高速公路桥梁设计标准化成套技术研究

蒋逢炜，刘兆光

(中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100048)

在我国各级公路桥梁设计中，装配式预应力混凝土T梁和小箱梁被广泛应用。采用标准化设计可提高生产效率，降低工程造价，保证工程质量，是加快公路现代化建设的重要手段。

原交通部专家委员会于2006年编制了桥梁上部结构通用图(部颁图)[1]。此后，国内多个省份在部颁图的基础上，编制了适用于本省发展的桥梁通用图。随着《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)等一系列桥梁设计规范的陆续颁布，原有通用图已不能直接使用。虽然各省后续根据新规范陆续编制了桥梁通用图，但由于其具有一定地域局限性，不利于在各项目中推广。因此中咨集团根据新版桥梁设计规范，结合各地区设计习惯，重新编制了一套桥梁标准图，并完成《中咨集团高速公路设计标准化桥梁公用构造(上部)设计指南》。

1 标准图编制原则及内容

1.1 编制原则

(1)安全耐久。标准图编制需满足最新设计规范的要求，保证安全耐久。在计算中充分考虑各种荷载，并留有一定预应力储备[2]。对照《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》(JTG/T 3310-2019)相关要求，加强构造措施的处理。

(2)适度超前。标准图编制，需在满足现行规范的基础上，充分总结国内外工程经验教训，适度采用新技术、新工艺，促进桥梁设计行业发展。

1.2 编制内容

根据以上原则，本次标准图主要研究高速公路双向四车道、设计速度100 km/h情况。桥梁跨径为20 m、25 m、30 m和40 m四种，结构体系包括简支桥面连续和简支转连续两种，主梁型式包含装配式预应力混凝土T梁和小箱梁。

2 构造尺寸拟定

通过对国内各省标准图的充分调研，结合已建工程经验，总结各省标准图的优缺点，最终确定本次标准图T梁与小箱梁的基本构造尺寸见表1和表2。

表1 预应力混凝土T梁主要构造尺寸

表2 预应力混凝土小箱梁构造尺寸

3 结构计算

3.1 主要技术标准及规范

(1)《公路工程技术标准》(JTG B01—2014)；

(2)《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)；

(3)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)；

(4)《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)；

(5)《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》(JTG/T 3310—2019)

3.2 计算要点

(1)横向分布系数分析

计算中采用《桥梁博士》计算边梁和中梁的横向分布系数，现以30 m预应力混凝土T梁和预应力小箱梁为例，分析不同计算方法下横向分布系数的分布规律，计算结果见表3、表4。

表3 T梁横向分布系数计算表

表4 小箱梁横向分布系数计算表

对比表3、表4结果发现，T梁和小箱梁计算得到的横向分布系数趋势一致[7]，规律相同。采用杠杆法得到的横向分布系数在四种跨径下结果相同，且数值最大。不同跨径下边梁采用刚性横梁法计算得到的横向分布系数结果大于刚接板梁法，中梁采用刚性横梁法得到的横向分布系数结果略小于刚接板梁法。为保证结果安全可靠，支点附近采用杠杆法得到的横向分布系数，跨中部位则取刚性横梁法与刚接板梁法的最大值，而支点到1/4跨位置采用两种系数线性内插。

(2)纵梁计算结果对比分析

以连续体系预制小箱梁和T梁为例，根据计算得到的横向分布系数，采用单梁模型验算两种结构在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的受力情况，并与梁格模型得到的计算结果进行对比，保证结果准确性，不同算法得到的验算结果如表5和表6。

表5 抗弯承载能力验算

表6 正截面抗裂验算

表注：应力符号规定，压应力为正，拉应力为负。

由表5可知，在抗弯承载力验算中，小箱梁和T梁采用两种计算方法得到的结果基本一致，误差在5%以内。小箱梁采用梁格法得到的跨中承载能力结果略大与单梁结果，T梁采用梁格法得到的跨中承载能力结果略小于单梁结果，小箱梁与T梁的负弯矩承载能力采用梁格法和单梁结果接近。

