为提升公路混凝土桥梁建造技术，推动公路建设高质量发展，交通运输部于2018年7月16日发布新版《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）。2018年9月出版的《 <公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范> 应用指南》进一步通过明晰机理，加深对新规范的理解和认识。新的规范和指南对预制构件装配式桥梁的设计方法、预制节段接缝构造细节，特别对与之密切相关的体外预应力技术等方面新增多项条文规定。

本文结合同济大学桥梁工程系参与新规范的相关科研，以及近二十年在桥梁预制装配技术方面的研究实践，对其理论完善和未来发展做了进一步讨论。

随着我国快速的城市化建设，快速施工桥梁（Accelerated Bridge Construction，简称 ABC）正得到行业层面较为积极的推动。

实际上，ABC桥梁的建设概念起源于法国的桥梁建设。E. Freyssinet采用纵向预制梁段（1945年）和匹配接缝（1952年）的方法进行预应力混凝土桥梁施工。J. Muller（1979年）在美国佛罗里达的两座长桥（Long Key和Seven Mile）的设计中，将预制与现代机械技术结合，工艺上取得了较大的进步。从此，节段预制拼装预应力混凝土桥梁被世界各地广泛应用，如美国Mid-Bay和Garcon-Point跨海大桥（1990年），韩国汉城内环线（1996年），曼谷曼纳高速高架桥（2000年）等。

图1 全预制桥梁示意

我国预制节段施工桥梁在21世纪以前仅有非常零星的应用，直到21世纪之后，预制节段施工方法和体外预应力技术，在我国得到越来越多的关注和肯定。上海浏河桥（2001年）采用体外预应力预制节段逐跨施工方法，并在国内公路桥中首次使用上行式架桥机。随后，上海沪闵线二期工程（2003年）的设计中也采用了这种技术。苏通长江公路大桥的深水区段跨径75m引桥（2003年）中，采用预制节段悬臂拼装施工方法，如图2。该桥是国内首次大规模采用预制节段施工的桥梁。之后国内许多跨江大桥的引桥中均采用了这种施工方法。

图2 苏通大桥深水区段引桥预制节段施工

预制节段施工桥梁结构的受力本质，可视为插有若干素混凝土区段的钢筋混凝土结构，即纵向普通钢筋连续的钢筋混凝土段（R段）和纵向普通钢筋被断开的素混凝土段（C段，即接缝），如图3所示。

图3 节段梁接缝本质示意图

接缝（C段）是预制节段桥梁的特点也是弱点。虽然采用预制节段施工的桥梁，在世界上已有很多工程实例，但由于纵向钢筋在接缝处被完全切断，接缝本身以及对结构受力的影响十分复杂，所以至今许多国际主流规范并没有反映。由于接缝附近（C段）实际上只是砂浆，大量研究成果显示：预制节段结构的裂缝开展基本是在接缝附近，如图4所示。实际上，接缝犹如预设的裂缝位置，如图5所示。其受力情况已经脱离结构设计中截面法的基石——所有截面满足平面假定。

图4 接缝附近的裂缝开展

图5 接缝裂开后的变形情况

自节段施工方法问世以来，国内外进行了大量的研究和实验，研究其受力性能。在理论研究方面一般采用两种方法。一是结构方法，即采用全过程弹塑性有限元分析方法，但抗弯性能研究较多，抗剪性能研究较少，主要原因是抗剪配筋本身是混凝土结构领域里的难题，国际上还没有完全形成共识方法。二是采用传统的截面法，截面法是与规范方法协调的简化，具有代表性。且目前唯一的便是美国州际公路和运输工作者协会(AASHTO)颁布的“节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范”。它把节段接缝分为两类，即预制节段间的湿接缝和胶接缝称为A类接缝，把预制节段间的干接缝称为B类接缝。下表1为AASHTO标准对于不同预应力钢筋形式和不同接缝类型的节段施工混凝土结构的抗弯折减系数 和抗剪折减系数，表中以0.05为极差的系数带有一定经验性，但其优点是可以直接采用现行规范采用的截面法。

