先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋改進(jìn)設(shè)計

劉雪峰

（深圳市綜合交通與市政工程設(shè)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(tuán)和東部組團(tuán)內(nèi)，以規(guī)劃的深港蓮塘口岸為起點(diǎn)，向東北方向延伸，終點(diǎn)與深汕、惠鹽高速公路相接，采用80 km/h 設(shè)計速度，雙向8 車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，寬度為32 m。道路全長約31 km，橋梁長度達(dá)到17.6 km，根據(jù)業(yè)主要求，盡量采用先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋，本項(xiàng)目采用先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋的長度達(dá)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(xiàng)目為過境通道，項(xiàng)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(yùn)行的特點(diǎn)，因此，如何在各種不利情況下確保先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性成為本項(xiàng)目設(shè)計的重難點(diǎn)。

2 先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋的特點(diǎn)

先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋主要有以下特點(diǎn)：

1）從結(jié)構(gòu)體系分析，先簡支后連續(xù)小箱梁橋充分發(fā)揮了簡支梁橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們的缺點(diǎn)，該體系具有構(gòu)造簡單的特點(diǎn)，并有效地減小了截面尺寸，減少了預(yù)應(yīng)力配束。該體系在運(yùn)營階段已轉(zhuǎn)換為連續(xù)體系，由于支點(diǎn)負(fù)彎矩的“卸載”作用，使汽車荷載產(chǎn)生的跨中彎矩明顯減少，從而可以減小設(shè)計尺寸，減少配束，使結(jié)構(gòu)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(yù)制，從前期預(yù)應(yīng)力的張拉到澆筑接縫、后連續(xù)預(yù)應(yīng)力的張拉，混凝土已有相當(dāng)?shù)凝g期，因而減少了收縮、徐變對結(jié)構(gòu)體系的影響。

3）從基礎(chǔ)沉降影響分析，由于該結(jié)構(gòu)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(hù)欄、掛管、聲屏障、防拋網(wǎng)）按連續(xù)梁結(jié)構(gòu)考慮，基礎(chǔ)沉降對結(jié)構(gòu)的影響相對較小。

4）從施工角度分析，預(yù)制小箱梁可采用標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件，更有利于確保構(gòu)件質(zhì)量、提高施工速度、節(jié)省模板費(fèi)用，上部結(jié)構(gòu)預(yù)制的同時下部結(jié)構(gòu)也可施工，節(jié)省了工期，加快了施工進(jìn)度。

5）從經(jīng)濟(jì)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(zhì)量較輕，可節(jié)省下部結(jié)構(gòu)的造價。加之該橋型具有施工快速、節(jié)省模板、無須搭設(shè)支架等特點(diǎn)，因此，其造價相對于現(xiàn)澆箱梁具有較大的優(yōu)勢。

3 現(xiàn)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(shè)計荷載等級為公路-Ⅰ級，當(dāng)有超限車輛通過時，應(yīng)另進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，并采取相應(yīng)措施。但實(shí)際運(yùn)營過程中，可能出現(xiàn)超載車輛違規(guī)運(yùn)營現(xiàn)象，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)裂縫等病害，國內(nèi)大量采用通用圖設(shè)計的小箱梁橋因此進(jìn)行了粘貼鋼板等加固設(shè)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(hù)欄按照相應(yīng)防撞等級設(shè)計。而實(shí)際設(shè)計中，每個項(xiàng)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(xiàng)目還需要設(shè)置聲屏障、防拋網(wǎng)、掛排水管、花槽等設(shè)施，一般來說，二期恒載較通用圖規(guī)定的恒截大，需要在設(shè)計中予以考慮[1]。

3.2 梁長適用范圍

通用圖規(guī)定處于平曲線段上的橋梁，沿測設(shè)中心線采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑，墩、臺中心線均徑向布置。當(dāng)梁長變化在±150 mm范圍內(nèi)時，可采用調(diào)整現(xiàn)澆連續(xù)段長度的方式布梁，預(yù)制梁長保持不變；當(dāng)梁長變化在±500 mm 時，各預(yù)制梁采用變梁長，現(xiàn)澆連續(xù)段長度保持不變。若梁長變化超過±500 mm，則需根據(jù)各橋具體情況確定設(shè)計方案，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。因此，其適用范圍較小。

3.3 通用圖設(shè)計橋梁裂縫分析

國內(nèi)采用通用圖設(shè)計的先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋，在運(yùn)營過程中經(jīng)常發(fā)生腹板斜裂縫和頂板腹板相接處出現(xiàn)縱向裂縫的問題。

