某高速公路互通匝道橋現澆箱梁變T 梁可行性分析

■賈凡鑫

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，沈陽 110166）

預制T 梁橋具有結構受力清晰明確、施工工藝成熟、工期短、橋梁適應范圍大、造價低等優點，近年來廣泛應用于國內各級公路工程建設中。但在我國西南省份山區高速公路互通區設計和建設中，由于工程施工受自然地形條件影響較大，互通匝道橋常出現高墩和平曲線小半徑的不利組合，這類平面小半徑，大縱、橫坡組合的橋梁一般都超出傳統預制T 梁橋的適用范圍，因此實際設計過程中大多選擇現澆箱梁、鋼箱梁、組合梁等其他上部結構形式。目前現澆箱梁、鋼箱梁以及組合梁等結構的施工工藝雖已相對成熟，但其仍具有施工周期長、施工效率低，建設成本高、施工過程質量不易保證等缺點；同時，若橋位區域的地質條件較差，則箱梁現澆施工以及鋼箱梁的架設過程中，臨時施工措施和安全措施的成本和安全風險都會顯著增高。

1 T 梁在彎橋應用中的限制條件

預制T 梁橋在彎橋應用實例中，基于施工周期，施工工藝、流程、難度和預制模板利用率等方面的考慮，多采用以“直代曲”的設計和建設理念，即通過合理優化T 梁橫斷面布置，并適當調整T 梁橋邊梁外懸臂長度的方式，使梁場統一預制的直線T梁在架設后可以實現彎橋路線功能的客觀需求。但上述布置和調整方式，使得這一類T 梁橋在彎橋應用中的適用范圍受到結構連續墩頂負彎矩鋼束平曲線半徑、T 梁梁長的變化區間、T 梁橋邊梁外懸臂變化區間，以及T 梁橋面鋪裝厚度等因素的制約，不同影響因素對于T 梁的影響程度和實際應對處理方式不同。

1.1 負彎矩鋼束平曲線半徑r 對T 梁適用范圍的限制

對于常規的結構連續預制T 梁彎橋，由于預制梁本身為直線梁，實際設計和施工中一般選擇在連續墩的墩頂現澆段內實現負彎矩鋼束的平面曲線變化，以避免負彎矩鋼束在兩側的預制梁內出現彎折角，造成負彎矩鋼束損失較大，影響結構受力和使用性能。根據圖1 中的平面示意（O 為平曲線圓心），可以推得圓曲線上的T 梁橋平曲線半徑R 與負彎矩鋼束平曲線半徑r 的幾何關系如下：

圖1 負彎矩鋼束平面布置圖

式中：L 為預制T 梁的理論跨徑長度，s 為T 梁橋在結構連續墩墩頂處混凝土現澆段的寬度。

對于目前在高速公路中常規的30 m 跨徑預制T 梁，即上式中L=30 m，則一般可取s=0.7 m；同時，依照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）（下文簡稱 “《公預規》”）第9.4.10 條：后張法預應力混凝土構件的曲線形預應力鋼筋的曲線半徑應符合下列規定：“鋼絲束、鋼絞線束的鋼絲直徑小于或等于5 mm 時，不宜小于4 m；鋼絲直徑大于5 mm 時，不宜小于6 m”[1]，對于目前較為常見的Φs15.2 鋼絞線，折算后鋼絲直徑約為5.05 mm，因此，應取r≥6 m。將上述數值代入式（1），則有：

