預制梁在彎梁橋中適用的最小路線曲線半徑的探討

■黃勇華

(連江縣交通建設發(fā)展有限公司，福州 350004)

1 引言

目前，彎梁橋在現(xiàn)代化的公路及城市道路中應用非常普遍，尤其在互通式立交的匝道橋設計中應用更為廣泛[1]。在高速公路和各等級國省道梁橋中，20～40m跨徑的橋梁，我國多采用先簡支后連續(xù)預制梁，其中大多省份采用中華人民共和國交通運輸部頒布的標準圖[2，3]。對于部頒標準圖在彎梁橋中適用的最小曲線半徑，國內各設計單位提出的限制因素也都不一致。基于此，本文以部頒標準圖為基礎，結合相關規(guī)范和部頒圖紙的設計要求，探討不同跨徑部頒標準圖適用的最小路線曲線半徑，研究結果可為預制梁在彎梁橋中的應用提供設計參考。

2 預制梁在彎梁橋中適用的最小路線曲線半徑的影響因素

為了標準化施工，提高施工質量，降低施工成本，在彎梁橋設計中，經常采用預制直梁代替彎梁，然后通過調整邊梁外懸臂長度達到平面曲線外形，即彎橋直做[4，5]。對于彎橋直做的彎梁橋，負彎矩鋼束必須在墩頂現(xiàn)澆段內設置曲線段來實現(xiàn)鋼束在平面內的轉向，同時彎梁橋需要通過改變預制梁長來適應內外梁長度不相等的情況，橫橋向要通過調整邊梁外懸臂長來適應。彎梁橋的這三個特點都對預制梁在彎梁橋中適用的最小路線曲線半徑有一定的限制作用。

2.1 負彎矩鋼束曲線半徑對預制梁適用的最小路線曲線半徑的影響

彎梁橋中采用預制梁彎橋直做，導致負彎矩鋼束的平面曲線變化段必須在墩頂現(xiàn)澆段內完成，否則會導致鋼束在預制梁和現(xiàn)澆段的交界處出現(xiàn)彎折現(xiàn)象，影響鋼束的受力及耐久性，如圖1所示：

圖1 負彎矩鋼束布置立面、平面示意圖

根據(jù)預制梁在彎梁橋中的布置，如圖2所示，其中R為路線曲線半徑，r為負彎矩鋼束的彎曲半徑，L為預制梁長度，d為墩頂現(xiàn)澆段寬度。

圖2 負彎矩鋼束曲線示意圖

根據(jù)圖2，可以得到路線曲線半徑R與預制梁負彎矩鋼束曲線半徑r的關系：

參考部頒標準T梁圖紙的構造尺寸，同時根據(jù)規(guī)范《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG3362—2018)對鋼束曲線半徑的規(guī)定，將數(shù)據(jù)帶入公式(1)，計算結果如表1所示。

表1 不同跨徑預制T梁適用的最小路線曲線半徑(a)

結合現(xiàn)有彎梁橋的設計及施工經驗，從表中可以發(fā)現(xiàn)，按規(guī)范規(guī)定的負彎矩鋼束曲線最小半徑控制預制梁在曲線梁橋的布置對于小跨徑來說相對比較合理。

對于跨徑相同的預制梁，墩頂現(xiàn)澆段的長度一般是固定不變的。設計及施工單位在規(guī)范規(guī)定的最小鋼束曲線半徑的基礎上，可以適當?shù)卦龃螅环矫婵梢詼p少預應力損失，增加有效應力，同時可以減小墩頂負彎矩區(qū)的切向力。選取25m跨徑的預制T梁，通過改變負彎矩鋼束曲線半徑，得到其適用的最小路線曲線半徑，如圖3所示。

圖3 鋼束曲線半徑對適用路線最小曲線半徑的影響

從圖3和公式(1)中可以看出，預制梁適用的最小路線曲線半徑R與負彎矩鋼束的曲線半徑r成正比。減小負彎矩鋼束的曲線半徑可以比較明顯地改善預制梁的適用范圍。但是考慮到負彎矩鋼束半徑過小，會導致有效預應力減少，墩頂出現(xiàn)較大拉應力，混凝土開裂，因此在滿足方案布置的條件下，可以適當增大負彎矩鋼束半徑。

2.2 預制梁長度變化量對預制梁適用的最小路線曲線半徑的影響

對于彎橋直做的彎梁橋，同一跨徑內外側的預制梁長均與標準梁長不同，需要進行不同長度的調整。在不重新計算配筋和配束的情況下，如果彎梁橋的曲線半徑太小，必然會導致內外側的預制梁長會有比較大的變化，預制梁太長，影響其承載能力，預制梁太短，反拱度太大，因此設計單位在方案布置時，需要控制彎梁橋的曲線半徑，讓預制梁長度的變化在規(guī)定的范圍內。

如圖4所示，假定路線設計線位于道路的中心，其中R為路線曲線半徑，L為預制梁長度，T為邊梁懸臂長，B為橋寬。

圖4 預制梁長度變化示意圖

根據(jù)圖4，可以得到路線曲線半徑R與預制梁長度變化量ΔL的關系：

小半徑彎梁橋一般在互通匝道橋中應用較多，本文取匝道橋的標準寬度10.5m進行計算分析。參考部頒標準T梁圖紙的懸臂尺寸和預制梁長調整范圍(±500mm)，將數(shù)據(jù)帶入公式(2)，計算結果如表2所示。

