新型预应力混凝土叠合结构桥梁研究

叶建龙，胡祥森，余茂峰，郭斌强

(浙江省交通规划设计研究院有限公司， 杭州 310006)

互通立交区域存在着较多位于小半径曲线、超高变化路段及大幅变宽段的桥梁[1]。传统的装配式结构(如小箱梁、T梁及矮T梁等)应用于互通区超高变化段及大幅变宽段的桥梁时，需频繁调整预制主梁的钢模板及预制主梁内的钢筋设置，施工非常繁琐且易引起桥面病害。而现浇连续箱梁应用于互通区小半径、变超高、变宽桥梁时，不仅需搭设支架，现场工作量大，施工要求高，质量难以保证，还存在着风险高、工期长、造价高、后期病害多发等问题[2-4]。

为解决传统结构桥梁应用于互通区时存在的上述问题，本文对结构型式进行创新，提出一种新型预应力混凝土叠合结构桥梁，并将从结构的设计选型、受力分析、施工方法等方面进行研究、论述结构的可行性及合理性；同时拟从设计及施工角度出发，研究优化布梁方案及相关构造处理，以提升该结构的标准化、工厂化水平，推动结构的推广应用。

1 结构型式

1.1 典型构造

本文介绍的新型预应力混凝土叠合结构桥梁，采用T型(也可根据需要采用I型或U型等)预制主梁，主梁间通过横梁进行连接；混凝土桥面板现浇并通过预埋件与主梁叠合后形成整体结构；预制主梁和现浇桥面板均采用C50混凝土。该结构的体系构造属于预制装配式桥梁，采用“预制+现浇”的施工方式，预制主梁在工厂内预制，可实现标准化生产，工艺成熟，质量可靠[5]；桥面板在现场现浇，能较好地适应桥面横坡变化及桥梁变宽的需要。

该预应力混凝土叠合结构桥梁上部体系主要由预制中主梁、预制边主梁、防倾构造、现浇桥面板、预埋件和横梁组成。预制中主梁和预制边主梁架设在盖梁调平垫石上，预制边主梁两端设置防倾构造；现浇桥面板浇筑在预制主梁上，并通过预埋在预制主梁内的预埋件与预制主梁结合；横梁作为主梁间的横向联系设置在主梁端部及其他必要的位置。从互通区的实际情况出发，本文介绍的新型预应力混凝土叠合结构桥梁采用简支桥面连续结构体系，其典型构造如图1所示。

(a) 结构体系示意

1.2 结构特点

新型预应力混凝土叠合结构桥梁的预制中主梁和预制边主梁采用T型梁，预制梁上翼缘标准厚度采用10 cm，预制主梁顶宽比常规装配式结构窄，预制主梁梁顶、底均为水平，断面构造与桥面横坡无关，使得预制便捷，质量可靠，预制梁做窄做轻，方便了运输及架设。

预制边主梁外侧挑臂不对称设置，采用外侧大挑臂构造，可兼作上部现浇桥面板的底模，避免了边梁外侧挑臂现浇施工时需搭设模板的困难，使得施工快捷、经济、高效。由于预制边主梁的外挑臂较长，有向外倾覆的可能，为此，在预制边主梁外侧增设牛腿作为防倾构造，以保证各片预制梁在横向连接完成之前的稳定性。增设的牛腿与预制边主梁一体预制成型，牛腿下设置临时支座。

该结构现浇桥面板顶面横坡与桥面横坡一致，现场浇筑方式较好地适应了桥面横坡变化的需要。由于预制主梁上翼缘做窄做薄，现浇桥面板相对又较厚，横坡变化引起的现浇桥面板局部厚度变化很小，精度可控，大大加强了桥梁上部的整体性，并可减少桥面病害[6]。另外，预制主梁较窄，梁片数设置灵活、调整方便，能更好地适用于变宽桥梁。由于现浇桥面板的存在，该结构取消了传统预制装配式桥梁结构的混凝土调平层，提高了结构的经济性。

该结构通过在预制主梁内设置的预埋件，加强了预制主梁与现浇桥面板的连接，使二者有机结合，协同受力，同时在主梁两端及其他必要位置处设置横梁，以实现主梁间的横向联系。

1.3 标准跨径

新型预应力混凝土叠合结构桥梁采用16 m和25 m两种标准跨径，主要基于以下考虑：

针对小半径曲线匝道桥，采用16 m的标准跨径，其优点：可适用于平曲线半径≥60 m的匝道，主梁按直线布置，曲线通过调整边梁挑臂长度实现，边板挑臂调整长度不超过25 cm。

