装配式高架桥盖梁轻型化研究初探

胡自忠，何 科，郭钢江

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

近年来随着绿色建造的理念不断深入，装配式桥梁因能够加快施工速度，改善施工期间的交通，降低施工对居民和环境的影响，收获良好的经济和社会效益，在实际工程中应用越来越广泛。在装配式桥梁各项技术指标中，构件的重量是一项重要的考察因素，在常规桥梁工程可拆解可拼装的预制构件中，盖梁无疑是相对最重的单体构件，由其自重而制约的运输吊装问题常常成为装配式结构和施工方案如何实施甚至能否实施的关键。

受运输和吊装条件的约束[1]，针对高架主线桥盖梁超重，实际工程中多采用分段预制甚至现浇，如果能通过降低盖梁自重实现盖梁的整体预制并运输、安装，将大大方便施工，大幅提高预制拼装效率和效益。因此有必要对盖梁设计进行轻型化研究，推动预制拼装技术的发展。

1 装配式盖梁现状

公路和城市道路典型结构是跨径30 m 的小箱梁，双向六车道规模，桥面宽度B=26 m 左右。盖梁往往都采用双柱大悬臂结构，以方便地面车行道的布置，节约城市用地，同时桥下空间也显得通透，整体景观效果好（见图1）。

图1 大悬臂盖梁效果图

双向六车道高架桥标准段上部结构由6～8 片小箱梁组成，桥墩为双立柱+大挑臂T 型盖梁结构，立柱中心距一般在约5.5 m，见图2。盖梁截面一般采用矩形或近似矩形（矩形切角），中心高度约为2.6 m，端头高度约为1.0 m，宽度（顺桥向）2.2 m 左右。单片盖梁即便是最经济的设计其混凝土用量也达到100 m3，重约260 t，若整片预制后运输，含车重约350 t。国内已建高架桥标准段盖梁整片预制案例很少，基本上位于运输距离短、交通条件好、既有路桥设施承载力高的新城区。

图2 分段预制盖梁典型结构图及安装图（单位：mm）

目前，大部分已建桥梁预制盖梁采用分段预制。分段预制的盖梁总体尺寸略大于整段预制，一般分两段预制，中间留1.5 m 长后浇混凝土带。单个盖梁节段混凝土用量约48 m3，重约125 t，一般场地都具备运输条件。相对整片预制，分段预制另一个优势就是其适用于桥宽或跨径稍微不一致的非标段，这也使得分段预制在实际工程中应用广泛。

2 装配式盖梁轻型化的目的和意义

由于常规单片盖梁整段预制过重，对运输车辆（轴重、车长等）、线路条件及交通管理都很苛刻，甚至无法实现，杨炜等[2]经过对现浇式盖梁、整体预制盖梁和分段式预制盖梁的对比，最终选择了分段式预制盖梁。

但是盖梁分段预制和安装存在以下问题：

（1）两次运输、安装影响快速化施工。

（2）后浇段混凝土质量不如厂内整体预制质量，并且需要现场等待龄期和强度到达要求后方可进行下一步施工，影响施工速度。

（3）半片盖梁自身难稳定、平衡，无论是运输、吊装还是墩顶上安装都需要大梁临时支架和压重平衡，加大施工措施费，并影响道路保通要求。

（4）分体结构对预应力穿束精度要求高。后浇混凝土颜色与预制结构颜色也有差异。

（5）闫兴非等[3]针对分段预制的大悬臂预应力盖梁，做了模型试验，试验结果标明，分段预应力盖梁的拼接缝是盖梁的薄弱环节。

综上，盖梁整段预制安装可克服上述不利影响，故进行盖梁轻型化研究，降低预制盖梁重量能够加快施工速度，提高工程质量，降低现场作业难度，节约造价以及提高盖梁外观观感有着积极作用。

同时盖梁降低重量，不但能降低自身造价和运输安装费用，还能降低墩柱、基础的承载力，降低墩柱和基础的方量，进一步节约造价。

3 装配式盖梁轻型化研究方向和内容

解决结构轻型化问题，主要有两个方向，其一是采用轻质高强的材料，其二是优化结构构造形式（包括断面形式）。

现阶段用于结构主体轻质高强的材料主要就两种：钢材和超高性能混凝土（UHPC）。若全线采用钢结构盖梁，其造价大大超出常规造价甚至与全线采用钢梁或钢混组合梁的造价相当。高性能混凝土（UHPC）改善力学性能，减小结构尺寸，提高结构耐久性有明显优势。李立峰等[4]已经对采用UHPC 材料的薄壁盖梁进行了1∶2 的模型试验，但也仅处于初期研究阶段。诚然UHPC 有着非常多的材料性能上的优势和应用前景，但就目前阶段，其相对于普通混凝土（含高标号混凝土）优势主要体现在应力集中区域、受拉部位、疲劳和易损部位、接缝位置以及与钢结构形成叠合截面，单独与钢筋或预应力形成共同截面以抵抗外力上不具备明显优势，诸如在盖梁这类大实体构件中，发挥不出应有的性能优势，并且造价昂贵。

