宽幅单箱桥梁桥面合理化构造研究

箱梁结构在跨径50m以上桥梁中有很强的竞争力，国内在公路、市政桥梁中的宽幅断面通常采用多箱室结构，综合考虑上下部结构造价并不经济。

近些年来随着新材料、新理论和新工艺的发展，各国均在降低工程造价、缩短建设工期等问题上提出了新的要求，从而在宽幅箱梁方面发展出很多不同类型的整体式单箱断面。

本文通过对德国、日本在组合结构桥梁以及PC结构桥梁中宽幅单箱结构桥梁的发展进行简要介绍，进而对宽幅单箱桥梁的合理化构造的设计要点及新的发展趋势进行了研究。

箱梁结构有非常高的抗扭刚度，适用于弯梁和宽桥面大跨度结构。在直线梁桥中箱梁结构可以在偏载作用时断面整体受力，同等跨度下可以采用比I型梁更小的梁高，这使得箱梁可以采用比I型梁更少的材料，当然也产生了更高的加工制作的费用。

公路及市政桥梁的宽幅桥梁采用多箱室断面通常是为了控制结构高度，减小桥面板的横向跨径，但是由于使用了较多的实体腹板，截面材料的指标并不经济。

近些年来随着新材料、新理论和新工艺的发展，各个国家也在降低工程造价、缩短建设工期等问题上提出了新的要求，从而在宽幅箱梁方面发展出很多不同类型的整体式单箱断面。

下面对近年来德国的新型组合梁和日本的新型PC梁的发展趋势做简要介绍。

2.1 德国宽幅单箱组合梁

在1997年前，前德国联邦运输、建筑和住宅部（BMVBW，2013年改名为联邦运输和数字基础设施部BMVI）要求高速公路中的组合梁桥在设计时应分幅，这么做主要是针对混凝土桥面板维修时能够维持双向交通，对正交异形钢桥面就没有这项规定^[1]。

在1997年后，BMVBW放宽了对分幅的要求。因为德国统一后在东部地区新建了很多高速公路，其中一部分穿越了德国著名的假日胜地Thuringian-Forrest（图灵根 -福瑞斯特）山区，处于这一地区的桥梁在设计时要考虑许多方面的要求，其中经济性、环保和美学价值上的要求尤为重要。

正因如此，在该地区采用宽幅单箱组合箱梁较多，这种结构形式有很多优势^[5][6][7][8]。

（1）桥墩数量比分幅上部结构减少一半，山谷中的景色不会被双排桥墩严重破坏，而且桥墩和基础的费用可以节省。桥墩高度在40、50或者更高时，整体式上部结构建造成本更低。

（2）和纯混凝土梁相比，组合梁更为耐久，可以进行防腐涂装换新或者桥面板更换。而桥面板可更换的先决条件是在不断交的情况下进行施工，在设计阶段就考虑桥面更换引起的桥梁荷载效应。

由于桥面板的更换影响并控制上部结构的设计，对正常使用状态来说有点过度设计，但反过来说，也可以在不减少竞争性的前提下获得预期的稳健和耐久的结构。

（3）钢箱部分通常宽度为9～12m左右，桥面板宽度28～30m。宽幅桥面板一般不用施加横向预应力，如下图2所示，它横向支承在5个支点上，外侧2个I型,中央的U型小纵梁以及槽型箱梁的2个上翼缘。外侧的小纵梁撑在横向斜撑上。

（4）悬臂混凝土桥面通常支承与横向空心截面斜撑上。斜撑外偏的力由上翼缘高度位置水平向的组合拉杆来抵消，拉杆与桥面板有多种连接形式，常见的如通过焊钉与桥面板连接。内部横撑和外侧斜撑纵向标准间距一般为4～6m。

