某高速公路互通匝道桥现浇箱梁变T 梁可行性分析

■贾凡鑫

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，沈阳 110166）

预制T 梁桥具有结构受力清晰明确、施工工艺成熟、工期短、桥梁适应范围大、造价低等优点，近年来广泛应用于国内各级公路工程建设中。但在我国西南省份山区高速公路互通区设计和建设中，由于工程施工受自然地形条件影响较大，互通匝道桥常出现高墩和平曲线小半径的不利组合，这类平面小半径，大纵、横坡组合的桥梁一般都超出传统预制T 梁桥的适用范围，因此实际设计过程中大多选择现浇箱梁、钢箱梁、组合梁等其他上部结构形式。目前现浇箱梁、钢箱梁以及组合梁等结构的施工工艺虽已相对成熟，但其仍具有施工周期长、施工效率低，建设成本高、施工过程质量不易保证等缺点；同时，若桥位区域的地质条件较差，则箱梁现浇施工以及钢箱梁的架设过程中，临时施工措施和安全措施的成本和安全风险都会显著增高。

1 T 梁在弯桥应用中的限制条件

预制T 梁桥在弯桥应用实例中，基于施工周期，施工工艺、流程、难度和预制模板利用率等方面的考虑，多采用以“直代曲”的设计和建设理念，即通过合理优化T 梁横断面布置，并适当调整T 梁桥边梁外悬臂长度的方式，使梁场统一预制的直线T梁在架设后可以实现弯桥路线功能的客观需求。但上述布置和调整方式，使得这一类T 梁桥在弯桥应用中的适用范围受到结构连续墩顶负弯矩钢束平曲线半径、T 梁梁长的变化区间、T 梁桥边梁外悬臂变化区间，以及T 梁桥面铺装厚度等因素的制约，不同影响因素对于T 梁的影响程度和实际应对处理方式不同。

1.1 负弯矩钢束平曲线半径r 对T 梁适用范围的限制

对于常规的结构连续预制T 梁弯桥，由于预制梁本身为直线梁，实际设计和施工中一般选择在连续墩的墩顶现浇段内实现负弯矩钢束的平面曲线变化，以避免负弯矩钢束在两侧的预制梁内出现弯折角，造成负弯矩钢束损失较大，影响结构受力和使用性能。根据图1 中的平面示意（O 为平曲线圆心），可以推得圆曲线上的T 梁桥平曲线半径R 与负弯矩钢束平曲线半径r 的几何关系如下：

图1 负弯矩钢束平面布置图

式中：L 为预制T 梁的理论跨径长度，s 为T 梁桥在结构连续墩墩顶处混凝土现浇段的宽度。

对于目前在高速公路中常规的30 m 跨径预制T 梁，即上式中L=30 m，则一般可取s=0.7 m；同时，依照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）（下文简称 “《公预规》”）第9.4.10 条：后张法预应力混凝土构件的曲线形预应力钢筋的曲线半径应符合下列规定：“钢丝束、钢绞线束的钢丝直径小于或等于5 mm 时，不宜小于4 m；钢丝直径大于5 mm 时，不宜小于6 m”[1]，对于目前较为常见的Φs15.2 钢绞线，折算后钢丝直径约为5.05 mm，因此，应取r≥6 m。将上述数值代入式（1），则有：

1.2 梁长变化范围对T 梁适用范围的限制

目前传统T 梁桥的布梁方式主要分为“平行布梁法”和“径向布梁法”2 种，其中，所谓的“平行”和“径向”均是指桥墩、桥台之间的（相对）位置关系。“平行布梁法”是指在确定设计基准线后，将桥梁的每个桥墩和桥台的盖梁中心线按此基准线平行布置，并在此基础上布置T 梁。该方法的特点是同一跨内的T 梁长度和梁端角度均相同，但不同桥跨之间的梁长和梁端角度均不同，且随着桥梁平曲线半径的减小，梁端角度差别将显著增加，此外，不同墩台位置的盖梁尺寸也不同。“平行布梁法”适用于桥梁跨径较小，跨数不多，且平曲线半径较大的情况，对互通区常见的小半径弯桥并不适用。“径向布梁法”是指在保证墩台中心线和路线设计线的切线方向夹角保持一致（一般为90°）的基础上，通过选择合理的布梁基准线进行横桥向布梁。该方法可以保证墩台盖梁尺寸基本相同，但同一跨内的各片主梁长度与梁端角均不同，且随着曲线半径的减小，同一跨经内外侧T 梁的梁长差值显著增加。“径向布梁法”的适用范围相较“平行布梁法”大。此外，对于个别平面线形复杂的T 梁桥，当传统的布梁方式不满足路线线形需求时，也可以采用“调整墩台角度布梁法”[2]布置主梁，该方法较为灵活，可有效增大T 梁桥的适应性，但会导致同一跨内T 梁两端的梁端角和梁长，以及不同墩台的盖梁尺寸均不同，设计和施工过程中难度较大，实际应用较少。

对于目前山区高速公路互通匝道小半径T 梁桥，较为常用的是“径向布梁法”；如前文所述，这种布梁法会导致同一跨内的T 梁中，内外侧边梁长度与标准跨径L 出现一定偏差。根据图2 可以推得桥梁的平曲线半径R 与T 梁内外侧边梁长度偏差Δ的几何关系如式（2）：

图2 T 梁内外侧梁长变化

式中：L 为预制T 梁的理论长度，B 为桥梁总宽度，T 为边梁悬臂长。

对于目前在高速公路中常规的30 m 跨径预制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），则有：

1.3 边梁外悬臂变化范围对T 梁适用范围的限制

同样的，对于前述的“径向布梁法”，预制的直线T 梁一般可以采用调整边梁外侧悬臂长度的方式实现“以直代曲”，满足弯桥的路线要求。根据图3可以推得桥梁平曲线半径R 与T 梁桥边梁外悬臂变化量T 的几何关系如下：

