公路裝配式橋梁設(shè)計及優(yōu)化策略分析

周凌

（江西省贛中公路勘察設(shè)計院有限公司，江西 吉安 343000）

0 引言

山區(qū)高速公路項(xiàng)目比較特殊，而橋梁建設(shè)施工要秉承安全、穩(wěn)定的基本原則，在該基礎(chǔ)上才能提高經(jīng)濟(jì)性、美觀性以及施工效率。山區(qū)的特點(diǎn)是地形復(fù)雜，地理?xiàng)l件多樣化，有大量的溝壑、山谷，坡度比較大，在遇水的作用下極易爆發(fā)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，對橋梁的正常施工和運(yùn)行都造成巨大的影響?；诖耍诠费b配式橋梁的設(shè)計中，對現(xiàn)場的特點(diǎn)要有足夠的了解，以確定合適的優(yōu)化設(shè)計方案，以提高施工設(shè)計水平。

1 裝配式橋梁設(shè)計原則

根據(jù)山區(qū)的特點(diǎn)，在高速公路橋梁設(shè)計時應(yīng)遵循如下幾項(xiàng)原則。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)化

橋梁項(xiàng)目如果占比較大，首先應(yīng)該按照標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化預(yù)制、裝配化施工的原則進(jìn)行，這樣不僅可以降低項(xiàng)目建設(shè)成本，提高項(xiàng)目施工質(zhì)量，還能縮短建設(shè)工期。

1.2 因地制宜

山區(qū)地帶的地勢條件變化比較大，還具有地質(zhì)復(fù)雜性較高的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)等方面應(yīng)符合現(xiàn)場施工環(huán)境的運(yùn)行需要。對施工現(xiàn)場進(jìn)行全面勘察，考慮現(xiàn)場的實(shí)際情況選擇最佳的結(jié)構(gòu)形式以及施工材料，明確施工工藝方案，確保工程的質(zhì)量和工期符合要求，以提升施工水平，減少工程設(shè)計變更數(shù)量，使得項(xiàng)目盡快施工。

1.3 路橋配合

高速公路項(xiàng)目中橋梁是必不可少的組成部分，也是關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)，所以在橋梁設(shè)計時應(yīng)考慮到線形的連續(xù)性、均衡性，達(dá)到流暢設(shè)計的要求，且要確保路線設(shè)計時達(dá)到合理、美觀的要求。比如，在橋位設(shè)計環(huán)節(jié)，不會出現(xiàn)橋位設(shè)計不合理而延長施工長度，或者增加橋梁跨度尺寸、提升難度等情況，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到合理性標(biāo)準(zhǔn)[1]。

1.4 提高資金利用率

山區(qū)地帶的氣候環(huán)境多變，地質(zhì)復(fù)雜性高，盡量選擇使用工廠化預(yù)制構(gòu)件的方式，規(guī)避現(xiàn)場施工環(huán)境不利因素的影響，不僅可以提高現(xiàn)場施工速度，還能提高施工質(zhì)量水平，并且縮短項(xiàng)目建設(shè)工期。但是在預(yù)制構(gòu)件設(shè)計時，應(yīng)考慮運(yùn)輸、安裝以及現(xiàn)場連接等方面，以消除工程不利因素的影響。

1.5 布局新穎性

裝配式橋梁設(shè)計理念已經(jīng)非常成熟，在技術(shù)水平不斷提升的背景下，除了應(yīng)該確保橋梁可以正常使用外，還要加強(qiáng)外觀造型的控制，與周邊的自然環(huán)境融為一體，提升橋梁的美觀性，實(shí)現(xiàn)橋梁與自然環(huán)境協(xié)同發(fā)展。

2 裝配式橋梁設(shè)計要點(diǎn)

2.1 跨徑的選擇

就目前來說，橋梁設(shè)計和施工根據(jù)現(xiàn)場情況，主要采取標(biāo)準(zhǔn)化跨徑的施工方式。

2.1.1 30m 內(nèi)橋梁

對于跨徑尺寸在30m 以下的橋梁，采用小箱梁結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行設(shè)計最為普遍。

2.1.2 40m 以上橋梁

橋梁跨徑尺寸超過40m 的情況，選擇使用T 形梁極為重要。山區(qū)地形條件比較惡劣，在該環(huán)境下高速公路的平面半徑比較小，如果橋梁施工中存在超高緩和段，小箱梁難以滿足要求，容易出現(xiàn)梁體上各支點(diǎn)平整度有差異的情況，所以T 形梁最為適宜。

