学习单元2.1 梁式桥特点及构造

2.1.1 混凝土梁式桥概述

梁桥是指在垂直荷载作用下，支座只产生垂直反力而无水平反力的结构，梁作为主要承重结构，主要承受弯矩和剪力。公路与城市道路中建造的梁桥大多采用钢筋混凝土或预应力混凝土结构，统称为混凝土梁桥。混凝土梁桥具有造型简单、适应工业化施工、经济及耐久性好等许多优点，特别是预应力技术的应用，为现代装配式结构提供了最有效的接头和拼装手段，使得混凝土梁桥得到了广泛应用，这种桥型已成为我国中小跨径桥梁的主要结构型式。目前，预应力混凝土简支梁桥的跨径已达到50～70m，连续梁桥的跨径达120～150m。

2.1.2 板桥的特点与分类

板桥是小跨径钢筋混凝土桥中最常用的形式之一。由于它在建成以后外形上像一块薄板，故习惯称之为板桥。

2.1.2.1 板桥的优缺点

1.优点

（1）建筑高度小，适用于桥下净空受限制的桥梁，与其他类型的桥梁相比，可以降低桥头引道路堤高度和缩短引道长度。

（2）外形简单，制作方便。

（3）做成装配式板桥的预制构件时，质量轻，架设方便。

2.缺点

跨径不宜过大，跨径超过一定限度时，截面显著加高，从而导致自重加大，由于截面材料使用得不经济，使板桥建筑高度小的优点也因之被抵消。因此，通过实践，简支板桥的经济合理跨径一般限制在13～15m以下。

2.1.2.2 板桥的分类

板桥可分为钢筋混凝土板桥及预应力混凝土板桥，其截面形式包括整体式矩形实心板、装配式实心板、空心板及异形板等。

2.1.2.3 整体式简支板桥的构造

整体式矩形实心板，如图2.1所示，具有形状简单、施工方便、建筑高度小等优点，但施工时需现浇混凝土，受季节气候影响，又需模板与支架。从受力要求看，截面材料不经济、自重大，所以只在钢筋混凝土板桥中使用。有时为了减轻自重，也可将截面受拉区稍加挖空做成肋式的板截面，如图2.2所示。

1.整体式正交板桥的受力特点

（1）在均布恒载作用下，桥跨板基本处于单向受力状态，其跨中截面单位宽度上的弯矩M_x可像简支梁跨中弯矩那样进行确定，而与之正交截面单位宽度上的弯矩M_y比弯矩M_x小得多。

（2）当车轮荷载作用在板中时，桥跨板处于双向受力状态。其跨中截面弯矩M_x沿板横向（y轴方向）是非均匀分布的，如图2.3所示，M_x随着距荷载作用点的距离增加而减小。而横向弯矩M_y虽大于均布荷载作用下的该值，但与M_x相比仍然很小。

（3）当车轮荷载作用在自由边附近时，M_x和M_y的分布规律与荷载作用在板中类似，但M_x值较大，而M_y值较小。

根据上述受力特点，实际工程中整体式正交板桥通常作为单向板考虑，采用更为实用的简化计算方法确定其内力，例如折算宽度法假定车轮荷载引起的跨中弯矩M_x由板的折算宽度b来承担，折算宽度b取车轮荷载的有效分布宽度。由此计算单位板宽度上的弯矩，最终确定板受力钢筋数量。

2.构造与设计

整体式正交简支板桥的板厚通常取跨径的1/20～1/15，但不宜小于10cm。其配筋应与受力特点吻合。因此，除纵向受力主筋需通过计算确定外，还需布置一定数量的横向钢筋以承受车轮荷载引起的横向弯矩M_y（可通过计算确定）和防止混凝土收缩及温度变化引起的裂缝。

