基金项目：铜陵学院2022年大学生创新创业比赛

项目名称：高速公路装配式梁桥的发展和设计计算研究

1.装配式梁桥简述

1.1装配式梁桥的概念

装配式桥梁指的是由在工厂预制好的构件和装配式桥墩拼接而成一个整体的桥梁。也就是在预制厂或者现场制作预制件，然后将各个部分的预制构件通过装配形成完整的桥梁。与其他施工方法相比，装配式桥梁有现场安装便捷迅速、节省资源消耗、减少环境污染、提高工程质量以及提升工程效率的特点。

1.2装配式桥梁的优势

（1） 建造周期短。相对现场浇筑混凝土的施工工艺，装配式桥梁的最大优点是其建造周期短，并且对施工场地影响小，对交通影响较小。装配式桥梁的各个组成部分可以同时预制，包括桥墩、梁板以及桥台可以同步预制，极大程度缩小了工期。
（2）质量可靠。预制件在制造过程中采用标注化的制造流程，钢筋的预应力张拉、混凝土的配合比都能得到保障，并且预制件混凝土大都采用高性能混凝土——C60的高性能自密式混凝土和M100的湿接缝高性能砂浆，因此装配件的质量是可靠的。
（3）安全风险小。装配式桥梁安装时大多采用吊装的形式进行，减少了搭建支架高空作业的风险。与此同时，桥梁运行的安全与桥梁结构质量密切相关，装配式桥梁的对构建质量与连接材料多次模拟和验证，进一步保障了桥梁运行安全。
（4）性价比较高。根据目前市场桥梁造价，对于数量少、规模小的桥梁，可能装配式桥梁的造价较高，但是对于规模化生产的大型桥梁，预制件的标准统一，可以应用更多的机械化生产，降低成本，节约费用。

（5））提高设计的标准化、规范化。装配式拼装技术能够将整个施工过程标准化，在预制工厂把桥梁各组分构件提前预制完毕，并且每个构件都拥有统一的标准，能够根据工程实际的需要制造不同的构件，进行标准化设计。此外，还可以进行批量生产，应用到多个项目中，保障了建筑施工的高效进行。

1.3装配式桥梁在我国的应用与发展情况

上世纪六十年代开始，我国开始在混凝土梁桥建设中使用装配式拼装技术。随着西方先进技术和设备的引入，装配式拼装技术已在全国范围内得到了广泛的应用。相对于西方先进国家，我国的装配式行业发展较晚，施工技术较为落后，上世纪五十年代，国务院颁布了相关政策，但由于行业发展水平较低，我国装配式行业的发展基本上处于停滞阶段。

改革开放以后，我国装配式行业由停滞进入了缓慢发展的阶段。政府制定的相关战略为装配式技术的发展投入了新能量，但是由于技术水平的限制，当时的产品质量不足以达到相关要求。上世纪九十年代以后，尽管我国政府提高了对于装配式行业发展重视程度，也通过出台政策帮助行业发展，但是受限于技术积累不足、市场化程度较低、工业基础比较薄弱等因素，行业发展较为缓慢。目前我国装配式拼接技术仍然处于发展初期阶段，虽然大大提高了工程建设效率，但相较于传统建造技术，造价偏高，因此在全国的接受度有待提高，与传统建筑业之间的竞争极为激烈。但是其绿色环保、节约资源的特性符合我国可持续发展的理念，在国家政策的推动下越来越多的装配式拼装项目投入到市场中，但是在发展初期，技术手段管理经验等尚不成熟，整个行业的规范程度还有待提升。

1.4装配式梁桥的问题

与传统桥梁建造方式相比，装配式梁桥具有很多优势，但仍然有一些无法避免的问题；（1）装配式拼装技术操作难度大，对于施工人员要求较高，对于施工的精确性也有较高的要求。因为桥梁是由各预制构件拼接而成，所以相较于传统浇筑方式建造的桥梁整体性较差，并且在构件与构件之间的连接位置是最薄弱的环节，也会影响桥梁的整体稳定性。（2）与传统的桥梁建造方式相比装配式梁桥具有成本较高的问题，这也是其目前没有被建筑市场广泛应用的原因。而传统建造方式造价低廉并且发展较为完善，技术更为成熟，仍然占据着大量市场。由于装配式桥梁的各个构件都是在工厂预制而成，运输到施工地点，以及利用设备进行组装都需要较高的成本，因此提高了工程预算。（3）目前我国在装配式建筑行业所制定的法律法规不足，无法解决一些实际问题，导致企业和施工单位的管理缺少相关依据。另外，装配式拼接技术在我国的发展和体系尚未完善，无论是设备还是技术都有很大的提升空间。

