先簡支后連續預制小箱梁橋改進設計

劉雪峰

（深圳市綜合交通與市政工程設計研究總院有限公司，廣東深圳 518003）

1 工程概況

深圳市東部過境高速公路位于深圳市東部中心組團和東部組團內，以規劃的深港蓮塘口岸為起點，向東北方向延伸，終點與深汕、惠鹽高速公路相接，采用80 km/h 設計速度，雙向8 車道的高速公路標準設計，寬度為32 m。道路全長約31 km，橋梁長度達到17.6 km，根據業主要求，盡量采用先簡支后連續預制小箱梁橋，本項目采用先簡支后連續預制小箱梁橋的長度達到13.8 km。其中，最小平面曲線半徑R=420 m，最大橫坡5%，并且考慮到本項目為過境通道，項目建成后，將不可避免地存在車流量大、重載車輛比重偏大、需要滿足超重特種車輛運行的特點，因此，如何在各種不利情況下確保先簡支后連續預制小箱梁結構安全性和耐久性成為本項目設計的重難點。

2 先簡支后連續預制小箱梁橋的特點

先簡支后連續預制小箱梁橋主要有以下特點：

1）從結構體系分析，先簡支后連續小箱梁橋充分發揮了簡支梁橋和連續梁橋的優點，克服了它們的缺點，該體系具有構造簡單的特點，并有效地減小了截面尺寸，減少了預應力配束。該體系在運營階段已轉換為連續體系，由于支點負彎矩的“卸載”作用，使汽車荷載產生的跨中彎矩明顯減少，從而可以減小設計尺寸，減少配束，使結構更趨于合理。

2）從收縮徐變影響分析，由于小箱梁是在工廠預制，從前期預應力的張拉到澆筑接縫、后連續預應力的張拉，混凝土已有相當的齡期，因而減少了收縮、徐變對結構體系的影響。

3）從基礎沉降影響分析，由于該結構體系是梁的恒載按簡支梁考慮，僅活載和二期恒載（橋面鋪裝、護欄、掛管、聲屏障、防拋網）按連續梁結構考慮，基礎沉降對結構的影響相對較小。

4）從施工角度分析，預制小箱梁可采用標準預制構件，更有利于確保構件質量、提高施工速度、節省模板費用，上部結構預制的同時下部結構也可施工，節省了工期，加快了施工進度。

5）從經濟角度分析，小箱梁斷面尺寸較小，配束配筋偏少，自身造價較低，且其質量較輕，可節省下部結構的造價。加之該橋型具有施工快速、節省模板、無須搭設支架等特點，因此，其造價相對于現澆箱梁具有較大的優勢。

3 現行通用圖的局限性和存在的問題

3.1 計算活載和二期恒載

通用圖中汽車設計荷載等級為公路-Ⅰ級，當有超限車輛通過時，應另進行結構驗算，并采取相應措施。但實際運營過程中，可能出現超載車輛違規運營現象，導致橋梁出現裂縫等病害，國內大量采用通用圖設計的小箱梁橋因此進行了粘貼鋼板等加固設計。

通用圖中二期恒載中鋪裝層考慮8 cm 混凝土找平層和10 cm 瀝青層，防撞護欄按照相應防撞等級設計。而實際設計中，每個項目因總體要求有所不同，如鋪裝層中混凝土找平層采用10 cm，瀝青層厚度最厚采用11 cm，邊板翼緣上除防撞墻的體積不同外，有些項目還需要設置聲屏障、防拋網、掛排水管、花槽等設施，一般來說，二期恒載較通用圖規定的恒截大，需要在設計中予以考慮[1]。

3.2 梁長適用范圍

通用圖規定處于平曲線段上的橋梁，沿測設中心線采用標準跨徑，墩、臺中心線均徑向布置。當梁長變化在±150 mm范圍內時，可采用調整現澆連續段長度的方式布梁，預制梁長保持不變；當梁長變化在±500 mm 時，各預制梁采用變梁長，現澆連續段長度保持不變。若梁長變化超過±500 mm，則需根據各橋具體情況確定設計方案，并進行結構驗算。因此，其適用范圍較小。

3.3 通用圖設計橋梁裂縫分析

國內采用通用圖設計的先簡支后連續預制小箱梁橋，在運營過程中經常發生腹板斜裂縫和頂板腹板相接處出現縱向裂縫的問題。

腹板出現斜裂縫的主要原因為設計不足，腹板厚度偏小，箍筋間距偏大，由于腹板太薄，箍筋又少，梁體抗剪儲備不足，箍筋不足以限制裂縫的發展。所以，裂縫一旦出現，箍筋應力就很大，隨著荷載的反復作用，裂縫進一步增長和擴寬，使梁體的整體剛度降低，承載能力下降。隨著時間的推移，在荷載的不斷作用下，梁體狀況加劇惡化，最終趨于破壞。