《桥规》规定，板中主筋直径不宜小于10mm，间距不大于20cm，分布筋直径不宜小于8mm，间距不大于20cm。当车辆荷载作用在板的边缘附近时，板边缘截面上的M_x的值较大（车轮荷载有效分布宽度小于车辆荷载作用板中心线附近的分布宽度），因此在板边缘的1/6板宽内主筋配筋量通常增加15%，同时应考虑布置适量边缘构造钢筋。此外，整体式板主拉应力较小，不需设置弯起钢筋，但通常还是将部分主筋在1/4～1/6跨径处按照30°或45°弯起，但通过支点的不弯起主筋，每米板宽不少于3根，并不少于主钢筋面积的1/4。

如图2.4所示为标准跨径6m，桥面净宽8.5m的整体式简支板桥的构造与配筋。该桥计算跨径为5.96m，板厚32cm。纵向主筋为直径20mm的Ⅱ级钢筋，在中间2/3板宽内按间距12.5cm布置，两侧各1/6板宽内按间距11cm布置，并在跨径两端1/4～1/6的范围内按30°弯起。横向分布钢筋为10mm的Ⅰ级钢，沿纵向按间距20cm布置。

2.1.2.4 装配式简支板桥的构造

装配式板桥一般由数块一定宽度的实心或空心预制板组成。各板利用板间企口缝填充混凝土相连接。在荷载作用下，每块板相当于单向受力的梁式窄板，除在主跨径方向承受弯曲外，还承受通过板间接缝（铰缝）传递剪力而引起的扭转。因此，每块预制板除承受本板内的荷载外，还承受相邻板块作用而引起的竖向剪力和其他内力作用。

由于其他内力与竖向剪力相比对确定板的内力影响很小，所以设计中多采用铰接板（梁）法确定其板中内力。板中主要受力钢筋的数量由计算得到的内力确定，此外，在板中布置适量的构造钢筋以承受计算时忽略的某些内力。

装配式简支板桥的横截面形式，主要有实心板和空心板两种，空心板使用较多。

1.装配式空心板桥

为了减轻自重，充分发挥材料的性能，在跨径6～13m钢筋混凝土板桥及跨径10～16m的预应力混凝土板桥的标准图中，采用空心板截面，板厚为40～85cm。空心板的顶板和底板厚度应不小于8cm，空洞端部应予以填封，以保证施工质量和承载的需要。

如图2.5所示为标准跨径16m、净宽2×11m、板厚为0.7m的预应力混凝土空心板桥的一般横断面图，半幅桥面由12块板组成，板间隙1cm。

装配式预制空心板截面中间挖空形式很多，如图2.6所示为几种常用的空心板截面形式，挖成单个较宽的孔洞，挖空体积最大，块件质量最轻，但顶板需满足一定的厚度，且在顶板内要布置一定数量的横向受力钢筋。如图2.6（a）所示的顶板略呈微弯形，可以节省一些钢筋，但模板较图2.6（b）所示复杂些。如图2.6（c）所示挖成两个正圆孔，其挖空体积较小。如图2.6（d）所示的芯模由两个半圆及两块侧模板组成，对不同厚度的板只要更换两块侧模板就能形成空形，它挖空体积较大，适用性也较好。

如图2.7所示为标准跨径16m，装配式先张法预应力混凝土空心板桥中板配筋图，设计荷载汽车超20级，挂车120（1985年桥梁规范），桥面行车道净宽2×11m。预应力钢筋采用1615（75）钢绞线，标准强度1500MPa。图中N2～N9号是钢绞线，预应力筋应考虑其有效长度，有效长度范围以外的部分，采取有效措施进行有效处理，失效范围的预应力筋可用硬塑料管套住，使预应力筋与混凝土不结合。预制板顶面混凝土要进行正规的拉毛处理，以使现浇桥面混凝土与其结合。图2.7中的14号筋与5号主筋绑扎在一起，上端在块件预制时紧贴侧模，脱模后扳出。

2.装配式板桥的横向连接

为了使装配式板块组成整体，共同承受车辆荷载，在块件之间必须具有横向连接的构造。常用的连接方法有企口混凝土铰连接和钢板焊接连接。

（1）企口混凝土铰连接。企口式混凝土铰常采用的形式如图2.8所示。为使桥面铺装层与主板共同受力，将预制板中的N1钢筋伸出以与相邻板的同样钢筋互相绑扎，再浇筑在铺装层内；将相邻板的底层箍筋N2伸入铰缝绑扎，铰缝内用C30以上的细骨料混凝土填实。

