部分预应力混凝土（后张法）带翼箱形板梁的设计特色

陈东 李文祥 李明贵

（1.云南交通职业技术学院，云南 昆明 650503；2.云南省昭通市高速公路投资发展有限责任公司，云南 昭通 657300；3.四川省林业勘察设计研究院，四川 成都 610081）

一、引言

公路桥梁中，40m跨径以下的中小跨径桥梁占比达桥梁总数的90%以上。为顺应标准化、工厂化、机械化的时代要求，中小跨径桥梁多采用装配式结构。装配式结构除保证施工质量外，尚具有较高的施工效率，并能够较大程度地降低对施工现场的干扰。

装配式中小桥梁应成为桥梁建设者必须认真研究的课题。然而，桥梁建设者把越来越多的精力投入到新结构、大跨径桥梁的研究上，对中小跨径桥梁结构型式的适用性、合理性以及需要采取的改进措施等问题的研究较少。

1937年，美国修建了第一座混凝土箱梁桥。1978年，西安公路研究所率先研究并开发出20m后张法预应力混凝土带翼小箱梁桥。之后，在国内带翼小箱梁得到了长足发展。

从相关文献来看，国内对小箱梁的研究，主要集中在斜腹式小箱梁的相关研究和应用，鲜见直腹式小箱梁的应用文献，未见部分预应力混凝土（后张法）带翼箱型板梁的相关报告。

2007年，云南省修建了单跨30m跨径带翼箱型板梁试验桥，此后在云南省元（江）至红（河）二级公路红河县城附近修建了一座7～20m带翼箱型板梁观察桥，桥梁运行至今状况良好。

为推广装配式部分预应力混凝土带翼箱型板梁的应用，有效节省投资，2014年云南省交通运输厅立项开展《部份预应力混凝土（后张法）带翼箱形板梁推广应用示范》研究，项目编号：云交科2014（B）03。

2016年，课题组依托于云南省道S101昭阳至永善公路改建工程项目莲峰至黄华丫口段改建工程，开展了跨径16、20、30m三种部分预应力混凝土（后张法）带翼箱梁应用研究。

应用研究表明带翼箱型板梁是一种强度高，刚度较大，用材较少，施工方便，钢绞线锚固可靠的结构。较斜腹式小箱梁、T梁常规桥梁节省投资15%以上，值得进一步推广应用。

图1.带翼箱板梁断面(单位：cm)

二、依托工程应用情况

昭永公路改建工程项目莲峰至黄华丫口段位于昭通市永善县，高山峡谷地形地貌，公路等级为三级公路，路线长66.104km，设计速度40km/h，路基宽度8.5m，汽车荷载:公路－II级。桥梁共17座，其中运用科研成果带翼箱型板梁设计11座，跨径分为16m、20m、30m，共计梁板109片，总桥长706.2m。

三、设计特色

（一）预应力配置特色鲜明，设计思想先进

1.合理运用部分预应力A类构件

部分预应力吸收了全预应力混凝土和普通钢筋混凝土结构的优点,采用了预应力与普通钢筋的混合配筋,在工程中的应用方兴未艾。

为了减少建设成本，一座桥梁的每个部件应在保证安全的情况下，选择最为适合的设计。

本文研究项目采用装配式部分预应力混凝土A类构件，与全预应力混凝土构件相比，钢绞线可减少24.9%～30.5%。

2.分段布筋锚固，避免应力在梁端集中

可以将简支梁筋束布置在底板内，使筋束黏结于管道同混凝土构成整体作用。

在底板布束，预应力钢绞线重心距截面的下缘最近，产生的预应力效果最好。根据弯矩沿梁长中间大、两端小的分布规律，将钢束固定端设在距梁端2.65m附近的位置，这样既避免钢束在梁端集中，又减少筋束长度。另外，底板布束，竖向腹板内无预应力筋通过，可有效地减少腹板管道下振动不密实的风险。

3.单端张拉，减少锚具数量

从经济角度来考量，跨径60m以内可选择预应力单端张拉。本应用研究项目预应力钢绞线长度为13.5～27.5m，应用单端张拉技术，可降低锚固段锚具回缩损失，减少锚具数量50%。

4.张拉设备简单，符合山区特点

箱梁梁端采用夹片式扁锚体系（BM型），张拉设备采用穿心式千斤顶，设备轻便，一般的施工队伍均能胜任。为确保均衡控制张拉应力，采用数显式张拉控制仪控制张拉过程，逐束逐根对称张拉。

