部分預(yù)應(yīng)力混凝土（后張法）帶翼箱形板梁的設(shè)計特色

陳東 李文祥 李明貴

（1.云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650503；2.云南省昭通市高速公路投資發(fā)展有限責(zé)任公司，云南 昭通 657300；3.四川省林業(yè)勘察設(shè)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(dá)橋梁總數(shù)的90%以上。為順應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、機(jī)械化的時代要求，中小跨徑橋梁多采用裝配式結(jié)構(gòu)。裝配式結(jié)構(gòu)除保證施工質(zhì)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(xiàn)場的干擾。

裝配式中小橋梁應(yīng)成為橋梁建設(shè)者必須認(rèn)真研究的課題。然而，橋梁建設(shè)者把越來越多的精力投入到新結(jié)構(gòu)、大跨徑橋梁的研究上，對中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)型式的適用性、合理性以及需要采取的改進(jìn)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(fā)出20m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土帶翼小箱梁橋。之后，在國內(nèi)帶翼小箱梁得到了長足發(fā)展。

從相關(guān)文獻(xiàn)來看，國內(nèi)對小箱梁的研究，主要集中在斜腹式小箱梁的相關(guān)研究和應(yīng)用，鮮見直腹式小箱梁的應(yīng)用文獻(xiàn)，未見部分預(yù)應(yīng)力混凝土（后張法）帶翼箱型板梁的相關(guān)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(yùn)行至今狀況良好。

為推廣裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土帶翼箱型板梁的應(yīng)用，有效節(jié)省投資，2014年云南省交通運(yùn)輸廳立項開展《部份預(yù)應(yīng)力混凝土（后張法）帶翼箱形板梁推廣應(yīng)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(yù)應(yīng)力混凝土（后張法）帶翼箱梁應(yīng)用研究。

應(yīng)用研究表明帶翼箱型板梁是一種強(qiáng)度高，剛度較大，用材較少，施工方便，鋼絞線錨固可靠的結(jié)構(gòu)。較斜腹式小箱梁、T梁常規(guī)橋梁節(jié)省投資15%以上，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

圖1.帶翼箱板梁斷面(單位：cm)

二、依托工程應(yīng)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(shè)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(yùn)用科研成果帶翼箱型板梁設(shè)計11座，跨徑分為16m、20m、30m，共計梁板109片，總橋長706.2m。

三、設(shè)計特色

（一）預(yù)應(yīng)力配置特色鮮明，設(shè)計思想先進(jìn)

1.合理運(yùn)用部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件

部分預(yù)應(yīng)力吸收了全預(yù)應(yīng)力混凝土和普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,采用了預(yù)應(yīng)力與普通鋼筋的混合配筋,在工程中的應(yīng)用方興未艾。

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

本文研究項目采用裝配式部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件，與全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件相比，鋼絞線可減少24.9%～30.5%。

2.分段布筋錨固，避免應(yīng)力在梁端集中

可以將簡支梁筋束布置在底板內(nèi)，使筋束黏結(jié)于管道同混凝土構(gòu)成整體作用。

在底板布束，預(yù)應(yīng)力鋼絞線重心距截面的下緣最近，產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力效果最好。根據(jù)彎矩沿梁長中間大、兩端小的分布規(guī)律，將鋼束固定端設(shè)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(nèi)無預(yù)應(yīng)力筋通過，可有效地減少腹板管道下振動不密實的風(fēng)險。

3.單端張拉，減少錨具數(shù)量

從經(jīng)濟(jì)角度來考量，跨徑60m以內(nèi)可選擇預(yù)應(yīng)力單端張拉。本應(yīng)用研究項目預(yù)應(yīng)力鋼絞線長度為13.5～27.5m，應(yīng)用單端張拉技術(shù)，可降低錨固段錨具回縮損失，減少錨具數(shù)量50%。

