预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件整体预应力化技术研究

王海有，白 哲，周海涛，王 健，王壹帆，曹金奎，王晓丰，薛秋香，黄建辉，李 莉，银晓东

(1.平顶山市公路事业发展中心，河南 平顶山 467000；2.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036；3.河南中亚交建集团有限公司，河南 平顶山 467000；4.平顶山市公路工程质量检测中心，河南 平顶山 467000；5.郑州市大道公路工程有限公司，河南 郑州 450000；6.平顶山市瑞辉公路养护工程有限公司，河南 平顶山 467000；7.平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467000)

由于预应力混凝土空心板桥具有跨越能力较大、结构及受力简单、施工便捷、能大批量工厂化流水线集中生产、造价低等优点在实际工程中得到广泛应用[1]。国办发〔2017〕19号《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》要求：加快产业升级，促进建筑业发展，推动装配式建筑等在全国大量推广，实现装配式建筑工业化制造、装配化施工，这将会推动装配式预应力混凝土空心板桥更多地应用。然而这种桥型发生早期病害的概率较高，特别是企口缝混凝土和桥面铺装混凝土损坏的现象十分严重，导致桥梁承载能力降低，甚至出现单板受力现象[2-4]，严重时还会发生安全事故，导致不得不频繁维修，一般使用寿命为5～8 a[5]，这与桥梁的设计使用寿命相差甚远。因此，进行更深层次的分析研究十分必要。

(a)受荷前空心板

(b)受荷前企口缝和桥面铺装

(c)受荷后空心板

(d)受荷后企口缝和桥面铺装

1 预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件的现状及容易损坏的原因

1.1 预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件的现状

预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件是指在汽车荷载作用下产生较大变形的构件，主要有：空心板、企口缝和桥面铺装。

企口缝混凝土和桥面铺装混凝土是在预应力混凝土空心桥板安装后现浇而成的，预应力混凝土空心桥板带有拱度，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土浇筑后形成和预应力混凝土空心桥板相同的拱度，如图1(b)所示。企口缝混凝土和桥面铺装混凝土相对于空心板混凝土来讲是“新混凝土”，空心板混凝土是“旧混凝土”，“新、旧混凝土”之间结合力很弱。在大变形构件中，空心板混凝土是预应力的，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土是非预应力的。

在汽车荷载作用下，预应力混凝土空心桥板要与非预应力的企口缝混凝土和桥面铺装混凝土协同工作，共同承担荷载[6]，产生较大变形是必然的。从目前的设计角度讲，预应力混凝土空心桥板是荷载的承担者，甚至不考虑企口缝混凝土和桥面铺装混凝土承担荷载的能力[7-8]，但实际情况并非如此。

预应力混凝土空心板桥企口缝混凝土脱落严重，如图2所示。企口缝混凝土与桥板混凝土之间没有设置摩擦筋，空心板立面绝大部分光滑平整，企口缝混凝土脱落，两者基本不结合，如图3所示。桥面铺装混凝土容易损坏，如图4、图5所示。

图2 预应力混凝土空心板桥企口缝混凝土脱落

图3 预应力混凝土空心板桥拆解维修

图4 预应力混凝土空心板桥桥面铺装损坏

图5 预应力混凝土空心板桥桥面铺装凿除维修

1.2 企口缝混凝土和桥面铺装混凝土容易损坏的原因

在受到荷载(P1，不大于设计荷载，即不出现负拱度)作用时，预应力混凝土空心桥板下部始终受压，具有抵消较大变形而不开裂的性能，如图1(a)和图1(c)所示；而当企口缝混凝土和桥面铺装混凝土受到荷载(P2，不论荷载大小)作用时，下部都受拉，由于混凝土的抗拉能力很小，极易产生裂缝，如图1(b)和图1(d)所示。也就是说，当预应力混凝土空心桥板受到荷载作用而变形时，由于非预应力混凝土的企口缝和桥面铺装的随从性差，不能与之一起共同变形[9]，而且企口缝混凝土和桥面铺装混凝土的承载能力弱于预应力混凝土空心桥板，所以企口缝混凝土和桥面铺装混凝土必然极易遭到损坏[10-11]。

在大变形构件中预应力混凝土和非预应力混凝土共存的状况下，企口缝混凝土、桥面铺装混凝土与桥板混凝土之间的结合力越强，前者越容易被更易变形(主要表现在先变形、变形快和变形幅度大)的预应力混凝土桥板破坏；但是，如果企口缝混凝土、桥面铺装混凝土与桥板混凝土之间的结合力不强，前者会承担更大的荷载，而其是按不承受荷载构件设计的，同样会很容易损坏。