针对变宽桥梁、跨线桥梁和曲线半径较大的“S”弯桥梁，采用25 m的标准跨径，其优点：1) 能适应曲线半径大于150 m的桥梁；2) 考虑标准跨径的适用性，枢纽区配跨一般受到很多节点控制，会出现一些非标准跨径，如按25 m标准跨径设计，20 m～25 m跨径范围内可统一采用25 m梁高，标准化程度相对更高；3) 从经济性考虑，25 m跨径在上部费用增加不多的情况下，能显著减少下部数量及费用，有较好的经济性。

2 结构设计及施工方法[7-11]

本结构主要是为了解决互通区特殊条件下设置桥梁困难而提出的，故针对互通区的特定条件，本文对新型混凝土叠合结构桥梁结构的设计等有关问题进行了研究，并提出了方便可行的施工方法。

2.1 标准梁间距的选择

互通区匝道常用桥梁断面宽度主要有8.5 m和10 m，较合理的桥梁断面布置有：

1) 标准梁间距1.7 m左右：8.5 m断面设置5片梁，断面布置：(0.85+4×1.7+0.85)m，梁间距为1.7 m；10 m断面设置6片梁，断面布置：(0.85+5×1.66+0.85)m，梁间距为1.66 m。

2) 标准梁间距2.2 m左右：8.5 m断面设置4片梁，断面布置：(0.86+3×2.26+0.86)m，梁间距为2.26 m；10 m断面设置5片梁，断面布置：(0.85+4×2.07+0.85)m，梁间距为2.07 m。

以16 m跨径为例，对上述2种情况进行计算、比选，统计的混凝土指标、预应力钢束指标见表1。由表1可见，对于互通区匝道常用断面宽度(8.5 m/10 m)，采用2.26 m/2.07 m梁间距的材料指标较采用1.7 m/1.66 m梁间距的材料指标略微节省(节省3.2%～9.3%),但强度富裕较低，采用2.26 m/2.07 m梁间距的强度富裕小于5%，而采用1.7 m/1.66 m梁间距的强度富裕均在10%以上。

表1 16 m跨径不同梁间距主要材料用量及指标统计

在经济性差距不大的情况下，综合考虑安全性、耐久性及变宽路段桥梁的适用性等因素，本新型预应力混凝土叠合结构桥梁采用1.7 m左右的标准梁间距。

2.2 梁高的选择

由于互通区匝道桥桥面一般较高，净高不是限制性因素，故选择梁高时，应在合理的范围内首先考虑经济性因素。下面以互通区匝道常用的10 m桥宽、断面布置(0.85+5×1.66+0.85)m为例，对16 m、25 m跨径不同梁高分别进行经济性比较，具体见表2、表3。

表2 16 m跨径不同梁高主要材料用量及指标统计

表3 25 m跨径不同梁高主要材料用量及指标统计

由表2、表3可知，对16 m、25 m标准跨径分别采用1.2 m、1.6 m梁高的情况下，混凝土材料指标增加不大，预应力钢束指标减少很多，较为经济合理；同时由统计结果可知，本新型预应力混凝土叠合结构桥梁较对应跨径的传统装配式混凝土桥梁结构经济。

2.3 结构尺寸的拟定

针对互通区的特定条件，通过相关计算分析、优化及论证工作，结合前文论述，新型预应力混凝土叠合结构桥梁标准梁间距取1.7 m，16 m、25 m跨径混凝土叠合梁预制主梁高度h分别为1.2 m、1.6 m；预制中主梁宽度为80 cm，预制边主梁内半梁宽度40 cm，外半梁宽度可根据桥梁边线适当调整；预制主梁上翼缘标准厚度采用10 cm，在腹板交接处设置10 cm×10 cm的倒角；预制主梁腹板标准宽度b分别为18 cm、20 cm；预制主梁下马蹄宽度d分别为40 cm、48 cm，马蹄倒角高c分别为15 cm、20 cm，马蹄总高度分别为35 cm、40 cm。在预制主梁端部 1 m 范围内设置腹板加厚段，并在跨径方向设置过渡段。16 m、25 m跨径混凝土叠合梁现浇桥面板标准厚度均为18 cm，总的桥面板厚度均为28 cm；现浇桥面板板顶横坡与桥面横坡i一致。16 m、25 m跨径混凝土叠合梁横隔板均采用35 cm厚度，在梁两端部及跨中各设置一道横隔板。在预制边主梁两端部外侧设置25 cm×20 cm的牛腿作为防倾构造。新型混凝土叠合梁构造断面如图2所示。

由图2可知，新型预应力混凝土叠合梁在预制梁顶板范围内的现浇桥面板厚度变化范围为(18±40i)cm，在互通区匝道平曲线路段极限超高值8%的情况下[12]，现浇桥面板厚度增减最大不超过3.2 cm，变化幅度不大；该结构可适用于互通区所有超高情况。

