組合橋梁先張法預應力橋面板設計研究

劉婉玥，楊凱

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

1 前言

為了適應現代橋梁的工業化進程，越來越多的橋梁構件采用了預制拼裝的設計施工方法。橋梁上部結構采用鋼截面配合先張法預應力橋面板可以最大限度地實現橋梁的裝配式施工，極大地提高了施工效率和安全性。其優勢在于施工簡單，不需要特制錨具，雖然需要較大的臺座或成批的鋼模、養護池等固定設施，但在大批量生產時，經濟優勢明顯且質量穩定，適用于中小型構件的工廠化生產。

傳統先張法預應力構件均采用直線式布束，而折線式布束方式由于可以更好地匹配彎矩包絡，以及產生豎向預應力來提高結構抗剪能力，因此得到了廣泛關注并研發運用到先張法預應力構件中。2015年，鄄城黃河公路大橋引橋50m混凝土T梁運用了先張法折線式預應力；2017年，都九高速鄱陽湖二橋引橋工程中也應用了先張法折線式預應力T梁。

2 工程實例

某鋼箱組合梁采用雙主梁結構，鋼箱腹板間距為1.2m（外-外），兩片鋼箱之間凈距為5.9m。鋼箱梁跨間設置框架式橫隔板，端支點處設置實腹式橫隔板；中間橫梁及端支點橫梁均采用H型鋼，與鋼箱梁采用栓接連接。鋼箱梁采用直腹板形式，其截面中心線處組合高度為 3.21m（頂-頂），其中鋼箱梁高2.8m（頂-頂），高跨比1:15.58。鋼箱梁主要由頂板、底板、腹板、頂板加勁肋及受拉區加勁肋等組成，采用Q345qD板材。

橋面板擬采用先張法預應力混凝土結構，預制部分采用C40混凝土，現澆濕接縫及剪力釘槽均采用C55補償收縮混凝土。橋面板寬12.75m，懸臂長度為2.025m，承托處板厚0.4m，懸臂處及跨中處板厚0.3m。橋面板內配置15.2-1預應力鋼束。橫橋向全寬預制，縱橋向通過鋼筋混凝土濕接縫連接。橋面板預留孔洞，孔洞處的鋼箱主梁頂板和濕接縫處設置剪力釘群，待橋面板就位安裝后，澆筑濕接縫及剪力槽混凝土與鋼梁連接。橋面結構布置形式如圖1、圖2所示。

圖1 鋼箱-混凝土組合梁橋橋面板橫斷面圖

圖2 1/2鋼箱-混凝土組合梁橋橋面板平面圖

3 先張法預應力混凝土橋面板受力分析

橋面板按照整體單向板計算，縱向長度一般取單位長度。橋面板橫向按A類部分預應力構件進行設計。對比直線式預應力配筋以及折線式預應力配筋方式下橋面板受力特點。

3.1 有限元建模

采用通用有限元分析軟件MIDAS Civil進行建模，橋面板采用梁單元，鋼箱部分采用板單元進行模擬，整個模型共92個單元，113個節點，模型如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖

橋面板與鋼箱之間采用彈性連接，連接剛度按照剪力釘抗剪剛度進行計算。根據《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》（JTG/T D64-01-2015）計算焊釘連接件的抗剪剛度。

式中：k為焊釘連接件的抗剪剛度（N/mm）;d為焊釘連接件桿部的直徑（mm）；E為混凝土彈性模量（MPa）；f為混凝土抗壓強度標準值（MPa）。

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）（以下簡稱《規范》）計算橋面板車輪荷載分布寬度如圖4所示，并根據車輪荷載分布寬度得出車輪荷載分布給各單元的比例系數。

圖4 橋面板車輪荷載分布寬度示意圖（單位：mm）

由于車輛荷載后輪軸重最重，單個軸重70kN，對結構受力影響最大，考慮橫向最大車道數及車輪間距進行橫向移動荷載的最不利布置。

3.2 直線式及折線式布束計算結果對比

根據《規范》，對直線式及折線式先張法預應力混凝土橋面板計算結果進行對比分析，直線式預應力布束采用雙排預應力，每排3根，即每延米6根15.2-1鋼絞線；折線式預應力布束采用每延米3根15.2-1鋼絞線，計算結果如表1、表2、圖5～圖8所示。

圖5 先張法直線式預應力橋面板抗彎承載能力包絡圖（單位：kN·m）

圖6 先張法折線式預應力橋面板抗彎承載能力包絡圖（單位：kN·m）

圖7 先張法直線式預應力橋面板抗剪承載能力包絡圖（單位：kN·m）

圖8 先張法折線式預應力橋面板抗剪承載能力包絡圖（單位：kN·m）

根據以上計算結果可以看出，直線式預應力布束和折線式預應力布束方式均能滿足規范中橋面板承載能力要求，且折線式預應力鋼束用量更少。針對橋面板常見的開裂問題，也做了詳細的計算，計算結果如表3所示。

橋面板抗彎承載能力計算表格 表1

橋面板抗剪承載能力計算表格 表2

橋面板抗裂計算表格 表3

根據以上計算結果可以看出兩種布束方式在長期效應作用下正截面均未出現拉應力，短期效應作用下最大拉應力也均符合σ-σ≤0.7f=1.86MPa，斜截面最大主拉應力也小于1.86MPa，因此截面抗裂性能均符合規范要求。

4 結語

①先張法預應力構件的推廣使用，可以為橋梁的全裝配化施工助力，保證了施工效率和產品質量，同時也避免了大量混凝土現澆作業帶來的施工風險和環境污染。

②先張法預應力構件主要采用直線式布束，經過計算對比發現，折線式布束方式可以更好地匹配彎矩包絡，因此，可以使用更少的鋼絞線達到同等的抗彎承載能力；由于產生了豎向預應力，對構件抗剪承載能力也有所提升。

③現階段先張法折線式預應力主要借助彎起器在梁肋中進行應用，在橋面板這類厚度較薄的預應力構件中使用時仍有一些限制，包括彎折角度、彎起器安裝空間等，亟待進一步研發。