在工作状态下，预应力混凝土空心桥板始终上部受拉下部受压，而企口缝混凝土和桥面铺装混凝土的受力状态刚好与之相反，即始终上部受压下部受拉，两种受力相反的混凝土构件共同承受相同的较大变形，必然会遭到损坏，而且企口缝混凝土、桥面铺装混凝土的承载能力弱于预应力混凝土空心板，所以企口缝混凝土和桥面铺装混凝土必然首先遭到损坏。在预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件中，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土是违背受力特点的构件，是违背变形需要的构件，这种设计缺陷导致的结果是：只要承受一次较大荷载(使产生的拉应力超过混凝土抗拉强度的荷载，实际这样的荷载频繁而普遍)的作用，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土就会产生裂缝，如果其下部没有配置钢筋，它们会很快碎裂；如果配置有钢筋，裂缝会得到一定的控制而延缓碎裂，但仍然会发生早期损坏。

虽然企口缝混凝土和桥面铺装混凝土容易损坏的原因很多，也很复杂，但其根本原因在于企口缝混凝土和桥面铺装混凝土是非预应力混凝土，不具备抵消较大变形而不损坏的性能，非预应力混凝土和预应力混凝土共存且非预应力混凝土相对较弱导致非预应力混凝土容易损坏。因此，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土容易损坏的问题一直没有得到很好地解决，只有预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件整体同质化，使它们具有相同或者相近的性能，才能从根本上改变企口缝混凝土和桥面铺装混凝土容易产生早期损坏的现状。

2 预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件整体预应力化的方法

针对上述问题，提出的解决思路是：把非预应力的企口缝混凝土和桥面铺装混凝土变为预应力混凝土，同时增加它们之间的结合力，把桥梁上部结构大变形构件整体预应力化，纵、横、竖三个维度整体化，提高整体变形能力和承载能力，保证桥梁在承受荷载作用时能够协同一致地变形以及共同承担荷载。

2.1 设置摩擦筋和连接筋

在企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化以后，它们与空心板混凝土之间的结合力对桥梁承受横向分布荷载的能力影响很大，它们与空心板混凝土之间的结合力越强，越不会损坏，相反会增强它们在承受荷载作用时协同一致变形以及共同承担荷载的能力。

2.1.1 设置摩擦筋

为了增强企口缝混凝土与空心板混凝土之间的结合力，预制空心板时，在其混凝土侧立面预埋摩擦筋，空心板安装前把预埋钢筋一端剥离出来，预埋钢筋被浇筑在企口缝混凝土之中，把企口缝混凝土和空心板混凝土连接在一起，共同受力，一起变形，如图6所示。

(a) (b)

在荷载作用下，荷载从作用点横向分布，向两侧空心板的变形量是逐渐减小的，企口缝混凝土与空心板混凝土之间存在相对位移的趋势。由于荷载(P3)作用点的位置不同，对于某一空心板混凝土与企口缝混凝土的界面，有时是空心板混凝土带动企口缝混凝土向下变形，有时是企口缝混凝土带动空心板混凝土向下变形。如图6(a)所示，在荷载(P3)的作用下，1号空心板向下变形，左侧的预埋摩擦筋会带动企口缝混凝土向下共同变形，而右侧的预埋摩擦筋则不会带动(或者说带动作用很小)2号空心板向下变形；如果荷载作用点在2号空心板上，则情况相反。因此，企口缝混凝土与空心板混凝土之间的摩擦筋应按照图6(b)设置，不论是企口缝混凝土带动空心板混凝土向下变形，或者是空心板混凝土带动企口缝混凝土向下变形，它们之间都能够通过摩擦筋很好地连接并共同受力，一起变形，更好地承担横向分布荷载。

摩擦筋通常采用HRB335级钢筋，直径取12 mm或14 mm，纵向间距为(300±50)mm，长度为(400±50)mm，倾角为45°±5°。

2.1.2 设置连接筋

为了加强桥面铺装混凝土与空心板混凝土在经受荷载作用时协同一致变形的能力，空心板混凝土顶面应预埋连接筋，把桥面铺装混凝土和空心板混凝土连接在一起，共同受力，一起变形。另外，连接筋的设置增强了桥面铺装混凝土与空心板混凝土的整体性，能够提高承载能力。目前新建桥梁都设置连接筋，对于旧桥改造采用植筋的方法参照执行。