1.2 梁長變化范圍對T 梁適用范圍的限制

目前傳統T 梁橋的布梁方式主要分為“平行布梁法”和“徑向布梁法”2 種，其中，所謂的“平行”和“徑向”均是指橋墩、橋臺之間的（相對）位置關系。“平行布梁法”是指在確定設計基準線后，將橋梁的每個橋墩和橋臺的蓋梁中心線按此基準線平行布置，并在此基礎上布置T 梁。該方法的特點是同一跨內的T 梁長度和梁端角度均相同，但不同橋跨之間的梁長和梁端角度均不同，且隨著橋梁平曲線半徑的減小，梁端角度差別將顯著增加，此外，不同墩臺位置的蓋梁尺寸也不同。“平行布梁法”適用于橋梁跨徑較小，跨數不多，且平曲線半徑較大的情況，對互通區常見的小半徑彎橋并不適用。“徑向布梁法”是指在保證墩臺中心線和路線設計線的切線方向夾角保持一致（一般為90°）的基礎上，通過選擇合理的布梁基準線進行橫橋向布梁。該方法可以保證墩臺蓋梁尺寸基本相同，但同一跨內的各片主梁長度與梁端角均不同，且隨著曲線半徑的減小，同一跨經內外側T 梁的梁長差值顯著增加。“徑向布梁法”的適用范圍相較“平行布梁法”大。此外，對于個別平面線形復雜的T 梁橋，當傳統的布梁方式不滿足路線線形需求時，也可以采用“調整墩臺角度布梁法”[2]布置主梁，該方法較為靈活，可有效增大T 梁橋的適應性，但會導致同一跨內T 梁兩端的梁端角和梁長，以及不同墩臺的蓋梁尺寸均不同，設計和施工過程中難度較大，實際應用較少。

對于目前山區高速公路互通匝道小半徑T 梁橋，較為常用的是“徑向布梁法”；如前文所述，這種布梁法會導致同一跨內的T 梁中，內外側邊梁長度與標準跨徑L 出現一定偏差。根據圖2 可以推得橋梁的平曲線半徑R 與T 梁內外側邊梁長度偏差Δ的幾何關系如式（2）：

圖2 T 梁內外側梁長變化

式中：L 為預制T 梁的理論長度，B 為橋梁總寬度，T 為邊梁懸臂長。

對于目前在高速公路中常規的30 m 跨徑預制T 梁，即式（2）中L=30 m，一般可取T=1.175 m，Δ=0.5 m，若令B=22.1 m，代入式（2），則有：

1.3 邊梁外懸臂變化范圍對T 梁適用范圍的限制

同樣的，對于前述的“徑向布梁法”，預制的直線T 梁一般可以采用調整邊梁外側懸臂長度的方式實現“以直代曲”，滿足彎橋的路線要求。根據圖3可以推得橋梁平曲線半徑R 與T 梁橋邊梁外懸臂變化量T 的幾何關系如下：

圖3 預制梁外懸臂輪廓示意

式（3）中：L 為預制T 梁理論長度，B 為橋梁寬度，r 為負彎矩鋼束曲線半徑，R 為橋梁平曲線半徑。

上述計算公式仍較為復雜，故對式中的余弦函數項進行泰勒展開，將該公式簡化如下：

對于目前在高速公路中常規的30 m 跨徑預制T 梁，即式（3）中L=30 m，一般可取T=0.2 m，若令B=22.1 m，代入式（3），則有：

1.4 鋪裝厚度范圍對T 梁適用條件的限制

預制T 梁橋的縱坡可以通過墩臺蓋梁高程來調整實現，但橋梁橫坡往往需要結合T 梁預制橫坡和橋面鋪裝共同實現。山區小半徑T 梁匝道橋常存在橫坡較大的情況，而從T 梁預制、運輸和架設的穩定性、安全性與經濟性等綜合角度考慮，T 梁預制橫坡較小（一般取2%），導致橋面鋪裝的厚度在橫向差別較大，對T 梁橋后期耐久性和行車舒適性造成一定影響。對于這種情況，設計階段需充分考慮上述影響因素，盡量增加T 梁預制橫坡大小，同時在保證結構承載力滿足要求的前提下，適當增大橋面鋪裝厚度，保證最薄處橋面鋪裝滿足后期橋梁運營行車的基本要求，且橋面鋪裝不宜太厚，以免影響鋪裝層自身的耐久性。

1.5 小結

綜上所述，受連續墩墩頂負彎矩鋼束平曲線半徑、T 梁內外側梁長變化范圍、最外側邊梁外懸臂變化范圍以及橋面鋪裝厚度等因素的影響，傳統預制T 梁在小半徑彎橋的應用范圍存在一定程度的限制。在實際工程中，可通過針對性地采取將上部的結構連續T 梁調整為橋面連續的簡支T梁（以取消結構連續墩頂負彎矩鋼束），合理調整T 梁橫向布置和濕接縫寬度，以及適當增大T 梁預制橫坡等措施，擴大T 梁橋的適用范圍。此外，設計中還可以結合具體實例的特點，對于T 梁進行專項計算和設計，適當突破常規T 梁梁長和懸臂長度的變化范圍區間，從而更顯著地提高T 梁橋的適用范圍。

