淺談山區(qū)高速公路橋梁設計
2010-12-01
1、山區(qū)高速公路的主要特點
山區(qū)高速公路的主要特點是地形地質復雜。地形復雜，表現為地面高差大，變化頻繁，橫坡陡；地質復雜表現為巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣地層等不良地質。受此影響，路線布設時平縱橫三個方面都受到約束，一般就是平曲線多，平面半徑小，縱坡大，橋梁比例高，橫坡陡，半邊橋和高擋墻多。山區(qū)高速公路橋梁也相應具有上述特點，彎坡橋多，高墩大跨多，墩臺形式多，設計中必須協(xié)調解決好橋梁各細部構造與地形地質之間的關系。
2、橋梁與路基的關系
2.1橋梁跨越方案與高填方路基方案的比較山區(qū)高速公路橋梁很多不受水文控制而只受地形控制，因不宜采用路基方案而設置為高架橋，路橋設置界限問題，一直是難以把握的關鍵問題，也是影響公路造價的問題。路基規(guī)范強調，“路基中心填方高度超過20m時，宜和橋梁做方案比選。”，項目實際運作中，往往由于工期緊，或認為橋梁跨越方案安全省事，就直接考慮橋梁方案。實際上，對于地質情況較好，雖然填方中心高度為30m，但收斂較快的v型峽谷，且橋隧相連地段，為消化隧道廢方，考慮路基方案可能比橋梁方案更安全更經濟，因為這樣的地形架橋，場地局促，難度大，橫縱坡陡，極易引發(fā)邊坡不穩(wěn)；而對于寬而平緩地段，雖然填方高度只是20m左右，但如果需跨標段借方，且運距遠，填方基底還需花大量資金處理的路段，反而考慮橋梁方案可能更安全更經濟。所以筆者認為，山區(qū)高速公路路橋界限，不能一概而論，對于填土高度超過20m的路段，應根據地形、地質、前后構造物、前后路段的廢方量、工程造價等進行綜合比選后決定是否設置橋梁。不能圖快圖省事，直接考慮橋梁方案。
2.2半邊橋與擋墻的關系山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭，雖然可以通過設計為左右幅路基不一樣高的錯臺路基來處理，但有時由于左右幅路基橫向交通要求，需要設置轉向車道，錯臺式路基方案不易實現，這時就不可避免地會出現半邊橋。當最低一側填土高度15m左右時，應綜合地形、地質將加筋擋墻，錨桿擋墻、棄土方案與半邊橋做綜合比較后決定是否設置橋梁。
3、結構體系特性
為了保證行車舒適，結構耐久適用，山區(qū)高速公路標準跨徑大中橋一般均采用先簡支后結構連續(xù)或墩梁固結的連續(xù)一剛構混合體系。全剛構體系由于一座橋梁墩高相差較大，需通過調整橋墩的線剛度來改善橋墩受力，這樣一來，橋墩尺寸種類就比較多，美觀性降低，施工相對麻煩一些。全連續(xù)結構聯(lián)長不能太長，舒適性差，墩臺水平位移較大，墩柱尺寸需設計的相對大一些，材料較費。根據地形，將中間墩高較高，剛度相差不大的相鄰幾個橋墩固結起來，利用其柔性適應橋墩所受的水平力，較矮的邊墩設置滑板支座或橡膠支座，形成連續(xù)梁。這樣的剛構一連續(xù)體系，高墩、矮墩的受力性能都得到了改善，且適應地形特點。
山區(qū)高速公路橋梁多為彎、坡橋，曲線梁橋在彎扭耦合作用下，具有沿某一不動點變形的趨勢，單向行駛的大縱坡長橋在長期反復的汽車制動力作用下，梁體具有沿汽車行駛方向滑移的趨勢，如果采用全連續(xù)結構，即上下構之間為橡膠支座連接時，這種滑移趨勢往往造成梁體受力不平衡，支座脫空甚至破壞，從而導致梁體開裂。因此山區(qū)高速公路橋梁宜采用先簡支后結構連續(xù)或墩梁固結的連續(xù)一剛構混合體系，既適應平面線形，又適應橋梁受力特點。
4、橋梁上部構造設計
4.1一般設計原則山區(qū)高速公路，橋梁所占比重大，但一般來講，大跨徑橋梁方案畢竟是少數，絕大部分還是采用施工方便、造價經濟的標準化、預制裝配化結構。大跨徑橋梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有較強的個性特征，而標準跨徑橋則更多的是具有共性特征，所以本文重點探討標準化、裝配化橋梁的設計。
