华夫板设计指南

2.1 引言

研究团队认识到，为给定桥梁的华夫板全深度确定有效的细节，对于确保这项新技术在公路桥梁的新建和修复中的成功实施至关重要。本章介绍了华夫板构件的详细设计，包括加强件、典型层板尺寸、横向和纵向肋配置，以及不同构件的允许尺寸，包括连接区域。

2.2 UHPC华夫板

UHPC华夫板由一块板组成，该板与横跨横向和纵向的混凝土肋整体浇筑（见图17）。

 

该系统类似于建筑行业使用的双向托梁系统。沿着桥面板的横肋充当T形梁，将车轮荷载传递到相邻的桥梁主梁上。纵向肋有助于通过面板到面板的连接将车轮荷载分配到相邻面板。抵抗车轮荷载所需的加强件设置在沿两个方向延伸的肋中。

定义UHPC华夫板全深度设计的重要参数如下：

• 华夫板的长度（垂直于交通方向的尺寸）、宽度（沿交通方向上的尺寸）和厚度。
• 纵向和横向肋的尺寸和间距；注意，两个方向上的肋条间距将在很大程度上受到主梁间距、面板尺寸和面板连接的最小细节要求的影响。
• 剪切口尺寸，间距和大小，剪切连接件的类型，在预制华夫板和支撑系统（混凝土梁，钢梁，纵梁等）之间实现完整的复合作用。
• 华夫板肋中钢筋的设计和细节。
• 面板与面板连接（横向接缝）的设计和加强细节。
• 面板与主梁连接（纵向接缝）的设计和加强细节。
• 悬挑尺寸和细节。
• 面板和栏杆连接细节。

影响UHPC华夫板系统细节的主要设计和施工参数如下所述。

桥梁尺寸（道路宽度） ：华夫板尺寸取决于道路宽度。出于实际目的，面板尺寸也受到预制厂和施工现场板面板允许运输和搬运的限制。如果道路宽度超过24英尺，建议使用长度等于道路宽度一半的华夫板。这不仅有助于轻松处理面板，还将加快现场桥梁的施工。这种方法还允许使用梁中的台阶和恒定的腋部厚度来满足拱形要求。

桥梁结构 ：本章设计的重点是适用于直桥的华夫板。对于斜交桥梁，矩形华夫板可与特殊端板结合使用，以考虑桥梁斜交的影响。端板可以使用UHPC或HPC由实心或华夫板制成。HPC面板可能需要预应力，以最大限度地减少开裂。端板的最终选择由设计师在充分考虑材料和制造成本的情况下做出判断。在弯桥的情况下，可以使用具有必要功能修改的类似板面板细节。

桥梁类型和梁间距 ：目前美国有超过 600,000 座桥梁。典型的桥梁使用预应力预制混凝土梁（见图 18c）或钢梁（见图 18a）或不同中心距的纵梁，用于将荷载从桥面传递到桥墩、地基和桥台等下部结构。一小部分桥梁使用上部结构，其桥面由紧密放置的钢纵梁支撑，而钢纵梁又由端梁或钢桁架支撑，如图 18b 和图 18d 所示。值得注意的是，这些类型的桥梁是断裂关键型桥梁，一些交通部并未将其用于新桥梁。然而，具有此类配置的现有桥梁被认为可以用 UHPC 板替换老化的桥面。

 

根据对几个州交通部（阿拉巴马州、佛罗里达州、佐治亚州、伊利诺伊州、印第安纳州、爱荷华州、肯塔基州、内布拉斯加州、新泽西州、纽约州、俄亥俄州、俄克拉荷马州、弗吉尼亚州和威斯康星州）使用的现行标准细节的广泛审查，研究人员发现预制预应力梁使用的典型间距在 6 至 12 英尺之间。常规州和县桥梁的平均梁间距为 8 英尺。对于钢梁桥，最常用的最大梁间距为 10 英尺，尽管偶尔使用 12 至 14 英尺的梁间距。

鉴于常用的间距以及从爱荷华州 DOT 和 FHWA 代表处收到的数据，本指南中的最大梁间距限制为 10 英尺，以便能够针对最常用的桥梁设计优化华夫板。

主梁类型： 美国的典型桥梁使用标准预应力混凝土梁、钢梁或通过使用标准 W 型钢梁或组合钢梁。主梁梁的横截面细节根据主梁跨度、道路宽度和当地管辖区特定的设计实践而有所不同。在所有情况下，华夫板都使用适当的连接（详细信息请参阅第 3 章）与主梁梁相连，并设计为与主梁复合作用。因此，梁的顶部翼缘宽度将影响华夫板支撑肋之间的间距（见图 19）。

 

此外，顶部翼缘宽度将决定板面板中最大负弯矩的位置。根据对多个 DOT 使用的标准混凝土梁细节的审查，发现顶部翼缘宽度的最小值和最大值分别为12英寸和4英尺。为了保持保守，因此假设主梁的顶部翼缘宽度为12英寸。