2 工程實例

某西南省份山區高速公路互通A 匝道橋，原設計橋梁共計2 聯：3×30 m+3×30 m，設計交角90°，總橋長194 m，橋梁全寬22.1 m（橋面凈寬21 m），原上部結構采用預應力混凝土結構連續箱梁，下部橋臺采用重力式U 型橋臺，橋墩采用柱式墩，橋臺采用擴大基礎，橋墩均采用摩擦樁基礎，該橋立面圖和平面圖如圖4～5 所示。該橋平面位于圓曲線上，圓曲線半徑為204 m（右偏），橋梁縱斷面位于R=4851.9 m 的豎曲線上，墩臺采用常規徑向方式布置，最大墩柱高度為18.4 m。

圖4 某西南山區高速互通A 匝道橋立面圖（原設計）

圖5 某西南山區高速互通A 匝道橋平面圖

2.1 工程背景

受互通區客觀地形條件限制，該高速公路互通A 匝道橋毗鄰鄉鎮，橋址位于洼地之上，地表水豐富，第5 孔跨越飲用水水渠，環境敏感度高；橋位區表層松散堆積體較厚（粉質黏土），且下附基巖層為中風化泥巖，巖性破碎，遇水軟化，地質條件整體較差；同時，橋位附近房屋較多，橋位區域道路縱橫交錯，第6 孔上跨縣道，交通繁忙，施工期間需進行保通設計。可以推知，本橋若采用傳統預應力混凝土箱梁的支架現澆施工方案，會導致現場施工周期長，軟土地基支架施工難度大、成本高，同時施工過程中對居民正常生活及周邊自然環境影響和干擾較大。因此，結合橋位區域的實際情況，經建設各方廣泛討論，形成一致意見，擬將該橋的上部結構形式由混凝土箱梁調整為預制T 梁，并通過架橋機進行高空架設施工。

2.2 調整后方案

基于該匝道路線平縱條件和橋位處實際情況，結合本文前述內容，擬調整方案的具體情況如下：將該A 匝道橋的上部結構調整為6×30 m 預應力混凝土簡支T 梁，橋面連續；下部結構在滿足受力需求的前提下，盡量維持原設計，調整后橋梁立面見圖6。

圖6 某西南山區高速互通A 匝道橋立面圖（調整后）

本次調整方案中，該匝道橋梁的橫斷面布置中采用8 片T 梁，梁間濕接縫寬709 mm，標準懸臂長度1015 mm；同時，在實際曲線布梁中，最大懸臂長度控制在1200 mm 以內；T 梁長度變化范圍在27.98～30.93 m（標準跨徑L=30 m），T 梁斷面布置見圖7。

圖7 某西南山區高速互通A 匝道橋斷面圖（調整后）

可見，由于本橋平面半徑較小，8 片T 梁的梁長變化已超過T 梁長度變化的常規范圍（30 m±0.5 m），因此，設計單位進行了專項計算和補充設計。

3 結語

預制T 梁工藝成熟，施工周期短，造價低，廣泛應用于我國公路工程的建設，但傳統的“以直代曲”設計理念，使T 梁的適用范圍很大程度上受到負彎矩鋼束曲線半徑、梁長變化范圍、邊梁外懸臂變化范圍以及橋面鋪裝厚度等因素的影響。本文總結了上述因素對于小半徑T 梁橋適用范圍的具體影響，在相關理論和經驗的基礎上，推導并簡化出相關計算公式；同時針對不同的影響因素，給出了工程中常見的具體調整應對的措施和建議；進而結合國內某山區高速公路互通匝道的工程實例，探討了在滿足一定條件的前提下，將小半徑橋梁上部結構由現澆箱梁合理優化為預制T 梁的可行性。