（2）钢板连接。钢板连接一般采用在预制板顶面沿纵向两侧边缘每隔0.8～1.5m，预埋一块钢板，如图2.9所示。连接时将钢盖板与相邻预制板顶面对应的预埋钢板焊接在一起。通常在跨中部分钢板连接布置较密，而两端支点部分较稀疏。实践证明这两种连接能够很好地传递横向剪力使各板块共同受力。在国外，通常以横向预应力方式连接，使装配式板桥的受力特性接近于整体式板桥。

2.1.2.5 斜板桥的构造

由于桥址处地形的限制，需将桥梁做成斜交。斜交板桥的板的支承轴线的垂直线与桥纵轴线的夹角称为斜交角，如图2.10所示。

1.斜板桥的受力特点

（1）荷载有向两支承边之间最短距离方向传递的趋势，如图2.10所示。在较宽的斜板中部，其最大主弯矩方向（即在垂直于该方向的截面上没有扭矩）几乎接近与支承边正交。其次，无论对宽的或窄的斜板，其两侧的主弯矩方向虽接近平行于自由边，但仍有向支承边垂线方向偏转的趋势。

（2）各角点受力情况可以用比拟连续梁的工作来描述，如图2.11所示。在斜板Z形条带A-B-C-D上各点的受力情况，可以用三跨连续梁来比拟，在钝角B、C处产生较大的负弯矩，其方向垂直于钝角的二等分线；同时，在B、C点的反力也较大，锐角A、D点的反力较小，当斜交角与斜的跨宽比都较大时，锐角便有向上翘起的趋势。此时若固定锐角角点，势必导致板内有较大的扭矩。

（3）在均布荷载下，当桥轴线方向的跨长相同时，斜板桥的最大跨内弯矩比正桥要小，跨中弯矩的折减主要取决于斜交角φ和抗弯刚度与抗扭刚度的比值K。在K≥10且φ≤20°时，斜桥可按正桥计算；在5≤K≤10且φ≤15°时，可按正桥设计斜桥；在0≤K≤5且φ≤10°时，可按正桥设计斜桥。这样，二者间主要控制截面的内力误差不超过5%。跨内纵向最大弯矩或最大应力的位置，随着斜交角φ的变大，而自中央向钝角方向移动。

（4）在上述同样的情况下，斜板桥的跨中横向弯矩比正桥的却要大，可以认为横向弯矩增加的量，相当于跨径方向弯矩减少的量。由于斜交引起的纵向弯矩的折减系数可查公路设计手册《梁桥》（上册）第一篇附表（二）。

（5）斜板桥的跨中剪力比相同跨径的正板桥大。

2.斜板桥的构造

如图2.12所示，斜板桥的钢筋可按下列规定布置。

（1）对于整体式斜板桥，当斜交角φ≤15°时，主筋平行于桥纵轴线方向布置；当斜交角φ&gt；15°时，主筋宜垂直于板的支座轴线方向布置。此时，在板的自由边上下应各设一条不少于3根平行于自由边的钢筋带，并用箍筋箍牢在钝角部位靠近板顶的上层，应布置垂直于钝角平分线的加强筋。在钝角部位靠近板底的下层，应布置平行于钝角平分线的加强筋。加强钢筋的直径不小于12mm，间距为100～150mm，布置于钝角两侧1～1.5m边长的扇形面积内。

（2）斜板的分布钢筋宜垂直于主筋方向设置，其直径不小于8mm，间距不大于200mm，分布钢筋的面积不宜小于板截面积的0.1%，在斜板的支座附近宜设平行于支座轴线的分布钢筋，或将分布钢筋向支座方向呈扇形分布，过渡到平行于支承轴线。

