50混凝土。

預應力鋼絞線：1×7-15.20高強度低松弛鋼絞線。

普通鋼筋：吊環鋼筋和直徑小于12 mm的構造鋼筋采用HPB300鋼筋；受力鋼筋和直徑不小于12 mm的構造鋼筋采用HRB400鋼筋。

3.5 技術經濟指標

對比交通部鉸接空心板、上海市鉸接空心板和本文剛接空心板，三種空心板技術指標和工程量指標比較見表5和表6。

圖10 不同跨徑（16 m、18 m）空心板共用變截面膠囊示意圖（單位：mm）

從技術指標對比得到，剛接空心板與鉸接空心板梁高與剛度相當，可實現等剛度替換，為鉸接空心板換梁提供了可能。

從工程量指標對比得到：剛接空心板與交通部鉸接空心板相比，主梁混凝土用量平均減少3%，普鋼平均增加1%，預應力平均減少8%；與上海市鉸接空心板相比，主梁混凝土用量相當，預應力平均節省20%，普鋼增加26%。可以看出，剛接空心板的效益是明顯的。

4 推廣應用

剛接空心板自標準圖發布以來，在上海及周邊地區新建和改建橋梁中得到了廣泛的應用（見圖11和圖12）。據不完全統計，上海地區已有上百座新建橋梁采用了剛接空心板，取得了較好的經濟效益和社會效益。剛接空心板已經成為22 m以下中小跨徑橋梁的首選。

表4 膠囊尺寸參數表

表5 各類空心板技術指標

表6 各類空心板工程量指標

圖11 剛接空心板在新建橋梁中的應用

圖12 剛接空心板在老橋改造中的應用

由于剛接空心板仍保留了原先上海市鉸接空心板內孔為圓形或圓端形的截面型式，可充分利用各空心板預制場現有的設備和生產工藝，梁高和結構剛度基本上與鉸接空心板相近，這給剛接空心板在橋梁舊橋改造中的推廣和應用創造了條件。目前上海地區有大量的鉸接空心板老橋，存在一定程度的病害，亟待修復。針對現有的鉸接空心板橋梁舊橋改造，可將需要改造的舊橋空心板拆除，用剛接空心板替換，無須對下部結構進行拆除重建，同時由于兩者梁高相近，可通過鋪裝進行局部調整，不影響結構整體線形。因此剛接空心板在老橋改造中具有廣泛的應用價值。

5 結語

本文所介紹的剛接空心板是在充分利用各預制場現有的設備和生產工藝的前提下，進行工廠化生產的。該梁保留了鉸接空心板建筑高度小、制作安裝方便、起吊重量輕、造價低、用鋼量少的優點，同時又改善了原有鉸接空心板橋梁鉸縫薄弱的缺陷，在新橋建設和老橋改造過程中具有很高的推廣價值。