高速公路橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化成套技術(shù)研究

蔣逢煒，劉兆光

(中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100048)

在我國各級(jí)公路橋梁設(shè)計(jì)中，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和小箱梁被廣泛應(yīng)用。采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)可提高生產(chǎn)效率，降低工程造價(jià)，保證工程質(zhì)量，是加快公路現(xiàn)代化建設(shè)的重要手段。

原交通部專家委員會(huì)于2006年編制了橋梁上部結(jié)構(gòu)通用圖(部頒圖)[1]。此后，國內(nèi)多個(gè)省份在部頒圖的基礎(chǔ)上，編制了適用于本省發(fā)展的橋梁通用圖。隨著《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)等一系列橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的陸續(xù)頒布，原有通用圖已不能直接使用。雖然各省后續(xù)根據(jù)新規(guī)范陸續(xù)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(xiàng)目中推廣。因此中咨集團(tuán)根據(jù)新版橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合各地區(qū)設(shè)計(jì)習(xí)慣，重新編制了一套橋梁標(biāo)準(zhǔn)圖，并完成《中咨集團(tuán)高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化橋梁公用構(gòu)造(上部)設(shè)計(jì)指南》。

1 標(biāo)準(zhǔn)圖編制原則及內(nèi)容

1.1 編制原則

(1)安全耐久。標(biāo)準(zhǔn)圖編制需滿足最新設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，保證安全耐久。在計(jì)算中充分考慮各種荷載，并留有一定預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)備[2]。對(duì)照《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3310-2019)相關(guān)要求，加強(qiáng)構(gòu)造措施的處理。

(2)適度超前。標(biāo)準(zhǔn)圖編制，需在滿足現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，充分總結(jié)國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，適度采用新技術(shù)、新工藝，促進(jìn)橋梁設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展。

1.2 編制內(nèi)容

根據(jù)以上原則，本次標(biāo)準(zhǔn)圖主要研究高速公路雙向四車道、設(shè)計(jì)速度100 km/h情況。橋梁跨徑為20 m、25 m、30 m和40 m四種，結(jié)構(gòu)體系包括簡(jiǎn)支橋面連續(xù)和簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)兩種，主梁型式包含裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和小箱梁。

2 構(gòu)造尺寸擬定

通過對(duì)國內(nèi)各省標(biāo)準(zhǔn)圖的充分調(diào)研，結(jié)合已建工程經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)各省標(biāo)準(zhǔn)圖的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定本次標(biāo)準(zhǔn)圖T梁與小箱梁的基本構(gòu)造尺寸見表1和表2。

表1 預(yù)應(yīng)力混凝土T梁主要構(gòu)造尺寸

表2 預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁構(gòu)造尺寸

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

(1)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)；

(2)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)；

(3)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)；

(4)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81—2017)；

(5)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3310—2019)

3.2 計(jì)算要點(diǎn)

(1)橫向分布系數(shù)分析

計(jì)算中采用《橋梁博士》計(jì)算邊梁和中梁的橫向分布系數(shù)，現(xiàn)以30 m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁和預(yù)應(yīng)力小箱梁為例，分析不同計(jì)算方法下橫向分布系數(shù)的分布規(guī)律，計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

表3 T梁橫向分布系數(shù)計(jì)算表

表4 小箱梁橫向分布系數(shù)計(jì)算表

對(duì)比表3、表4結(jié)果發(fā)現(xiàn)，T梁和小箱梁計(jì)算得到的橫向分布系數(shù)趨勢(shì)一致[7]，規(guī)律相同。采用杠桿法得到的橫向分布系數(shù)在四種跨徑下結(jié)果相同，且數(shù)值最大。不同跨徑下邊梁采用剛性橫梁法計(jì)算得到的橫向分布系數(shù)結(jié)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(shù)結(jié)果略小于剛接板梁法。為保證結(jié)果安全可靠，支點(diǎn)附近采用杠桿法得到的橫向分布系數(shù)，跨中部位則取剛性橫梁法與剛接板梁法的最大值，而支點(diǎn)到1/4跨位置采用兩種系數(shù)線性內(nèi)插。

