基于t梁橋良好的使用效果，由此想到將小箱室閉口截面改為實(shí)體肋板截面，利用傳統(tǒng)t梁的優(yōu)勢(shì)研究開發(fā)矮t梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于20m及其以下跨徑橋梁，從而替代病害嚴(yán)重的空心板結(jié)構(gòu)。2011年，浙江省公路協(xié)會(huì)組織設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、咨詢、高校等多部門成立了矮t梁研發(fā)課題組。
1 矮t梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)原則及目標(biāo)
矮t梁通用圖研發(fā)遵循如下原則：
①安全第一的原則。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，充分重視國內(nèi)物流業(yè)快速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)，考慮低矮結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、合理選取構(gòu)造尺寸，兼顧結(jié)構(gòu)施工安全和使用耐久性。
②適度超前的原則。在滿足國內(nèi)規(guī)范基礎(chǔ)上，積極、認(rèn)真地吸取國內(nèi)外工程建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)，適度超前于現(xiàn)行規(guī)范；施工工藝、材料選用既考慮現(xiàn)有施工水平, 又適度提高設(shè)計(jì)要求，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步?；诮陙硪?guī)范對(duì)中小跨徑橋梁設(shè)計(jì)荷載的不斷調(diào)整，不再將公路—ⅱ級(jí)荷載納入結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。
③確保質(zhì)量的原則。因通用圖使用量大面廣，編制時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇適應(yīng)面廣，并在工程實(shí)踐上要求迫切、有利于方便施工及質(zhì)量控制等關(guān)鍵性技術(shù)問題上尋求新突破。
根據(jù)上述原則，基于常見中小跨徑板梁使用需求，制定矮t梁通用圖設(shè)計(jì)擬形成如下成果：
①跨徑：包括10m、13m、16m、20m；
②荷載：公路—ⅰ級(jí)；
③結(jié)構(gòu)形式：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支、先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)；
④交角：0°、15°、30°；
⑤參數(shù)化設(shè)計(jì)：與國內(nèi)大型軟件研發(fā)單位合作，研發(fā)矮t梁專用繪圖軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)及修改功能，使其適用于各種常見橋?qū)挕?br>
2 矮t梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究
2.1 矮t梁合理結(jié)構(gòu)尺寸的研究
中小跨徑橋梁在保證結(jié)構(gòu)受力安全、適用耐久的前提下，擺在設(shè)計(jì)人員面前最主要的問題就是如何降低造價(jià)。對(duì)于矮t梁結(jié)構(gòu)，既要考慮選取低矮結(jié)構(gòu)，又要合理控制板梁間距以方便施工，主要研究?jī)?nèi)容及成果闡述如下：
2.1.1合理梁高的擬定
考慮到汽車荷載重型化，矮t梁應(yīng)具有合理的建筑高度，以保證合理安全儲(chǔ)備、確保行車舒適性和使用耐久性?，F(xiàn)有常見預(yù)制板梁中，空心板、組合小箱梁因其建筑高度低，深受工程設(shè)計(jì)人員的鐘愛。通過對(duì)空心板、小箱梁結(jié)構(gòu)研究，在綜合分析其截面布置、建筑高度、結(jié)構(gòu)受力等方面的相互關(guān)聯(lián)，探尋其細(xì)部尺寸擬定存在的規(guī)律，為矮t梁合理結(jié)構(gòu)尺寸擬定積累數(shù)據(jù)。
