山區(qū)高速公路雙層高架橋梁設(shè)計(jì)研究

徐樂惠

【摘 要】雙層高架橋梁是路橋工程建設(shè)中常用的一種橋梁形式，當(dāng)下已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市立交橋等路橋工程中，但是在復(fù)雜的地勢與環(huán)境條件的山區(qū)中其應(yīng)用難度比較大，必須進(jìn)行仔細(xì)的設(shè)計(jì)。文章以雙層高架橋梁為研究對象，重點(diǎn)對其在山區(qū)高速公路工程中應(yīng)用的一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】山區(qū);高速公路;雙層高架橋梁;設(shè)計(jì);要點(diǎn)

【中圖分類號】U448.28 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0060-02

隨著路橋事業(yè)的飛速發(fā)展，高速公路建設(shè)項(xiàng)目不斷增多。相較于平原地區(qū)的高速公路項(xiàng)目，山區(qū)具有復(fù)雜的地勢和地形條件，生態(tài)環(huán)境比較脆弱，且容易出現(xiàn)泥石流、滑坡等不良地質(zhì)災(zāi)害，極大地增加了該地區(qū)高速公路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)與施工的難度。由于受到山區(qū)地形、地勢及河道等因素的限制，因此高速公路橋梁路線無法與地形進(jìn)行有效融合，這種情況促使雙層高架橋梁的設(shè)計(jì)形式得到了廣泛應(yīng)用。

1 合理選擇雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)的形式

1.1 合理選擇橋梁結(jié)構(gòu)體系

在選擇與設(shè)計(jì)雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)體系時，為了增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)整體的耐久性與舒適性，一般會將其設(shè)計(jì)成預(yù)應(yīng)力連續(xù)結(jié)構(gòu)。不同于一般的高速公路橋梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中常用的“簡支—連續(xù)—鋼構(gòu)”組合體系、簡支轉(zhuǎn)連續(xù)體系、簡支結(jié)構(gòu)橋面連續(xù)體系等體系形式，雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)中更適宜分別確定上部橋梁和下部橋梁的結(jié)構(gòu)體系，這使得它們在組合受力情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，具體需要結(jié)合山區(qū)地區(qū)高速公路建設(shè)實(shí)際情況選擇橋梁結(jié)構(gòu)體系。

1.2 合理選擇上部構(gòu)造形式

在明確雙層高架橋結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員要合理地選擇橋梁上部構(gòu)造形式，具體選擇要點(diǎn)在如下。

（1）合理選擇橋梁跨徑。當(dāng)下，山區(qū)高速公路建設(shè)中的上部橋梁結(jié)構(gòu)一般主要采取裝配式結(jié)構(gòu)，其中雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)的最佳跨徑適宜控制在20～40 m，避免過大或過小。過大的跨徑會增大橋梁橋墩橫截面積，影響整體橋梁結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，同時過大的路拱橫坡會影響行車的安全性。而過小的跨徑則需要相應(yīng)地設(shè)置比較多的橋墩，會對下層橋梁的行車視線造成干擾。針對工程建設(shè)實(shí)踐與相關(guān)研究可知，山區(qū)地區(qū)的雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)的最佳跨徑一般主要有25 m、30 m、35 m等規(guī)格，可以在滿足高速公路建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的美觀性。

（2）選擇恰當(dāng)?shù)纳喜拷Y(jié)構(gòu)類型。在選擇上部構(gòu)造形式期間，要結(jié)合山區(qū)高速公路建設(shè)的實(shí)際情況，綜合考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與受力特性等，靈活地選擇組合“T”形梁或組合小箱梁等上部結(jié)構(gòu)類型，這些結(jié)構(gòu)形式的工廠化生產(chǎn)工藝比較成熟。

1.3 合理選擇下部橋墩形式

當(dāng)下，國內(nèi)在建設(shè)高速公路中，下部橋墩結(jié)構(gòu)中有許多類型的橋墩，例如空心墩結(jié)構(gòu)形式、薄壁墩結(jié)構(gòu)形式、柱式墩結(jié)構(gòu)形式、“Y”形墩結(jié)構(gòu)形式、花瓶墩結(jié)構(gòu)形式等，空心薄壁墩結(jié)構(gòu)形式和柱式墩結(jié)構(gòu)形式（如圖1所示）最為常用。通常而言，橋墩結(jié)構(gòu)的高度一般小于50 m，如果橋墩結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度具有較高的設(shè)計(jì)要求，那么實(shí)際選擇橋墩結(jié)構(gòu)形式的時候適宜采用柱式墩結(jié)構(gòu)形式;如果橋墩結(jié)構(gòu)高度大于50 m，那么更加適宜采用基于穩(wěn)定控制設(shè)計(jì)理念的空心薄壁墩機(jī)構(gòu)形式。此外，對山區(qū)的高速公路建設(shè)項(xiàng)目而言，適宜結(jié)合山區(qū)的一些特殊地形條件等，靈活地選擇一些特殊結(jié)構(gòu)形式的橋墩結(jié)構(gòu)。例如，可以有效地利用山區(qū)地區(qū)凸出來的獨(dú)立山包或巖嘴等，科學(xué)地設(shè)計(jì)門架式或懸臂式橋墩結(jié)構(gòu)形式等。如果雙層高架橋梁的橋墩結(jié)構(gòu)整體不高，那么不宜應(yīng)用空心薄壁墩結(jié)構(gòu)形式，而分離式部分橋梁橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中則適宜應(yīng)用柱式墩結(jié)構(gòu)形式。如果部分橋梁結(jié)構(gòu)存在上下疊置部分，那么此時更加適合應(yīng)用雙層框架式橋墩結(jié)構(gòu)形式，從而確保下部橋墩機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