（3）预制斜板的主筋可与桥纵轴线平行，其钝角部位的加强筋布置与整体式斜板桥相同。

2.1.3 简支梁桥的构造及特点

简支梁桥具有受力明确、构造简单、施工方便等优点，是中、小跨径桥梁应用最广的桥型。按施工方法分为整体式简支梁桥和装配式简支梁桥两类。

如图2.13所示为一个典型的装配式简支梁桥的构造布置。上部构造由主梁、横隔梁、桥面板、桥面系等部分组成。主梁是桥梁的主要承重结构；横隔梁保证各根主梁相互连成整体，以提高桥梁的整体刚度；主梁的上翼缘构成桥面板，组成行车（人）平面，承受车辆（人群）荷载的作用。这类桥梁可采用整体现浇和预制装配两种不同的方式进行施工。

2.1.3.1 整体式简支梁桥

整体式梁桥具有整体性好、刚度大、易于做成复杂形状等优点，多数在桥孔支架模板上现场浇筑，也有整体预制、整孔架设的个别情况。

常用的整体式简支T形梁桥的横截面如图2.14所示。在保证抗剪、稳定的条件下主梁的肋宽为梁高的1/6～1/7，但不宜小于14cm，以利于浇筑混凝土，当肋宽有变化时，其过渡段长度不小于12倍肋宽差。主梁高度通常为跨径的1/8～1/15。为了减小桥面板的跨径（一般限制在2～3m之内），还可以在两根主梁之间设置次纵梁，如图2.14（b）所示。为了合理布置主钢筋，梁肋底部可做成马蹄形。

整体式简支梁桥桥面板的跨中板厚不应小于10cm。桥面板与梁肋衔接处一般都设置承托结构，承托长高比一般不大于3。

2.1.3.2 装配式简支T形梁桥

装配式简支梁主梁的横截面形式，可分为Ⅱ形［图2.15（a）］、T形［图2.15（b）～（d）］和箱形［图2.15（e）］三种。

装配式T形梁桥是使用最为普遍的结构形式，其优点是制造简单、整体性好、接头也方便。其构造布置是在给定桥的设计宽度的条件下，选择主梁的截面形式，确定主梁的间距（片数）和桥跨结构所需横隔梁的数量，进而确定各构造部分的细部尺寸。

1.T形梁桥主梁的构造

国内外建造的装配式简支梁桥的主梁截面大多采用T形截面。因T形截面适合于简支梁的受力特点，即只承受单向弯矩。对于跨径较大的简支梁桥，为了减轻单片主梁的吊装重量，主梁也常采用T形截面，但主梁上翼缘间需加入一段现浇混凝土，使各主梁连接成整体，并构成桥面板，或在预制主梁上现浇整体桥面板。虽然主梁采用Ⅰ形截面，但最终的桥梁横截面与采用T形截面主梁构成的桥梁横截面差别不大。

（1）主梁间距（或片数）的确定。对一定的桥面宽度而言，主梁间距小，主梁片数就多，而T梁翼板挑出亦短；反之，间距大，主梁片数少，翼板挑出长。如何解决，要综合考虑材料的用量、预制工作量和运输、吊装等因素的影响。一般来讲，如果没有起重能力的限制，对跨径较大的桥梁，主梁片数应适当减少，材料用量比较经济，且可减少预制工作量，缩短工期。

目前，我国编制的装配式T形简支梁桥标准设计常用的主梁间距是1.6～2.2m。在工程应用中，主梁间距已达2.5m。

（2）主梁高度与主梁细部尺寸。如表2.1所示为常用的简支梁桥主梁尺寸的经验数值，跨径较大时应取较小的比值；反之则应取较大的比值。

主梁梁高如果不受高度限制，选用高一些的可节省配筋。

主梁的肋宽必须满足截面抗剪和抗主拉应力的强度要求，同时应考虑梁肋的稳定性，梁肋内主筋的布置和浇筑混凝土施工所需的最小肋宽。目前常用的肋宽为15～18cm，当主梁间距小于2m时，梁肋为全长等肋宽，当主梁间距大于2m时，通常在梁端2～5m范围内梁肋逐步加宽，以满足该部位的抗剪要求。