山區(qū)高速公路橋梁常用標準化、裝配化跨徑有16、20、25、30、40、50m，橫斷面形式有空心板、t梁、小箱梁等。對于跨徑小于30m的，有空心板、小箱梁、t梁等三種結構可以選擇，對于40、50m跨徑，根據梁的受力特點，宜采用t梁。30m以下，同一種跨徑，究竟應當采用哪一種橫斷面形式，通過表1，就可以作出選擇。
一孔上部構造主要材料指標表表1梁高跨徑橫斷面形式橋寬（cm）工作面積（㎡）混凝土（m3/㎡）綱絞線（kg/㎡）普通鋼筋（kg/㎡）數據來源90c㎡0空心板122400.54712.8484.49（贛粵高速）
100c㎡0小箱梁122400.3809.08267.85（京珠北）
120c㎡0t梁122400.3698.11285.24（三福線）
從表1可以看出，小箱梁是介于空心板和t梁之間的一種橫斷面形式。20米跨徑時，t梁較為經濟。30m跨徑以下，三種橫斷面比較，基本也是上述規(guī)律。當然，這是山區(qū)的情況，平原地區(qū)則另當別論。平原地區(qū)受凈空和橋臺填土高度的限制，橋梁上構要求盡可能降低建筑高度，這樣可以減小縱坡，降低路基填土高度，減少占地及降低路基處理難度，對土源缺乏，軟基較多的平原地區(qū)有顯著的經濟性。20m空心板建筑高度最低，與路基綜合起來比較具有優(yōu)勢，平原地區(qū)路網發(fā)達，分離式立交較多，空心板在美觀方面優(yōu)于另外兩種斷面，所以平原地區(qū)較多采用空心板。山區(qū)高速公路橋梁一般凈空無嚴格限制，另外，山區(qū)高速公路平面半徑較小，超高緩和路段不可避免會出現在橋上，如果選用空心板和小箱梁，架梁時一片梁四個支點不易調平，易造成支座脫空，受力不均勻的情況，所以山區(qū)高速公路橋梁標準橫斷面宜優(yōu)先采用t梁。對于50m跨徑t梁，在小半徑平曲線上，由于內外梁梁長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應性要差一些。另外山區(qū)高速公路，交通運輸、場地預制條件均較差，大型機具進入困難，50mt梁單片重150多噸，架設設備要求較高，運輸及安裝過程中變形不易控制，因此一般情況下不選用50m跨徑t梁，所以山區(qū)高速公路橋梁，宜采用的常用標準跨徑為20、25、30、40m.t梁之間的橫向連接有鉸結和剛接兩種形式，采用鉸聯(lián)結時，鉸只傳遞剪力，車輛荷載作用在鉸縫處時，彎矩主要由現澆橋面來承受，這樣一來，現澆橋面的厚度就必須加厚，否則，鉸縫處橋面板易出現通長的縱向裂縫?，F澆橋面板厚度增加，意味著恒載增加，t梁配筋和鋼索必須增加，經濟性下降，所以t梁橫向連接采用剛接較好。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（jtgd62—2004）9.3.16條也有相應規(guī)定：“預制t形截面梁的橫隔梁連接，宜采用現澆混凝土整體連接”，當然在斜交橋及異形橋中需要橫向弱聯(lián)結時，鉸結也是很好的選擇形式。
4.2具體橋梁設計具體到一座橋設計時，上部構造設計要處理好兩個關系。
第一，處理好跨徑與墩高的關系?？鐝脚c墩高的關系按橋梁美學原則，一般應選擇比值為0.618-1之間，通過經濟比較，往往又是經濟的，也就是說20m跨徑t梁適應的墩高一般為12—20m，30m跨徑適應的墩高一般為18-30m，40m跨徑適應的墩高一般為24m-40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁，通常應根據地形選擇一種跨徑，不宜根據墩高頻繁變化跨徑，墩柱高度變化很大時，可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當一座橋梁，有幾種跨徑方案可選擇時，應結合上下構做造價分析比較再做選擇。