2 山區(qū)高速公路雙層高架橋梁設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

2.1 荷載組合設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

當(dāng)下，在設(shè)計(jì)雙層高架橋梁的過程中還沒有形成特定的設(shè)計(jì)細(xì)則，尤其是針對上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)的活載組合取值還缺乏具體、明確的規(guī)定。一般依據(jù)上層橋梁與下層橋梁兩層橋梁結(jié)構(gòu)開展荷載組合，具體就是將上層橋梁與下層橋梁機(jī)構(gòu)的各自最不利荷載組合集中整合在一個橋墩上，之后分別設(shè)計(jì)各部分的構(gòu)造。針對雙層框架橋墩機(jī)構(gòu)而言，一般可以將其當(dāng)成一個空間框架開展結(jié)構(gòu)分析，其中上、下兩層橋梁結(jié)構(gòu)的汽車制動力具有相反的方向，要分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，針對上層橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，要考慮冰雪荷載、汽車離心力、汽車沖擊系數(shù)等要素;靠河側(cè)或靠山側(cè)的橋梁墩柱結(jié)構(gòu)要分別考慮河道滾石等撞擊荷載或山坡滾石沖擊荷載;下層橋梁防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)中要考慮汽車撞擊荷載，避免其對框架墩柱帶來不利的影響，同時要注意結(jié)合山區(qū)高速公路建設(shè)的實(shí)際情況，對框架橋墩的實(shí)際受力情況進(jìn)行全面分析。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

在當(dāng)下的高速公路設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)也是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)。在對雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)開展抗震設(shè)計(jì)期間，一般需要依據(jù)三級抗震設(shè)防原則開展三階段抗震設(shè)計(jì)：首先，要基于抗震概念設(shè)計(jì)的合理運(yùn)用，科學(xué)、合理地進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局，精準(zhǔn)地選擇出地震中可能出現(xiàn)彎曲塑性鉸的具體位置，確?？梢允菇Y(jié)構(gòu)在地震力下形成一個恰當(dāng)?shù)乃苄院哪軝C(jī)制，同時要科學(xué)設(shè)計(jì)其延性和強(qiáng)度，確保塑性鉸區(qū)域截面具有良好的延性性能。其次，依據(jù)能力設(shè)計(jì)原則，通過科學(xué)設(shè)計(jì)可以使結(jié)構(gòu)體系中的能力保護(hù)構(gòu)件或延性構(gòu)件都能夠構(gòu)成強(qiáng)度等級差異，避免所設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件不會出現(xiàn)脆性破壞問題。針對雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，其塑性鉸區(qū)域一般位于上、下墩柱的底部和頂部，所以可以將上、下墩柱當(dāng)成延性構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保墩柱的極限彎矩、剪力與軸力等相關(guān)指標(biāo)滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求與規(guī)定。最后，依據(jù)三級設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)原則，在地震作用下適合應(yīng)用反應(yīng)譜法驗(yàn)算立柱的強(qiáng)度，還要靈活地運(yùn)用非線性時程方法驗(yàn)算上、下部之間的連接構(gòu)件，確保它們可以在地震作用下保持良好的彈性，避免出現(xiàn)脆性破壞問題。此外，要注意結(jié)合雙層高架橋梁設(shè)計(jì)需求，做好抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)工作。

2.3 陡坡橋墩設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

在山區(qū)的雙層高架橋梁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，橋墩一般常常會處于陡邊坡上，地形差的存在常常使得同一橋墩兩墩柱的高度具有比較大的懸殊。墩柱的高度差使得下部結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)受力不均勻的情況，甚至?xí)O大地增加其中一個墩柱的受力值。如果墩柱具有明顯的高度差，那么它們之間的受力差也比較大，此時在設(shè)計(jì)相應(yīng)橋墩結(jié)構(gòu)期間可以在較矮橋墩的地面下合理地設(shè)置一定長度的套筒結(jié)構(gòu)，以此增加矮墩的高度，或者也可以采取在較高高度的橋墩地面上一定長度范圍內(nèi)適當(dāng)?shù)卦黾訖M截面積，這樣可以起到減小高墩結(jié)構(gòu)高度和兩墩柱的剛度差的作用。此外，陡坡邊上橋墩結(jié)構(gòu)下部的樁基抗力一般相對較弱，具體與樁基的埋置深度有關(guān)，所以在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)的時候，要對陡坡部位橋墩部位處的樁基長度進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，確保其可以滿足實(shí)際的承載需求，避免因?yàn)闃痘休d不足而影響上部橋墩結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

總之，雙層高架橋梁是當(dāng)下山區(qū)高速公路建設(shè)中比較常用的一種橋梁形式，實(shí)際的設(shè)計(jì)中首先需要選擇雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)的形式，然后要注意做好荷載組合設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和陡坡橋墩設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)工作，力求全面確保雙層高架橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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