頂板與腹板相接處容易發生縱向裂縫，它是腹板斜裂縫進一步擴展的后果，其產生原因及嚴重程度與施工因素、荷載作用情況、路面狀態及支撐條件等有關。橋面板濕接縫處的縱向裂縫主要原因是車輛超載長期作用使該處橋面板的局部受力變大和橋梁結構的整體變形和受力所致。另外，箱梁底板、腹板底板交界處縱向裂縫產生的主要原因是施工質量存在缺陷[2]。

4 東部過境高速公路的小箱梁橋改進措施

針對現行通用圖存在的問題，并結合深圳市東部過境高速公路特殊情況，本項目的先簡支后連續預制小箱梁橋設計在通用圖基礎上進行了以下改進措施，本設計與通用圖設計的比較表以30 m 和35 m 標準跨徑小箱梁為例，各項指標見表1。

表1 通用圖與改進圖比較表

4.1 梁長及布梁方式

本設計墩臺采用徑向布置，但由于最小平曲線R=420 m，單幅橋寬度為16 m，因此，30m 小箱梁梁長為28.8～31.2 m，35 m小箱梁梁長為33.6～36.4 m，小箱梁采用直線預制，彎橋直做，左右半幅橋橋孔均由道路中心線弧長控制，采用變梁長設計，專門繪制各橋小箱梁平面布置圖，對各預制梁進行編號并給出細節參數，橋梁變寬段采用濕接縫調節其寬度，濕接縫寬度最大調節范圍為0.68~0.98 m[3]。

直線橋中30 m 和35 m 標準跨徑邊梁中心線到懸臂端距離為165.5 cm，本項目中30 m 跨徑的內邊梁中心線到懸臂端距離最小值為139.6 cm，外邊梁中心線到懸臂端部最大值為197.2 cm。本項目中35 m 跨徑的內邊梁中心線到懸臂端距離最小值為135.4 cm，外邊梁中心線到懸臂端部最大值為

201.4 cm。

4.2 橋面橫坡

通用圖提供的橋面橫坡為2%，本項目要考慮各種平曲線對應的超高等橫坡，其中橫坡最大值為5%。本項目橋面橫坡主要由臺身變高或橋墩蓋梁傾斜形成，預制小箱梁設計了0%、2%和4%共3 種梁頂橫坡，根據各梁所處位置的橋面橫坡選用最接近的梁頂橫坡的預制梁，例如，當橋面橫坡為5%時，選用梁頂橫坡為4%的預制梁，另采用橋面鋪裝現澆層進行調節。橋面橫坡處理如圖1 所示。

圖1 橋面橫坡處理示意圖（單位：cm）

4.3 斷面尺寸

為克服通用圖設計的小箱梁橋裂縫問題，本設計加厚了腹板和底板厚度，30 m 小箱梁頂板跨中厚度為18 cm，底板、腹板跨中厚度均為20 cm，支點處頂板厚度為18 cm，底板厚度為25 cm，腹板厚度為30 cm；35 m 小箱梁，頂板跨中厚度為18 cm，底板、腹板跨中厚度均為20 cm，支點處頂板厚度為18 cm，底板厚度為35 cm，腹板厚度為35 cm；隨著腹板和底板厚度的加大，鋼筋保護層厚度也有所增加，提高了結構的耐久性。

4.4 中橫梁寬度

考慮到本設計平曲線半徑較小，而負彎矩鋼束的轉向需要在中橫梁濕接縫寬度范圍內完成，為滿足JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求曲線形預應力鋼筋的曲線半徑不小于4 m，本設計將中橫梁濕接縫寬度由35 cm 調整為60 cm，同時也方便了施工時普通鋼筋的連接。

4.5 配束配筋

為適應深圳市東部過境高速公路二期恒載較重、汽車荷載在運營過程中存在車流量大、重載車輛比重偏大、可能出現超載的情況，本設計的鋼束鋼筋配置比通用圖的鋼束鋼筋配置有所提高。預應力鋼束采用預制箱梁正彎矩鋼束，采用M15-4 和M15-5 鋼絞線，負彎矩鋼束采用BM15-5 鋼絞線，普通鋼筋采用HPB300 和HRB400 鋼筋。從結構全壽命成本分析，在建設階段增加了較少的成本，可節省運營階段維修加固所需的費用，并且減少了對運營階段交通的影響。

5 結語

先簡支后連續預制小箱梁橋由于造價低、施工方便、結構性能較好得到了廣泛運用，但由于現行通用圖存在局限性，設計人員在套用通用圖時應特別注意其局限性，核查與設計項目的匹配性，必要時應在通用圖的基礎上進行修改，避免簡單套用通用圖導致病害。對現行通用圖進行改進設計，可使其適應抵抗二期恒載較大、重載車輛比例偏大的情況以及適用于曲線半徑較小的情況，可減少小箱梁橋在運營過程中出現裂縫的概率，擴大先簡支后連續預制小箱梁橋的適用范圍。