第二，處理好上部構造（板或梁）與平面曲線半徑的關系。橋位處平面曲線半徑對橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大，主要表現為兩個方面，第一是內外弧差，第二是中矢高。墩臺徑向布置時，由于曲率半徑的影響，內外梁梁長不等，半徑越小，內外梁梁長差越大。解決此問題一般兩種途徑，一種是根據平面半徑變化梁長，另一種是不變梁長通過加大帽梁，加大封錨端或加長現澆連續(xù)段處理。第一種方法變化梁長，設計簡單，帽梁尺寸較小、規(guī)格統(tǒng)一，但一個標段，如果有幾座橋處于不同的曲線半徑上時，預制梁長度種類就較多，頻繁調整模板雖不算很難，但每片梁都需要編號，堆放預制梁需要很大場地，這對“地無百米平”的山區(qū)確實是難以解決的問題，因此一般不采用變梁長方案。采用等梁長方案時，如果半徑較大，內外梁梁長差不大，可以采用內弧長等于標準跨徑布置，如果半徑較小，可以采用半幅橋中線弧長等于標準跨徑布置，這樣連續(xù)段長度一端比標準長度增加，一端減小。內外弧差的問題解決后，還有中矢高的問題，一般中矢高10cm以內，可以通過調整護墻內緣使之適應平面線形；半徑較小，中矢高大于10cm時，由于護墻一般為50cm寬，護墻調整太大外觀不美，護墻功能亦削減。此時亦有兩種解決辦法，一種是預制梁外緣按實際曲線預制，另一種是預制t梁邊梁時，將邊梁多預制一段長度，讓現澆橋面板和護墻來適應平面線形。邊梁按實際曲線預制時，邊梁翼緣板由于兩側不等寬，剛度不等，施加預應力時可能出現側向翹曲，且不同半徑外邊梁形狀不一樣，種類多施工較麻煩。第二種辦法雖然材料稍有浪費，美觀性稍差，仍優(yōu)于前一種。
5、橋梁下部構造設計
5.1橋墩高度較矮的橋墩（h＜40m）多采用柱式墩，y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質量易控制，且與樁基銜接方便，平原地區(qū)用的較多。但從美觀上來說，方柱有棱有角，與上構梁體協(xié)調，有一定的視線誘導性，較美觀。從受力上看，截面積相等的方柱和圓柱，方柱抗彎剛度大于圓柱，受力優(yōu)于圓柱，當體系為連續(xù)剛構時，方柱可以方便地通過調整兩個方向的尺寸來調整墩柱的剛度，從而達到調整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性，調整起來效果差一些。方柱的缺點是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接，增加了工程數量，并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡，增加柱帽構造還會增加挖方工程量，引起邊坡不穩(wěn)，設計中應根據地形、上構結構形式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。
y型墩薄壁是獨柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復雜。墩高較矮時，其施工既復雜又不美觀所以少采用。當墩高較高時y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一個支架，對于地面橫坡較陡，搭支架困難，模板需求量大的山區(qū)橋梁，y型薄壁墩具有顯著的優(yōu)勢。從預算定額中也可以看出，同高度的柱式墩與y型薄壁墩相比，y型薄壁墩的基價低。另外采用雙柱墩時，由于地面橫坡較陡，兩個墩柱高度經常相差較大，由于線剛度ei/l差距大，導致一個墩兩個墩柱受力差異較大，采用y型薄壁墩，只一個墩柱，就避免了上述缺陷。也有人認為，上部的y型承托節(jié)約材料并不多，卻施工麻煩，宜設計為實體，權衡施工進度和質量、安全和節(jié)省材料及美觀之間的關系，也未嘗不可。不管外形如何，墩高較高時，采用獨柱雙支座外部形狀y型的薄壁墩較為適宜。
5.2高墩一般矮橋墩的設計由強度控制，但當墩高較高時，就必須得考慮橋墩的穩(wěn)定問題?！豆蜂摻罨炷良邦A應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（jtgd62—2004）關于偏心受壓柱條文說明5.3.10條指出，“當l0/h＞30時，構件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。”l0為受壓柱的有效長度，在0.5～2倍墩高之間變化，究竟取值多少，與施工狀態(tài)、上構重量、上構和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關。