淺析橋梁設(shè)計(jì)
2015-06-05
一、山區(qū)高速公路的橋梁設(shè)計(jì)
1.山區(qū)高速公路大跨度橋梁的橋型選擇
橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，適當(dāng)發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)?；ネㄊ搅⒔环秶鷥?nèi)和風(fēng)景區(qū)范圍內(nèi)的橋梁宜采用連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、拱橋、斜拉橋等較為美觀的橋型。城鎮(zhèn)附近的橋梁宜結(jié)合地形、環(huán)境選擇美觀、多樣化的橋型。
橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)分析論證有關(guān)水文資料，精確計(jì)算設(shè)計(jì)流量和預(yù)留凈空高度；橋梁上部宜采用建筑高度低、輕巧的結(jié)構(gòu)。
橋梁設(shè)計(jì)要體現(xiàn)安全、實(shí)用、美觀兼顧經(jīng)濟(jì)的要求?？拷匾鞘械拇髽蛉珮蚝吞卮髽虻闹骺?，要選擇安全、實(shí)用、美觀、結(jié)構(gòu)新穎的橋型方案，還應(yīng)考慮施工便捷、體現(xiàn)先進(jìn)施工工藝的要求。要根據(jù)城市的政治、歷史、文化特征及發(fā)展要求進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)。
主要結(jié)構(gòu)型式和適用條件如下：
1、簡(jiǎn)支板橋
適用于寬淺河流及中小跨徑橋梁，橋梁?jiǎn)慰缈鐝讲坏么笥?0m；
2、簡(jiǎn)支梁橋
適用于寬淺河流及中等跨徑橋梁，橋梁?jiǎn)慰缈鐝讲灰舜笥?0m；
3、連續(xù)梁橋
適用于寬淺河流或分離式交叉，主跨跨徑宜在40m以上。
4、拱橋
山嶺重丘區(qū)V形深溝且地質(zhì)條件較好時(shí)，可以優(yōu)先考慮采用鋼管混凝土拱橋、剛架拱橋、箱型拱橋或桁架拱橋等；
5、連續(xù)剛構(gòu)
適用于有通航要求的河流或深水河流，主跨跨徑宜控制在80m以上；
6、靠近大城市的橋梁宜設(shè)計(jì)成一橋一結(jié)構(gòu)形式，一橋一景，重要位置的橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要高，可以設(shè)計(jì)成標(biāo)志性建筑。如多塔斜拉、矮塔斜拉、高塔懸索橋等。
大橋與環(huán)境的親和關(guān)系體現(xiàn)為以橋梁為主體，同步進(jìn)行橋區(qū)環(huán)境保護(hù)、建設(shè)、開發(fā)利用。歸根結(jié)底，因地制宜是傳統(tǒng)的、普遍適用的準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)原則應(yīng)是在滿足橋梁使用功能要求，遵循“安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀”原則的前提下，力求橋梁布局合理、經(jīng)久耐用，并與周圍景觀協(xié)調(diào)，來(lái)反映現(xiàn)代建橋的新水平。
2.常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)中橋梁上部結(jié)構(gòu)型式選擇
山區(qū)高速公路中橋梁所占比重大，但一般來(lái)講，大跨徑橋梁方案畢竟是少數(shù)，絕大部分還是采用施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配化結(jié)構(gòu)。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(qiáng)的個(gè)性特征，而標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋則更多的是具有共性特征，所以本文重點(diǎn)探討標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化橋梁的設(shè)計(jì)。
山區(qū)高速公路橋梁常用的標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化跨徑有16m、20m、25m、30m、40m、50m，橫斷面型式有空心板、T梁、小箱梁等。對(duì)于跨徑小于30m的，有空心板、小箱梁、T梁等三種結(jié)構(gòu)可以選擇。對(duì)于40m、50m跨徑的，根據(jù)梁的受力特點(diǎn)，宜采用T梁。30m以下同一種跨徑的橋梁，究竟應(yīng)當(dāng)采用哪一種橫斷面型式，可通過(guò)表1作出選擇。