（5）桥面板可在不断交情况下更换，这意味着一侧纵向10～15m桥面更换时，另外一侧仍在通行。横向上桥面同样可以划分为几部分进行，而不是简单的一侧一整块。

由于偏载会产生较大的扭矩，因此施工时需要设置平衡重来减小这种效应。设计是需要将换桥面板单独作为一个工况来进行考虑。

在过去的15年中，德国东部地区高速公路中建成了很多采用这种截面形式的组合桥梁，如下面图3（a）～（f）中所示。

长悬臂混凝土桥面组合箱梁同样也是一种较为经济的选择，桥面面积内每平米用钢量为220～260kg/m2，桥梁（包括桥面板、桥墩、桥台）总造价为1100～1400欧元/m²。

2.2 日本宽幅PC箱梁

日本传统的PC箱梁桥中单箱室节段最大有效宽度做到了13m，对于大于13m的桥宽，一般采用单箱多室或多主箱梁节段。

近年来由于计算分析技术改进，新材料的应用，日本设计人员在传统设计的基础上通过采用FEM分析方法设计出满足《道路桥示方书》（简称“道示”）要求的超宽桥面结构，并进一步对宽幅箱梁的桥面系构件进行合理化的改进^[2]。

合理化箱梁桥面构造有如下特性：

（a）在上部结构自重方面，比传统的单箱多室截面有更少的腹板，更小的底板宽度，从而可以减轻了上部结构自重；

（b）在下部结构方面，由于底板宽度减小，桥墩也可以适当减小宽度；

（c）在施工性方面，可以简化和改善施工措施和施工组织形式。

在这里，将介绍以下三种改进断面：

1）桥面板跨度超过适用范围的宽幅单箱室截面；

2）桥面板带横肋的箱梁截面；

3）带斜撑的箱梁截面。

（1）宽幅PC单箱单室断面^[9]

图5为Yatomi高架，建成于1999年，桥梁总长1519m。结构采用宽幅PC单箱单室断面，施工方法为逐跨预制节段拼装，节段采用短线匹配法预制。节段最大重量80t，节段总数量1288个。

（2）带横肋的箱梁断面

图6为古川高架，总长度1475m，最大跨径38m。桥梁结构形式为PC混凝土连续箱梁桥，采用了带肋的单箱断面，最大节段30t；

（3）带斜撑箱梁断面

下图7为Shibakawa高架，桥梁总长为461m，桥梁最大跨径为108m。下图8为Uchimaki 高架，桥梁总长为1048m，桥梁最大跨径为53m。

两座桥梁均为PC连续箱梁，断面为带斜撑的单箱断面。不同的是前者采用了钢撑杆，后者为预制RC砼撑杆。

3.1桥面及横向受拉构件设计

桥面板是直接承受活荷载并且重复加载的构件，是一种使用条件非常恶劣的结构构件^[3]。

在设计桥面板时要考虑三方面主要因素：

1、由于有局部车轮荷载作用，桥面承受弯曲作用；

2、桥面是作为组合箱梁和附加纵梁的上翼缘而存在的，即有可能受压，也会受拉；

3、在横桥向，桥面板作为横撑的一部分，是横向受拉组合构件。

对于宽幅单箱组合梁，横向受拉构件可以采用如图8所示的的不同构造细节设计。

对于混凝土板中的张力带来说，如类型（a）（b），周边包裹的混凝土可以提供一些保护，但是需要注意的是拆除更换混凝土板的问题。

板和受拉构件之间的连接会将拉力引入到横撑构件中，使问题更为复杂。

对于张力杆（带）在混凝土板下方并和混凝土板连接的类型（c），设计时如果计入支承混凝土板的构件的格栅作用，则可以得出较小的桥面板厚度，受拉构件就如混凝土梁使用了体外钢筋，但同时焊钉也需考虑受拉，在构件中焊钉表现的像钢筋砼中的箍筋。

对于拉杆在混凝土板下一定距离的类型（d），结构体系被清晰的划分为纵向和横向，受拉构件与板有较大偏心，会产生局部弯曲。

由于板和受拉构件之间的温差效应，会在板中产生拉应力，这也是在桥面板配筋设计时需要注意的。表3中所示为横向受拉构件构造细节不同解决方案的优缺点比较。

中间、外侧小纵梁以及箱梁上翼缘通常作为自行模架的轨道，并且在施工最后阶段纵梁避免了板块的点支撑，因为规范中没有涵盖双轴拉伸应力状态，所以不存在坚固性（鲁棒性）和疲劳方面的工程经验。