大量的計算實驗表明對于先簡支后剛構（墩頂與上構為鋼板焊接）和先簡支后連續(xù)（墩頂與上構為橡膠支座連接）的多跨t梁橋來說，墩柱的有效長度l0=1.2～1.43l，l為墩柱高度，當l=40m且采用矩形截面時，h≥1.2~1.43×40/30=1.6～1.907m，h=50m時h≥2～2.383m，當墩厚大于2m時，實心矩形截面經濟性降低，所以可以得出一個結論：墩柱為材料破壞時，采用實心矩形截面，其高度不宜超過50m.當墩高大于50m時，宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩，墩高超過65m左右時順橋向應考慮放坡，因為采用等寬尺寸時施工雖然方便，但為了保證橋墩的穩(wěn)定，墩柱和帽梁必將尺寸加大很多，這樣材料會浪費較大。
5.3橋墩與路幅的關系山區(qū)高速公路有整體式路基，也有分離式路基。目前路線選線越來越強調減少占地，環(huán)保、與景觀協(xié)調的理念，除了中長隧道等設置分離式路基外，越來越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋，一般情況下下構按分幅單獨設計，即雙幅四柱。對于高墩長橋，為了減少開挖，增強邊坡穩(wěn)定性，節(jié)約材料，降低造價，整體式下構即雙幅兩柱不失為一種較好的選擇。與雙幅四柱相比，在橋墩截面積及橫向寬度相當的情況下，整體式下構橫向和縱向剛度是分幅設置的兩倍以上，除了可以減少開挖，節(jié)約材料、施工面少外，還能減少墩頂變位。當然整體式下構帽梁跨度較大，還須考慮車輛雙向行駛時扭矩影響，帽梁需設置的強大一些。一座橋究竟是采用整體式下構還是分幅下構，需結合橋位處地形、地質、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。
5.4橋臺山區(qū)高速公路橋梁橋臺一般采用重力式u型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式u臺最常用，根據《墩臺與基礎》規(guī)定，u臺適應的填土范圍為4-10m，所以u臺的高度最好以10m控制。山區(qū)橋梁u臺一個顯著特征就是橫向，縱向橫坡陡，為了適應地形，減小開挖，節(jié)約圬工方量，u臺設計時必須根據地形合理分臺階。樁柱式橋臺由于抗推剛度小，當聯(lián)長較長，臺后填土高度較高時不宜使用，一般臺后填土高度宜控制在5m以下，聯(lián)長宜控制在150米以內。埋置式肋板臺適應范圍廣一些，但也不宜太高，不宜超過12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭，往往不能設置錐坡，這時采用樁柱式或肋板臺會受到較大限制。當地質情況較差時，常常會出現u臺下設置樁基的情況。
5.5基礎山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎仍為為擴大基礎與樁基礎。山區(qū)一般地質情況較好，采用擴大基礎的情況相對較多，且宜采用分離式擴基礎。因為分離式擴基礎適應地形橫坡，承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴大基礎與樁基礎必須考慮基礎擴散角和覆蓋層厚度以及施工時的相互影響。樁基礎多為嵌巖樁和柱樁，地質情況較差地段采用摩擦樁。樁基礎不管受力形式如何，施工方法上多是挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價較節(jié)省，但設計中能否采用挖孔樁，應結合地質情況具體分析，當樁長較長；遇到流沙、軟弱夾層多，卵石、漂石等容易造成塌孔的地質情況；地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時不宜設計為挖孔樁。
6、結束語
山區(qū)高速公路橋梁設計有很多區(qū)別于平原橋梁的地方，也更有很多方面需要探討，本文只是拋磚引玉，結合設計中遇到的實際問題，提出一些解決方法，不正確之處，敬請同行批評指正。