2.横隔梁

（1）横隔梁的构造。横隔梁在装配式T形梁中起着保证各根主梁相互连接成整体的作用。调查表明，T形梁桥的端横隔梁是必须设置的，它不但有利于制造、运输和安装阶段构件的稳定性，而且能显著加强全桥的整体性；设置中横隔梁的梁桥，荷载横向分布比较均匀，且可以减轻翼板接缝处的纵向开裂现象。故当T形梁的跨径稍大时（一般在13m以上），在跨径内除设端横隔梁外，再增设1～3道中横隔梁。

横隔梁的高度应保证具有足够的抗弯刚度，通常可做成主梁高度的3/4左右。梁肋下部，成马蹄形加宽时，横隔梁延伸至马蹄的加宽处，如图2.15（c）、（d）所示。从梁体在运输和安装阶段的稳定要求来看，端横隔梁应做成与主梁同高，但为便于安装和检查支座，端横隔梁底部又应与主梁底缘之间留有一定的空隙，如何选择视施工的具体情况而定。横隔梁的肋宽，通常采用12～16cm，且宜做成上宽下窄和内宽外窄的楔形，以便脱模。

（2）横隔梁的横向连接。

1）钢板焊接连接。如图2.16所示为常用的主梁间中横隔梁的连接构造形式。在每一块横隔板的上缘布置两根受力钢筋（N1），下缘配置四根受力钢筋（N1），采用钢板连接成骨架。接头钢板设在横隔粱的两侧，同时在上下钢筋骨架中加焊锚固钢板的短钢筋（N2、N3）。钢板厚一般不小于10mm。当T形梁安装就位后，即在横隔梁的预埋钢板上再加焊接钢板使连成整体。端横隔梁的焊接钢板接头构造与中横隔梁者相同，但由于其外侧（靠近墩台一侧）不好施焊，故焊接接头只设于内侧。相邻横隔梁之间的缝隙最好用水泥砂浆填满，所有外露钢板也应用水泥灰浆封盖。

2）扣环式湿接头。如图2.17所示为扣环式湿接头的构造。横隔梁在预制时在接缝处伸出钢筋扣环A，安装时在相邻构件的扣环两侧再安上腰圆形的接头扣环B，在形成的圆环内插入短分布筋后就现浇混凝土封闭接缝，接缝宽度约为0.2～0.5m。这种连接构造往往用于现浇纵向湿接头的连接构造中（图2.15）。

3.桥面板

（1）桥面板的构造。对于T形简支梁，主梁翼板宽度视主梁间距而定，在实际预制时，翼板的宽度应比主梁中距小2cm，以便在安装过程中易于调整T梁的位置和制作上的误差。主梁翼板除承受自重和桥面恒载外，主要承受由车轮引起的局部荷载。根据其受力特点，一般做成变厚度板，其厚度随主梁间距而定，边缘厚度不宜小于6cm。主梁间距小于2.0m的铰接梁桥，板边缘厚度可采用8cm（桥面铺装不参与受力）或6cm（桥面铺装通过预埋的连接钢筋与翼缘板共同受力）；主梁间距大于2.0m的刚接梁桥，桥面板的跨中厚度一般不小于15cm，边缘板边厚度不小于10cm。如图2.18所示为主梁间距1.6m的桥面板钢筋布置。

如图2.19所示为主梁间距2.2m的T形梁桥的桥面板钢筋布置。板上缘承受负弯矩，《桥规》（JTG D60—2004）规定，受力钢筋直径不小于10mm，间距不大于20cm；在垂直于主筋方向布置分布钢筋，分布钢筋设在主钢筋的内侧，其直径不小于8mm，间距不大于20cm，截面面积不宜小于板截面的0.1%。在主钢筋的弯折处，应布置分布钢筋。在有横隔板的部位，应增加分布钢筋的截面面积，以承受集中轮载作用下的局部负弯矩，所有增加的分布钢筋应从横隔板轴线伸出L/4（L为横隔板的跨径）的长度。