2.1.3 50m 以上橋梁

對于跨徑在50m 以上的橋梁，T 形梁結(jié)構(gòu)比較普遍，但是該形式也有局限性，比如小半徑平曲線中有較為明顯的內(nèi)外梁長度差的問題，且跨中矢高比較大，無法和線路形式保持適宜性設(shè)置。

此外，山區(qū)地帶交通狀態(tài)比較差，基礎(chǔ)設(shè)施不足，大型機(jī)具、運(yùn)輸車輛難以進(jìn)入，而50m 跨徑的T 形梁規(guī)格型號較大，單片梁重在150t 左右，要配置高性能架設(shè)設(shè)備，但現(xiàn)場施工很難達(dá)到這一要求，容易發(fā)生變形的問題，所以50m 跨徑的橋梁并不會優(yōu)先選擇T形梁的形式。

以目前橋梁技術(shù)分析，在標(biāo)準(zhǔn)跨徑基礎(chǔ)之上做出改進(jìn)，比如在某裝配式橋梁中，樁基與懸崖距離為5～10m，施工后將左側(cè)懸臂風(fēng)化層清理掉，但是樁基與懸崖間距比較小，有些樁基存在裸露的情況。下部樁基的施工位置較為特殊，與懸崖壁表層間距不能達(dá)到3m。要想提升樁基與上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采取合理的加固措施極為重要，經(jīng)過檢查沒有任何問題后才能開展上部作業(yè)。對于下部有較大裂隙的情況，比較常見的方式是灌縫施工；下部存在松散巖體結(jié)構(gòu)，該位置應(yīng)用預(yù)應(yīng)力錨索加固施工。但是以上處理措施難度較高，稍有不慎就會引發(fā)質(zhì)量問題。在該施工環(huán)境條件下，如果在原標(biāo)準(zhǔn)跨徑之下綜合應(yīng)用非標(biāo)準(zhǔn)跨徑，可以規(guī)避不良地質(zhì)，雖然建設(shè)成本略有提高，但是安全性更高，穩(wěn)定性更好[2]。

2.2 墩臺形式的選擇

在現(xiàn)代化橋梁工程建設(shè)中，除了要加強(qiáng)質(zhì)量控制，效率與成本也是重要指標(biāo)。結(jié)合目前公路裝配式橋梁的施工環(huán)境要求，合理優(yōu)化橋梁的下部結(jié)構(gòu)，以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化施工的要求。橋墩高度不足20m 時，應(yīng)用雙柱式圓截面橋墩；高度在20～40m 時，采用實(shí)心矩形截面薄壁墩；對于現(xiàn)場施工環(huán)境較為特殊的情況，且橋墩高度超過40m，因此選擇應(yīng)用空心薄壁墩效果最好?，F(xiàn)場施工環(huán)境比較復(fù)雜，為了適應(yīng)地形劇烈變化的情況，在橋梁施工中選擇應(yīng)用大高度橋墩的形式。為了達(dá)到邊坡穩(wěn)定性，降低項(xiàng)目成本，采用全幅雙柱式大挑臂墩的形式。

此外，現(xiàn)場施工要盡量避免對施工環(huán)境造成影響，不能對既有道路做出過大調(diào)整，可以選擇使用道路穿越橋墩下方的設(shè)計方式，比如大跨徑門式橋墩的形式。裝配式橋梁施工中，為了能夠與山區(qū)地形保持協(xié)調(diào)性，重力U 形臺被廣泛應(yīng)用。按照我國的設(shè)計規(guī)范，該類型橋臺應(yīng)用的最佳填土范圍是4～10m，說明在U 形臺設(shè)計時高度要控制在10m 以下。為了盡量減少開挖量，防止基礎(chǔ)開挖過度而引發(fā)滑塌的問題，在U 形臺設(shè)計時，必須考慮現(xiàn)場的地形條件，合理進(jìn)行分臺，以達(dá)到施工的效果。

3 裝配式橋梁設(shè)計中的特殊考慮因素

3.1 橋梁與高路堤的關(guān)系

除了水文因素外，現(xiàn)場施工的地形條件因素也會對山區(qū)高速公路建設(shè)造成較大的影響，路橋設(shè)置界限值極為重要，其關(guān)系到項(xiàng)目的建設(shè)成本，且威脅現(xiàn)場安全性。