按照功能相當(dāng)?shù)脑瓌t，我們可知：
單榀空心板計(jì)算截面可近似等效為t梁。見圖1。
圖1 空心板等效計(jì)算截面演化示意
單榀組合小箱梁計(jì)算截面可近似等效為2榀預(yù)制t梁，t梁間橫向間距1.7m。見圖2。
圖2 小箱梁等效計(jì)算截面演化示意
基于此，我們對(duì)交通部頒通用圖空心板、小箱梁結(jié)構(gòu)，各跨徑建筑高度作了收集和匯總，并做了統(tǒng)計(jì)分析。見表1、表2。
對(duì)于10～20m跨徑空心板結(jié)構(gòu)，梁體高度h=0.05l+δ。隨著跨徑l的增大，δ由0.1逐級(jí)遞減至-0.05，規(guī)律明顯。隨著跨徑增大，梁體剛度（高跨比）有降低。自2011年起，浙江省高等級(jí)公路開始限制使用20m跨徑空心板。
對(duì)于20～40m跨徑預(yù)制小箱梁結(jié)構(gòu)，梁體高度h=0.05l+δ，隨著跨徑l的增大，δ由0.2逐漸遞減至0，規(guī)律明顯。隨著跨徑增大，梁體剛度（高跨比）亦有降低。自2013年起，浙江省高等級(jí)公路開始限制使用35m、40m跨徑小箱梁。除非特殊路段，如上跨鐵路、大角度斜交等，但需要特殊設(shè)計(jì)，如截面腹板加厚或者增加建筑高度等。
表1 10～20m跨徑空心板結(jié)構(gòu)高度、跨徑關(guān)系分析
表2 20～40m跨徑小箱梁結(jié)構(gòu)高度、跨徑關(guān)系分析
利用傳統(tǒng)t梁的優(yōu)勢(shì)，降低t梁的建筑高度，通過縮小板梁橫橋向間距，可以實(shí)現(xiàn)板梁建筑高度降低。
基于上述分析，各跨徑矮t梁建筑高度取用原則如下：
梁高：h=0.05l+0.1（m）。
l為橋梁跨徑，單位m。矮t梁梁高相較同跨徑空心板結(jié)構(gòu)，梁高作有限提高，適當(dāng)規(guī)避空心板結(jié)構(gòu)斷面尺寸偏小、安全儲(chǔ)備低的缺點(diǎn)。
2.1.2 腹板厚度的擬定
腹板厚度取值與結(jié)構(gòu)剛度需求，鋼束布設(shè)方式，梁端錨具襟邊、鋼筋連接要求，板梁間距等有關(guān)。經(jīng)計(jì)算后，跨中段10m～16m跨徑按照35cm控制、20m跨徑按照40cm控制，全斷面不設(shè)置馬蹄。對(duì)于先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，考慮方便施工及鋼筋連接質(zhì)量，靠近梁端1m區(qū)域10m～16m加厚至60cm、20m跨徑加厚至70cm，期間設(shè)置100cm長(zhǎng)度作為腹板厚度過渡漸變。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支，梁端采用與跨中段相同截面，不設(shè)置加厚展寬段。
保證腹板合適厚度，可提高構(gòu)件單梁剛度，控制梁板反拱幅度，提高通車舒適性。同時(shí)，方便施工振搗、鋼束定位以及鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋凈距控制等。先簡(jiǎn)支后連續(xù)結(jié)構(gòu)，梁端腹板在梁端局部加厚展寬，可保證鋼筋連接質(zhì)量、降低后澆段砼施工難度。采用合理腹板厚度，梁端錨具可采用筒狀深槽錨固，降低封端砼施工難度，有效保障梁端斜截面抗剪能力。
圖3 先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)梁端錨具、鋼筋布設(shè)示意（16m跨徑）
對(duì)于先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，10～16m跨徑推薦采用普通鋼筋砼連續(xù)，20m跨徑推薦采用墩頂設(shè)置負(fù)彎矩鋼束連續(xù)。
2.1.3 板梁間距及預(yù)制板寬的擬定
從充分發(fā)揮矮t梁構(gòu)造上的優(yōu)勢(shì)，適當(dāng)增加矮t梁翼緣板寬，盡量控制濕接縫后澆帶寬度，以求獲得最大的偏心距并發(fā)揮鋼束預(yù)壓性能。矮t梁板梁間距受建筑高度制約，而且過大的板梁間距會(huì)導(dǎo)致板梁橫向分布系數(shù)幅差增大。
基于發(fā)揮翼緣板受力性能、方便安裝以及實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化施工需要等，矮t梁通用圖預(yù)制板寬為120cm，板梁間距介于150～170cm區(qū)間，不同的梁距通過濕接縫寬度調(diào)整?？紤]橋面板濕接縫橫向鋼筋連接要求，控制濕接縫的寬度不小于30cm也是合適的。