4.張拉設(shè)備簡單，符合山區(qū)特點

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

（二）經(jīng)濟(jì)效益顯著

斜腹式小箱梁雖然材料用量比T梁節(jié)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(yōu)化、預(yù)應(yīng)力布設(shè)方式改進(jìn)、施工模板創(chuàng)新等措施，有效降低了建設(shè)投資。

1.節(jié)省鋼筋

當(dāng)橋?qū)?2m，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(jié)省投資

收集昭永公路三個合同段帶翼箱板梁相關(guān)數(shù)據(jù)，并與同跨徑簡支T梁進(jìn)行實際應(yīng)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(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計不僅可以提高橋梁整體性能，還可以在一定程度上節(jié)約建設(shè)成本。課題組應(yīng)用箱板梁時，對梁間距進(jìn)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(jié)果表明，采用4片布置，16～30m跨徑橫向分布系數(shù)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(jié)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(shù)量的底板受力鋼筋，但整橋結(jié)構(gòu)可以節(jié)約材料18%左右。

4.采用設(shè)計施工一體化思想，創(chuàng)新模板設(shè)計

為更好地控制工藝和材料，課題組改變以往設(shè)計和施工分開、聯(lián)系不緊密的情況，針對帶翼箱板梁施工創(chuàng)新研制了標(biāo)準(zhǔn)化、模數(shù)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(yōu)勢，設(shè)置較高的預(yù)制臺座。通過調(diào)整模板的支撐高度來實現(xiàn)不同跨徑梁高，大幅減少模板的安裝工作量。

5.適應(yīng)范圍廣

（1）跨徑的適應(yīng)性

跨徑30m以上，需要在腹板內(nèi)配設(shè)彎起腹筋；跨徑16m以下，箱內(nèi)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(fā)生安全事故。因此，帶翼箱板梁最為適合的安全、經(jīng)濟(jì)跨徑為16～30m。

（2）橋?qū)捵兓m應(yīng)性強(qiáng)

一片箱梁的總寬度不超過2.25m，梁間距可調(diào)范圍為180～225cm，調(diào)整箱梁數(shù)、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(yīng)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(jié)構(gòu)抗扭抗剪能力、梁高相同、外形美觀大方、適應(yīng)變寬能力強(qiáng)，且后期維護(hù)量較小。

不同之處在于斜腹式小箱梁常采用寬梁設(shè)計，對高速公路、一級公路適應(yīng)性好。但是對施工工藝要求較高，當(dāng)管理與施工控制不到位時，易出現(xiàn)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(shè)計，便于調(diào)整梁的片數(shù)和梁間距，適合不同彎道加寬和橋?qū)捫枰瑢κ┕ぴO(shè)備要求不高，預(yù)制吊裝施工工藝簡單，一般施工單位都能達(dá)到要求；對山區(qū)二級及以下公路橋梁適應(yīng)性強(qiáng)。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(jìn)行了荷載試驗，為科研成果驗收提供了荷載試驗數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

五、結(jié)語

斜腹式小箱梁材料用量比T梁少，但由于施工費用高導(dǎo)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(shè)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上上，經(jīng)過不斷改進(jìn)，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(yīng)性對比

帶翼箱板梁與常用的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、斜腹式小箱梁、T梁各有其適應(yīng)環(huán)境，在經(jīng)濟(jì)上有相錯之處。設(shè)計中需要根據(jù)受力特性、地質(zhì)條件、施工工法和運(yùn)營要求，選擇合適的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

在適用、安全的前提下，經(jīng)濟(jì)是衡量技術(shù)水平和作出方案選擇的主要因素，但橋梁設(shè)計也應(yīng)體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)特性。帶翼箱板梁可充分發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢和吊裝重量輕的優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)適用跨徑為16～30m。

部分預(yù)應(yīng)力混凝土帶翼箱板梁橋的成功應(yīng)用，補(bǔ)充和豐富了山區(qū)中小跨徑結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)和社會效益，可廣泛應(yīng)用于山區(qū)二級及以下各等級公路的橋梁建設(shè)中。