張書兵
(華設設計集團股份有限公司,江蘇 南京 210014)
公路和市政工程橋梁通常以中、小跨徑為主,且以預制裝配式板梁結構占比最高。江蘇省內8~20m跨徑橋梁以空心板結構為主,20~40m 跨徑常規(guī)橋梁以預制小箱梁結構為主;對于小半徑、轉角度等特殊橋跨,采用現(xiàn)澆混凝土箱梁、鋼箱梁、鋼混疊合梁等結構形式。
空心板結構具有建筑高度低、構造簡單、結構剛度大、可批量化預制施工、運輸及吊裝方便、綜合造價經(jīng)濟等優(yōu)點。在早期的中小跨徑橋梁建設中,特別是在交通運輸部1993、2008 版橋梁通用圖發(fā)布后,空心板得到了廣泛應用。直至目前,空心板橋仍是全國大部分地區(qū)中小跨徑橋梁的首選結構。近年來,在橋梁管養(yǎng)及改擴建中,空心板結構逐漸暴露出了鉸縫易開裂、支座脫空、梁體縱橫向開裂、抗剪加固困難等問題。隨著對空心板病害及改擴建加固設計的深入研究,部分省市開始逐漸推廣應用簡支矮T 梁結構。
本文基于對空心板結構應用現(xiàn)狀及存在問題的總結,分析了簡支矮T 梁結構的受力模式及構造,并與空心板結構進行了全面對比,充分分析了簡支矮T梁結構替代空心板,在公路橋梁中推廣應用的可行性。
盡管空心板結構優(yōu)勢明顯,但在實際工程應用中,目前主要存在以下問題需解決、優(yōu)化:
1.1.1 預制質量控制難
空心板為內腔空心結構,且結構斷面尺寸小,內腔芯模定位困難,混凝土振搗過程中芯模容易移動、上浮,板梁尺寸預制精度難以控制。由此引起了空心板橋的典型病害之一:底板縱向裂縫(見圖1)。對空心板梁橋的現(xiàn)場鉆芯取樣研究發(fā)現(xiàn),板底縱向裂縫處的底板厚度通常小于設計值、混凝土不密實、并且裂縫貫穿底板厚度(通縫)。空心板橋底板縱向裂縫產(chǎn)生機制參見圖2。
圖1 空心板橋底板縱向裂縫
圖2 空心板橋底板縱向裂縫產(chǎn)生機制
1.1.2 鉸縫施工質量控制難
空心板橋最為典型的病害是鉸縫的破壞,常見于鉸縫開裂、滲水。鉸縫空間尺寸小且為半封閉構造,混凝土振搗不易密實,施工質量難以控制且無法檢視。盡管部分通用圖對鉸縫的構造和施工工藝進行過多次優(yōu)化,但其施工質量仍難以有效控制。部分橋梁鉸縫病害嚴重,導致空心板橫向連接薄弱,引起單板受力過大,影響結構承載能力及耐久性。
1.1.3 結構加固困難
近年來,隨著高速公路改擴建工程的開展,在對既有老橋結構檢測、評估過程中發(fā)現(xiàn),很多老橋的抗彎、抗剪承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,需進行結構加固??招陌鍢虻目箯澇休d力加固,可通過板底粘貼碳纖維布、粘貼鋼板等方式實施。但因橫向沒有充足的“外漏腹板”,空心板抗剪承載力不足難以加固,一般只能拆除新建,對既有交通影響較大且增加了工程投資。
隨著我國交通運輸規(guī)模的不斷擴大,橋梁設計規(guī)范中活載也在不斷提高,橋梁結構設計應充分考慮遠期加固方案,做到可持續(xù)發(fā)展。從這一點來看,空心板橋亟須解決加固困難的問題。
鑒于施工及管養(yǎng)過程中出現(xiàn)的病害問題,2010年前后,以安徽省、浙江省為主的部分省市開始逐漸取消了空心板在中、小跨徑橋梁中的應用,并改用預應力混凝土簡支矮T 梁結構予以替代。目前,簡支矮T梁結構已在多個省市的公路項目中得到應用,且暫未出現(xiàn)明顯的病害。
