刚接后张法预应力混凝土空心板设计计算及试验研究＊

王红良，陈尧三 ，单豪良，李志峰，罗晓峰

（1.华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴 312000；2.浙江工业职业技术学院，浙江 绍兴 312099）

0 引言

预应力混凝土空心板具有桥板高度低、预制施工简单、易实现标准化和工厂化施工、产品质量可靠、施工吊装设备容易解决等优点，是公路桥梁工程中广泛应用的一种结构形式。采用先张法施工的空心板，因其需要直线布筋及脱模等，梁板端部抗剪承载能力偏弱；采用后张法施工的空心板，因其连接均采用铰缝连接，铰缝尺寸较小，各梁板之间横向连系较弱，在车辆荷载反复作用下，空心板易发生单板受力现象等，因此易导致空心板出现纵横向裂缝甚至破坏，影响空心板桥梁的安全性和耐久性。

本文在对比交通运输部颁布的大铰缝预制空心板、上海市先张法预应力混凝土刚接板和浙江省公路桥梁装配式预应力混凝土矮T梁，提出刚接后张法预应力混凝土空心板。

1 理论分析

通过对单块和多块空心板的工况分析，确定其边界条件、荷载组合情况；考虑跨径、混凝土强度、配筋率和不同张拉应力组合作用下，空心板梁的承载力和挠度；考虑后浇湿接缝与预制空心板的不同模量，建立一种基于弱非线性双模量的简化模型，推导单板受力等最不利荷载组合下全桥应力微分方程，确定空心板间应力传递横向系数，设计横向拼装连接构造，预防横向接缝处开裂的通病。最终得到其合理截面尺寸和上拱挠度控制下的预应力张拉值。

2 有限元分析

采用大型通用有限元软件Ansys对刚接后张法预应力混凝土空心板的承载力进行计算。混凝土强度等级为C50，混凝土抗拉度、抗压强度、弹性模量，钢筋的抗拉强度、弹性模量，预应力筋的抗拉强度，均按设计要求设定。混凝土本构关系选用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》推荐使用的曲线（见图1）。预应力筋本构关系采用三折线曲线模型（见图2）。混凝土采用Solid65单元，钢筋及预应力钢筋采用Link8单元。

图1 混凝土本构关系模型

图2 预应力筋本构关系模型

单板模型及应力分布情况如图3，4所示。预应力张拉后，桥板拱起0.49mm，单板跨中最大拉应力为2.7MPa。单板影响线及桥板刚接状态下的荷载横向分布系数如图5，6所示。

图3 单板模型

图4 单板应力分布情况

图5 单板影响线

图6 单板横向分布系数

3 试验验证

3.1 测试项目和测点布置

试件长4 960mm，为缩尺结构（相似比1∶2），测点布置如图7所示。

图7 测点布置示意

1）应变测点布置 分别在试验梁的1/4，1/2，3/4处布置测点，每处在梁两测沿梁高布置4个测点，梁底1个测点，共计30个测点，用于观察该截面处应变沿梁高的变化情况。

2）挠度测点布置为满足正常使用对结构的刚度要求，判别最大挠度是否小于设计计算值或规范规定的允许值，在梁的跨中、四分点处布置2个挠度测点、支座处布置2个挠度测点，共计5个。

3.2 试验结果

试验采用单调静力加载试验的方法，逐级加载，直至试件破坏，跨中和L/4处的挠度如图8所示，跨中最大挠度值为50.3mm。

图8 跨中及/4处的挠度

承载力结果（见表1），由相似理论推算的计算结果（见表2）。通过试验，发现其承载力均满足规范要求，实测跨中的极限承载力为296.4kN，试件破坏时未出现失稳破坏现象。

表1 试验结果

表2 由相似理论推算的计算结果 kN

4 结语

本文对刚接后张法预应力混凝土空心板进行了理论分析设计、有限元数值计算及试验验证，通过研究得出如下结论。

1）新设计的刚接后张法预应力混凝土空心板单梁的试验结果与有限元数值分析吻合，完全符合现行规范，可作为中小型桥梁的上部结构进行推广应用。

2）刚接后张法预应力混凝土空心板能充分发挥预应力钢束的性能，特别是端部抗剪能力优于先张法预应力混凝土板，具有更高的经济性，且刚接的连接构造能有效避免因空心板铰缝失效导致单板受力而开裂等问题。