1.5对于装配式梁桥发展的建议

（1） 政府加大政策力度。我国装配式技术发展起步较晚，并且国家制定的相关政策较少。为了加速装配式桥梁的发展，政府应该制定相关政策，完善相关法律法规，加大对装配式行业发展的资金投入。

（2）企业应该积极学习先进技术，培养相关人才，吸收国外企业的管理经验，引进先进设备，积极响应国家的相关政策。也可以与其他企业之间相互交流经验，共同进步，为我国的装配式行业的发展做出贡献。

（3）装配式行业的从业者应当严格遵守国家的相关政策及法律法规，使行业的发展更加规范，减少行业乱象的发生

1.6发展装配式技术的意义

装配式技术是建筑行业发展的里程碑，引领了桥梁建造技术发展的新方向。随着人民生活水平的日益提高和环保意识的提升，工程的施工环境越来越受到政府和人民的重视，尤其是在城市中的施工所需要考虑的因素更多。桥梁建设期间，施工噪声以及对周围环境的污染逐渐成为桥梁设计时不可忽略的问题。装配式拼装技术很好的解决了这类问题。装配式拼接技术具有现场安装迅速便捷、施工绿色环保的优势，可以减少对周围环境和道路通行能力的影响，把对居民生活水平的影响降到最低，提高工程质量，提升文明施工水平，是我国桥梁行业的发展新趋势。

在提倡绿色环保，节约资源的时代背景下，我国经济发展方式对资源的利用问题并未完全得到改善。特别是在建筑行业，大多数项目仍然采用老式的现场浇筑的方式，资源有效利用效率低，建筑垃圾多，扬尘和噪声污染严重，对周围环境以及居民的生活产生了巨大影响。只有不从根本上改变建造方式，才能是我国的经济可持续健康发展。而大力发展装配式桥梁，有利于降低建造过程中的资源的消耗，降低在施工过程中对环境的影响和劳动工作者的劳动强度，并且可以提高工程质量和施工安全性。在快节奏的社会条件下，装配式桥梁可以大大减少现场施工的时间，从而减少交通问题带来的经济损失。

1.7装配式梁桥未来的发展趋势

尽管存在诸多限制因素阻碍了预制装配式建筑的可持续发展，但它仍然是一种具有节能环保、缩短工期、质量可靠等优点的新兴建筑技术，可以改变我国未来建筑行业的发展方向，所以应该大力支持其发展。因此，应以打造绿色环保型社会和资源节约型社会为支撑，利用工程设计施工一体化的方式加大人才教育培养力度，提高建筑单位的技术储备，加强行业的监督管理；同时，在做好预制装配式建筑工程施工质量管理工作的基础上，必须对市场定价予以适当的调整，为我国预制装配式建筑的不断发展提供一个良好的环境与条件^[4]。除此之外，随着科学技术的发展，建筑行业逐渐与互联网信息技术相结合，传统施工利用人工计算设计，难度大，误差大，而引用计算机技术可以提高工程的效率。

2.装配式梁桥设计要点

装配式简支梁桥因其施工速度快、建设周期短、结构简单等优势而被广泛使用在工程实际中。装配式T形简支梁桥因其结构简单、制造便捷的特点而被广泛应用到工程实际当中。以下为装配式T形梁各组分的设计要点。

2.1主梁

如下表为简支梁桥常用的主梁尺寸。其变化区间较大，设计时应注意桥梁跨度较大时采用较小的尺寸，反之采用较大的尺寸。

2.2桥面横向连接构造

在施工现场预制的T形梁各组分构件安装完毕后，对于设置横隔梁的部分，应该利用横隔板和翼缘板的接头使其与其他构件连接为一个整体。但对于横隔梁设置较少的部分，应当在翼缘板上设置具有一定强度的接头，用来增加桥梁的横向连接。由此可见接头对于桥梁结构的整体性具有重要意义，因此接头必须具有较高的强度，以保证桥梁在使用过程中具有足够的安全性。

2.3横隔梁

当荷载作用于桥面时，主梁处会产生较大的弯矩，为了减少跨中弯矩，应当设置横隔梁。如果桥梁的跨度较大，应当设置多道横隔梁，横隔梁的刚度越大，桥梁的整体性越好，在荷载作用下，各组分受力更加均匀。