预制节段施工桥梁的结构承载力采用截面法乘系数简化计算，虽与规范可以协调，但从图5可以看出其依据并不够充分。采用考虑全过程的弹塑性有限元方法或试验方法包括了内力重分布，是与规范采用的截面法不协调的，也就是说，其安全度与截面法不同。同时，其研究方法大多集中于研究抗弯问题。由于混凝土梁的抗剪承载力问题本身没有统一认识，故节段梁的抗剪问题更为复杂。表2是世界主要规范的抗剪钢筋设计图示。

（1）仅有竖向箍筋

目前只有美国ACI和中国的GB和JTG规范采用，但混凝土抗剪贡献的取值却非常不同。美国ACI仅计混凝土出现第一条弯剪或腹剪裂缝时的荷载为混凝土抗力；而中国规范的混凝土抗力为无腹筋梁的破坏荷载。所以，我国规范的混凝土贡献偏大，造成的问题是抗剪钢筋少，且一旦腹板开裂，原来由混凝土承担的剪力传递至钢筋，容易导致抗剪钢筋屈服，从而破坏结构内的应力传递路径。在工程实际中会造成较宽的斜裂缝，且由于梁体剪切刚度降低，造成预应力混凝土桥梁的不断下挠问题等。

（2）箍筋+上下缘主纵筋

目前美国AASHTO和欧洲规范采用（欧洲规范同时也采纳不考虑混凝土贡献的变角桁架模型），斜向主拉应力的竖直分量由箍筋承担、水平分量随着斜裂缝的发展不断向上下缘延伸，最终由上下缘的主纵筋承担形成抗剪架构。其根源是桁架模型，桁架模型建立结构体的平衡方程。所以在钢筋混凝土结构中，主纵筋除了满足抗弯需要以外，还需要考虑剪力引起的应力增量。

这是一种“机构”的平衡，即上下缘主筋能够承担由于斜裂缝不断产生往上、往下发展延伸的水平分力，这些水平分力最终由位于上下缘的主纵筋承担，从而“支撑”住了整体结构，不会造成抗剪崩溃。但问题是斜向裂缝宽度无法控制，且这是沿斜方向可以错动的“机构”。由于截面的正应力是由剪应力传递的，故剪切机理的损坏会导致对正应力，包括预应力效应传递的影响，结构反应无法控制。

（3）网格抗剪钢筋

由同济大学桥梁工程系在苏通长江公路大桥辅航道桥科研中提出，科研目的旨在消除极限状态下出现斜裂缝导致钢筋屈服，结构剪切刚度削弱引发长期下挠。其理念是混凝土构件中任意位置，一旦由于主拉应力超过限值引起开裂，在截面上相应任意位置，均需要有纵横向网格钢筋构成的抗剪钢筋，承担其竖向分力和水平分力，并保证这些钢筋在极限阶段不会屈服。这样不但控制住了斜裂缝，且只要结构中所有纵横网格钢筋不屈服，就能够确保结构剪切刚度不会削弱，确保所需要的正应力传递。

网格抗剪钢筋意味着抗剪钢筋不光是箍筋，腹板里的纵向钢筋都是需要计算的抗剪钢筋，而不是通常认识的“构造钢筋”。预制节段桥梁由于接缝，箍筋和纵向钢筋在接缝处是不连续的。在工程实践中，箍筋的“连续”较容易处理，其本身就是间隔分布的，所以跳过接缝与结构其他位置是协调的。关键是纵向普通钢筋的跨缝连续问题。图6是采用预制节段施工的苏通长江公路大桥引桥的纵向钢筋设计。当时已有认识,需要最大限度减小图3中素混凝土C段区域的范围，故在实际设计中做了如图6的处理,即将纵筋也设计成为环箍形式，以提供接缝附近纵筋的锚固长度，确保接缝附近纵向普通钢筋的最大有效作用范围。

图6 接缝处纵筋的处理

（4）预制节段间的纵向“插筋”

剪切配筋问题仍然是困扰混凝土结构设计理论的核心问题，缺乏纵向钢筋是导致规范中弯剪设计不统一（前者是截面法，后者是结构法）的根源，也是现行混凝土结构设计原理尚未触碰斜裂缝宽度计算的根源。