圖4 橋?qū)?2.5m斷面布設(shè)圖
圖5 橋?qū)?6.25m斷面布設(shè)圖
板梁最大荷載橫向分布系數(shù)，上述兩個(gè)高等級(jí)公路常見斷面，經(jīng)計(jì)算基本相當(dāng)，幅值相差僅2.9%，說明按照上述原則擬定的板梁尺寸合理、適用。
2.1.4 橫隔板設(shè)置
橫隔板道數(shù)（端、中）：基于計(jì)算分析及工程經(jīng)驗(yàn)，10～16m設(shè)置3道，20m跨徑設(shè)置4道，平行于斜交方向布設(shè)。
2.2矮t梁計(jì)算方法研究
2.2.1矮t梁截面效率分析
為了驗(yàn)證矮肋t梁截面尺寸是否合理，采用截面效率指標(biāo)核查。截面效率指標(biāo)ρ在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁設(shè)計(jì)中具有重要意義，它是校核梁的橫截面設(shè)計(jì)是否合理的一個(gè)控制指標(biāo)，有關(guān)截面效率指標(biāo)的定義，可參考相關(guān)文獻(xiàn)[3,4]。
在預(yù)加力階段和運(yùn)營(yíng)階段，預(yù)應(yīng)力混凝土梁截面承受雙向彎矩。如圖6所示，在預(yù)加力階段，施加了偏心預(yù)加力ny，在預(yù)加力ny和梁自重彎矩mg1的共同作用下，合力ny相當(dāng)作用于截面的下核心點(diǎn)，此時(shí)，截面上緣應(yīng)力為零。在運(yùn)營(yíng)階段，若計(jì)及預(yù)應(yīng)力損失△ny，截面內(nèi)合力為ny’=ny-△ny，則在結(jié)構(gòu)二期恒載彎矩彎矩mg2和汽車與人群荷載彎矩mp作用下，合力ny’將從下核心點(diǎn)移至上核心點(diǎn)，此時(shí)，截面下緣應(yīng)力為零，即移動(dòng)了k=ks+kx的距離。則有：
圖6 截面計(jì)算圖示
以20m跨徑矮t梁為例，經(jīng)計(jì)算，跨中截面效率指標(biāo)矮t梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸是多少？_10。
截面效率指標(biāo)ρ在很大程度上表證了截面承受活載的能力，但ρ值并不是越大越好，因?yàn)?rho;值過大意味著截面過于單薄，存在失穩(wěn)的可能性。文獻(xiàn)[3]提出了ρ的合理范圍為0.45～0.5。據(jù)此判斷，本項(xiàng)目所擬定矮t梁截面尺寸合理。
2.2.2矮t梁橫向分布系數(shù)研究
荷載橫向分布是指公路車輛荷載在橋梁橫向各主梁間的分布，它是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)問題。本項(xiàng)目從平面、空間分析角度，用傳統(tǒng)解析算法和有限元數(shù)值計(jì)算方法分析矮t梁的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)不同跨徑矮t梁橋的橫向分布按簡(jiǎn)支、連續(xù)和正交、斜交進(jìn)行了深入的分析和研究，并探尋了矮t梁橋橫向分布系數(shù)的縱向分布特征，測(cè)算了主梁間距對(duì)于橫向分布的影響。
基于12.5m、16.25m寬路幅橋梁，主要研究結(jié)論如下：
①采用數(shù)值計(jì)算方法得到的矮t梁橫向分布影響線總體位于剛性橫梁法和剛接板梁法之間，影響線線形與剛接板梁法較接近。隨著跨徑的增加，矮t梁寬跨比逐漸接近于0.5，三種方法得到的邊梁橫向分布影響線趨向一致。
②對(duì)于簡(jiǎn)支矮t梁,采用剛接板梁法得到的橫分系數(shù)，略大于數(shù)值計(jì)算方法，最大比值約為103%以內(nèi)。對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)，數(shù)值計(jì)算方法略大，最大比值約為105%。因此，可以采用剛接板梁法作為矮t梁橫向分布計(jì)算方法。
③對(duì)于連續(xù)結(jié)構(gòu)，可以采用等效簡(jiǎn)支梁法計(jì)算橫向分布。跨徑、橋?qū)捪嗤?，連續(xù)結(jié)構(gòu)的橫向分布略大于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，同時(shí)隨著跨徑的增加，差異變大。但由于矮t梁跨徑相對(duì)較小，最大比值僅約為102%。