2.2 企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化的方法

2.2.1 设计企口缝混凝土和桥面铺装混凝土中的钢筋企口缝混凝土的下部配置纵向钢筋；桥面铺装混凝土上部、下部配置钢筋网。

图7 企口缝混凝土和桥面铺装混凝土中钢筋设置示意图

桥面铺装混凝土上部配置钢筋是为了预应力形成时控制混凝土裂缝。由于我国汽车运输普遍超载，预应力混凝土空心桥板有可能出现负拱度，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土下部配置纵向钢筋的作用是出现负拱度时控制混凝土裂缝。

钢筋网中纵、横向都设置受力筋。纵向受力钢筋(包括企口缝混凝土下部纵向钢筋)用于控制混凝土裂缝；横向受力钢筋有利于横向分布荷载[12]，亦即有利于横向协同一致变形。

图8 企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化施工工艺

图9 企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化前后下部拉应力对比示意图

企口缝混凝土和桥面铺装混凝土中钢筋的设置如图7所示，企口缝混凝土下部纵向配置3根钢筋，采用HRB335级钢筋，直径取14 mm或16 mm；桥面铺装混凝土上部、下部配置钢筋网，采用HRB335级钢筋，直径取12 mm或14 mm，钢筋间距均为100 mm。

2.2.2 企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化

企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化的施工工艺如图8所示，主要步骤有：①设置摩擦筋；②设置连接筋；③做防撞带，由于防撞带的自重较大，其对边板的拱度值影响较大，进而影响“第⑥步”给边板加载的数量，所以桥板安装后要首先做防撞带；④设置企口缝混凝土纵向钢筋；⑤设置桥面铺装钢筋网；⑥给桥板施加静载，预应力桥板安装后，在其下安置吊篮，用质量为25 kg的沙袋，人工对每一桥板分别加载，纵向从中线开始向两端对称加载，直至每一桥板拱度值都为零，对桥板施加的静载分两部分：一是等于企口缝混凝土和桥面铺装混凝土重量之和的荷载，其均匀地施加在桥板上，称为企铺荷载，需要首先施加，二是用于调整桥板拱度值的荷载，称为调拱荷载；⑦企口缝混凝土和桥面铺装混凝土的浇筑和养护，按照公路桥涵施工技术规范(JTG/T 3650-2020)执行；⑧卸载，浇筑企口缝混凝土和桥面铺装混凝土的过程中，根据混凝土的浇筑进度分批等重量逐步卸掉企铺荷载，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土强度达到设计强度的80%以上时，卸掉施加在桥板上的调拱荷载。

卸载时，纵向要小批量、对称、慢速卸载；横向各桥板要同步卸载。采用人工卸载，有利于控制纵向小批、对称、慢速卸载和横向同步卸载。在卸载的过程中，桥板的拱度逐步恢复，拱度值也逐步恢复到设计预拱度值，并带动企口缝混凝土和桥面铺装混凝土逐步形成拱度，在企口缝混凝土和桥面铺装混凝土内部形成纵向预应力。

2.3 企口缝混凝土和桥面铺装混凝土是否预应力化下部拉应力分析

考虑是否预应力化时，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土下部拉应力的对比如图9所示。

由图9可知：企口缝混凝土和桥面铺装混凝土不预应力化时，无论承受荷载大小其下部均受拉，并且拉应力随荷载的增加而增加，而水泥混凝土的抗拉强度很小，所以在汽车荷载作用下企口缝混凝土和桥面铺装混凝土很容易产生裂缝损坏；企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化后，在设计荷载(P设)范围内其下部拉应力均为零(实际总是受压)，当承受荷载超过设计荷载时其下部才可能会受拉。因此，企口缝混凝土和桥面铺装混凝土经过预应力化改造，承受荷载不超过设计荷载时，不会产生裂缝损坏。

3 结论

(1)在预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件中设置非预应力混凝土构件是企口缝混凝土和桥面铺装混凝土产生早期损坏的根本原因。

(2)在同质化的情况下，企口缝混凝土与桥板混凝土之间设置摩擦筋，桥面铺装混凝土与桥板混凝土之间设置连接筋，有利于桥梁上部结构大变形构件协同一致地变形，同时能够提高承载能力。

(3)企口缝混凝土和桥面铺装混凝土预应力化后，消除了预应力混凝土与非预应力混凝土共存的状况，使预应力混凝土空心板桥上部结构大变形构件整体同质化，增强了协同一致性，在设计荷载范围内整体具有抵消大变形而不损坏的性能，是避免企口缝混凝土与桥面铺装混凝土早期损坏，保证桥梁使用品质和使用寿命的根本途径。