蔣逢煒，劉兆光

(中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100048)

在我國各級公路橋梁設計中，裝配式預應力混凝土T梁和小箱梁被廣泛應用。采用標準化設計可提高生產(chǎn)效率，降低工程造價，保證工程質量，是加快公路現(xiàn)代化建設的重要手段。

原交通部專家委員會于2006年編制了橋梁上部結構通用圖(部頒圖)[1]。此后，國內(nèi)多個省份在部頒圖的基礎上，編制了適用于本省發(fā)展的橋梁通用圖。隨著《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)等一系列橋梁設計規(guī)范的陸續(xù)頒布，原有通用圖已不能直接使用。雖然各省后續(xù)根據(jù)新規(guī)范陸續(xù)編制了橋梁通用圖，但由于其具有一定地域局限性，不利于在各項目中推廣。因此中咨集團根據(jù)新版橋梁設計規(guī)范，結合各地區(qū)設計習慣，重新編制了一套橋梁標準圖，并完成《中咨集團高速公路設計標準化橋梁公用構造(上部)設計指南》。

1 標準圖編制原則及內(nèi)容

1.1 編制原則

(1)安全耐久。標準圖編制需滿足最新設計規(guī)范的要求，保證安全耐久。在計算中充分考慮各種荷載，并留有一定預應力儲備[2]。對照《公路工程混凝土結構耐久性設計規(guī)范》(JTG/T 3310-2019)相關要求，加強構造措施的處理。

(2)適度超前。標準圖編制，需在滿足現(xiàn)行規(guī)范的基礎上，充分總結國內(nèi)外工程經(jīng)驗教訓，適度采用新技術、新工藝，促進橋梁設計行業(yè)發(fā)展。

1.2 編制內(nèi)容

根據(jù)以上原則，本次標準圖主要研究高速公路雙向四車道、設計速度100 km/h情況。橋梁跨徑為20 m、25 m、30 m和40 m四種，結構體系包括簡支橋面連續(xù)和簡支轉連續(xù)兩種，主梁型式包含裝配式預應力混凝土T梁和小箱梁。

2 構造尺寸擬定

通過對國內(nèi)各省標準圖的充分調研，結合已建工程經(jīng)驗，總結各省標準圖的優(yōu)缺點，最終確定本次標準圖T梁與小箱梁的基本構造尺寸見表1和表2。

表1 預應力混凝土T梁主要構造尺寸

表2 預應力混凝土小箱梁構造尺寸

3 結構計算

3.1 主要技術標準及規(guī)范

(1)《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)；

(2)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)；

(3)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)；

(4)《公路交通安全設施設計規(guī)范》(JTG D81—2017)；

(5)《公路工程混凝土結構耐久性設計規(guī)范》(JTG/T 3310—2019)

3.2 計算要點

(1)橫向分布系數(shù)分析

計算中采用《橋梁博士》計算邊梁和中梁的橫向分布系數(shù)，現(xiàn)以30 m預應力混凝土T梁和預應力小箱梁為例，分析不同計算方法下橫向分布系數(shù)的分布規(guī)律，計算結果見表3、表4。

表3 T梁橫向分布系數(shù)計算表

表4 小箱梁橫向分布系數(shù)計算表

對比表3、表4結果發(fā)現(xiàn)，T梁和小箱梁計算得到的橫向分布系數(shù)趨勢一致[7]，規(guī)律相同。采用杠桿法得到的橫向分布系數(shù)在四種跨徑下結果相同，且數(shù)值最大。不同跨徑下邊梁采用剛性橫梁法計算得到的橫向分布系數(shù)結果大于剛接板梁法，中梁采用剛性橫梁法得到的橫向分布系數(shù)結果略小于剛接板梁法。為保證結果安全可靠，支點附近采用杠桿法得到的橫向分布系數(shù)，跨中部位則取剛性橫梁法與剛接板梁法的最大值，而支點到1/4跨位置采用兩種系數(shù)線性內(nèi)插。

(2)縱梁計算結果對比分析

以連續(xù)體系預制小箱梁和T梁為例，根據(jù)計算得到的橫向分布系數(shù)，采用單梁模型驗算兩種結構在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的受力情況，并與梁格模型得到的計算結果進行對比，保證結果準確性，不同算法得到的驗算結果如表5和表6。

表5 抗彎承載能力驗算

表6 正截面抗裂驗算

表注：應力符號規(guī)定，壓應力為正，拉應力為負。

由表5可知，在抗彎承載力驗算中，小箱梁和T梁采用兩種計算方法得到的結果基本一致，誤差在5%以內(nèi)。小箱梁采用梁格法得到的跨中承載能力結果略大與單梁結果，T梁采用梁格法得到的跨中承載能力結果略小于單梁結果，小箱梁與T梁的負彎矩承載能力采用梁格法和單梁結果接近。