(2)縱梁計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

以連續(xù)體系預(yù)制小箱梁和T梁為例，根據(jù)計(jì)算得到的橫向分布系數(shù)，采用單梁模型驗(yàn)算兩種結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的受力情況，并與梁格模型得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，保證結(jié)果準(zhǔn)確性，不同算法得到的驗(yàn)算結(jié)果如表5和表6。

表5 抗彎承載能力驗(yàn)算

表6 正截面抗裂驗(yàn)算

表注：應(yīng)力符號(hào)規(guī)定，壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)。

由表5可知，在抗彎承載力驗(yàn)算中，小箱梁和T梁采用兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果基本一致，誤差在5%以內(nèi)。小箱梁采用梁格法得到的跨中承載能力結(jié)果略大與單梁結(jié)果，T梁采用梁格法得到的跨中承載能力結(jié)果略小于單梁結(jié)果，小箱梁與T梁的負(fù)彎矩承載能力采用梁格法和單梁結(jié)果接近。

由表6可知，在抗裂驗(yàn)算中，小箱梁和T梁兩種計(jì)算方法得到的結(jié)果基本一致，采用梁格法得到結(jié)果較單梁法更為不利。在小箱梁計(jì)算中，20 m和25 m跨中及支點(diǎn)抗裂驗(yàn)算滿足A類構(gòu)件要求；30 m及40 m跨中滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求，支點(diǎn)滿足A類構(gòu)件要求。在T梁計(jì)算中，20 m、25 m和30 m跨中及支點(diǎn)抗裂驗(yàn)算滿足A類構(gòu)件要求；40 m跨中滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求，支點(diǎn)滿足A類構(gòu)件要求。

經(jīng)過對(duì)比分析可知，單梁法與梁格法計(jì)算結(jié)果基本一致，在常規(guī)正交預(yù)制小箱梁與T梁計(jì)算中，單梁法驗(yàn)算結(jié)果可滿足設(shè)計(jì)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(duì)于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，考慮滿足弦弧差的要求，得到簡(jiǎn)支T梁和簡(jiǎn)支小箱梁最小平曲線半徑如表7。

(2)對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)，考慮同時(shí)滿足選弧差和負(fù)彎矩鋼束彎曲半徑要求，得到連續(xù)T梁和連續(xù)小箱梁最小平曲線半徑如表8。

表7 簡(jiǎn)支梁適用半徑 單位：m

表8 連續(xù)梁適用半徑 單位：m

(3)當(dāng)曲線半徑較大時(shí)，為方便施工，可將同一孔采用相同跨徑預(yù)制。常規(guī)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(guī)蓋梁寬度下適用半徑

4.2 預(yù)制T梁最優(yōu)主梁片數(shù)研究

在高速公路橋梁設(shè)計(jì)中，經(jīng)常出現(xiàn)在相同路基橫斷面寬度下，采用不同預(yù)制主梁片數(shù)的情況，但哪種橫斷面布置形式更加合理則需要進(jìn)一步討論。本研究以相同寬度的雙向四車道整體式路基預(yù)應(yīng)力T梁橋?yàn)槔?，分析采?片主梁和6片主梁情況下橋梁的受力性能和經(jīng)濟(jì)成本。研究發(fā)現(xiàn)，相比于采用5片主梁，片數(shù)增加1片后，主梁跨中抗力效應(yīng)系數(shù)有所提高，增幅6.5%～7.5%，主梁安全儲(chǔ)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(guī)范要求，因此在受力方面兩種布置形式無明顯差距。而從經(jīng)濟(jì)性方面，每增加一片預(yù)制梁，由主要材料引起的造價(jià)增幅在10%左右，具體材料費(fèi)用對(duì)比見表10、表11所示。