2.2.1 桥面板的尺寸

面板厚度： AASHTO 载荷和阻力系数设计 (LRFD) 规范要求板面板的最小厚度为 7 英寸，不包括任何开槽、研磨或牺牲表面的规定。然而，板面板的厚度是根据关于最低覆盖要求和挑臂设计确定的。经过利用 UHPC 材料特性的初步分析，发现 8 英寸厚的面板在结构上足以满足大多数情况。

面板长度和宽度： 如前所述，面板的长度和宽度取决于预制厂和施工现场面板的搬运要求以及运输限制。面板的确切长度和宽度将根据桥梁的跨度和宽度而变化。因此，根据所考虑桥梁的要求，得出理想的尺寸取决于设计师的判断。然而，如下所述，本指南提供了横向和纵向肋间距限制的建议。

平板厚度： UHPC华夫板中连接顶部肋条的面板厚度由肋条之间的板的冲压剪切能力、顶部横向和纵向承载能力，以及随时间推移的任何预期表面磨损决定。由于UHPC冲孔剪切能力的可用数据有限，建议使用2.5英寸厚的面板，以防止设计卡车荷载下肋条之间的冲孔剪切失效。根据在ISU完成的实验测试，发现UHPC的冲压剪切能力为1ksi，在典型的卡车轮胎尺寸为10英寸乘20英寸的情况下，2.5英寸厚的UHPC板的冲压剪切力为200 kips。

横肋尺寸和间距： 基于承载能力，以及FHWA和ISU之前完成的研究，横向和纵向肋骨的宽度选择为底部3英寸，肋骨与板界面处肋骨顶部的宽度逐渐增加至4英寸（见图19b）。肋骨的逐渐变细有助于在施工过程中易于清除面板模板。

横向和纵向肋之间的间距将取决于梁与梁的间距、面板的宽度以及建立足够的面板与面板连接所需的最小销钉数量，因为销钉需要容纳在肋的位置内。根据有限的冲压剪切性能可用数据，为了限制平板的局部损伤并控制工作载荷下面板的开裂，最大允许肋间距限制在36英寸。考虑到DOT在当前实践中使用的梁间距范围很广，预计利用18至36英寸的纵向和横向肋间距将适应各种桥梁的UHPC华夫板设计。

位于主梁线上的支撑纵向肋为主梁与面板的连接提供了一个外壳，称为剪力口连接，使支撑肋的间距取决于主梁的顶部翼缘宽度。因此，建议将支撑肋间距限制在小于梁顶部翼缘宽度的值，该值使用12英寸的最小值。

剪切口： 如上所述，沿着预制面板宽度提供剪切口，以便于使用剪切连接器和现场UHPC在预制面板和支撑梁之间进行复合连接。剪切口的间距取决于剪切连接件的布置。如果剪力钉/挂钩沿主梁长度均匀放置，则剪力口间距应等于横向肋间距。但是，如果抗剪螺柱采用成组配置，则可根据抗剪螺钉组之间的间距，以2至4英尺的间距放置抗剪口。虽然并非在肋条之间的每个单元中都需要剪切口，但建议剪切口应位于其他单元中，并靠近两个相邻横向肋骨的中心。

剪切口的尺寸应足以容纳现场UHPC的容易浇注，以产生复合作用。建议使用最小尺寸为4英寸乘8英寸的开口。然而，设计师可以根据标准实践来决定开口的尺寸和适当的形状。

2.2.2 面板横向设计

华夫格板系统可采用现行AASHTO LRFD规范所述的条形法进行设计。桥面板的横肋被分析为由桥梁支撑的连续梁，假设桥梁被视为非沉降刚性支撑。 横肋 宽度取决于沿面板横截面（沿面板长度）的区域（+ve力矩、-ve力矩或悬挑），见AASHTO指南第4.6.2.1.3条（见图20）。

 

式中，S=主梁间距（单位：英尺），X=临界位置与外部主梁中心线的距离（单位：米）。

整个横向带设计用于在不同极限状态下通过适当的载荷系数抵抗恒载和活载效应。表4给出了不同主梁间距下的等效横肋宽度。

 

设计力矩是在沿着面板横截面的三个不同区域确定的。这些区域适用于梁之间的跨度、内部梁上的截面以及悬挑截面。正如 AASHTO 指南中详细介绍的那样，研究了梁之间的内部跨度在强度 I 极限状态下的正弯曲。检查内部梁上的截面在强度 I 极限下的负弯曲。针对强度 I 和极端事件 II 极限状态的静载荷、活载荷和碰撞载荷的不同组合，研究了悬挑区域。表 5 列出了三个不同区域的荷载系数和相应的极限状态（取自 AASHTO 规范的第 3.4 节和第 13.4 条）。

 

以下小节讨论了用于确定UHPC板上不同极限状态下的活荷载、静荷载和碰撞荷载的程序。2010年AASHTO LRFD桥梁设计规范已用于确定适当的荷载。此外，基于先前建立的截面，在计算板面板上的荷载时，使用以下设计参数。