在受力性能上，除非设计标准提高，以确保乘系数极限状态下的主拉应力不会导致混凝土开裂，才能保证极限状态结构弯剪设计的有效性，但这样做的代价太高，也不合理。规范中结构抗弯设计的基石是截面法，即在乘系数极限状态下仍然维持平截面假定。对于剪切配筋而言，意味着在乘系数极限状态下，交遇斜裂缝的普通钢筋都不能屈服，否则无法满足抗弯设计截面法所需要的平截面假定。这里所谓“交遇斜裂缝的普通钢筋”都是需要设计的抗剪钢筋，它不只是竖向箍筋，而是如表2中的网格钢筋。所以，对于预制节段结构，纵向跨缝插筋是抗剪钢筋的需要。

纵向钢筋的跨缝连续包括顶底板钢筋和腹板钢筋，顶底板的直线体内预应力钢束可以视作连续钢筋，故纵筋跨缝连续主要是腹板高度范围的。图7便是腹板采用插筋使纵筋跨缝连续的示意。当然，对于全体外预应力结构，顶底板也需要有普通钢筋的跨缝连续插筋。

图7 接缝处纵向插筋示意图

采用纵向跨缝插筋旨在从受力上“消除”接缝。采用这种方式，在构造上、施工方法上仍然是预制节段桥梁，继续保留预制节段桥梁在各方面的优点，而在受力性能上则“消除”接缝，彻底解决接缝带来的疑虑和隐忧。这将使预制节段施工桥梁以及ABC施工方法，融入现行规范体系下的设计和施工，推动我国预制节段施工桥梁建设的健康发展。

（1）装配式桥梁的集中预制和常规运输

随着我国预制安装结构的实践发展，在更大的视角下，一个项目的经济性并不是由结构本身决定，而是与整体结构的各方关联因素密切相关，包括预制场地、预制工艺、标准化设计、预制件运输、预制件安装等。同时，一个工程配套一个预制场的做法，会造成场地和设备的浪费。预制构件装配式桥梁采用集中预制、集中供货是发展趋势。

图8和图9中的装配式T梁采用节段预制、运输至场地拼装后安装就位。这种设计施工方法在日本等国家较为普及。预制构件轻型化使运输常规化，不需要采用特殊运输方式。这样，一个预制场可以覆盖周边几十公里的广大区域，特别适合城市和山区的装配式桥梁建设。

图8 预制节段装配式T梁和稀齿键

图9 平缝钢榫键

我国也已开始预制节段装配式桥梁的研究和实践。由中交路桥建设有限公司设计施工完成的贵隆高速公路机耕天桥是我国第一座预制节段装配式桥梁。该桥为混凝土叠合梁简支桥，混凝土桥面板为整体现浇，跨径20m，共分为5段，采用宽底板的工字形断面，于2019年7月顺利建成通车。该桥采用的小节段，极大地方便了在山区道路的运输。已经设计完成即将实施的德州至上饶高速公路合肥至枞阳段上部结构，采用预制节段拼装简支轻型T梁结构，跨径25m，分为3段，采用宽底板的工字形断面，并采用钢制横梁，总体理念服务于设计施工标准化和长程常规运输。

装配式桥梁的盖梁有时是施工中的瓶颈，特别是需要地面道路而采用大悬臂盖梁的城市桥梁，盖梁的重量达到300余吨。目前在装配式桥梁的建设实践中，上部结构是预制的，桥墩预制灌浆套用连接已经有较多实际运用，盖梁装配化也有一些实践。同济大学桥梁工程系混凝土桥梁研究室研发的一种“格构双片式”盖梁，特点是减轻吊装重量，并保证盖梁普通钢筋在盖梁纵向连续。格构双片式盖梁在桥梁纵向分为两幅，中间只有支座处有“格构”连接保证其稳定性。格构可以采用混凝土、UHPC或者更为方便的钢构件。这样可以大幅降低盖梁吊装重量（每幅重量不到整体重量的50%），使城市大悬臂盖梁的吊装重量限制在100t～150t。如图10所示。

