常规桥梁设计选什么样的结构？从三个方面分析

本文主要分享三个方面： 预制结构桥梁体系；负弯矩区的布筋布置规则；T梁、空心板及小箱梁的优缺点，桥型方案设计对比，桥梁上部结构跨径和宽度经济指标对比，以及设计的反思建议等。废话不多说，让我们一睹为快吧！

目前，预制结构桥梁存在3种结构体系：

  （a）简支梁结构，不做连续设计；

  （b）按常规现浇钢筋砼桥面板和接缝而形成的连续结构（即负弯矩区采用普通钢筋形成连续结构）；

  （c）在全长范围内后张预应力钢束所形成的连续结构（即负弯矩区采用后张预应力钢束形成连续结构）

从结构性能、基本费用和养护考虑：

第一种体系（简支）效果较差，它没有利用连续结构的优点。

第二种体系属于连续体系，但它仅仅是对于桥面和梁形成整体后的荷载而言，例如附加恒载、活载和冲击荷载。因此，这种体系在某些方面具有与第一种体系同样的缺点，中间接缝处缺乏预应力也是该体系的一个问题，由于没有预应力，该处桥面板混凝土将会开裂，而随着裂缝的延伸和变宽，水和其他有害物质将会在裂缝中聚集，其结果是引起一些接头钢筋的腐蚀和混凝土剥落，造成混凝土接缝材料老化。

第三种体系是3种体系中效果最好的。预应力和初始上供度相对较小，中间支承处的接缝除自重外，对所有荷载而言都是连续的，而且接缝混凝土具有预压应力。

 简支梁桥是应用最早、使用最广泛的一种桥型。简支桥梁构造简单，最易设计成为各种标准跨径的装配式结构。而且简支梁桥施工简单，施工工序少，架设方便。在多孔简支梁桥中，由于各跨构造和尺寸单一，可以简化施工管理工作，降低施工费用。

 简支梁桥具有结构简单，受力明确，不均匀沉降不产生附加次内力等优点,因而适应性强。目前，在国内高速公路上仍大量地采用简支结构体系桥梁。

 对于简支结构，目前一般采用桥面连续的方式，而减少伸缩缝的数量，为车辆提供连续的行车道，保证了行车的平稳、舒适。

桥面连续构造设计： 以前对简支结构的桥面连续结构设计重视不够，桥面连续容易出现破坏，造成行车不舒适。近年来，经过设计人员对桥面连续构造的改进，加强了施工工艺的研究，桥面连续结构的耐久性也得到了验证。先简支后桥面连续体系的采用，也基本上达到了连续梁桥的使用效果。   

桥面连续构造一（空心板）

桥面连续构造二（空心板-部颁通用图）

桥面连续构造三（T梁-部颁通用图）

1、在梁端部翼板上预留一个槽口(宽80cmx深6cm)，露出翼板上层的纵、横向钢筋，将一根长160cm的环氧涂层钢筋焊接在相邻的两片梁的翼板纵向钢筋上；

2、为了加强桥面连续附近T梁翼板的横向承载能力，在翼板翼缘横向钢筋的基础上间隔增加一根Ф12的钢筋；

3、在现浇层内增加一层钢筋网，间距10cm，顺桥向Ф12，横桥向Ф10；

4、在调平层顶面锯缝，缝宽1cm、深3cm，缝上覆盖一层宽1m的防水卷材，上铺沥青砼。

桥面连续构造四（沪宁高速采用）

桥面连续构造五

构造（五）采用半刚性型式的桥面连续结构，用Φ20的滑动传力钢筋（失效处理）作为连续钢筋，桥面钢筋在一联长度内通长布置（在连续缝处不断开），梁缝处桥面铺装顶面设假缝，底面设断缝。

  经过实践，构造（五）的优点在于类似铰的形式，一般不会形成较大面积的裂缝及破损情况，产生的裂纹也在假缝内产生，梁端桥面铺装整体性较强。

近年来，经过设计人员对桥面连续构造的改进，加强了施工工艺的研究，桥面连续结构的耐久性也得到了验证，先简支后桥面连续体系的采用，也基本上达到了连续梁桥的使用效果。   

目前采用先简支后桥面连续体系的桥梁设计也比较普遍。

从国内其他省份来看，四川省内的高速公路上预制结构桥梁已基本不采用先简支后结构连续体系，跨径从13、16、20、25、30、35、40米的桥跨结构均采用简支结构体系。