由表6可知，在抗裂驗算中，小箱梁和T梁兩種計算方法得到的結果基本一致，采用梁格法得到結果較單梁法更為不利。在小箱梁計算中，20 m和25 m跨中及支點抗裂驗算滿足A類構件要求；30 m及40 m跨中滿足全預應力混凝土構件要求，支點滿足A類構件要求。在T梁計算中，20 m、25 m和30 m跨中及支點抗裂驗算滿足A類構件要求；40 m跨中滿足全預應力混凝土構件要求，支點滿足A類構件要求。

經(jīng)過對比分析可知，單梁法與梁格法計算結果基本一致，在常規(guī)正交預制小箱梁與T梁計算中，單梁法驗算結果可滿足設計要求。

4 專題研究

4.1 裝配式橋梁在匝道中適用曲線半徑范圍研究

(1)對于簡支結構，考慮滿足弦弧差的要求，得到簡支T梁和簡支小箱梁最小平曲線半徑如表7。

(2)對于連續(xù)結構，考慮同時滿足選弧差和負彎矩鋼束彎曲半徑要求，得到連續(xù)T梁和連續(xù)小箱梁最小平曲線半徑如表8。

表7 簡支梁適用半徑 單位：m

表8 連續(xù)梁適用半徑 單位：m

(3)當曲線半徑較大時，為方便施工，可將同一孔采用相同跨徑預制。常規(guī)蓋梁寬度可滿足的曲線最小半徑如表9所示。

表9 滿足常規(guī)蓋梁寬度下適用半徑

4.2 預制T梁最優(yōu)主梁片數(shù)研究

在高速公路橋梁設計中，經(jīng)常出現(xiàn)在相同路基橫斷面寬度下，采用不同預制主梁片數(shù)的情況，但哪種橫斷面布置形式更加合理則需要進一步討論。本研究以相同寬度的雙向四車道整體式路基預應力T梁橋為例，分析采用5片主梁和6片主梁情況下橋梁的受力性能和經(jīng)濟成本。研究發(fā)現(xiàn)，相比于采用5片主梁，片數(shù)增加1片后，主梁跨中抗力效應系數(shù)有所提高，增幅6.5%～7.5%，主梁安全儲備提高幅度不大；橫隔板受力性能有部分改善，但兩種布置方式均滿足規(guī)范要求，因此在受力方面兩種布置形式無明顯差距。而從經(jīng)濟性方面，每增加一片預制梁，由主要材料引起的造價增幅在10%左右，具體材料費用對比見表10、表11所示。

表10 簡支體系造價增加對比

表11 連續(xù)體系造價增加對比表

綜合對比力學性能和造價因素，雙向四車道斷面形式下，采用5片主梁斷面形式優(yōu)于6片主梁，因此本次標準化設計T梁采用5片主梁。

4.3 裝配式梁橋橫隔板優(yōu)化設置研究

(1)跨間橫隔板設置可有效改善T梁和小箱梁在移動荷載作用下的跨中下緣應力水平，減小各片主梁之間的變形差。經(jīng)計算，跨中設置兩道橫隔板不利于改善跨中底緣應力，同時各片主梁協(xié)調變形能力較弱，因此不建議設置兩道跨間橫隔板。

(2)對于T梁，20 m和25 m跨中設置一道或三道橫隔板對撓度及底緣應力影響較小，而30 m及40 m跨中設置三道橫隔板后底緣拉應力趨于均勻，且變形差減?。煌瑫r橫隔板設置數(shù)量還需滿足規(guī)范要求，因此20 m T梁跨中設置1道橫隔板，25 m、30 m、40 m跨中設置三道橫隔板。

(3)對于小箱梁，20、25、30、40 m跨中設置一道橫隔板后，無論中載還是偏載下，各片主梁跨中撓度變化均勻，中梁底緣拉應力降低明顯；而設置三道跨中橫隔板對跨中撓度影響程度顯著降低，并未顯著提高各片主梁的整體受力性能，且施工不便。因此20、25、30、40 m四種跨徑小箱梁建議跨中設置一道橫隔板。

(4)小箱梁室內(nèi)橫隔板分為不設置橫隔板，空心橫隔板和實心橫隔板三類。計算發(fā)現(xiàn)，三種設置形式箱梁底板及箱室外橫隔板應力影響較小，而不設置橫隔板會增大箱梁腹板與橫隔板連接處應力，說明室內(nèi)橫隔板可改善箱梁腹板橫向應力。同時，三種橫隔板設置形式對移動荷載工況下?lián)隙扔绊戄^小。因此，從減小橫隔板自重，優(yōu)化主梁受力方面出發(fā)，本次標準圖建議箱室內(nèi)采用空心橫隔板形式。常見橫隔板布置形式見圖1～圖3所示。