表10 簡(jiǎn)支體系造價(jià)增加對(duì)比

表11 連續(xù)體系造價(jià)增加對(duì)比表

綜合對(duì)比力學(xué)性能和造價(jià)因素，雙向四車道斷面形式下，采用5片主梁斷面形式優(yōu)于6片主梁，因此本次標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)T梁采用5片主梁。

4.3 裝配式梁橋橫隔板優(yōu)化設(shè)置研究

(1)跨間橫隔板設(shè)置可有效改善T梁和小箱梁在移動(dòng)荷載作用下的跨中下緣應(yīng)力水平，減小各片主梁之間的變形差。經(jīng)計(jì)算，跨中設(shè)置兩道橫隔板不利于改善跨中底緣應(yīng)力，同時(shí)各片主梁協(xié)調(diào)變形能力較弱，因此不建議設(shè)置兩道跨間橫隔板。

(2)對(duì)于T梁，20 m和25 m跨中設(shè)置一道或三道橫隔板對(duì)撓度及底緣應(yīng)力影響較小，而30 m及40 m跨中設(shè)置三道橫隔板后底緣拉應(yīng)力趨于均勻，且變形差減??；同時(shí)橫隔板設(shè)置數(shù)量還需滿足規(guī)范要求，因此20 m T梁跨中設(shè)置1道橫隔板，25 m、30 m、40 m跨中設(shè)置三道橫隔板。

(3)對(duì)于小箱梁，20、25、30、40 m跨中設(shè)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(yīng)力降低明顯；而設(shè)置三道跨中橫隔板對(duì)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(shè)置一道橫隔板。

(4)小箱梁室內(nèi)橫隔板分為不設(shè)置橫隔板，空心橫隔板和實(shí)心橫隔板三類。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，三種設(shè)置形式箱梁底板及箱室外橫隔板應(yīng)力影響較小，而不設(shè)置橫隔板會(huì)增大箱梁腹板與橫隔板連接處應(yīng)力，說明室內(nèi)橫隔板可改善箱梁腹板橫向應(yīng)力。同時(shí)，三種橫隔板設(shè)置形式對(duì)移動(dòng)荷載工況下?lián)隙扔绊戄^小。因此，從減小橫隔板自重，優(yōu)化主梁受力方面出發(fā)，本次標(biāo)準(zhǔn)圖建議箱室內(nèi)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(shè)置箱內(nèi)中橫隔板

圖2 設(shè)置箱內(nèi)空心中橫隔板

圖3 設(shè)置箱內(nèi)實(shí)心中橫隔板

(5)端橫梁箱室內(nèi)局部應(yīng)力較小，在恒載+移動(dòng)荷載作用下，30 cm厚橫隔出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為0.7 MPa，滿足規(guī)范要求，且單支座與雙支座計(jì)算結(jié)果基本一致，無需加厚設(shè)計(jì)。端橫梁應(yīng)力云圖見圖4。

圖4 端橫梁應(yīng)力云圖

4.4 裝配式梁橋調(diào)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(dá)到6%左右，而合理的預(yù)制梁調(diào)坡方案可極大減少橋梁上下部的設(shè)計(jì)難度，提高設(shè)計(jì)效率。因此本專題重點(diǎn)研究了預(yù)制T梁和小箱梁橫坡預(yù)制方式及調(diào)坡形式，得到如下結(jié)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(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)效率，減少模板種類，梁體安裝時(shí)縱坡與橫坡時(shí)可采取兩端縱、橫坡的平均值。

(2)常規(guī)現(xiàn)澆層厚度可滿足相鄰橋墩橫坡差1.25%的要求，當(dāng)橫坡差大于該值時(shí)，需要增加調(diào)平層厚度，在整體計(jì)算中考慮調(diào)平層增加后的影響。

(3)采用錯(cuò)臺(tái)法進(jìn)行調(diào)坡時(shí)，如預(yù)制橫坡為2%，現(xiàn)澆層取10 cm，則可調(diào)整的最大橫坡為4.42%。