中间小纵梁通常选用闭口密封截面，来应对桥面板更换时可能产生的扭转应力。外侧小纵梁并不是必要部件，例如桥梁Reichenbach, Steinbachtal 和Nesenbachtal。

3.2桥面更换设计

混凝土桥面是桥梁中最易受损的部分。混凝土桥面板和钢梁两者有着不同的寿命期，如果考虑到未来预期激增的公路交通和局部轮载, 与桥梁中钢梁部分对比，混凝土桥面板就必须被看作是磨耗部分。

对于宽幅单箱组合梁上存在双向交通的情况，在将来替换桥面板过程中双向行驶交通要在桥面的另一半上进行。 

更换时桥面板采用高压水冲方法进行部分切割，并且替换成新的桥面板，同时上部结构中会产生巨大的附加应力，在设计和施工作程中必须考虑。

图11所示为局部更换桥面板的几种不同方法。局部更换混凝土所产生的问题均是非对称荷载及扭转翘曲变形所引起的。

不同方法的选择主要取决于桥梁跨径。

方法A仅适用于小跨径桥梁，桥面先沿纵向拆去长度为12m-15m的一半桥面。

方法B在更换桥面时分两步进行，先拆去悬臂部分桥面，替换为新桥面，再拆去内部一半，进行替换。

另外还有一种方法可避免在替换桥面板时，截面形成开口，即方法C，在主梁中设置临时横向支撑。

为了减少扭转及翘曲影响可以配合使用压重措施。跨度是选择不同方法的最重要因素，方法A仅可用于跨径50m以下桥梁，而方法B和C可用于跨径100m以下混凝土桥面板的更换。

3.3 桥面浇筑顺序选取

（1）桥面纵向浇筑顺序

混凝土桥面通常采用分段施工方式，浇注长度一般为15m-28m。图 1.2.35中所示为不同桥面板浇注顺序。一般可以采用如图所示3种不同的浇注顺序。

方案I为沿同一方向连续浇注；

方案II也为按同一方向浇注，但是先浇注跨中段混凝土，在跨中混凝土生效后，再浇注支点处混凝土；

方案III沿跨径反方向依次逆向浇注，如下图所示。

图12中同时也反映了不同浇注顺序对混凝土自重在组合截面中产生弯矩的影响。从弯矩图中，我们可以清楚看出同一连续梁浇注顺序不同，梁上弯矩的分配也会有巨大的不同。

方法I会在中支点处产生较大的负弯矩，考虑到耐久性及混凝土开裂的影响，方法I仅在跨径小于40m的中小跨径桥梁中推荐采用，对于较大跨径桥梁，应按照方案II及方案III的顺序进行施工。

在过去的几年中方案III成为跨径超过50m的组合梁桥的标准施工方法。

（2）桥面浇筑方式

在浇注混凝土时，一般采用移动模架系统，箱内、箱梁间以及外侧纵梁的模板包括临时支撑上的模板台座，并且它可以通过楔块提升。

对于外侧悬臂部分混凝土桥面的施工，可以考虑两种方法：

一种采用支承与箱梁腹板或边纵梁上的模板移动支架，悬吊的模板需穿入桥面板内，这不利于混凝土浇注，也影响混凝土表面质量；

另外一种方法较好的解决了这一问题，采用在桥面板下方移动的模架。

在日本道路桥示方书III混凝土桥梁部分中，对混凝土主梁支撑的桥面系规定有以下性能要求。道示Ⅲ7.2设计概论中要求在桥面板设计中，除了直接承受活荷载等影响外，还应满足下面1）和2）的要求^[2]：

1）能削弱活载疲劳耐久性的有害变形应避免发生。

2）疲劳耐久性不应受到车辆重复通行的影响。

另外，在设计新型合理化桥面系构造时需要从构造的安全性、耐久性（疲劳、材料退化；道示Ⅲ5.1）、使用目的的适合性、管理养护的便利性、施工品质的确保（道示I 1.5）等方面出发来考虑，如果满足要求才能使用。