2.4 T形梁与箱式梁的应用

装配式梁桥大多采用T形梁和箱式梁，预应力混凝土T形梁桥结构相对简单，相对于矩形梁，具有相同的抗弯能力，但使用的原材料更少，并且可以减轻自身重量。所以在相同的承载要求下，更多采用T形梁。箱式梁的特点是抗扭性能良好并且自身刚度大，制作工艺更为简单。除此之外，T形梁与箱式梁可以在现在完成拼装，大大节约了施工时间与成本，缩短了工期，因此多应用于城市桥梁的建设。

3.荷载横向分布系数的计算

3.1.荷载横向分布的概述

荷载横向分布计算一直是公路桥梁设计中的一个重要内容。简支梁桥在活载作用下的空间受力行为可用空间影响面η（x，y）描述。但因空间布载方法过于复杂，可在一定的误差范围内寻求一个近似的影响面来代替精确的影响面，把一个复杂的空间问题转化成平面问题来进行求解，令η（x，y）=η1（x）×η2（y），即把内力影响面η（x，y）近似地分解成η1（x）和η2（y）的乘积，把空间计算问题简化为纵、横两个平面问题^[1]。当简支梁桥上作用荷载时，由于结构之间的横向联系，会对各个主梁产生不同程度的影响，并且会根据其作用位置的不同，每根主梁所承担的荷载也会发生变化，因此每片梁的受力时不均匀的。为了保证桥梁的安全性，我们必须找到受力最不利的梁段，以其对其他梁进行控制。所谓荷载横向分布系数即为公路车辆荷载作用在桥梁上时横向各主梁间所分配荷载所占的百分数。

3.2.荷载横向分布的计算方法

根据桥梁本身不同的尺寸以及横向连接不同的构造方式和截面选取的位置设计建立计算模型，常用的计算方式如下所示：①杠杆原理法——将桥梁横向结构看作主梁上断开而支承在上面的简支梁②偏心压力法——将横隔梁看作刚度无穷大的刚性梁③铰接板法——把相邻的主梁之间看作交接，只能传递剪力但不能传递弯矩④刚接梁法——把相邻的主梁之间看作刚性连接，不仅可以传递剪力还可以传递弯矩⑤比拟正交异性板法——把主梁和横隔梁的刚度换算成正交两个方向刚度不同的比拟弹性平板来求解

3.3.杠杆原理法

利用杠杆原理法计算荷载横向分布系数的基本假定：不考虑各主梁之间的横向结构的连接作用，将其看作在主梁上断开并支承在主梁上的简支梁

3.4.偏心压力法

当桥面的宽跨比低于0.5时，偏心压力法就可以被用来估算横向分布系数，而这种方法的基本假设是：在荷载作用下，横隔梁的刚度应该是无限大的，而且不考虑主梁的抗扭刚度。

4.利用Midas计算荷载横向分布系数

4.1概述

随着科学技术的发展，Midas等设计软件应运而生，其主要通过有限元分析的方法对桥梁的设计进行分析，有限元的思想可总结为“由整体到部分，由部分再到整体”，可以灵活的模拟各种荷载组合，验算桥梁结构的受力性能。本文将利用Midas建立T形简支梁桥的模型，计算其横线分布系数，并与偏心压力法手算的结果进行对比分析。

4.2.计算模型概述

一座五梁式装配式钢筋混凝土简支梁桥，该桥的计算跨径为l=20m，结构重要性系数1.0.

图1架梁施工阶段计算模型

4.4.数据分析与对比

由数据对比可知，由Midas设计模型所获得的数据与利用偏心压力法手算所得到的数据相差较大，利用Midas模拟的得到的数据较手算数值偏大。但是整体分析数据可知，无论是利用偏心压力法手算还是Midas模拟其得到的数据发展趋势是相同的，由此可知，利用Midas设计模型模拟桥梁设计具有一定的可行性，因为偏心压力法计算的前提假定为将横隔梁看作一根刚度无穷大的刚性梁并且不考虑主梁的抗扭刚度，可能因此导致与Midas计算得出的数据有所偏差。

参考文献

[1] 钟颖.应用有限元分析计算荷载横向分布系数[J].城市建筑,2022,19(16):192-194+198.

[2] 张帅,程保全,曾鹏飞.装配式桥梁的过去和未来[J].住宅与房地产,2018(19):254.

[3] 傅立军,李院军,王新伟.宽幅装配式T梁桥荷载试验及横向分布分析方法研究[J].北方交通,2020,No.323(03):5-9

[4] 孙业珍.我国预制装配式建筑的现状与发展[J].工程与建设,2022,36(02):285-286.