部分預應力混凝土（后張法）帶翼箱形板梁的設計特色

陳東 李文祥 李明貴

（1.云南交通職業技術學院，云南 昆明 650503；2.云南省昭通市高速公路投資發展有限責任公司，云南 昭通 657300；3.四川省林業勘察設計研究院，四川 成都 610081）

一、引言

公路橋梁中，40m跨徑以下的中小跨徑橋梁占比達橋梁總數的90%以上。為順應標準化、工廠化、機械化的時代要求，中小跨徑橋梁多采用裝配式結構。裝配式結構除保證施工質量外，尚具有較高的施工效率，并能夠較大程度地降低對施工現場的干擾。

裝配式中小橋梁應成為橋梁建設者必須認真研究的課題。然而，橋梁建設者把越來越多的精力投入到新結構、大跨徑橋梁的研究上，對中小跨徑橋梁結構型式的適用性、合理性以及需要采取的改進措施等問題的研究較少。

1937年，美國修建了第一座混凝土箱梁橋。1978年，西安公路研究所率先研究并開發出20m后張法預應力混凝土帶翼小箱梁橋。之后，在國內帶翼小箱梁得到了長足發展。

從相關文獻來看，國內對小箱梁的研究，主要集中在斜腹式小箱梁的相關研究和應用，鮮見直腹式小箱梁的應用文獻，未見部分預應力混凝土（后張法）帶翼箱型板梁的相關報告。

2007年，云南省修建了單跨30m跨徑帶翼箱型板梁試驗橋，此后在云南省元（江）至紅（河）二級公路紅河縣城附近修建了一座7～20m帶翼箱型板梁觀察橋，橋梁運行至今狀況良好。

為推廣裝配式部分預應力混凝土帶翼箱型板梁的應用，有效節省投資，2014年云南省交通運輸廳立項開展《部份預應力混凝土（后張法）帶翼箱形板梁推廣應用示范》研究，項目編號：云交科2014（B）03。

2016年，課題組依托于云南省道S101昭陽至永善公路改建工程項目蓮峰至黃華丫口段改建工程，開展了跨徑16、20、30m三種部分預應力混凝土（后張法）帶翼箱梁應用研究。

應用研究表明帶翼箱型板梁是一種強度高，剛度較大，用材較少，施工方便，鋼絞線錨固可靠的結構。較斜腹式小箱梁、T梁常規橋梁節省投資15%以上，值得進一步推廣應用。

圖1.帶翼箱板梁斷面(單位：cm)

二、依托工程應用情況

昭永公路改建工程項目蓮峰至黃華丫口段位于昭通市永善縣，高山峽谷地形地貌，公路等級為三級公路，路線長66.104km，設計速度40km/h，路基寬度8.5m，汽車荷載:公路－II級。橋梁共17座，其中運用科研成果帶翼箱型板梁設計11座，跨徑分為16m、20m、30m，共計梁板109片，總橋長706.2m。

三、設計特色

（一）預應力配置特色鮮明，設計思想先進

1.合理運用部分預應力A類構件

部分預應力吸收了全預應力混凝土和普通鋼筋混凝土結構的優點,采用了預應力與普通鋼筋的混合配筋,在工程中的應用方興未艾。

為了減少建設成本，一座橋梁的每個部件應在保證安全的情況下，選擇最為適合的設計。

本文研究項目采用裝配式部分預應力混凝土A類構件，與全預應力混凝土構件相比，鋼絞線可減少24.9%～30.5%。

2.分段布筋錨固，避免應力在梁端集中

可以將簡支梁筋束布置在底板內，使筋束黏結于管道同混凝土構成整體作用。

在底板布束，預應力鋼絞線重心距截面的下緣最近，產生的預應力效果最好。根據彎矩沿梁長中間大、兩端小的分布規律，將鋼束固定端設在距梁端2.65m附近的位置，這樣既避免鋼束在梁端集中，又減少筋束長度。另外，底板布束，豎向腹板內無預應力筋通過，可有效地減少腹板管道下振動不密實的風險。

3.單端張拉，減少錨具數量

從經濟角度來考量，跨徑60m以內可選擇預應力單端張拉。本應用研究項目預應力鋼絞線長度為13.5～27.5m，應用單端張拉技術，可降低錨固段錨具回縮損失，減少錨具數量50%。

4.張拉設備簡單，符合山區特點

箱梁梁端采用夾片式扁錨體系（BM型），張拉設備采用穿心式千斤頂，設備輕便，一般的施工隊伍均能勝任。為確保均衡控制張拉應力，采用數顯式張拉控制儀控制張拉過程，逐束逐根對稱張拉。