由表6可知，在抗裂验算中，小箱梁和T梁两种计算方法得到的结果基本一致，采用梁格法得到结果较单梁法更为不利。在小箱梁计算中，20 m和25 m跨中及支点抗裂验算满足A类构件要求；30 m及40 m跨中满足全预应力混凝土构件要求，支点满足A类构件要求。在T梁计算中，20 m、25 m和30 m跨中及支点抗裂验算满足A类构件要求；40 m跨中满足全预应力混凝土构件要求，支点满足A类构件要求。

经过对比分析可知，单梁法与梁格法计算结果基本一致，在常规正交预制小箱梁与T梁计算中，单梁法验算结果可满足设计要求。

4 专题研究

4.1 装配式桥梁在匝道中适用曲线半径范围研究

(1)对于简支结构，考虑满足弦弧差的要求，得到简支T梁和简支小箱梁最小平曲线半径如表7。

(2)对于连续结构，考虑同时满足选弧差和负弯矩钢束弯曲半径要求，得到连续T梁和连续小箱梁最小平曲线半径如表8。

表7 简支梁适用半径 单位：m

表8 连续梁适用半径 单位：m

(3)当曲线半径较大时，为方便施工，可将同一孔采用相同跨径预制。常规盖梁宽度可满足的曲线最小半径如表9所示。

表9 满足常规盖梁宽度下适用半径

4.2 预制T梁最优主梁片数研究

在高速公路桥梁设计中，经常出现在相同路基横断面宽度下，采用不同预制主梁片数的情况，但哪种横断面布置形式更加合理则需要进一步讨论。本研究以相同宽度的双向四车道整体式路基预应力T梁桥为例，分析采用5片主梁和6片主梁情况下桥梁的受力性能和经济成本。研究发现，相比于采用5片主梁，片数增加1片后，主梁跨中抗力效应系数有所提高，增幅6.5%～7.5%，主梁安全储备提高幅度不大；横隔板受力性能有部分改善，但两种布置方式均满足规范要求，因此在受力方面两种布置形式无明显差距。而从经济性方面，每增加一片预制梁，由主要材料引起的造价增幅在10%左右，具体材料费用对比见表10、表11所示。

表10 简支体系造价增加对比

表11 连续体系造价增加对比表

综合对比力学性能和造价因素，双向四车道断面形式下，采用5片主梁断面形式优于6片主梁，因此本次标准化设计T梁采用5片主梁。

4.3 装配式梁桥横隔板优化设置研究

(1)跨间横隔板设置可有效改善T梁和小箱梁在移动荷载作用下的跨中下缘应力水平，减小各片主梁之间的变形差。经计算，跨中设置两道横隔板不利于改善跨中底缘应力，同时各片主梁协调变形能力较弱，因此不建议设置两道跨间横隔板。

(2)对于T梁，20 m和25 m跨中设置一道或三道横隔板对挠度及底缘应力影响较小，而30 m及40 m跨中设置三道横隔板后底缘拉应力趋于均匀，且变形差减小；同时横隔板设置数量还需满足规范要求，因此20 m T梁跨中设置1道横隔板，25 m、30 m、40 m跨中设置三道横隔板。

(3)对于小箱梁，20、25、30、40 m跨中设置一道横隔板后，无论中载还是偏载下，各片主梁跨中挠度变化均匀，中梁底缘拉应力降低明显；而设置三道跨中横隔板对跨中挠度影响程度显著降低，并未显著提高各片主梁的整体受力性能，且施工不便。因此20、25、30、40 m四种跨径小箱梁建议跨中设置一道横隔板。

(4)小箱梁室内横隔板分为不设置横隔板，空心横隔板和实心横隔板三类。计算发现，三种设置形式箱梁底板及箱室外横隔板应力影响较小，而不设置横隔板会增大箱梁腹板与横隔板连接处应力，说明室内横隔板可改善箱梁腹板横向应力。同时，三种横隔板设置形式对移动荷载工况下挠度影响较小。因此，从减小横隔板自重，优化主梁受力方面出发，本次标准图建议箱室内采用空心横隔板形式。常见横隔板布置形式见图1～图3所示。