各地現(xiàn)行的矮T 梁通用圖在構造上不盡相同,但總體構造原則基本一致。對各地已有的通用圖進行了對比、歸納,目前常用預應力混凝土簡支矮T 梁構造如表1及圖3、圖4所示。
表1 簡支矮T 梁主要構造參數(shù)
圖3 簡支矮T 梁斷面構造(單位:cm)
圖4 13m、16m、20m 跨徑矮T 梁斷面構造(單位:cm)
空心板:順橋向為結構簡支、橋面連續(xù)體系,橫橋向各片預制板梁通過鉸縫連接,形成橫向鉸接板梁體系。橫向鉸接傳力性能良好,但鉸縫施工質量直接影響到活載的橫向傳遞效果。根據(jù)橋梁檢測統(tǒng)計數(shù)據(jù),鉸縫施工振搗不密實、運營期裂縫,導致橫橋向鉸接傳力機制退化、失效,引起橋面開裂、單板受力等常見病害。
簡支矮T 梁:順橋向為結構簡支、橋面連續(xù)體系,橫橋向各片預制梁通過現(xiàn)澆濕接縫連接,并在梁端、跨中設置橫隔板,形成縱、橫向梁格體系。
道路活載通過橫隔板及濕接縫沿橫橋向傳遞,并沿著各片梁順橋向傳遞至支座及下部結構,結構整體傳力路徑明確。橫隔板及濕接縫施工質量易于控制,橋梁橫向連接整體性、耐久性良好。簡支梁T 梁橋受力模式見圖5所示。
圖5 簡支矮T 梁橋受力模式
空心板:適用于中、小跨徑等寬橋梁。對變寬橋梁適用性差,橋梁變寬可通過邊板翼緣寬度調節(jié),但調節(jié)幅度較小,且板梁須作特殊預制,施工復雜。
簡支矮T 梁:適用于中、小跨徑等寬、變寬橋梁。橋梁變寬可通過濕接縫寬度調節(jié),濕接縫寬度控制在30~60cm,變寬適應性強。
空心板:結構高度低,有效控制路線縱斷面及工程規(guī)模。但空心板橫橋向豎向“腹板”密集,截面受力效率低,上部結構混凝土材料用量大,結構恒載大。
簡支矮T 梁:結構高度略高于空心板,引起路線縱斷面略上抬。通過采用預應力混凝土肋梁結構,截面上部翼緣受壓,下部預應力受拉,截面受力效率高,材料用量省,寬度27m 跨徑13m、16m、20m 的矮T 梁橋斷面混凝土用量相比于空心板橋分別減少26.0%、28.1%、30.7%。綜合考慮橋梁及兩側縱斷面受影響區(qū)段路基工程,相同跨徑空心板橋、矮T 梁橋工程造價指標基本一致。
空心板:采用預制、吊裝施工。內腔芯模定位困難,且混凝土振搗過程中芯模容易移動、上浮,板梁尺寸預制精度很難控制;先張預應力工藝,需設置張拉臺座,施工控制略復雜;鉸縫施工質量控制難,且無法及時檢視,后期病害多。
簡支矮T 梁:采用預制、吊裝施工。梁體結構簡單,采用鋼模預制質量高;后張法預應力工藝,預應力施工簡便、高效;橫向通過現(xiàn)澆濕接縫連接,施工便捷且質量易于控制。
空心板:因施工控制難,易引起橋梁病害多,養(yǎng)護工作量較大;橋梁橫向沒有充足的“外漏腹板”,空心板抗剪承載力不足難以加固。
簡支矮T 梁:結構構造簡單、受力明確,施工質量易于控制,運營期病害較少;肋梁結構,后期加固空間充足。
以上從受力模式、適用范圍、工程規(guī)模等五個方面,對空心板及簡支矮T 梁結構進行了全面對比,結果表明,簡支矮T 梁結構在各方面均優(yōu)于空心板結構,在施工控制、運營養(yǎng)護、工程規(guī)模方面,均更符合目前提倡的品質工程的建設要求。
第一,因施工質量控制困難,運營期病害頻發(fā),且近年來改擴建工程中暴露出其承載力加固困難的問題,大量老橋被拆除重建,空心板結構亟須進行改進、優(yōu)化。
第二,預制矮T 梁結構受力模式簡單、施工便捷且施工質量易于控制、運營期病害較少,其主要性能指標優(yōu)于傳統(tǒng)空心板結構。建議積極推廣預制矮T梁結構在中小跨徑公路橋梁中的應用。