④隨著斜交角度從0°增加到30°，矮t梁邊梁、次邊梁的橫分系數(shù)呈下降趨勢(shì)，最大下降幅度約3.6%，但仍為相對(duì)大值，中梁呈增加趨勢(shì)，最大增加幅度約6.2%。因此可認(rèn)為在0～30°范圍，斜交角度對(duì)跨中橫向分布的影響較小，可按正交橋梁計(jì)算。
⑤對(duì)于剪力橫分系數(shù)的縱向分布，數(shù)值結(jié)果與傳統(tǒng)簡(jiǎn)化方法的轉(zhuǎn)折點(diǎn)位置總體相符，跨中一般為數(shù)值方法為大，支點(diǎn)一般為簡(jiǎn)化方法為大，結(jié)合單梁有限元和空間梁格有限元的活載內(nèi)力對(duì)比，為方便計(jì)算，可采用傳統(tǒng)簡(jiǎn)化方法，即支點(diǎn)采用杠桿法，跨中段采用剛接板梁法，在支點(diǎn)到第一道中橫梁或1/4l位置按直線漸變。
⑥隨著梁間距的增加，橫向分布系數(shù)主要呈現(xiàn)線形增加規(guī)律。10m跨徑矮t梁增速相對(duì)較快，其梁間距每增加10cm，跨中橫向分布系數(shù)平均增幅約為5%。
2.2.3 單梁與空間梁格的對(duì)比分析
矮t梁為預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，橫向濕接縫與預(yù)制主梁為組合式受彎構(gòu)件，需要考慮作用效應(yīng)的分階段累積。單梁分析時(shí)采用主梁多單元模型，即在橋梁橫向分別建立預(yù)制梁、濕接縫的單元。梁格模型則建立由預(yù)制矮t梁、濕接縫、橫隔梁、虛擬橫梁和虛擬縱梁等組成的空間梁格有限元模型。見圖7。
圖7 單梁、空間梁格計(jì)算模型示意
圖8 邊梁活載最大緣應(yīng)力（3-20m，12.5m橋?qū)?，單位mpa）
對(duì)比單梁模型和空間梁格模型的成橋狀態(tài)，及梯度溫度、不均勻沉降和汽車荷載等不同作用效應(yīng)各自影響。經(jīng)分析可知，兩種模型在成橋狀態(tài)、梯度溫度、不均勻沉降效應(yīng)計(jì)算結(jié)果基本相同。汽車荷載應(yīng)力對(duì)比，梁格邊跨跨中下緣應(yīng)力小2.21mpa，比值為0.77倍；支點(diǎn)上緣小0.69mpa,比值為0.80倍。其差異原因主要在于橫分系數(shù)的取值，可以認(rèn)為單梁簡(jiǎn)化計(jì)算方法基本合理。見圖8。
2.2.4 橫隔板設(shè)置分析
橫隔板對(duì)于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向聯(lián)系、保證結(jié)構(gòu)的整體性具有較大作用。分析采用梁格有限元對(duì)路基寬度26m(單幅橋梁寬度12.5m)的20m簡(jiǎn)支矮t梁進(jìn)行比較分析，斷面見圖4。分析中主要考慮設(shè)置兩道橫隔板、一道橫隔板和不設(shè)置橫隔板三種情況。對(duì)中橫隔梁設(shè)置必要性的分析主要從兩個(gè)角度進(jìn)行考察：一是某主梁上作用單位車道荷載（均布荷載qk=10.5kn/m，集中荷載pk=357.1kn）時(shí)，該主梁及相鄰主梁內(nèi)力的變化情況；二是橫向分布的變化。見圖9～圖14。
圖9 受荷主梁彎矩圖
圖10 受荷主梁剪力圖
圖11 相鄰主梁彎矩圖
圖12 相鄰主梁剪力圖
圖13 邊梁跨中彎矩影響線對(duì)比
圖14 次邊梁3.5m位置剪力影響線對(duì)比
從內(nèi)力角度，設(shè)置橫隔梁有助于改善主梁內(nèi)力分布。一方面受荷主梁在橫隔梁位置的峰值內(nèi)力降低較為明顯，跨中設(shè)置中橫梁后，跨中彎矩降為79%，設(shè)置兩道中橫梁后，對(duì)應(yīng)位置剪力降為66%，且峰值位置調(diào)整。另一方面相鄰主梁可以分擔(dān)更多荷載。不設(shè)橫隔梁時(shí)，主梁間剪力僅靠翼緣板傳遞，設(shè)置后附近的內(nèi)力分布發(fā)生變化，設(shè)置一道中橫隔梁后相鄰梁跨中彎矩是不設(shè)中橫梁的1.15倍，設(shè)置兩道中橫梁后，橫隔梁位置分擔(dān)剪力是不設(shè)橫梁的2.44倍。
