公路桥装配式简支梁优化设计

矣 涛 杨 伟

(云南省交通规划设计研究院，云南 昆明 650000)



公路桥装配式简支梁优化设计

矣 涛 杨 伟

(云南省交通规划设计研究院，云南 昆明 650000)

介绍了某公路装配式简支梁桥的结构形式、桥面布置、设计荷载等，从截面、桥梁矢跨比、主梁横向连接等方面，阐述了该桥梁结构的优化措施，指出优化方案既提高了桥梁结构的承载力，又节约了成本。

装配式简支梁，主梁，结构形式，矢跨比

0 引言

装配式钢筋混凝土简支梁(以下简称钢混简支梁)的结构是单孔静定类型，其特点是结构简单、受力非常明晰且施工简单方便等。在工程施工过程中该种结构在设计时更加趋近于标准化，因此在工地、工厂等不同施工场所均采用工业化流水线施工方式，进行大规模、规范性的预制生产，后期安装时可以借助起重机械协助完成。截至目前绝大多数的钢混简支梁均为T形梁，国家相关部门也专门针对该种结构制定相应的跨径标准(主要为20 m，30 m和40 m 3个标准)。公路梁桥设计时遵循的基本标准即若干主梁(T形截面)和与之垂直的横隔梁组成，采用焊接横隔梁翼缘板等形式将结构连成一个整体。

1 工程概况

1.1 结构形式及基本尺寸

某公路装配式简支梁桥，标准跨径20 m，双向双车道布置，桥面宽度为净7 m+2×1.5 m，总宽10 m。主梁为装配式钢筋混凝土简支T梁，桥面由6片T梁组成，主梁之间铰接，沿梁长设置5道横隔梁(横隔梁平均厚度为16 cm，高110 cm)。

1.2 桥面布置

桥梁位于直线上，两侧设人行道，人行道宽1.5 m、人行道板厚0.20 m。桥面铺装为2 cm厚的沥青混凝土，其下为C25混凝土垫层，设双面横坡，坡度为1.5%。横坡由混凝土垫层实现变厚度，其中，两侧人行道外侧桥面铺装厚度为8 cm(2 cm厚沥青混凝土和6 cm混凝土垫层)。

1.3 主梁

装配式钢筋混凝土T形梁桥总体特征见表1。

表1 装配式钢筋混凝土T形梁桥总体特征

1.4 材料

1)梁体：主梁混凝土C35；横梁混凝土C30；钢筋混凝土容重25 kN/m3；2)钢筋：主筋热轧HRB335钢筋；构造钢筋，轧HPB300钢筋；3)桥面铺装：沥青混凝土，容重为22 kN/m3；混凝土垫层C25，容重为24 kN/m3；4)人行道：单侧人行道包括栏杆荷载集度为6 kN/m。

1.5 设计荷载

设计荷载见表2。

表2 设计荷载

1.6 设计规范要求

《涵设计通用规范》《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》《桥梁工程》《混凝土结构设计规范》《结构力学》《桥梁通用构造及简支梁桥》。

2 装配式简支梁桥优化设计方案

2.1 截面优化设计采用箱式截面方案

1)梁式桥设计的主要内容是对其横截面布置形式进行确定，除主梁横截面形式外还要细化到梁与梁之间的间距以及每个部位的具体尺寸等；这些参数将会影响整个桥体的建筑高度、施工需求、立面的布置形式、经济实用性以及美观度等。

2)若以现阶段已经完工的大跨径预应力混凝土梁桥为参考，则在此基础上将跨径增加20 m长度，其所形成的箱式截面是最为适宜的形式。箱式截面的优点主要体现在以下几个方面：一是该种截面的抗扭刚度非常大，尤其是采用悬臂施工方式的桥梁而言在作业时更加方便且稳定性更好；二是能够很好的抵抗正/负弯矩，箱式截面顶底板的面积均比较大，因此抵抗正向、负向弯矩的能力相对更强，可以满足施工过程中的各种配筋要求；三是箱式截面的动力特性也非常显著。

3)箱式截面常见的类型较多，单箱类的有单室、双室和多室之分；双箱类也有单室、双室和多室之分。若单从截面的受力情况进行分析，其单箱形式中的双室截面具有省材料、施工方便且受力明晰的优点，所以较为常用。

2.2 桥梁矢跨比优化设计

拱肋是否平坦取决于矢跨比，同时矢跨比也会对拱脚水平方向的推力产生影响，若拱轴线符合“五点重合法”要求，其可以根据下列公式计算出拱脚水平方向推力数值：

(1)