4.1合理化桥面系构造实例

如图16所示，这是一个日本传统单箱双室截面的例子。主梁横断面中桥面板总宽17.8m，采用单箱双室截面，桥面板腹板间宽度4.75m，挡墙内侧悬臂长度2.55m，满足道示规范中中间连续板和悬臂板计算公式应用范围。

按照箱梁桥面构造合理化的几种方法，可以将上述结构改进为一下断面情况。

①超出有效荷载段受力计算公式的适用范围的宽幅桥面

②带横肋的单箱单室梁

③带斜撑的单箱单室梁

图17至19中中示出了这些结构的断面形式。图16显示了通过增加桥面板腹板之间跨度（例如，中间桥面板长度由4.75m调整为8.2m，规范适用范围为6米）把双室箱梁变为单室箱梁。

另外，图17所示的是由水平肋板支撑的同一个单箱箱梁桥面板，图18所示为由斜撑支撑的外悬桥面板部分。

（1）宽幅单箱单室截面

（2）宽幅带横肋单箱单室截面

在设定肋条的排列间隔和肋条的形状尺寸（构件宽度，构件高度）时，可考虑以下内容作为考虑事项：

（a）桥面板产生的应力水平保持在道路桥示方书设定的公式的范围内。

（b）桥面板在横肋正上方和横肋之间应保持同等的应力水平，以免造成桥面板各部位应力程度的巨大差异。

（c）为了不产生有害的裂纹，应将横肋本身应力控制在限值内，并加强配筋。

（d）从肋部传递到腹板等的应力水平被抑制到规范允许范围，从而不会产生有害的裂缝。

（3）宽幅带斜撑箱梁

对于斜撑连接部分的形状，可以考虑单独设置凸起构造，或是如上图设置连续的凸起边梁类型。 单独设置的凸起，在垂直于梁轴线的方向上的弯曲力矩较大，而且模板不易制作。凸起边梁形式下的桥面板应力可以控制。

以上这些断面，在理想状态下，桥梁构件可以整体或大件运输至现场，减少现场施工作业量。

但对于市区内的工程，靠近桥位处通常很难确保有足够的浇筑场地，这时也可以选择在专业预应力混凝土预制工厂内浇筑节段。

实际情况中构件设计受加工工厂至施工现场的运输条件限制，各个国家对道路运输构件均有不同的规定。

在日本，如果节段是需要采用道路运输，那就意味着工厂预制的时候最大的节段重量只能是30t以下。

而对于欧洲国家，例如法国，对运输条件的规定较为严格，这时，结构断面的选择需要对运输条件、现场浇筑能力等因素来综合考虑。

4.2合理化构造的新发展

图20为Katsurajima高架，桥梁总体布置为4跨一联的连续组合箱梁结构，结合了多种新型技术，带横肋的预应力混凝土桥面板，波形钢腹板以及悬臂桥面斜撑等。桥梁总长为216m。

通过采用肋板和撑杆来减小箱梁重量以达到减小工程造价的目标。同时它还采用了波形钢腹板。采用这种新的技术可以使恒载减小到传统设计重量的70%。

下图为采用不同的断面形式结构减重比例变化的情况。按照箭头方向依次是单箱双室——单箱单室（大悬臂）——单箱外悬臂斜撑——组合箱梁桥（预应力带肋板+波形钢腹板+外悬臂斜撑）。

宽幅桥梁的一些创新性的设计技术，包括宽幅单箱组合梁以及宽幅PC箱梁等的合理化构造的发展，减少了上部结构恒载，减小了下部结构工程量，使施工手段、安装工艺更为有效，获得了很好的经济、环境和美学效益。

目前建成的这些新型桥梁，他们的运营状态均达到了设计之初的预期。对于我国而言，通过对国外新型技术的研究与探索，找出适合我国规范要求的合理技术方法，来减少建设成本，增加结构设计的有效性，是设计努力的方向。