高速公路橋梁設計標準化成套技術研究

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效率，降低工程造價，保證工程質量，是加快公路現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，國內多個省份在部頒圖的基礎上，編制了適用于本省發展的橋梁通用圖。隨著《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)等一系列橋梁設計規范的陸續頒布，原有通用圖已不能直接使用。雖然各省后續根據新規范陸續編制了橋梁通用圖，但由于其具有一定地域局限性，不利于在各項目中推廣。因此中咨集團根據新版橋梁設計規范，結合各地區設計習慣，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，需在滿足現行規范的基礎上，充分總結國內外工程經驗教訓，適度采用新技術、新工藝，促進橋梁設計行業發展。

1.2 編制內容

根據以上原則，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和簡支轉連續兩種，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

通過對國內各省標準圖的充分調研，結合已建工程經驗，總結各省標準圖的優缺點，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 主要技術標準及規范

(1)《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)；

(2)《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)；

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

(4)《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81—2017)；

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

3.2 計算要點

(1)橫向分布系數分析

計算中采用《橋梁博士》計算邊梁和中梁的橫向分布系數，現以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的分布規律，計算結果見表3、表4。

表3 T梁橫向分布系數計算表

表4 小箱梁橫向分布系數計算表

對比表3、表4結果發現，T梁和小箱梁計算得到的橫向分布系數趨勢一致[7]，規律相同。采用杠桿法得到的橫向分布系數在四種跨徑下結果相同，且數值最大。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，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線性內插。

(2)縱梁計算結果對比分析

以連續體系預制小箱梁和T梁為例，根據計算得到的橫向分布系數，采用單梁模型驗算兩種結構在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的受力情況，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。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T梁和連續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 滿足常規蓋梁寬度下適用半徑

4.2 預制T梁最優主梁片數研究

在高速公路橋梁設計中，經常出現在相同路基橫斷面寬度下，采用不同預制主梁片數的情況，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濟成本。研究發現，相比于采用5片主梁，片數增加1片后，主梁跨中抗力效應系數有所提高，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范要求，因此在受力方面兩種布置形式無明顯差距。而從經濟性方面，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，且變形差減小；同時橫隔板設置數量還需滿足規范要求，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。計算發現，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撓度影響較小。因此，從減小橫隔板自重，優化主梁受力方面出發，本次標準圖建議箱室內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 不設置箱內中橫隔板

圖2 設置箱內空心中橫隔板

圖3 設置箱內實心中橫隔板

(5)端橫梁箱室內局部應力較小，在恒載+移動荷載作用下，30 cm厚橫隔出現的最大拉應力為0.7 MPa，滿足規范要求，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)常規現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 結構體系優化

國內不同地區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，連續體系僅有35 m和40 m兩種跨徑，缺少小跨徑連續結構圖紙；另外四川、云南等省份標準圖則根據各自需要，僅編制簡支或者連續體系標準圖，類型單一。本次標準圖根據實際工程需要，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兩種，圖紙種類豐富。

5.2 構造優化

本次標準圖根據最新《預橋規》要求，對構造尺寸進行了優化。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》規范中對高速公路護欄寬度的要求；腹板變厚段長度根據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，滿足國內絕大多數地區耐久性的要求；根據最新的《交安》規范對小箱梁懸臂板進行了驗算，鋼筋布置形式由傳統的兩根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 結構安全性優化

現有通用圖荷載標準均按04版通用規范進行設計，本次通用圖執行最新版的橋涵設計通用規范，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范中要求。

5.4 施工便利性優化

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，經過充分調研和詳細論證，歷經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，為后續標準化工作奠定了基礎。