从多年来的运营效果上看，简支结构体系桥梁与先简支后结构连续体系的桥梁，对高速公路行车的影响已没有太大区别。

 经过了解，四川省预制结构采用简支桥面连续主要考虑以下几点：

 1、经过多个项目的对比分析，结构连续比桥面连续要增加约10％的造价。

 2、施工工艺繁杂，结构连续锚头若设置在桥面板下张拉、施工、检修困难，若设在桥面铺装层内又容易开裂，降低桥梁使用耐久性。

 3、针对桥面连续在支点处易开裂的情况，设计时进行了研究改进：采用环氧涂层钢筋、铺设SBS防水卷材加强防水等措施。

先简支后结构连续体系的提出：

高速公路的迅速发展使得桥梁的数量大幅度增加，而高速度的行车则要求桥梁具有较好的连续性能、较少的伸缩缝构造等。

在高等级公路桥梁中，多孔中等跨径的桥梁占很大的比重，桥面连续的简支梁结构体系由于存在桥面容易开裂等缺点而在与连续梁结构体系的竞争中常常处于下风。

  但是由于现浇连续梁的施工复杂繁琐，人们一直希望将简支梁的批量预制生产和连续梁的优越性能结合起来，用梁或板批量预制生产的方式来加快连续梁的建设速度，以省去繁琐的支模工序，由此产生了将整跨梁板预制、架设就位后在端部浇筑混凝土并张拉预应力使之连续的“先简支后连续”施工法，而形成的体系则被称为“先简支后结构连续体系”。

先简支后结构连续体系的优点：

先简支后连续桥梁结构就是两跨及两跨以上的预应力混凝土梁通过现浇混凝土形成连续结构，主要优点有以下几点：

1、刚度大、变形小、伸缩缝少和行车舒适；

2、简支梁的预应力钢束在工厂进行张拉，而负弯矩区的预应力钢束布置及张拉均在主梁上进行，仅需吊装设备起吊主梁，减少了施工设备，又能避免张拉预应力钢束造成地面上的障碍；

3、预制梁能采用标准构件，进行工厂化统一生产和管理，有利于技术操作，节省了施工时间，缩短工期，提高经济效益。

负弯矩区布束方式一（院通用图）：

采用预应力钢束承受负弯矩，但锚于梁顶齿块,齿块进入桥面现浇层。

负弯矩区布束方式二（部通用图）： 采用预应力钢束承受负弯矩，但锚于T梁加腋下的齿板上。

负弯矩区布束方式三（广西院）：  采用预应力钢束承受负弯矩，在梁肋范围内顶板开槽平拉锚固。

负弯矩区采用普通钢筋的可行性分析：

为检验先简支后结构连续结构负弯矩区采用普通钢筋的可行性，对20m和25m小箱梁和30mT梁进行了结构验算，验算结构显示：负弯矩存在较大的裂缝，30m跨径T梁裂缝宽度超过规范允许值。

 　形成先简支后结构连续体系如采用普通钢筋，虽然设计、施工比较简单，但由于在负弯矩区段没有预加力的作用，在后期荷载作用下，该区段的桥面板混凝土极易开裂，桥面板始终处于带裂缝工作状态，而且，裂缝是在桥面上，桥面雨水极易进入裂缝，而随着裂缝的长期发展，加快了桥面板钢筋的锈蚀速度，严重影响结构的使用寿命，所以，目前在国内的先简支后结构连续体系的设计中，均采用了施加预应力的方式而形成结构连续结构，尚无采用普通钢筋作为负弯矩受力构件的先例。

1、跨径≤25m的预制梁，采用先简支后桥面连续体系。桥面连续构造参照省内外项目采用病害较少的形式。

2、30m跨的预制梁，当桥墩较高时，采用连续刚构体系，在满足耐久性的前提下负弯矩区可采用普通钢筋。当桥墩高度较小时，建议采用先简支后桥面连续的体系。

  3、40m及以上跨的预制梁，采用连续刚构体系。负弯矩区采用预应力钢束，但其张拉锚固方式应进一步研究确定。（目前倾向于在方式二和方式三中选其一。）

优点：建筑高度低，能适应各种斜度，预制、吊装方便，工程造价较低、施工便利；

缺点：在实际运营养护中，空心板存在较难避免的铰缝脱落、底板开裂通缝、桥面铺装开裂剥离、支座脱空等病害。

原因分析：

（1）其原因是空心板的铰缝砼质量得不到保证，随着铰缝砼的压碎脱落，极易形成单板受力状态，进而形成板的开裂破坏。

（2）即使铰缝砼质量能得到保证，但在桥梁宽跨比较大时，上部结构呈双向板受力状态，而预制板并未考虑横向受力的配筋，会造成空心板在中线薄弱处产生板底纵向开裂。

因此省内部分业主在新建项目中使用空心板都持保留态度。

优点：

（1）建筑高度比同跨径T梁低，有利于降低桥头路堤的填土高度，在软土区及缺乏路基土土源的区段采用，有利于降低总体工程造价。

（2）与空心板相比，它具有跨越能力强，裸梁结构刚度大、抗扭性能较好，横向整体性好，且结构连续、行车舒适、后期养护费用低等优点；小箱梁结构稳定，材料用量较少，造价低。