图3 预制梁外悬臂轮廓示意

式（3）中：L 为预制T 梁理论长度，B 为桥梁宽度，r 为负弯矩钢束曲线半径，R 为桥梁平曲线半径。

上述计算公式仍较为复杂，故对式中的余弦函数项进行泰勒展开，将该公式简化如下：

对于目前在高速公路中常规的30 m 跨径预制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），则有：

1.4 铺装厚度范围对T 梁适用条件的限制

预制T 梁桥的纵坡可以通过墩台盖梁高程来调整实现，但桥梁横坡往往需要结合T 梁预制横坡和桥面铺装共同实现。山区小半径T 梁匝道桥常存在横坡较大的情况，而从T 梁预制、运输和架设的稳定性、安全性与经济性等综合角度考虑，T 梁预制横坡较小（一般取2%），导致桥面铺装的厚度在横向差别较大，对T 梁桥后期耐久性和行车舒适性造成一定影响。对于这种情况，设计阶段需充分考虑上述影响因素，尽量增加T 梁预制横坡大小，同时在保证结构承载力满足要求的前提下，适当增大桥面铺装厚度，保证最薄处桥面铺装满足后期桥梁运营行车的基本要求，且桥面铺装不宜太厚，以免影响铺装层自身的耐久性。

1.5 小结

综上所述，受连续墩墩顶负弯矩钢束平曲线半径、T 梁内外侧梁长变化范围、最外侧边梁外悬臂变化范围以及桥面铺装厚度等因素的影响，传统预制T 梁在小半径弯桥的应用范围存在一定程度的限制。在实际工程中，可通过针对性地采取将上部的结构连续T 梁调整为桥面连续的简支T梁（以取消结构连续墩顶负弯矩钢束），合理调整T 梁横向布置和湿接缝宽度，以及适当增大T 梁预制横坡等措施，扩大T 梁桥的适用范围。此外，设计中还可以结合具体实例的特点，对于T 梁进行专项计算和设计，适当突破常规T 梁梁长和悬臂长度的变化范围区间，从而更显著地提高T 梁桥的适用范围。

2 工程实例

某西南省份山区高速公路互通A 匝道桥，原设计桥梁共计2 联：3×30 m+3×30 m，设计交角90°，总桥长194 m，桥梁全宽22.1 m（桥面净宽21 m），原上部结构采用预应力混凝土结构连续箱梁，下部桥台采用重力式U 型桥台，桥墩采用柱式墩，桥台采用扩大基础，桥墩均采用摩擦桩基础，该桥立面图和平面图如图4～5 所示。该桥平面位于圆曲线上，圆曲线半径为204 m（右偏），桥梁纵断面位于R=4851.9 m 的竖曲线上，墩台采用常规径向方式布置，最大墩柱高度为18.4 m。

图4 某西南山区高速互通A 匝道桥立面图（原设计）

图5 某西南山区高速互通A 匝道桥平面图

2.1 工程背景

受互通区客观地形条件限制，该高速公路互通A 匝道桥毗邻乡镇，桥址位于洼地之上，地表水丰富，第5 孔跨越饮用水水渠，环境敏感度高；桥位区表层松散堆积体较厚（粉质黏土），且下附基岩层为中风化泥岩，岩性破碎，遇水软化，地质条件整体较差；同时，桥位附近房屋较多，桥位区域道路纵横交错，第6 孔上跨县道，交通繁忙，施工期间需进行保通设计。可以推知，本桥若采用传统预应力混凝土箱梁的支架现浇施工方案，会导致现场施工周期长，软土地基支架施工难度大、成本高，同时施工过程中对居民正常生活及周边自然环境影响和干扰较大。因此，结合桥位区域的实际情况，经建设各方广泛讨论，形成一致意见，拟将该桥的上部结构形式由混凝土箱梁调整为预制T 梁，并通过架桥机进行高空架设施工。

2.2 调整后方案

基于该匝道路线平纵条件和桥位处实际情况，结合本文前述内容，拟调整方案的具体情况如下：将该A 匝道桥的上部结构调整为6×30 m 预应力混凝土简支T 梁，桥面连续；下部结构在满足受力需求的前提下，尽量维持原设计，调整后桥梁立面见图6。

图6 某西南山区高速互通A 匝道桥立面图（调整后）

本次调整方案中，该匝道桥梁的横断面布置中采用8 片T 梁，梁间湿接缝宽709 mm，标准悬臂长度1015 mm；同时，在实际曲线布梁中，最大悬臂长度控制在1200 mm 以内；T 梁长度变化范围在27.98～30.93 m（标准跨径L=30 m），T 梁断面布置见图7。

图7 某西南山区高速互通A 匝道桥断面图（调整后）

可见，由于本桥平面半径较小，8 片T 梁的梁长变化已超过T 梁长度变化的常规范围（30 m±0.5 m），因此，设计单位进行了专项计算和补充设计。

3 结语

预制T 梁工艺成熟，施工周期短，造价低，广泛应用于我国公路工程的建设，但传统的“以直代曲”设计理念，使T 梁的适用范围很大程度上受到负弯矩钢束曲线半径、梁长变化范围、边梁外悬臂变化范围以及桥面铺装厚度等因素的影响。本文总结了上述因素对于小半径T 梁桥适用范围的具体影响，在相关理论和经验的基础上，推导并简化出相关计算公式；同时针对不同的影响因素，给出了工程中常见的具体调整应对的措施和建议；进而结合国内某山区高速公路互通匝道的工程实例，探讨了在满足一定条件的前提下，将小半径桥梁上部结构由现浇箱梁合理优化为预制T 梁的可行性。