（二）经济效益显著

斜腹式小箱梁虽然材料用量比T梁节省，但造价相对较高，主要因素源于施工费用较高。

带翼箱板梁通过对斜腹式小箱梁截面尺寸的优化、预应力布设方式改进、施工模板创新等措施，有效降低了建设投资。

1.节省钢筋

当桥宽12m，斜腹式小箱梁4片、T梁5片、带翼箱板梁6片时，其混凝土用量相近，但20m箱板梁比20m小箱梁和T梁，钢筋减少12.8～44.7%，钢绞线减少17.4～21.4%；30m箱板梁比30m斜腹式小箱梁和T梁，使用钢筋减少41.9～50.2%，钢绞线减少10.0～17.9%。

2.节省投资

收集昭永公路三个合同段带翼箱板梁相关数据，并与同跨径简支T梁进行实际应用对比分析可知：20m的带翼箱板梁比20mT梁，造价降低23.03～27.91%；30m的带翼箱板梁比30mT梁，造价降低15.15～21.77%。

3.梁间距合理

对桥梁进行合理的优化设计不仅可以提高桥梁整体性能，还可以在一定程度上节约建设成本。课题组应用箱板梁时，对梁间距进行了对比分析，以9m宽桥梁为例，采用5片布置，板宽180cm；4片布置，板宽225cm。计算结果表明，采用4片布置，16～30m跨径横向分布系数较5片增大22.1～28.2%，车辆荷载弯矩占恒载弯矩的50%左右。在极限承载能力验算时，采用荷载基本组合，车载弯矩的增大对承载能力计算结果有影响。2.25m梁间距与1.80m梁间距相较，单片梁需要增加一定数量的底板受力钢筋，但整桥结构可以节约材料18%左右。

4.采用设计施工一体化思想，创新模板设计

为更好地控制工艺和材料，课题组改变以往设计和施工分开、联系不紧密的情况，针对带翼箱板梁施工创新研制了标准化、模数化、模块化钢模图纸。

利用腹板为竖直面、底板宽度相同的截面优势，设置较高的预制台座。通过调整模板的支撑高度来实现不同跨径梁高，大幅减少模板的安装工作量。

5.适应范围广

（1）跨径的适应性

跨径30m以上，需要在腹板内配设弯起腹筋；跨径16m以下，箱内空间低于最小爬行空间60cm×90cm，会造成拆模人员受到阻碍或发生安全事故。因此，带翼箱板梁最为适合的安全、经济跨径为16～30m。

（2）桥宽变化适应性强

一片箱梁的总宽度不超过2.25m，梁间距可调范围为180～225cm，调整箱梁数、各箱梁翼缘宽度和湿接缝可以满足不同桥面宽度及变宽要求。

（3）带翼箱型板梁与斜腹式小箱梁适应范围对比

带翼箱型板梁与斜腹式小箱梁具有较多相似之处：结构抗扭抗剪能力、梁高相同、外形美观大方、适应变宽能力强，且后期维护量较小。

不同之处在于斜腹式小箱梁常采用宽梁设计，对高速公路、一级公路适应性好。但是对施工工艺要求较高，当管理与施工控制不到位时，易出现沿钢束的纵向裂缝或蜂窝麻面。带翼箱型板梁采用中等梁宽设计，便于调整梁的片数和梁间距，适合不同弯道加宽和桥宽需要，对施工设备要求不高，预制吊装施工工艺简单，一般施工单位都能达到要求；对山区二级及以下公路桥梁适应性强。带翼箱型板梁与斜腹式小箱梁对比分析如表1所示。

四、试验检测

2019 年3 月7 日，云南通衢工程检测有限公司对K111+409.5，30m+16m带翼箱板梁桥进行了荷载试验，为科研成果验收提供了荷载试验数据支撑和科学依据。

五、结语

斜腹式小箱梁材料用量比T梁少，但由于施工费用高导致整体造价高于T梁。带翼箱板梁是在斜腹式小箱梁以往建设经验的基础上上，经过不断改进，做到了材料省、施工费用低，因此总体造价低。

表1.带翼箱型板梁与斜腹式小箱梁适应性对比

带翼箱板梁与常用的预应力混凝土空心板、斜腹式小箱梁、T梁各有其适应环境，在经济上有相错之处。设计中需要根据受力特性、地质条件、施工工法和运营要求，选择合适的桥梁结构形式。

在适用、安全的前提下，经济是衡量技术水平和作出方案选择的主要因素，但桥梁设计也应体现出经济特性。带翼箱板梁可充分发挥其经济性优势和吊装重量轻的优势，经济适用跨径为16～30m。

部分预应力混凝土带翼箱板梁桥的成功应用，补充和丰富了山区中小跨径结构形式，提供了因地制宜的多样化桥型选择方案，有利于降低工程总体造价，具有显著的经济和社会效益，可广泛应用于山区二级及以下各等级公路的桥梁建设中。