從橫分角度，橫隔梁對(duì)于平抑影響線豎標(biāo)峰值具有顯著意義?？缰性O(shè)置橫隔梁時(shí)，其邊梁彎矩影響線豎標(biāo)約為不設(shè)置橫隔梁時(shí)0.79倍；設(shè)置兩道橫隔梁時(shí)，其3.5m處次邊梁剪力影響線豎標(biāo)約為0.40倍。設(shè)置橫隔梁有助于減輕單列超重車輛的不利影響，如不設(shè)跨內(nèi)橫隔梁，經(jīng)測(cè)算，若單列車超載30%，靠近支點(diǎn)剪力橫分系數(shù)會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)控制臨界。
2.2.5 橋面現(xiàn)澆層與結(jié)構(gòu)共同作用影響分析
橋面現(xiàn)澆層參與共同作用，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：加厚了橋面板厚度，提高了矮t梁的橫向抗彎和抗剪剛度，有利于荷載的橫向分布，促進(jìn)各主梁共同受力；加大了結(jié)構(gòu)梁高，有利于提高主梁、橋面板和橫隔梁等的承載能力；增加了二次恒載的重量，需要合理設(shè)置現(xiàn)澆層厚度。板式橋梁橋面現(xiàn)澆層與結(jié)構(gòu)的疊合面是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱面，疊合面的抗剪強(qiáng)度是保證疊合前后澆筑的兩部分混凝土形成整體截面而共同工作的關(guān)鍵。本項(xiàng)目在疊合面位置布置了抗剪鋼筋。關(guān)于橋面現(xiàn)澆層參與共同作用的影響分析，設(shè)計(jì)假定參與共同作用的橋面現(xiàn)澆層厚度分別為0cm、4cm、6cm、8cm、10cm，計(jì)算結(jié)果如下：
對(duì)橫向分布的影響：橋面現(xiàn)澆層參與共同作用對(duì)橫向分布影響較小，10m跨最大降低僅約2%，20m跨最大降低僅約1.1%，可忽略該影響因素。
對(duì)承載能力的影響：對(duì)主梁抗彎能力的提高略大于梁高增大幅度，對(duì)主梁抗剪能力的提高略小于梁高的增加幅度，對(duì)橋面板和橫隔梁的抗彎能力的提高相對(duì)較大。
相關(guān)計(jì)算詳見表3～表6。
表3 不同現(xiàn)澆層厚度對(duì)截面抗彎極限承載能力的影響（跨中）
表4 不同現(xiàn)澆層厚度對(duì)截面抗剪極限承載能力的影響（支點(diǎn)）
表5 不同現(xiàn)澆層厚度對(duì)橋面板抗彎極限承載能力的影響
表6 不同現(xiàn)澆層厚度對(duì)橫隔梁極限承載能力影響
由分析可知，采取有效措施保證橋面現(xiàn)澆層與結(jié)構(gòu)疊合面連接，保證橋面現(xiàn)澆層有效厚度，對(duì)提高結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備是有利的。
2.3 矮t梁施工工藝要求
良好的設(shè)計(jì)意愿需要通過嚴(yán)格的施工及良好的質(zhì)量控制管理才能實(shí)現(xiàn)。矮t梁通用圖在設(shè)計(jì)說明書中列出了如下施工要點(diǎn)：
①澆注矮t梁混凝土前應(yīng)嚴(yán)格檢查附屬設(shè)施的預(yù)埋件是否齊全，確定無誤后方可澆注。施工時(shí)，應(yīng)保證預(yù)應(yīng)力束管道及鋼筋位置準(zhǔn)確，控制混凝土集料最大粒徑不得大于20mm。澆注混凝土?xí)r應(yīng)充分振搗密實(shí)，嚴(yán)格控制澆注質(zhì)量。
②為了防止預(yù)制梁上拱度過大，存梁期不宜超過90d。
③對(duì)于矮t梁預(yù)應(yīng)力的施加工藝，應(yīng)該予以充分注意和重視。預(yù)應(yīng)力束管道的位置必須嚴(yán)格按坐標(biāo)定位，并用定位鋼筋固定，定位鋼筋與空心板腹板的箍筋點(diǎn)焊連接，嚴(yán)防錯(cuò)位和管道下垂。
④采用智能張拉工藝，預(yù)應(yīng)力鋼束必須待澆筑混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度、彈性模量90%后，且混凝土齡期不小于10d，方可張拉。當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力時(shí)，實(shí)際引伸量值與理論引伸量值的誤差應(yīng)控制在6%以內(nèi)。實(shí)際引伸量值應(yīng)扣除鋼束的非彈性變形影響。張拉完成后，孔道壓漿應(yīng)飽滿。
⑤由于吊環(huán)吊裝較難滿足新版規(guī)范的要求，采用設(shè)吊孔穿束兜板底加扁擔(dān)梁的吊裝方法吊裝。