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型式。20m跨徑時(shí)，T梁較為經(jīng)濟(jì)。30m跨徑以下，三種橫斷面相比較，基本也是上述規(guī)律。這是山區(qū)的情況，平原地區(qū)則另當(dāng)別論。山區(qū)高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面宜優(yōu)先采用T梁。對(duì)于50m跨徑T梁，在小半徑平曲線上，由于內(nèi)外梁梁長(zhǎng)差較大，跨中矢高較大，對(duì)路線的適應(yīng)性要差一些。另外，山區(qū)高速公路的交通運(yùn)輸、場(chǎng)地預(yù)制條件均較差，大型機(jī)具進(jìn)入困難，50mT梁?jiǎn)纹?50多噸，架設(shè)設(shè)備要求較高，運(yùn)輸及安裝過(guò)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(biāo)準(zhǔn)跨徑為20m、25m、30m、40m。山區(qū)地形、地物具有較大的建筑體量，人的視覺(jué)感受以大景觀、大場(chǎng)景為主，預(yù)制梁（板）式橋梁上部建筑高度對(duì)景觀的影響很??；同時(shí)，路線與溝谷高差大，通常無(wú)凈空要求。
山區(qū)橋梁在采用裝配式預(yù)制構(gòu)件時(shí)，一定要先考慮的因素是橋位所處的地形環(huán)境是否有利于預(yù)制場(chǎng)地的布設(shè)，其次要考慮運(yùn)輸條件是否能滿足特種運(yùn)輸車輛的通行，運(yùn)距是否是最短距離，另外還要考慮工程結(jié)束后，其預(yù)制場(chǎng)地能否很快恢復(fù)植被。
表1、 一孔上部構(gòu)造主要材料指標(biāo)表
3.常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)中橋梁下部結(jié)構(gòu)型式的選擇
山區(qū)高架橋通常沿山腰展布，橫向地形變化大，墩、臺(tái)、基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)對(duì)邊坡開挖、山體穩(wěn)定等環(huán)境的影響非常大，同時(shí)也會(huì)對(duì)工程的景觀效果產(chǎn)生重大影響，一般采用雙（多）柱式橋墩，墩高較大時(shí)，可采用Y型墩、薄壁空心墩等，雙（多）柱式橋墩結(jié)合樁基淺表層地質(zhì)情況、橋區(qū)抗震等級(jí)，盡量不設(shè)樁頂橫系梁以減少對(duì)山體邊坡的開挖。沿山坡布設(shè)的中小跨徑的橋梁也可采用獨(dú)柱獨(dú)樁或十字型墩身，以減少基礎(chǔ)的開挖。
3.1橋墩
在同一座橋里，橋墩的型式應(yīng)盡量統(tǒng)一。對(duì)于跨河橋與墩高＜40m的橋墩，應(yīng)采用受力明確的雙柱式墩。
柱式墩和方墩在景觀方面的效果差不多，在截面積相等時(shí)，方墩的截面剛度大于圓墩，方柱可以方便地通過(guò)調(diào)整兩個(gè)方向的尺寸來(lái)調(diào)整墩柱的剛度，從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性，調(diào)整起來(lái)效果差一些。方柱的缺點(diǎn)是墩柱與樁基之間需通過(guò)樁帽連接，增加了工程數(shù)量，并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡，增加柱帽構(gòu)造還會(huì)增加挖方工程量，引起邊坡不穩(wěn)。圓墩在施工中外觀質(zhì)量容易控制，且與樁基礎(chǔ)銜接方便，對(duì)于彎、斜橋來(lái)講，圓墩的景觀協(xié)調(diào)性要好些，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形、上部結(jié)構(gòu)型式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。
地面橫坡較陡時(shí)，若采用雙柱墩，兩個(gè)墩柱高度經(jīng)常相差較大，由于線剛度EI/L差距大，導(dǎo)致一個(gè)墩的兩個(gè)墩柱受力差異較大，這時(shí)就應(yīng)該考慮Y型薄壁墩。Y型薄壁墩是獨(dú)柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復(fù)雜。墩高較矮時(shí)，其施工既復(fù)雜又不美觀，所以較少采用。而當(dāng)墩高較高時(shí)，Y型薄壁墩施工只需一套模板、搭一個(gè)支架，對(duì)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(shì)。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，上部的Y型承托節(jié)約材料并不多，卻施工繁瑣，宜設(shè)計(jì)為實(shí)體，權(quán)衡施工進(jìn)度與質(zhì)量、安全、節(jié)省材料及美觀之間的關(guān)系，這也未嘗不可。
墩高≥40m時(shí)，可采用薄壁墩，高墩的穩(wěn)定（尤其是施工階段）與安全均得到改善，從橋梁的整體外觀看，線條簡(jiǎn)潔美觀。隨著墩高與內(nèi)力的變化，可通過(guò)調(diào)整薄壁墩的厚度以改變墩身的剛度，使結(jié)構(gòu)受力更加合理。
在選用橋墩的型式時(shí)，一定要注意同一聯(lián)內(nèi)橋墩剛度比的協(xié)調(diào)，剛度相差不宜太大，否則各墩內(nèi)力相差也很大，一般來(lái)說(shuō)矮墩取較小的截面，高墩則取相對(duì)大的截面。