腹板出現(xiàn)斜裂縫的主要原因?yàn)樵O(shè)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(fā)展。所以，裂縫一旦出現(xiàn)，箍筋應(yīng)力就很大，隨著荷載的反復(fù)作用，裂縫進(jìn)一步增長和擴(kuò)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(fā)生縱向裂縫，它是腹板斜裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展的后果，其產(chǎn)生原因及嚴(yán)重程度與施工因素、荷載作用情況、路面狀態(tài)及支撐條件等有關(guān)。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(jié)構(gòu)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(chǎn)生的主要原因是施工質(zhì)量存在缺陷[2]。

4 東部過境高速公路的小箱梁橋改進(jìn)措施

針對現(xiàn)行通用圖存在的問題，并結(jié)合深圳市東部過境高速公路特殊情況，本項(xiàng)目的先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋設(shè)計在通用圖基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下改進(jìn)措施，本設(shè)計與通用圖設(shè)計的比較表以30 m 和35 m 標(biāo)準(zhǔn)跨徑小箱梁為例，各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 通用圖與改進(jìn)圖比較表

4.1 梁長及布梁方式

本設(shè)計墩臺采用徑向布置，但由于最小平曲線R=420 m，單幅橋?qū)挾葹?6 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(yù)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(shè)計，專門繪制各橋小箱梁平面布置圖，對各預(yù)制梁進(jìn)行編號并給出細(xì)節(jié)參數(shù)，橋梁變寬段采用濕接縫調(diào)節(jié)其寬度，濕接縫寬度最大調(diào)節(jié)范圍為0.68~0.98 m[3]。

直線橋中30 m 和35 m 標(biāo)準(zhǔn)跨徑邊梁中心線到懸臂端距離為165.5 cm，本項(xiàng)目中30 m 跨徑的內(nèi)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(xiàng)目中35 m 跨徑的內(nèi)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(xiàng)目要考慮各種平曲線對應(yīng)的超高等橫坡，其中橫坡最大值為5%。本項(xiàng)目橋面橫坡主要由臺身變高或橋墩蓋梁傾斜形成，預(yù)制小箱梁設(shè)計了0%、2%和4%共3 種梁頂橫坡，根據(jù)各梁所處位置的橋面橫坡選用最接近的梁頂橫坡的預(yù)制梁，例如，當(dāng)橋面橫坡為5%時，選用梁頂橫坡為4%的預(yù)制梁，另采用橋面鋪裝現(xiàn)澆層進(jìn)行調(diào)節(jié)。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(shè)計的小箱梁橋裂縫問題，本設(shè)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(diǎn)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(diǎn)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(hù)層厚度也有所增加，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。

4.4 中橫梁寬度

考慮到本設(shè)計平曲線半徑較小，而負(fù)彎矩鋼束的轉(zhuǎn)向需要在中橫梁濕接縫寬度范圍內(nèi)完成，為滿足JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》要求曲線形預(yù)應(yīng)力鋼筋的曲線半徑不小于4 m，本設(shè)計將中橫梁濕接縫寬度由35 cm 調(diào)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(yīng)深圳市東部過境高速公路二期恒載較重、汽車荷載在運(yùn)營過程中存在車流量大、重載車輛比重偏大、可能出現(xiàn)超載的情況，本設(shè)計的鋼束鋼筋配置比通用圖的鋼束鋼筋配置有所提高。預(yù)應(yīng)力鋼束采用預(yù)制箱梁正彎矩鋼束，采用M15-4 和M15-5 鋼絞線，負(fù)彎矩鋼束采用BM15-5 鋼絞線，普通鋼筋采用HPB300 和HRB400 鋼筋。從結(jié)構(gòu)全壽命成本分析，在建設(shè)階段增加了較少的成本，可節(jié)省運(yùn)營階段維修加固所需的費(fèi)用，并且減少了對運(yùn)營階段交通的影響。

5 結(jié)語

先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋由于造價低、施工方便、結(jié)構(gòu)性能較好得到了廣泛運(yùn)用，但由于現(xiàn)行通用圖存在局限性，設(shè)計人員在套用通用圖時應(yīng)特別注意其局限性，核查與設(shè)計項(xiàng)目的匹配性，必要時應(yīng)在通用圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，避免簡單套用通用圖導(dǎo)致病害。對現(xiàn)行通用圖進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，可使其適應(yīng)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(yùn)營過程中出現(xiàn)裂縫的概率，擴(kuò)大先簡支后連續(xù)預(yù)制小箱梁橋的適用范圍。