（3）从美观协调看，桥下仰视结构简洁，效果相对较好。

缺点：

（1）跨径大的上部结构较重，对吊装设备要求较高。

（2）预制小箱梁先简支后连续刚构的设置及施工较T梁困难，随着墩高的加大，桥梁刚构情况将越来越多，预制小箱梁也将越来越不适应。

优点：

跨越能力较强，最大跨径可达50m，具有施工简单，预制方便，对地面交通影响小，对施工设备没有特殊要求等。

缺点：

上部结构建筑高度相对高一些，对于纵断面控制严格的地方，因建筑高度较大采用受到限制。

从美观协调看，桥下仰视纵、横梁密布，比较凌乱，景观效果较差。

相同跨径不同上部结构比较

桥梁上部结构经济比较

上部结构比选结论（基于下部结构相近或相同时）：

对于跨径20~25m的桥梁，推荐首选先简支后桥面连续预应力砼小箱梁。

对于跨径30~40m的桥梁，由于墩高较高，为养护方便，常采用墩梁固结的结构形式，而小箱梁设置及施工较Ｔ梁困难，且后期养护困难、成本高，故推荐采用先简支后结构连续或连续刚构的预应力砼Ｔ梁。

以等桥长为例，通过对不同标准跨径的桥梁配合不同墩高、不同桩基进行计算分析，得出桥型方案综合经济指标，综合考虑施工条件、运营养护等，做出桥型选择。

基本参数：

桥梁标准横断面： 双向六车道整体式路基断面，单幅桥宽16.5m；

下部结构： 采用分离式双柱墩；非软土区（山区）桥梁桩基均按端承桩设计，桩长按25m控制；软土区桩基按摩擦桩设计，软土按15m深控制，桩长按55m控制。桩柱截面配筋率取8.8‰，桩基主筋采用分次截断模式。

上、下部结构尺寸均取自于院通用图。 上部结构比较仅计入梁体（含预制梁、湿接缝）、现浇层等，不含桥面铺装、伸缩缝、防撞栏、排水等桥面系统。下部结构仅计入桥墩、桩基、盖梁、系梁，不计入桥台、搭板等。

山区路段桥型方案比选

软土路段桥型方案比选

从以上分析可知，不论是在山区还是软土区，跨径与墩高、桩基存在一定的规律，使其经济性达到最优。综合考虑地形条件、结构特点、施工便利及运营养护等，桥型方案综合比选结论如下:

墩高H＜15m： 20m空心板、20m、25m小箱梁总体指标非常接近，考虑到小箱梁景观较好，空心板病害较多， 推荐采用20或25m先简支后桥面连续小箱梁。在软土区则推荐采用20m小箱梁，以降低桥头填土高度。

墩高15m≤Ｈ＜25m： 25m小箱梁造价相对较低，且相比较而言，小箱梁景观较好且运输安装也较方便，故 推荐采用25m先简支后连续小箱梁。

墩高25m≤Ｈ＜35m ：30m小箱梁造价相对较低，30mＴ梁指标相差也不多。故 从经济及景观角度，推荐选用30m小箱梁 。但考虑到小箱梁梁片偏重，对吊装设备要求高，且Ｔ梁与等跨径的小箱梁比抗弯刚度大，在山区高墩结构中刚度比及视觉感观更协调，故 在山区桥梁中推荐选用30mＴ梁。

墩高H=35m： 30m小箱梁造价相对较低，30、40mＴ指标稍大。但考虑到小箱梁梁片偏重，对吊装设备要求高，且墩顶现浇段施工相对困难，则可选用30m或40mＴ。

墩高35m＜Ｈ＜55m：在40mT与50mT的比较中，50mT梁造价虽略低，但吊装重量大且容易引起侧弯 ，而40mT梁吊装相对较轻，且适应山区平曲线的能力强，故推荐采用40mT梁预应力砼Ｔ梁。

与国际上相比，我国公路桥梁规范规定的车辆荷载安全系数明显偏低，我国是1．4，美国是1．75，英国是1．73，而计算桥梁构件本身承载能力时，我国规范规定的材料设计强度又定的偏高，有资料显示，我国桥梁的设计承载能力总体上仅为英、美等国家的6O％ ～70％ 。

设计荷载标准偏低临时措施：

（1）荷载取值增加 。参考河北、内蒙等地方标准规范，以及虎门二桥设计荷载标准研究，在设计计算中考虑将荷载标准适当提高。目前基本按1.3提高系数执行。在院内部标准图如现浇箱梁、盖梁通用图编制时，已考虑此提高系数。

（2）计算结果控制严格。

A、承载能力富余控制。计入普通钢筋，计入超载等其他极端不利因素时，承载力应满足规范要求。未计入超载时，建议富余不小于10%。

B、应力富余控制。未计入超载时，建议按短期组合以不出现拉应力为准，斜截面最大压应力不超过混凝土最大压应力限值的90%。

C、裂缝富余控制。Ⅱ类环境时控制最大裂缝宽度不超过0.18mm。

设计时，若荷载取值充分考虑了超载等方面不利因素影响，那么结果控制时不宜控制过严，否则会过于保守导致经济性下降。

每位设计者都熟知，钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁结构均应按承载能力极限状态和正常使用极限状态来进行设计。然而在工程设计时，设计人员往往是只重视承载极限状态的控制，结构抗力都能考虑足够，但对正常使用极限状态指标往往不太重视，正常使用极限状态很大程度上决定了结构的使用性能。而结构在其寿命周期中，最重要的正是其使用性能，使用性能的降低甚至损坏进而会影响结构的耐久性，耐久性不足又会进一步影响结构的使用性能及结构寿命。