• 如图19b所示，横向和纵向肋条尺寸为8英寸的华夫板。
• 纵向和横向肋的间距从18英寸到36英寸不等。
• 主梁间距为4至10英尺。
• 假定的栏杆系统将影响桥面板系统中悬挑的设计。尽管爱荷华州交通部标准的F形混凝土护栏被用作栏杆系统，但在这里，设计师可以选择合适的栏杆/护栏细节，并进行适当的修改，以达到华夫格板的悬挑设计。

2.2.2.1恒载

华夫格板上的恒载包括板的自重（DC）和任何未来磨损表面或覆盖层的重量（如果DOT使用）。建议使用表6中所示的材料特性来确定自重。关于估算不同恒载部件的附加指南如下。

 

华夫板的自重：华夫板的自重取决于板的整体厚度和纵向和横向的肋间距等尺寸。如前所述，为了广泛使用华夫板技术，本报告提供了几种具有可变肋间距的桥面板选项，以满足不同的桥梁类型和主梁间距要求。华夫板的自重可以使用以下公式进行估计，表7中提供了不同肋间距的值。

式中，     =顶板厚度（单位：英寸）（=2.5英寸），     =横向肋间距（单位：英尺），     =纵向肋间距，单位：英寸，{h_w}=肋高度（单位：米）（=     ）（=8英寸-2.5英寸=5.5英寸），以及     =uhpc的单位密度，单位为     （见表6）。将表7中的表格值乘以设计条带宽度（     ）（单位：英尺），将得出每线性英尺的恒载值。

 

磨损表面的自重：注意，如果在铸造过程中在华夫板中加入合适的承载表面，则磨损表面可能会被消除。然而，如果设计师选择包括耐磨表面，则应包括其适当的重量。考虑到磨损表面的厚度因当地设计实践而异，假设磨损表面厚度为2.0英寸，并使用以下关系式估计磨损表面产生的静载荷。当磨损表面使用不同厚度的     时，可以通过将该方程中的值乘以     /2来修改该值。

2.2.2.2 护栏/栏杆的恒载

考虑到护栏尺寸的潜在变化，爱荷华州交通部标准混凝土护栏（F型连续护栏）用于估计桥梁悬挑段的恒载。这个屏障高44英寸，底部宽17英寸，顶部宽8.5英寸。它由分布在整个横截面上的七根纵向5#钢筋和间隔12英寸的5#箍筋加固。表8提供了有关该护栏的更多信息。

 

2.2.2.3 活荷载

预制桥面板设计用于HL-93卡车装载。有关HL-93卡车荷载的更多详细信息，请参阅AASHTO LRFD桥梁设计规范第3.6节。

2.2.2.4 碰撞载荷

爱荷华州交通部标准F形护栏（Mc）的碰撞力矩能力在13 kip-ft/ft到13.9 kip -ft/ft之间变化，具体取决于位置和测试水平（TL）。标准F型护栏的细节如图45所示。护栏的碰撞设计参数取自爱荷华州交通部桥梁设计手册，并在表9中进行了总结。表9中给出的值可替换为适当的信息，以满足当地设计实践。

 

2.2.2.5 内部桥面板设计力矩需求

如表5所示，主梁之间（+ve力矩区域）和内部主梁位置（-ve力矩区域）的桥面板的力矩需求是使用强度-I极限状态估计的。不同荷载引起的力矩要求为：

• 恒载力矩 ：考虑到华夫板面板的自重和磨损面的恒载，可以使用如下方程来估计横肋强度I极限状态下的设计恒载。

式中：     =面板自重（来自表7），     =横肋宽度（来自表3），     =磨损面（=23.3*tws/2 psf）

恒载作用下的正负弯矩可按如下公式保守估计：

式中，     =系数恒载，     =主梁间距。将设计力矩除以设计条带宽度（     ），得到每1英尺宽横肋的设计力矩。表10中提供了纵向和横向上不同肋间距以及梁与梁间距的对应值。

• 活载力矩 : 最大正（ ）和负（ ）活载力矩应取自AASHTO LRFD桥梁设计规范表A4-1，列出了不同主梁间距的最大活载力矩。为了方便起见，表 A4-1 中正弯曲区域和负弯曲区域的活载设计力矩的值分别再现于表 11 和表 12 中。

• 设计力矩 ：强度I极限状态下的设计力矩需求应使用表5中给出的荷载组合进行估算，并由如下方程给出：

不同主梁间距和横向肋间距的设计力矩值可以使用表10至表12中的值来估计。表13和表14分别给出了板面板正弯矩区域和负弯矩区域的设计弯矩要求。负弯矩的临界截面位置取为距主梁中心线3英寸处。该值被证明等于典型桥梁主梁最小翼缘宽度的四分之一，发现翼缘宽度为12英寸（基于对DOT标准细节的调查）。从表 13 可以清楚地看出，随着梁间距从 4 英尺变化到 10 英尺，最大+ve力矩需求从8.29 kip-ft/ft到13.17 kip-ft/ft不等。此外，从表14中可以注意到，最大-ve力矩需求从随着主梁间距的增加，3.81 kip-ft/ft至13.41 kip-ft/ft。