图10 格构双片式预制节段盖梁

格构双片式盖梁的另一个优点，便是可以与上部结构纵梁采用同样施工方法。上部结构若是分节段的，每幅盖梁同样也是分节段的，与上部结构可以做到预制、运输、安装一体化。当然，盖梁若是分节段，同样需要沿盖梁纵向的跨缝插筋，以保证盖梁剪切受力。 

（2）接缝形式和齿键形式

预制节段接缝处受的剪切力有两种，一种是弯剪，另一种是直剪。弯剪对应的是弯曲剪应力带来的主拉应力和主压应力，前述的“纵向插筋”就是用来抵抗主拉应力的水平分量。由于受拉，纵向跨缝插筋需要锚固长度。

对于接缝间的直剪，由剪力直接除以受剪面积获得，设计中一般采用剪力键。箱梁结构中的腹板剪力键通常采用图6中的密齿，并结合长线法或短线法“密贴浇筑”施工。采用纵向预制节段的中小跨径装配式桥梁一般采用T梁截面，其接缝间齿键有采用图8中的稀齿键形式。由于稀齿键还是混凝土键，所以仍然需要密贴浇筑法预制。图9中的节段接缝采用平缝钢榫键，接缝处钢榫键的设置数量由截面承受的剪力决定，图11为钢榫键示意。钢榫键是近来日本较常采用的键齿形式，对应的接缝形式是平缝，即不设置凹凸的混凝土剪力键，其最大的优势是不需要密贴浇筑，极大地方便了节段预制本身和预应力管道的放样和施工。

图11 钢榫键示意

（3）预应力设计与标准化

预制节段施工结构强调工业化和标准化，其中预应力的设计施工是最关键的组成部分之一。特别对于大跨度混凝土桥梁，体内预应力管道会大幅降低预制节段的标准化程度。这里分别讨论最常见的三种预制构件拼装桥梁：装配式桥梁、逐跨拼装施工的箱梁桥、悬臂拼装施工的箱梁桥。

装配式桥梁一般是小跨径，节段划分不多，预制施工简单，简支受力为主，上弯预应力钢束少。且由于整体结构可拆，预应力本身的可拆并不太多强调，故一般采用常规的体内预应力钢束。

逐跨拼装施工的箱梁桥一般跨径为50m左右，由于是简支受力为主，正弯矩体外预应力钢束效率高，所以可以大比例采用体外钢束，这样可以大为简化混凝土节段的预制施工。例如笔者承担科研任务的江苏省崇启跨江大桥引桥中，简支状态受力全部由体外预应力钢束承担，腹板里没有预应力管道，体内预应力钢束仅在底板有一些直线束，在架桥机前移后施工，不影响全桥的施工速度。

更大跨径的桥梁一般采用平衡悬臂施工方法。目前我国最大跨径预制节段悬臂拼装桥梁为浙江省舟山鱼山大桥180m的次中跨孔。对于跨径再增大，我国现有设备、施工能力上都没有问题，但线形误差控制却很有难度，主要是匹配预制的节段无法在施工中进行调整。预制精度和称重可以精确控制节段重量；采用空间网格等精细化计算模型可以考虑拼装初期结构本身是深梁，而不满足平面假定的情况；但由于徐变收缩模型、预应力计算的各项参数，在规范中均是采用统计平均数据，所以不可避免会有不确定性，且难以克服。所以在大跨径悬臂拼装桥梁中，插入个别现浇湿接缝调整标高，可以将悬臂拼装施工桥梁的跨径向前进一步推进。

在预应力的设计上，标准化是关键，这意味着体外束和直线体内束成为首选。悬臂施工桥梁的负弯矩钢束数量众多，布置在顶板下面的体外束效率很低，故悬臂施工结构采用体内体外混合配置更为合理。对于预制节段悬臂拼装桥梁，采用三向直线预应力配置方式，在理论上是可以采用的。在竖向预应力能够确保质量的前提下，增加精细化分析所要求的底板横向预应力直线体内钢束，悬臂施工钢束采用直线体内束，成桥钢束全部采用体外钢束。由于竖向预应力、顶板和底板的横向预应力，均是在预制场地进行的，所以可以监测和控制其施工质量和效果，甚至在预制场地施工的直线体内束可以采用先张法。这样可以使预制构件更为标准化，施工更为方便快捷。