图1 不设置箱内中横隔板

图2 设置箱内空心中横隔板

图3 设置箱内实心中横隔板

(5)端横梁箱室内局部应力较小，在恒载+移动荷载作用下，30 cm厚横隔出现的最大拉应力为0.7 MPa，满足规范要求，且单支座与双支座计算结果基本一致，无需加厚设计。端横梁应力云图见图4。

图4 端横梁应力云图

4.4 装配式梁桥调坡方案研究

公路桥梁受路线高低起伏的影响，纵、横坡总是在不断变化中，在特殊情况下，横坡甚至可能达到6%左右，而合理的预制梁调坡方案可极大减少桥梁上下部的设计难度，提高设计效率。因此本专题重点研究了预制T梁和小箱梁横坡预制方式及调坡形式，得到如下结论。

(1)处于曲线上的桥梁各桥墩处纵、横坡往往不同，为提高标准化生产效率，减少模板种类，梁体安装时纵坡与横坡时可采取两端纵、横坡的平均值。

(2)常规现浇层厚度可满足相邻桥墩横坡差1.25%的要求，当横坡差大于该值时，需要增加调平层厚度，在整体计算中考虑调平层增加后的影响。

(3)采用错台法进行调坡时，如预制横坡为2%，现浇层取10 cm，则可调整的最大横坡为4.42%。

(4)预制T梁可通过调整支撑杆满足不同横坡要求，因此可在预制时直接将顶板调整到目标横坡既可。

5 技术改进措施

本次标准图相比于国内各省份标准图，主要从以下几方面进行了改进。

5.1 结构体系优化

国内不同地区标准图结构体系各不相同，其中部颁图结构体系较为完整，但该图所采用的规范过早，无法满足当前设计需要。而目前使用较多的广东省标准图简支体系较为完整，连续体系仅有35 m和40 m两种跨径，缺少小跨径连续结构图纸；另外四川、云南等省份标准图则根据各自需要，仅编制简支或者连续体系标准图，类型单一。本次标准图根据实际工程需要，编制了T梁和小箱梁两种结构形式的图纸，跨径类别涵盖了常用的四种跨径，结构体系包含简支和连续两种，图纸种类丰富。

5.2 构造优化

本次标准图根据最新《预桥规》要求，对构造尺寸进行了优化。其中桥梁宽度从原有的12.75 m调整为12.8 m，满足最新《交安》规范中对高速公路护栏宽度的要求；腹板变厚段长度根据抗剪截面要求进行了重新调整，同时满足梁长增长的需要；保护层厚度调整为30 mm，满足国内绝大多数地区耐久性的要求；根据最新的《交安》规范对小箱梁悬臂板进行了验算，钢筋布置形式由传统的两根12 mm或12 mm+16 mm并置调整为两根16 mm钢筋并置，提高了悬臂板的安全储备。

5.3 结构安全性优化

现有通用图荷载标准均按04版通用规范进行设计，本次通用图执行最新版的桥涵设计通用规范，并且采用单梁与梁格相互复核计算，提高结构安全性。在横向分布系数取值中，采用杠杆法、刚性横梁法和刚接板梁法进行包络设计。同时对护栏进行重新设计，使其满足新版交安规范中要求。

5.4 施工便利性优化

部颁标准图设计中负弯矩预应力钢束采用扁锚，质量难以保证，易漏浆。本次标准图预应力钢束锚固形式统一采用圆锚，张拉形式采用分批锚固，确保梁体受力更加均匀。在横隔板设置中进行专题研究，充分考虑受力和施工便利性，提升了结构的可操作性。

6 结 语

本次标准图编制从实际工程需求出发，经过充分调研和详细论证，历经一年多时间完成了预制T梁和预制小箱梁的设计工作。该标准图可有效缩短设计工作者的设计周期，降低施工造价，提高集团公司设计质量，为后续标准化工作奠定了基础。