日本新建高速桥梁中的创新设计与施工

日本新建高速桥梁建设中采用了大量的新结构、新材料以及新工法，以此来减少工程造价，加速桥梁施工周期，并减少运营成本。

各种新型的PC预制梁，如部分预应力T梁、节段预制PC梁等，组合混合结构桥梁，如桁腹式折腹式组合梁、单箱大悬臂斜撑组合梁等得到了广泛的应用。

新材料如超高强钢束，新工法如组合钢管柱桥墩工法、顶推、节段预制拼装等也得到大范围推广，这些新技术新工法由于适应结构整体性、延性和经济性正在获得深入研究和开发。

该文提出了PC梁、组合混合桥梁在日本的新发展动向，尤其集中于预制节段拼装、组合梁的开发研究。

日本城际高速目前有9300km，其中有20000座桥梁。这些桥梁中钢筋砼、预应力砼和钢桥所占的比例分别为32%、35%和33%。

日本首条高速位于东京和神户之间，该高速公路建成于50年前。此后，交通量的增加导致道路更加拥堵，解决路面结构寿命问题就提上了议事日程。

在此背景下，东京和神户之间正在新建一条与原高速同断面的城际高速。该条高速的从西到东划分为3个片区，分别由西日本高速、中日本高速以及东日本高速建设。

对于该高速而言，减少工程造价，加速桥梁施工周期，以及减少运营成本至关重要。^[1]。为了达到这些目标，中日本高速在新建高速桥梁中采用了创新性的结构设计、材料和建设方法。

本文也将对以下一些新结构、新材料以及新工法进行简要介绍：

（1）部分预应力混凝土T梁桥^[2]；

（2）预制节段拼装PC箱梁桥^[3]；

（3）桁腹式PC组合箱梁桥^[4]；

（4）折腹式PC组合箱梁桥^{[5] [6]}；

（5）外撑式悬臂桥面、波折腹板PC组合箱梁桥^[7]；

（6）混合梁斜拉桥，采用钢箱梁和预应力混凝土桥面板波折腹板的组合箱梁^[8]；

（7）混合梁矮塔斜拉桥，由预应力混凝土箱梁和钢箱梁构成^[8]；

（8）组合钢管钢筋混凝土桥墩^{[9] [10]}；

（9）顶推施工的预应力混凝土箱梁 ^[1]；

（10）拉索系统采用环氧附涂高强钢束^[3]。

2.1部分预应力混凝土T梁桥^[2]

从1960年代开始，日本传统的短跨桥梁一般是采用空心板桥，该技术是从欧洲传入日本的。

这种结构通常是在高架中使用，采用钢筋混凝土结构或是预应力混凝土结构形式，但是建设方法较为复杂，更容易有初始缺陷。

标准梁高：RC为0.8～1.0m，PC为1.0～1.2m；标准跨长：RC为10～18m，PC为15～30m；设计方法为允许应力法。

从1990年代开始，高架桥中标准段开始使用新型短跨桥梁，如部分预应力混凝土T梁桥。

这种结构施工便捷，可以减少建设成本。标准梁高:PPC为2.0～2.5m；标准跨长15～30m，设计方法采用极限状态设计方法。桥面板按照横向预应力混凝土结构设计，主梁按照轴向部分预应力混凝土结构设计。

Nishizawa教授等人于1993年出版了《部分预应力混凝土桥梁设计》一书，该书首次在日本阐明了部分预应力混凝土桥梁的设计方法。

2.2预制节段施工的预应力混凝土箱梁桥

预应力混凝土桥梁中采用现浇施工方法时存在很多问题，例如工期较长，需要大量的技术工人，以及需要现场场地情况比较确定。解决这些问题的其中一种途径就是采用预制节段施工，预制节段采用短线匹配法浇筑。