综合以上分析，本文对盖梁轻型化研究方向为优化结构构造形式，材料上依然采用普通预应力混凝土。

（1）盖梁横断面采用T 形截面（见图3）

图3 T 形截面盖梁结构图（单位：mm）

注意到矩形截面在盖梁结构局部区段未发挥应有的功能，顶面因需要支承上部结构而需保证必要的宽度，故对矩形截面下半部分两侧进行“切割”形成T 形截面。陈德铭[5]已于1997年设计并使用了T形截面盖梁，但后续国内并没有大量推广使用。

（2）盖梁采用矩形空心截面

基于同样的思路，盖梁结构局部区段未发挥所有截面功能，但是考虑到截面下缘需要一定受压宽度来平衡力矩，同时为保证外轮廓的“干净整洁”，对矩形截面进行“挖空”形成空心截面（见图4）。

图4 矩形空心截面盖梁结构图（单位：mm）

空心截面其内膜采用一次性PVC 材料（轻质高强），与钢筋一体成型同步放置在盖梁模架上。

上述两种截面优化方向本质上是一致的，一种是“外挖空”，另一种是“内挖空”，本次研究的重点也是尽可能“多挖冗余混凝土”形成较小面积的截面，进而降低盖梁自重。

由于T 形截面和空心截面盖梁，减少了常规盖梁部分“冗余混凝土”，减轻了自重，故可相应的减少盖梁配筋和预应力，减少盖梁造价；而自重的降低，又进一步减少了现场运输和吊装的重量，相对于分段预制的常规盖梁更进一步的降低了造价。

4 计算分析

标准盖梁采用预制预应力混凝土（C 60）构件，上部结构为30 m 跨径小箱梁，立柱间距5.2 m，分别建立T 形截面盖梁和矩形空心截面盖梁有限元计算模型（见图5），采用桥博V 3.6.0 软件，并根据现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）[6]（以下简称规范）来复核计算结果。矩形空心截面盖梁计算结果如下：

图5 标准矩形空心截面盖梁计算模型

（1）正截面抗裂验算（见图6、图7）

图6 准永久组合上下缘最小正应力（单位：MPa）

图7 频遇组合上下缘最小正应力（单位MPa）

（2）斜截面抗裂验算（见图8）

图8 频遇组合主拉应力（单位：MPa）

准永久组合下未出现拉应力，满足规范要求：频遇组合下拉应力为0.61 MPa，未超过规范要求最大允许拉应力0.7 ftk=0.7×2.85=1.995 MPa；频遇组合下主拉应力最大为0.86 MPa，未超过规范要求最大允许拉应力0.7 ftk=0.7×2.65=1.995 MPa，满足规范要求。

（3）持久状况混凝土应力验算

由图9、图10 可知，验算结果满足规范最大正应力不超19.25 MPa，主压应力不超23.1 MPa 的要求。

图9 标准组合上下缘最大正应力（单位：MPa）

图10 标准组合主压应力（单位：MPa）

（4）持久状况承载能力极限状态计算

如图11、图12 所示，盖梁极限抗弯满足要求。

图11 最大抗力及对应内力（单位：kN/m）

图12 最小抗力及对应内力（单位：kN/m）

T 形截面盖梁计算结果基本类似，均能满足现行规范的要求，故不再列举。

通过两种形式的结构计算，在合理的钢束配置条件下，T 形截面和空心截面盖梁受力性能与常规盖梁类似，均能满足结构的承载力要求，表示这两个方案均可行。

5 结论

本文仅对轻型化盖梁构造了合理的截面及对应的构造形式，解决盖梁承载力计算问题；后续需进一步研究顶底板、支承件的连接方法及构造形式，并需通过试验与仿真分析对比研究新截面盖梁的局部受力及整体承载力性能，进而反馈并修正设计计算成果，最终确定构造形式，钢束和钢筋布置形式。