圖1 不設置箱內(nèi)中橫隔板

圖2 設置箱內(nèi)空心中橫隔板

圖3 設置箱內(nèi)實心中橫隔板

(5)端橫梁箱室內(nèi)局部應力較小，在恒載+移動荷載作用下，30 cm厚橫隔出現(xiàn)的最大拉應力為0.7 MPa，滿足規(guī)范要求，且單支座與雙支座計算結果基本一致，無需加厚設計。端橫梁應力云圖見圖4。

圖4 端橫梁應力云圖

4.4 裝配式梁橋調坡方案研究

公路橋梁受路線高低起伏的影響，縱、橫坡總是在不斷變化中，在特殊情況下，橫坡甚至可能達到6%左右，而合理的預制梁調坡方案可極大減少橋梁上下部的設計難度，提高設計效率。因此本專題重點研究了預制T梁和小箱梁橫坡預制方式及調坡形式，得到如下結論。

(1)處于曲線上的橋梁各橋墩處縱、橫坡往往不同，為提高標準化生產(chǎn)效率，減少模板種類，梁體安裝時縱坡與橫坡時可采取兩端縱、橫坡的平均值。

(2)常規(guī)現(xiàn)澆層厚度可滿足相鄰橋墩橫坡差1.25%的要求，當橫坡差大于該值時，需要增加調平層厚度，在整體計算中考慮調平層增加后的影響。

(3)采用錯臺法進行調坡時，如預制橫坡為2%，現(xiàn)澆層取10 cm，則可調整的最大橫坡為4.42%。

(4)預制T梁可通過調整支撐桿滿足不同橫坡要求，因此可在預制時直接將頂板調整到目標橫坡既可。

5 技術改進措施

本次標準圖相比于國內(nèi)各省份標準圖，主要從以下幾方面進行了改進。

5.1 結構體系優(yōu)化

國內(nèi)不同地區(qū)標準圖結構體系各不相同，其中部頒圖結構體系較為完整，但該圖所采用的規(guī)范過早，無法滿足當前設計需要。而目前使用較多的廣東省標準圖簡支體系較為完整，連續(xù)體系僅有35 m和40 m兩種跨徑，缺少小跨徑連續(xù)結構圖紙；另外四川、云南等省份標準圖則根據(jù)各自需要，僅編制簡支或者連續(xù)體系標準圖，類型單一。本次標準圖根據(jù)實際工程需要，編制了T梁和小箱梁兩種結構形式的圖紙，跨徑類別涵蓋了常用的四種跨徑，結構體系包含簡支和連續(xù)兩種，圖紙種類豐富。

5.2 構造優(yōu)化

本次標準圖根據(jù)最新《預橋規(guī)》要求，對構造尺寸進行了優(yōu)化。其中橋梁寬度從原有的12.75 m調整為12.8 m，滿足最新《交安》規(guī)范中對高速公路護欄寬度的要求；腹板變厚段長度根據(jù)抗剪截面要求進行了重新調整，同時滿足梁長增長的需要；保護層厚度調整為30 mm，滿足國內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)耐久性的要求；根據(jù)最新的《交安》規(guī)范對小箱梁懸臂板進行了驗算，鋼筋布置形式由傳統(tǒng)的兩根12 mm或12 mm+16 mm并置調整為兩根16 mm鋼筋并置，提高了懸臂板的安全儲備。

5.3 結構安全性優(yōu)化

現(xiàn)有通用圖荷載標準均按04版通用規(guī)范進行設計，本次通用圖執(zhí)行最新版的橋涵設計通用規(guī)范，并且采用單梁與梁格相互復核計算，提高結構安全性。在橫向分布系數(shù)取值中，采用杠桿法、剛性橫梁法和剛接板梁法進行包絡設計。同時對護欄進行重新設計，使其滿足新版交安規(guī)范中要求。

5.4 施工便利性優(yōu)化

部頒標準圖設計中負彎矩預應力鋼束采用扁錨，質量難以保證，易漏漿。本次標準圖預應力鋼束錨固形式統(tǒng)一采用圓錨，張拉形式采用分批錨固，確保梁體受力更加均勻。在橫隔板設置中進行專題研究，充分考慮受力和施工便利性，提升了結構的可操作性。

6 結 語

本次標準圖編制從實際工程需求出發(fā)，經(jīng)過充分調研和詳細論證，歷經(jīng)一年多時間完成了預制T梁和預制小箱梁的設計工作。該標準圖可有效縮短設計工作者的設計周期，降低施工造價，提高集團公司設計質量，為后續(xù)標準化工作奠定了基礎。