(4)預(yù)制T梁可通過調(diào)整支撐桿滿足不同橫坡要求，因此可在預(yù)制時(shí)直接將頂板調(diào)整到目標(biāo)橫坡既可。

5 技術(shù)改進(jìn)措施

本次標(biāo)準(zhǔn)圖相比于國內(nèi)各省份標(biāo)準(zhǔn)圖，主要從以下幾方面進(jìn)行了改進(jìn)。

5.1 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

國內(nèi)不同地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)圖結(jié)構(gòu)體系各不相同，其中部頒圖結(jié)構(gòu)體系較為完整，但該圖所采用的規(guī)范過早，無法滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)需要。而目前使用較多的廣東省標(biāo)準(zhǔn)圖簡(jiǎn)支體系較為完整，連續(xù)體系僅有35 m和40 m兩種跨徑，缺少小跨徑連續(xù)結(jié)構(gòu)圖紙；另外四川、云南等省份標(biāo)準(zhǔn)圖則根據(jù)各自需要，僅編制簡(jiǎn)支或者連續(xù)體系標(biāo)準(zhǔn)圖，類型單一。本次標(biāo)準(zhǔn)圖根據(jù)實(shí)際工程需要，編制了T梁和小箱梁兩種結(jié)構(gòu)形式的圖紙，跨徑類別涵蓋了常用的四種跨徑，結(jié)構(gòu)體系包含簡(jiǎn)支和連續(xù)兩種，圖紙種類豐富。

5.2 構(gòu)造優(yōu)化

本次標(biāo)準(zhǔn)圖根據(jù)最新《預(yù)橋規(guī)》要求，對(duì)構(gòu)造尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。其中橋梁寬度從原有的12.75 m調(diào)整為12.8 m，滿足最新《交安》規(guī)范中對(duì)高速公路護(hù)欄寬度的要求；腹板變厚段長度根據(jù)抗剪截面要求進(jìn)行了重新調(diào)整，同時(shí)滿足梁長增長的需要；保護(hù)層厚度調(diào)整為30 mm，滿足國內(nèi)絕大多數(shù)地區(qū)耐久性的要求；根據(jù)最新的《交安》規(guī)范對(duì)小箱梁懸臂板進(jìn)行了驗(yàn)算，鋼筋布置形式由傳統(tǒng)的兩根12 mm或12 mm+16 mm并置調(diào)整為兩根16 mm鋼筋并置，提高了懸臂板的安全儲(chǔ)備。

5.3 結(jié)構(gòu)安全性優(yōu)化

現(xiàn)有通用圖荷載標(biāo)準(zhǔn)均按04版通用規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，本次通用圖執(zhí)行最新版的橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范，并且采用單梁與梁格相互復(fù)核計(jì)算，提高結(jié)構(gòu)安全性。在橫向分布系數(shù)取值中，采用杠桿法、剛性橫梁法和剛接板梁法進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)護(hù)欄進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使其滿足新版交安規(guī)范中要求。

5.4 施工便利性優(yōu)化

部頒標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)中負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束采用扁錨，質(zhì)量難以保證，易漏漿。本次標(biāo)準(zhǔn)圖預(yù)應(yīng)力鋼束錨固形式統(tǒng)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(shè)置中進(jìn)行專題研究，充分考慮受力和施工便利性，提升了結(jié)構(gòu)的可操作性。

6 結(jié) 語

本次標(biāo)準(zhǔn)圖編制從實(shí)際工程需求出發(fā)，經(jīng)過充分調(diào)研和詳細(xì)論證，歷經(jīng)一年多時(shí)間完成了預(yù)制T梁和預(yù)制小箱梁的設(shè)計(jì)工作。該標(biāo)準(zhǔn)圖可有效縮短設(shè)計(jì)工作者的設(shè)計(jì)周期，降低施工造價(jià)，提高集團(tuán)公司設(shè)計(jì)質(zhì)量，為后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化工作奠定了基礎(chǔ)。