（二）經濟效益顯著

斜腹式小箱梁雖然材料用量比T梁節省，但造價相對較高，主要因素源于施工費用較高。

帶翼箱板梁通過對斜腹式小箱梁截面尺寸的優化、預應力布設方式改進、施工模板創新等措施，有效降低了建設投資。

1.節省鋼筋

當橋寬12m，斜腹式小箱梁4片、T梁5片、帶翼箱板梁6片時，其混凝土用量相近，但20m箱板梁比20m小箱梁和T梁，鋼筋減少12.8～44.7%，鋼絞線減少17.4～21.4%；30m箱板梁比30m斜腹式小箱梁和T梁，使用鋼筋減少41.9～50.2%，鋼絞線減少10.0～17.9%。

2.節省投資

收集昭永公路三個合同段帶翼箱板梁相關數據，并與同跨徑簡支T梁進行實際應用對比分析可知：20m的帶翼箱板梁比20mT梁，造價降低23.03～27.91%；30m的帶翼箱板梁比30mT梁，造價降低15.15～21.77%。

3.梁間距合理

對橋梁進行合理的優化設計不僅可以提高橋梁整體性能，還可以在一定程度上節約建設成本。課題組應用箱板梁時，對梁間距進行了對比分析，以9m寬橋梁為例，采用5片布置，板寬180cm；4片布置，板寬225cm。計算結果表明，采用4片布置，16～30m跨徑橫向分布系數較5片增大22.1～28.2%，車輛荷載彎矩占恒載彎矩的50%左右。在極限承載能力驗算時，采用荷載基本組合，車載彎矩的增大對承載能力計算結果有影響。2.25m梁間距與1.80m梁間距相較，單片梁需要增加一定數量的底板受力鋼筋，但整橋結構可以節約材料18%左右。

4.采用設計施工一體化思想，創新模板設計

為更好地控制工藝和材料，課題組改變以往設計和施工分開、聯系不緊密的情況，針對帶翼箱板梁施工創新研制了標準化、模數化、模塊化鋼模圖紙。

利用腹板為豎直面、底板寬度相同的截面優勢，設置較高的預制臺座。通過調整模板的支撐高度來實現不同跨徑梁高，大幅減少模板的安裝工作量。

5.適應范圍廣

（1）跨徑的適應性

跨徑30m以上，需要在腹板內配設彎起腹筋；跨徑16m以下，箱內空間低于最小爬行空間60cm×90cm，會造成拆模人員受到阻礙或發生安全事故。因此，帶翼箱板梁最為適合的安全、經濟跨徑為16～30m。

（2）橋寬變化適應性強

一片箱梁的總寬度不超過2.25m，梁間距可調范圍為180～225cm，調整箱梁數、各箱梁翼緣寬度和濕接縫可以滿足不同橋面寬度及變寬要求。

（3）帶翼箱型板梁與斜腹式小箱梁適應范圍對比

帶翼箱型板梁與斜腹式小箱梁具有較多相似之處：結構抗扭抗剪能力、梁高相同、外形美觀大方、適應變寬能力強，且后期維護量較小。

不同之處在于斜腹式小箱梁常采用寬梁設計，對高速公路、一級公路適應性好。但是對施工工藝要求較高，當管理與施工控制不到位時，易出現沿鋼束的縱向裂縫或蜂窩麻面。帶翼箱型板梁采用中等梁寬設計，便于調整梁的片數和梁間距，適合不同彎道加寬和橋寬需要，對施工設備要求不高，預制吊裝施工工藝簡單，一般施工單位都能達到要求；對山區二級及以下公路橋梁適應性強。帶翼箱型板梁與斜腹式小箱梁對比分析如表1所示。

四、試驗檢測

2019 年3 月7 日，云南通衢工程檢測有限公司對K111+409.5，30m+16m帶翼箱板梁橋進行了荷載試驗，為科研成果驗收提供了荷載試驗數據支撐和科學依據。

五、結語

斜腹式小箱梁材料用量比T梁少，但由于施工費用高導致整體造價高于T梁。帶翼箱板梁是在斜腹式小箱梁以往建設經驗的基礎上上，經過不斷改進，做到了材料省、施工費用低，因此總體造價低。

表1.帶翼箱型板梁與斜腹式小箱梁適應性對比

帶翼箱板梁與常用的預應力混凝土空心板、斜腹式小箱梁、T梁各有其適應環境，在經濟上有相錯之處。設計中需要根據受力特性、地質條件、施工工法和運營要求，選擇合適的橋梁結構形式。

在適用、安全的前提下，經濟是衡量技術水平和作出方案選擇的主要因素，但橋梁設計也應體現出經濟特性。帶翼箱板梁可充分發揮其經濟性優勢和吊裝重量輕的優勢，經濟適用跨徑為16～30m。

部分預應力混凝土帶翼箱板梁橋的成功應用，補充和豐富了山區中小跨徑結構形式，提供了因地制宜的多樣化橋型選擇方案，有利于降低工程總體造價，具有顯著的經濟和社會效益，可廣泛應用于山區二級及以下各等級公路的橋梁建設中。