1992年，日本道路公团以及预应力混凝土桥梁建设公司对美国在建或运营的预制节段拼装施工的预应力桥梁进行了现场调研。

日本道路公团在Shigenobu高架中首次使用了预制节段施工技术。节段采用短线匹配法预制，桥梁采用逐跨施工方法安装。节段最大重量40t，节段总数量749。

日本道路公团在新高速Yatomi高架中使用了预制节段施工技术。节段同样采用短线匹配法预制，桥梁采用逐跨施工方法安装。节段最大重量80t，节段总数量1288个。

日本道路公团在新高速的Kiso河桥和Ibi河桥同样采用了预制节段施工技术。结构形式采用混合梁矮塔斜拉桥，主梁为预应力混凝土与钢箱梁混合梁。

节段同样采用短线匹配法预制，桥梁采用悬臂拼装。节段最大重量400t，节段总数量是168个和189个。节段预制场地在海边，制作完成后通过码头海运至桥位处。

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。

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。

也正因如此，日本的一些预制桥梁中采用了现浇桥面板，或是在双片或多片箱梁之间采用双圈钢筋湿接缝接头形式连接。

图14为古川高架，结构形式为预应力混凝土连续箱梁桥，采用了现浇桥面系统，总长度1475m，最大跨径38m，最大节段30t；

图15为kamikazue高架，预应力混凝土连续箱梁桥，采用双圈钢筋湿接缝连接两个单箱主梁，总长度631m，最大跨径39m，最大节段重量30t。

3.1 组合预应力混凝土钢管桁桥

组合桁腹式箱梁桥由预应力混凝土顶底板和钢桁腹杆组成的，与普通预应力箱梁的差别是用钢管桁构件替换混凝土腹板。

为了得到更加轻盈的上部结构，这种桥采用钢桁架作为腹板，视觉上更为通透，减少了结构的压抑感，让桥梁结构更具视觉吸引力。

下图为Saruta猿田河桥，桥梁上构为7跨连续刚构桥，总长度625m，最大跨径110m，宽度16.5m，梁高6.5m。

猿田河桥中对于钢管桁架与混凝土顶底板的连接，有两种方式：双节点板构造和双层管构造。

双节点板构造可以有效的将钢管桁架与混凝土面板连接在一起，用在靠近支点的轴向力较大的节点；

双层管节点便于施工，用在轴力较小的地方。面板节点；面板节点构造设计的性能需要通过荷载试验。

设计过程中桁架结构的改进：钢桁架在总建造成本中也占不小的部分，钢桁腹杆比例增大会使总成本增加。设计中将原有的四片钢桁腹杆改进为三片，减少了24%的钢材用量，总的建造成本减少了8%。

耐久性方面的改进：组合结构桥梁中的节点结构是最重要的结构之一，因此有必要提高节点位置构造的耐久性。

下图为其中的一个构造细节，在钢管节点位置两侧设置封水板，节点顶面采用防水涂层，板顶设置排水坡。

该桥的施工方法采用悬臂拼装方式。每个节间的施工步骤如下图所示：1、安装移动模架平台，并安装底模板；2、向前安装钢管桁；3、浇筑顶板及底板混凝土；4、安装并张拉体内体外预应力；5、向前移动模架平台。

3.2 组合预应力混凝土折腹式箱梁桥

组合折腹式箱梁桥由预应力混凝土顶底板和波折钢腹板组成的，与普通预应力箱梁的差别是用波形钢腹板替换混凝土腹板，预应力采用顶底板预应力与体外预应力结合。

折腹式组合箱梁桥在日本高速中使用的主要目的是减少恒载，缩减高速公路的施工成本和周期。

下图所示为新Akabuchi河桥，桥梁由两联连续箱梁桥组成，分别为5跨一联和6跨一联，结构采用组合箱型梁，顶底板为预应力混凝土，腹板采用波形钢腹板。桥梁总长885m，最大跨径115m，箱梁顶宽16.5m。

为了进一步缩减建设周期和成本，本桥采用了悬臂安装方法施工，先单独拼装钢腹板，然后将钢腹板作为支承梁浇筑顶板和底板。

混凝土板与钢腹板之间的连接结构是桥梁中最重要的组成之一。连接方式常见有如下五种：a、嵌入式波形钢腹板；b、焊钉连接件；c、角钢连接件；d、开孔板及焊钉连接件；e、双排开孔板等。