2.4 结构内力分析

在确定新型预应力混凝土叠合梁的相关构造及尺寸后，进一步对结构受力进行分析。主桥上部结构以平面杆系有限元理论为基础进行计算分析，16 m、25 m跨径简支预应力混凝土叠合梁控制截面的主要内力、应力、挠度及配束情况见表4，均满足相关规范[13-14]要求。同时，根据计算提取内力及规范相关条文，经验算，结构结合面仅需按构造配置抗剪钢筋；设计在预制中梁及预制边梁结合面上分别配置了612 mm及812 mm钢筋，结合面抗剪钢筋的纵桥向间距在支点到1/4跨径范围内为20 cm，其余部分为30 cm。另外，在制梁阶段，16 m和25 m预制梁顶底应力在3.2 MPa～13.4 MPa之间，未出现拉应力；预制梁最大上挠17 mm；均满足相关要求。

表4 叠合梁控制截面的主要内力、应力及挠度

注：弯矩为承载能力极限状态基本组合值。

同时利用Abaqus按空间三维实体对16 m跨径、8.5 m桥宽和25 m跨径、12.25 m桥宽2种匝道弯桥进行了计算分析。空间分析时，考虑了互通区匝道不利平曲线条件下的实际布梁情况，计算结果如图3、图4所示。

图3、图4中，16 m跨径、25 m跨径的计算结果表明：桥面板最大拉应力分别为-1.137 MPa、-1.6 MPa(受压)，发生在跨中；预制主梁与现浇桥面板结合面最大剪切应力分别为1.412 MPa、1.028 MPa，发生在简支桥端部内侧T梁与桥面交界面上；横隔板最危险部位在简支梁端部弯桥的外侧，应力分别为0.449 MPa、-1.07 MPa；简支桥面连续构造最大拉应力发生在内侧，分别为0.242 MPa、0.125 MPa。结构应力满足规范要求。

(a) 梁体应力

(b) 隔板应力

(c) 挠度

(d) 结合部层间剪应力

(a) 梁体应力

(b) 隔板应力

(c) 挠度

(d) 结合部层间剪应力

2.5 施工方法

本结构桥梁的施工流程可采用：1) 在工厂内制作预制主梁，同时预埋连接件，预制主梁运送至工地；2) 待桥梁下部施工完成后，汽车吊装预制主梁就位；3) 在预制边主梁的防倾构造下设置临时支座，吊模，绑扎钢筋，浇筑现浇桥面板及横梁；4) 待现浇桥面板及现浇横梁的混凝土达到设计强度后，拆除防倾构造下的临时支座，然后施工桥面铺装及护栏。针对本结构预制梁结构小、吊重轻的特点，主梁架设时，建议首选汽车吊装，有特殊需要时，可采用在梁上铺设可转向滑轨的桥面运梁方案。

3 标准化、工厂化制造的关键问题

标准化、工厂化制造、装配化施工的生产方式，具有集约性、可靠性和高效性的特点，又能相互促进、相互提升。为此，本文结合互通区的特定条件，从设计及施工角度出发，对新型预应力混凝土叠合结构桥梁有关标准化、工厂化制造的关键问题进行了研究。

3.1 布梁方案

由于互通区匝道桥通常转弯半径较小，使用混凝土叠合结构桥梁进行跨越时，往往内外侧梁长相差较大，梁长型号较多[15]。例如，60 m转弯半径、16 m跨径、8.5 m桥宽且在保证梁端现浇段长度不变的情况下，内外侧梁长最大相差1.824 m，单跨梁长型号达5种。针对这种情况，下面对2种布梁方案进行研究。

1) 布梁方案1

保证梁端现浇长度不变，按实际平面位置一片梁采用一种预制梁长，如图5所示。

图5 布梁方案1示意

方案1的优点是支座距离桥墩中心线位置可以控制在50 cm，盖梁宽度可以控制在最小，受力清晰；缺点是预制梁长度均不相同，很零碎，给工厂化、标准化大规模制造带来很多困难。

2) 布梁方案2

在按实际平面位置布梁所得梁长的基础上，对预制梁长进行适当归并，同时适当调整梁端现浇长度，如图6所示。

图6 布梁方案2示意

对工程上较常见的情况进行布梁后得到不同转弯半径、桥梁宽度下的梁长, 并对梁长进行归并整理后，16 m及25 m跨径的预制梁长由布梁方案1的上百种缩减到约11种，已能满足大多数情况下设计的需要。

布梁方案2的优点是可大大提高标准化程度，方便工厂化制造及销售；缺点是由于预制梁长的归并，部分梁片梁端现浇长度将最多增加至约25 cm，支座中心线需外挪至距离桥墩中心线60 cm～65 cm的位置，进而导致了盖梁宽度需增加20 cm～30 cm。