表2 不同跨徑預制T梁適用的最小路線曲線半徑(b)

從表2和公式(2)中可以看出，在保持預制梁長度變化量ΔL不變的情況下，預制梁適用的最小曲線半徑與預制梁標準跨徑成正比。結合現(xiàn)有彎梁橋的設計及施工經驗，表2中各跨徑對應的預制梁適用的路線曲線半徑比較符合實際情況，因此在設計及施工中可以參考表2進行方案布置或方案復核，減小工作量。

設計單位在使用部頒標準圖時會根據(jù)具體情況，通過計算分析，形成各自的通用圖，根據(jù)不同的配筋和配束，提出相應的預制梁長度允許變化量。為了分析預制梁長度變化量對預制梁適用的路線曲線半徑的影響，根據(jù)公式，選取標準跨徑25m的預制梁的參數(shù)，通過改變預制梁長度的變化量，得到其適用的最小路線曲線半徑，如圖5所示。

圖5 預制梁長度變化量對適用路線最小曲線半徑的影響

從圖5和公式(2)可以看出預制梁適用的最小路線曲線半徑與其長度變化量成反比，因此，在滿足計算的情況下，可以通過適當增加預制梁長度變化量來提高同一跨徑下預制梁的適用范圍，減少同一個項目的預制梁種類，提高標準化，節(jié)約工程造價。

2.3 預制梁外懸臂伸縮量對預制梁適用的最小路線曲線半徑的影響

采用彎橋直做的彎梁橋橫橋向一般是通過調整邊梁外懸臂長來適應。但是如果路線曲線半徑太小，預制梁的長度較大，會導致邊梁外懸臂調整的長度范圍太大。邊梁外懸臂太大，會影響預制梁的安全穩(wěn)定性；懸臂太小，會影響懸臂板的鋼筋布置和負彎矩鋼束的施工，因此要合理控制邊梁外懸臂的調整范圍。

如圖6所示，假定路線設計線位于道路的中心，R為路線曲線半徑，L為預制梁長度，B為橋寬，Δ為邊梁外懸臂伸縮量。

圖6 預制梁外懸臂伸縮示意圖

根據(jù)圖6，可以得到路線曲線半徑R與預制梁外懸臂變化量Δ的關系：

根據(jù)現(xiàn)有彎梁橋的設計及施工經驗，取懸臂伸縮量20cm進行計算分析。同樣取匝道橋的標準寬度10.5m，將數(shù)據(jù)帶入公式(3)，計算結果如表3所示。

表3 不同跨徑預制T梁適用的最小路線曲線半徑(c)

從表中可以看出，在保持預制梁邊梁外懸臂伸縮量不變的情況下，預制梁適用的最小曲線半徑隨著預制梁跨徑的增大而快速增長，說明了懸臂伸縮量對于預制梁適用的曲線半徑的影響比較大。

對于相同跨徑的預制梁，在加強邊梁懸臂板構造和配筋的情況下，懸臂板的伸縮量可適當?shù)卦龃蟆８鶕?jù)公式，同樣選取25m標準預制梁長，通過改變懸臂板伸縮量，得到其適用的最小路線曲線半徑，如圖7所示。

圖7 預制梁外懸臂伸縮量對適用路線最小曲線半徑的影響

由圖7可以看出預制梁適用的最小路線曲線半徑與邊梁外懸臂可伸縮量成反比，提高懸臂板伸縮量可明顯提高預制梁的適用曲線半徑范圍。在實際設計中，為了減少同一個項目預制梁的種類，可以適當加強邊梁外懸臂板的設計，提高懸臂板的可伸縮量。

2.4 各影響因素存在的問題及適用范圍

負彎矩鋼束曲線半徑、預制梁長度變化量和預制梁外懸臂伸縮量均對預制梁適用的最小路線曲線半徑有比較大的影響。通過比較表1～表3可以看出，通過邊梁外懸臂伸縮量來控制預制梁的適用曲線半徑是最保守的，但是在實際設計施工中，會采用移梁的方式來減少邊梁外懸臂的伸縮量，這樣可以提高預制梁適用的路線曲線半徑范圍；結合設計施工經驗，通過預制梁長度變化量來控制預制梁適用的路線曲線半徑是最符合實際情況的，但是在實際運用中，需要驗證是否滿足懸臂板伸縮量的要求；通過負彎矩鋼束曲線半徑計算得到的預制梁適用的路線曲線半徑在跨徑較小的情況是比較適用的，對于較大跨徑計算的結果可以作為復核條件進行驗證，提高設計施工的效率。

3 結語

各跨徑預制梁的適用路線曲線半徑在部頒標準圖設計說明中沒有明確規(guī)定，各設計單位及施工單位也是根據(jù)計算和經驗提出各個跨徑預制梁的適用范圍。作為具體的設計人員及施工復核人員可以根據(jù)本文公式進行估算，快速判別各跨徑預制梁適用的最小路線曲線半徑，對于比較復雜的樞紐互通匝道橋方案布置時，可以明顯提高工作效率。