3.3 组合箱梁桥（预应力混凝土顶底板+波形钢腹板+悬臂桥面撑杆）

对于桥面布置单向三车道的箱梁桥，设计上如果只用单箱单室结构会导致桥面板的支承间距太大，因此传统做法通常采用更有效的双箱梁。

下图为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）。

下图为Yamakiri高架，桥梁采用预应力混凝土箱梁，并使用了带横肋的预应力混凝土桥面板，以及外悬臂斜撑等。桥梁总长为717m，桥梁最大跨径为50m。

下图为Shibakawa高架，桥梁采用预应力混凝土箱梁，并使用了带横肋的预应力混凝土桥面板，以及外悬臂斜撑等。桥梁总长为461m，桥梁最大跨径为108m。

下图为Uchimaki 高架，桥梁采用预应力混凝土箱梁，使用了外悬臂斜撑等。桥梁总长为1048m，桥梁最大跨径为53m。

3.4 混合梁斜拉桥（钢箱梁，预应力混凝土顶底板折腹式组合箱梁）

在日本，混合梁和组合梁结构同样也在斜拉桥、矮塔斜拉桥中使用。丰田箭桥是一座混合梁斜拉桥，采用钢箱梁和组合梁箱梁混合结构，组合箱梁部分由预应力混凝土顶底板与波形钢腹板组合而成。

混合梁接头部位可以采用多种连接形式。

图（a）为钢承压板型，应力通过承压板直接传递到混凝土梁中，剪力通过承压板前设置的焊钉连接件传递；

图（b）为部分填充混凝土前承压板型，部分轴力从填充混凝土中通过焊钉连接件均匀的传递至承压板，这种情况下，承压板厚度可以减小，剪力同样通过承压板前设置的焊钉连接件传递；

图（c）为部分填充混凝土后承压板型，轴力通过后承压板和焊钉传递，剪力通过填充混凝土截面传递；

图（d）部分填充混凝土前后承压板型，轴力通过填充混凝土中的焊钉以及前、后承压板来传递，剪力通过前承压板上设置的焊钉传递。

丰田箭桥中采用的节点构造采用了部分填充混凝土的前后承压板构造形式，如下图所示。

3.5 混合梁矮塔斜拉桥（钢箱梁和预应力混凝土箱梁混合）

下图为Odawara blue-way桥，建成于1994年，三跨预应力混凝土矮塔斜拉桥，桥梁长度270m，最大跨径122m。

下图分别为斜拉桥与矮塔斜拉桥梁高与跨长，以及塔高与跨长的比例关系。

Kiso河桥和Ibi河桥均为混合梁矮塔斜拉桥，均建成于2001年，纵桥向为锚索区预应力混凝土箱梁和跨中钢箱梁混合。Kiso河桥总长1145m，跨径组合160m+4×275m+160m。Ibi河桥总长1397m，跨径组合154m+4×271.5m+157m。

3.6 组合内置钢管钢筋混凝土桥墩^{[9] [10]}

组合内置钢管钢筋砼桥墩中，用钢管替代了一部分钢筋。设计的目的是减少人工，缩减建设工期，提高高墩抗震性能。

3.7 采用顶推施工方法的预应力混凝土箱梁

采用顶推施工法，可以让施工企业在安装前关注于预制场地中主梁的浇筑，提高梁体质量，减少环境压力。当然为了减少建设成本，减小安装的重量也是很有必要的。

下图为桂岛高架桥，总长216m，最大跨度54m，采用顶推法施工。

本桥还采用了波形钢腹板，桥面横肋以及斜撑杆，大幅减小了整体重量，但是在顶推期间为了减少顶推的重量，仅仅对核心混凝土节段（箱形截面除去悬臂板结构）进行顶推。

4.1 采用环氧涂层超高强钢丝束的拉索体系^[3]

日本很多预应力混凝土桥采用了满足JIS G3536规范要求的，无涂层的应力消除钢丝束作为体内或体外预应力钢束。而新一代超高强钢束要比日本传统钢束抗拉强度高20%。

这样如果在一座体外预应力结构中采用超高强钢束，钢束的材料成本虽然单价提高了，但是工程整体上用了更少的钢材，从而减小的工程造价。

下图为Matoba高架中体外索布置形式，该为9跨连续箱梁桥，总长度403.5m，最大跨度60m。其中的体外预应力采用了超高强环氧涂层钢束。

日本新高速公路的建设推进了桥梁建造过程中成本和工期的减少。这些创新性的设计，包括PC节段预制箱梁、钢—混凝土结构的混合断面、组合断面等，减少了恒载，使施工手段、安装工艺更为有效。

该高速部分段落已经通车运营，这些创新性的技术符合期望的表现。

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创新性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。

作者：常江

作者简介：男，高级工程师，2006年毕业于同济大学土木工程专业，工学学士；2009年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士。现就职于中铁城市规划设计研究院。研究方向：钢与组合结构桥梁；新型桥梁技术研究及应用。

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