3.2橋臺(tái)
山區(qū)高速公路橋梁橋臺(tái)一般采用重力式U型臺(tái)、肋板臺(tái)、樁柱式臺(tái)。其中以重力式U型臺(tái)最為常用。根據(jù)《墩臺(tái)與基礎(chǔ)》的規(guī)定，U型臺(tái)適應(yīng)的填土范圍為4m~10m，所以U型臺(tái)的高度最好以10m控制。山區(qū)橋梁U型臺(tái)的一個(gè)顯著特征就是橫向、縱向橫坡陡，為了適應(yīng)地形，減小開挖，節(jié)約圬工方量，U型臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)地形合理分臺(tái)階。地面橫坡較陡，地質(zhì)情況比較好時(shí)，U型臺(tái)可采用臺(tái)階式基礎(chǔ)以避免挖方量太大；地質(zhì)情況不好時(shí)，可采用U臺(tái)下設(shè)置樁基的方法。埋置式肋板臺(tái)適應(yīng)范圍廣一些，但也不宜太高，不宜超過(guò)12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭，往往不能設(shè)置錐坡，這時(shí)采用樁柱式或肋板臺(tái)會(huì)受到較大限制，樁柱式橋臺(tái)由于抗推剛度小，當(dāng)聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)、臺(tái)后填土高度較高時(shí)不宜使用。樁柱式橋臺(tái)臺(tái)后填土高度宜控制在5m以下，聯(lián)長(zhǎng)宜控制在150m以內(nèi)。
4.常規(guī)橋梁設(shè)計(jì)中橋梁基礎(chǔ)選擇
山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)。山區(qū)一般地質(zhì)情況較好，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的情況相對(duì)較多，且宜采用分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)。因?yàn)榉蛛x式擴(kuò)大基礎(chǔ)適應(yīng)地形橫坡，承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)必須考慮基礎(chǔ)擴(kuò)散角和覆蓋層厚度以及施工時(shí)的相互影響。樁基礎(chǔ)多為嵌巖樁和柱樁，地質(zhì)情況較差地段采用摩擦樁。樁基礎(chǔ)不管受力形式如何，施工方法上多為挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價(jià)較節(jié)省，但設(shè)計(jì)中能否采用挖孔樁，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況具體分析。
二、山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)注意的其他方面
1.山區(qū)高速公路橋梁要注重抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)等安全性設(shè)計(jì)
山區(qū)中由于山體的阻擋，個(gè)別位置可能出現(xiàn)較大的陣風(fēng)風(fēng)速，對(duì)于纜索承重橋梁，必須進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)算，內(nèi)容包括靜風(fēng)分析、動(dòng)風(fēng)分析、拉索的風(fēng)雨振動(dòng)、主梁的抗扭轉(zhuǎn)性能等。要保證有足夠的安全儲(chǔ)備來(lái)避免這些偶然作用產(chǎn)生的不良后果。
2.山區(qū)高速公路橋梁的維護(hù)
由于構(gòu)造特點(diǎn)、車輛超載等原因，橋梁難免出現(xiàn)一些病害，從養(yǎng)護(hù)、維修出發(fā)，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮可到達(dá)各主要部位的檢修走道、爬梯、人洞等，支座等要設(shè)置檢查梯，大跨徑的混凝土結(jié)構(gòu)要埋設(shè)檢測(cè)裝置，定期進(jìn)行檢測(cè)，盡最大努力減少橋梁維修的可能，如果難以避免或常損壞的構(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)就要作充分考慮，在不影響或少影響交通的前提下能實(shí)現(xiàn)快速更換。
結(jié)語(yǔ)：
山區(qū)高速公路建設(shè)的技術(shù)特點(diǎn)可歸納為：路線狹窄、邊坡陡峭、橋基高升、隧道密集、橋隧組合、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此橋梁設(shè)計(jì)時(shí)更應(yīng)慎之又慎，在“安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀”原則的前提下，力求橋梁布局合理、經(jīng)久耐用，并與周圍景觀協(xié)調(diào)，反映現(xiàn)代建橋的新水平。