其中，H为拱脚水平推力值；q为拱肋上部的所有载荷作用集度；L为拱肋跨径值；f为拱肋矢量高度值。根据式(1)的变量关系，假定跨径L值一定，若矢跨比增加则拱脚水平推力会相应减小。在常规的桥梁施工中，桥梁的矢跨比范围在1/3.5～1/6之间，另外矢跨比对于桥梁结构造型上会产生影响，所以相较更为合适的分配比例即桥面下矢高为1/3f，而桥面上矢高为2/3f。如果矢跨比范围在1/4～1/5之间同时还应该注重其桥梁美观度，本项目的矢高值定为38 m，矢跨比为1/4.16,则桥面下矢高为12.5(0.33f)，桥面上矢高为25.5(0.67f)。

2.3 预应力梁桥优化

本文对于简支梁桥采用预应力简支梁桥进行优化设计。预应力简支梁桥相对于普通的装配式简支梁桥而言有诸多优点。预应力结构可以有效地避免混凝土开裂，能充分发挥高强材料的特性，促使结构轻型化，相比于钢混梁预应力混凝土连续梁桥(以下简称预应力桥)的跨越能力更为优秀，除此之外预应力桥具有刚度大、载荷能力强、变形小、伸缩缝现象少、行车平稳性高、维修和氧化简单等特点。预应力简支梁桥的施工过程中也有许多便捷之处，在预应力简支梁桥施工过程中，对于T形截面梁、矮箱可以集零为整,将其变换成连续梁，梁之间的跨径范围在20 m～50 m之间，桥孔的设置也应该遵循等跨径的原则，该种结构的施工工艺、工序等均较为成熟，无需使用起吊设备进行协助；预制梁以及其他的下部结构均可进行平行施工，提升施工效率缩短施工周期。正是因为预应力桥梁具有以上优点，所以在现如今的桥梁建设中应用日趋广泛。

2.4 装配式梁桥主梁的横向连接

装配式T形梁桥通常借助横隔梁作为桥面板的接头，把单片的主梁连接成整体。接头要有足够的强度，以确保桥梁结构的整体性，并使其在使用过程中不致因荷载反复作用和冲击作用而发生松动。装配式T形梁桥主梁的横向连接，常用的接头形式有钢板接头、扣环接头、企口铰接和螺栓接头等。头钢板分别设在横隔梁靠近下缘的两侧和T形梁翼缘板上，预埋钢板与横隔梁的受力钢筋焊在一起做成安装骨架。当T形梁安装就位后，即可在预埋焊接钢板上加焊盖接钢板使其连成整体。

3 设计方案的优点

1)预应力混凝土结构充分将高强度混凝土和钢筋的特性进行综合，因此其建筑构件的截面大幅减小，构件自重弯矩所占比例也显著减小，继而提升和改进了桥梁的跨越能力。

2)相比于传统的钢混梁，预应力梁能够节省约30%以上的钢材，在设计时跨径越大(保证施工要求基础上)则材料越节省。

3)全预应力梁即使在重载荷下也不会出现裂缝情况，在使用时整个截面均承担压力，因此该种梁的刚度会显著提升。

综上所述，预应力梁不仅可以降低桥梁的截面，降低施工难度，同时可以通过增加跨径方式提升桥梁的美观度，避免桥体出现裂缝现象，后期便于维修和保养，且具有更好的耐久性特点。

4 结语

本文通过相应的理论分析，针对具体的项目，对原桥梁的截面、矢跨比、采用预应力简支梁桥等方面进行了优化设计。优化设计方案不仅能提高桥梁结构的承载能力和耐久性，还能节约成本。近年来，我国经济持续稳定的发展，交通运输是促进经济交流的枢纽，公路桥梁项目不断增加，而装配式简支梁桥的诸多优点可以更好的被人们所应用，为国家的发展提供助力。

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The optimization design of prefabricated simple supported beam of highway bridge

Yi Tao Yang Wei

(YunnanTrafficPlanningandDesignInstitute,Kunming650000,China)

This paper introduced the structure type, bridge deck layout, design loads etc. of a highway prefabricated simple supported beam bridge, from the section, bridge vector cross ratio, main girder transverse connection and other aspects, elaborated the optimization measures of the bridge structure, pointed out that the optimization scheme not only improved the bridge structure bearing capacity, and reduced the cost.

simple supported beam, main girder, structural form, vector span ratio

1009-6825(2016)24-0171-02

2016-06-03

矣 涛(1984- )，男，工程师； 杨 伟(1983- )，男，工程师

U448.217

A