综合考虑，大规模应用时，布梁方案2的优势较明显，其不足可以通过适当增加下部盖梁宽度来解决。

3.2 预制边梁外挑臂的处理

新型混凝土叠合结构桥梁主要用于互通区曲线桥梁上，由于桥梁边线为曲线，造成预制边梁外挑臂呈曲线变化，且形式多样。这种情况导致预制边梁难以标准化，工厂制造时无法标准化批量生产。针对这个问题，本文对2种实施方案进行研究，如图7所示。

方案1：预制梁阶段，边梁采用与中梁相同断面构造进行预制，在现场浇筑曲线轮廓的外挑臂翼缘板部分，预制主梁时预留钢筋，到现场后放样焊接至实际长度。

方案2：预制边梁分2步进行。1) 先把边梁采用与中梁相同断面的构造进行批量预制，并预埋连接钢筋；2) 在预制厂制作曲线轮廓的外挑臂翼缘板部分(即特殊预制部分)，然后再把特殊预制部分与梁批量预制部分通过预埋的连接钢筋进行拼接安装。

(a) 方案1

(b) 方案2

以上2种方案均解决了边梁预制型号多，无法标准化批量生产的问题，且避免了预制边梁在钢束张拉时由于截面横向不对称而产生的附加角点应力。方案1的缺点是需要现场架设边梁外挑臂的模板，增加了施工难度及施工成本，并需要现场动态调节模板及钢筋，较难保证施工质量。建议采用方案2的处理方式。

3.3 横梁与预制梁的连接

本结构用于互通区曲线桥梁时，在不同转弯半径情况下，端横梁与主梁需要斜交设置，且斜交角度有差异。若预制主梁时，端横梁按实际斜角角度预制，就会影响主梁的预制效率，同时大大降低了标准化程度。本结构通过尽量减小预制部分端横梁的尺寸(只设置10 cm×10 cm倒角)，预制部分端横梁与预制主梁采用正交，仅通过现浇部分实现横梁斜交；跨中横梁则可采用预制、现浇均正交的做法。具体形式如图8所示。

(a) 端横梁连接

(b) 中横梁连接

4 工程应用

新型预应力混凝土叠合结构桥梁最早在申苏浙皖高速公路新增湖州南太湖互通及连接线工程中的A匝道桥上进行了应用，该工程位于湖州太湖旅游度假区太史湾附近，其中南太湖互通A匝道桥第5～7联采用了16 m叠合T梁结构，桥梁平面位于A=90 m的缓和曲线及R=62.75 m的圆曲线上，桥宽17.5 m～18.25 m，匝道设计速度40 km/h，超高从 ±2% 变化至6%，预制中梁顶宽80 cm，预制边梁内半梁宽40 cm，横向采用11片梁，梁间距159 cm～166 cm。该桥自2017年开建，于2019年6月正式通车，现运行状况良好，得到参建各方的一致认可。目前，预应力混凝土叠合结构桥梁在杭州绕城高速公路复线杭绍段和湖州段、申嘉湖高速公路安吉孝源至唐舍段工程等在建项目的互通区桥梁上得到广泛应用。

5 结束语

针对传统预制装配式桥梁结构应用于互通区桥梁时存在的问题及局限，本文提出了一种新型混凝土叠合结构桥梁，经综合分析研究，主要得出以下结论：

1) 新型混凝土叠合结构桥梁应用于互通区时，可采用16 m和25 m两种标准跨径，16 m跨径适用于小半径曲线匝道桥，25 m跨径适用于变宽桥梁、跨线桥梁和曲线半径较大的“S”弯桥梁。

2) 新型混凝土叠合结构桥梁采用1.7 m左右的标准梁间距时，具有较好的经济性和安全性；该结构16 m、25 m跨径分别采用1.2 m、1.6 m梁高时，较为经济合理；该新型结构较对应跨径的传统装配式预应力混凝土桥梁结构要经济。

3) 通过平面杆系有限元分析及空间三维实体分析可知，本文提出的新型混凝土叠合结构桥梁的受力性能满足现行规范的有关要求，该结构的体系构造及设计方法合理可行。

4) 从标准化、工厂化的角度，建议新型混凝土叠合结构桥梁的布梁宜采用适当归并梁长的方案，并进行模数化梁长设计、制造。该结构用于曲线桥梁时，边梁外挑臂处理建议先预制与中梁相同构造断面的部分，再预制外挑臂的曲线轮廓部分，两者通过预埋钢筋进行拼接；在横梁与预制梁连接方式上，新型混凝土叠合结构桥梁应采用减小预制部分横梁长度的构造，不同斜交角度仅通过调整现浇横梁来实现，以提高制梁效率。

5) 本文对常规结构进行设计创新，提出了更适合于互通区的新型预应力混凝土叠合结构桥梁方案，并得到了工程实践的验证；本文介绍的设计方法及关键构造的处理，对于推进精细化设计、提高设计质量及效率、提升工程品质具有一定的积极意义，可供类似工程设计参考。