（2）桥面板的横向连接。通常在设有横隔梁的装配式T形梁桥中，均借助横隔梁和翼缘板的接头使所有主梁连接成整体。对于缺少横隔梁的主梁，应在翼缘板上加设接头和加强桥面铺装，使其横向连成整体。接头要有足够的强度，以保证结构的整体性，并使其在运营过程中不致因荷载反复作用和冲击作用而发生松动。

1）刚性接头。该接头既可承受弯矩，也可承受剪力，如图2.20所示。图2.20（a）所示为在铺装层内配置受力钢筋，并将冀缘板内预留的横向钢筋伸出和梁肋顶上增设Ⅱ形钢筋锚固于铺装层中；图2.20（b）所示为翼板用钢板连接，接缝处铺装混凝土内放置上下两层钢筋网。

如图2.21所示为翼缘板内伸出的扣环接头钢筋构造（图2.19所示装配式T梁相应的接头构造平面）。

2）铰接接头。该接头只能承受剪力，如图2.22所示。图2.22（a）所示为钢板铰接接头；图2.22（b）所示为企口式铰接接头；图2.22（c）所示为企口式焊接接头。

4.装配式钢筋混凝土简支T形梁桥举例

如图2.23～图2.25所示为标准跨径20m的装配式钢筋混凝土简支T形梁桥的纵、横截面布置及主梁钢筋布置图。主梁间距为2.2m，其预制宽度为1.6m，吊装后铰缝宽为60cm。

主梁钢筋骨架中，每根梁内主筋为8根32的HRB335钢筋，其中最下层的4根N1将通过梁端支承中心，其余8根则按梁的抗剪要求从不同位置弯起。设在梁顶部的22架力钢筋在粱端向下弯起并与主筋N1相焊接。箍筋采用8＠140，但在支座附近加倍。附加斜筋采用16的R235级钢筋，其具体位置要通过计算确定。防收缩钢筋采用邵的R235级钢筋，按下密上疏的要求布置。所有钢筋的焊缝均为双面焊。

5.装配式预应力混凝土简支T梁桥举例

如图2.26～图2.28所示为标准跨径30m的装配式预应力混凝土简支T梁的一般构造、预应筋布置及锚具图。荷载等级为公路一级。

2.1.4 组合梁桥

组合梁桥也是一种装配式的桥跨结构，即用纵向水平缝将桥梁的梁肋部分与桥面板（翼板）分隔开来，使单梁的整体截面变成板与肋的组合截面。施工时先架设梁肋，再安装预制板（有时采用微弯板以节省钢筋），最后在接缝内或连同在板上现浇一部分混凝土使结构连成整体。目前国内外采用的组合式梁桥有两种形式：工形组合梁桥，如图2.29（b）所示，和箱形组合梁桥图2.29（c）所示。前者适用于钢筋混凝土简支梁桥，后者则只适用于预应力混凝土梁桥。其优点在于可以显著减轻预制构件的重量，便于集中制造和运输吊装。

在组合梁中，梁与现浇板的结合面处，板的厚度不应小于15cm，当梁顶伸入板中时，梁顶以上板的厚度不应小于10cm。

组合梁是分阶段受力的，在梁肋架设后，所有迟后安装的预制板和现浇桥面混凝土（甚至现浇横隔梁）的重量，连同梁肋本身的自重，都要由尺寸较小的预制梁肋来承受。这与装配式T形梁由主梁全截面来承受全部恒载不同，因而组合梁梁肋的上下缘应力远大于T形梁上下缘的应力。

如图2.30所示为一五片式预应力混凝土工形组合梁桥的实例。该桥标准跨径为20m，荷载等级为汽车-20级，挂车-100，桥面宽为净-9m+2×1m人行道。先预制C50I形梁和桥面底板，吊装就位后，再现浇C30横隔板和桥面板。

【思考题】

· 梁式桥的受力特点。