因此，要加強(qiáng)路基中心填方高度的控制，如果在20m 以上，要對橋梁和路基方案進(jìn)行對比分析，考慮現(xiàn)場的施工需要選擇橋梁施工與路基填筑工藝方案，以達(dá)到結(jié)構(gòu)性能的標(biāo)準(zhǔn)。如果現(xiàn)場地形以“U”形存在，并且橫向坡度比較大，這時可以把路基邊坡適當(dāng)放遠(yuǎn)，但是也會造成填土運(yùn)輸距離增大的情況發(fā)生。為了提高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，最好采用架橋的施工方式。如果現(xiàn)場施工地形條件為“V”形峽谷，這時路基設(shè)計更加重要，通過應(yīng)用高填方路基方式提高施工水平，降低項(xiàng)目成本；如果選擇應(yīng)用架橋的施工方式，施工難度相對較高，且場地局限性較強(qiáng)，所以對于填方高度在20m 以上的情況是，要對現(xiàn)場進(jìn)行綜合評價，以確定合適的路基施工方案[3]。

3.2 陡邊坡上的橋梁設(shè)計

地形橫坡陡峭是目前山區(qū)工程比較典型的案例，有些工程的下半幅路填方高度較高，但是余下半幅應(yīng)用淺埋的方式。對于該問題可以在半幅路段中增加橋梁結(jié)構(gòu)來解決，余下半幅布置路基，同時還要設(shè)置擋土墻的結(jié)構(gòu)，以滿足橋梁工程的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 橋臺設(shè)計

橋臺設(shè)計方案要考慮到地形條件，因?yàn)樯絽^(qū)的地形條件比較特殊，裝配式橋梁在施工中，將橋臺設(shè)置在山坡的位置上，因?yàn)闄M坡、縱坡的坡度較大，可以選擇應(yīng)用重力式U 形臺。對于現(xiàn)場的邊坡坡度比較緩和的情況，柱式臺效果最佳；現(xiàn)場地勢比較陡峭的情況，樁基礎(chǔ)U 型臺的效果較好。橋臺對于整個橋梁的穩(wěn)定性存在直接影響，所以必須落實(shí)橋臺后方填土高度的控制，確保U 形臺不超過8m，柱式臺不超過5m。設(shè)計方案確定時要考慮地形特點(diǎn)，在應(yīng)用U 形臺時確定最佳的分臺階方案，降低項(xiàng)目建設(shè)成本；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工極為重要，通過應(yīng)用片石混凝土加固施工方式為主。對于各種影響裝配式橋梁工程穩(wěn)定性的因素來說，橋墩結(jié)構(gòu)的影響比較大，所以要根據(jù)現(xiàn)場情況選擇合適的橋墩類型。如果橋墩高差不足20m，選擇雙圓柱式橋墩形式為主，提高現(xiàn)場施工效果，確保和樁基礎(chǔ)連接效果合格；橋墩高度在20～40m，采用薄壁墩即可，減少材料使用量，減輕自重，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；橋墩高度在40m 以上，為了達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，選擇空心矩形薄壁墩即可，該方法的特點(diǎn)是邊坡穩(wěn)定性較高，降低項(xiàng)目成本[4]。

3.4 支座設(shè)置

經(jīng)過對以往的橋梁工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)分析，很多情況下橋墩高度較高。因?yàn)楣房v坡較大，還會受到現(xiàn)場環(huán)境的影響，所以隨著運(yùn)營時間的延長，上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性會降低，出現(xiàn)向下坡移動的情況，這時要應(yīng)用主梁縱向限位結(jié)構(gòu)以達(dá)到穩(wěn)定性要求，比如墩梁固結(jié)。分聯(lián)墩設(shè)置支座，該位置上施工因素比較多，比如扭矩形成的支反力、變位方向差異等。對于這些問題來說，應(yīng)用盆式支座可以解決，較之板式支座更具耐久性，維護(hù)難度也會下降。

3.5 伸縮縫設(shè)置

橋梁施工現(xiàn)場的溫度變化影響比較大，曲線橋極易出現(xiàn)伸縮的問題，內(nèi)外側(cè)梁的長度發(fā)生變化。此外，長大縱坡條件下，梁體容易發(fā)生位移問題。基于此，合理設(shè)置伸縮縫可以解決這些問題，提高橋梁的穩(wěn)定性。

4 裝配式橋梁設(shè)計的措施

4.1 完善設(shè)計方案

因?yàn)樯絽^(qū)地形條件、自然環(huán)境都比較特殊，所以在設(shè)計方案確定前進(jìn)行地形勘察極為重要，以勘察結(jié)果為基礎(chǔ)，確定最佳的設(shè)計方案，以提高設(shè)計水平，保證橋梁工程的穩(wěn)定性合格。目前的橋梁項(xiàng)目中，以大跨度橋梁與普通跨度橋梁為主。但是兩者設(shè)計方式方面有較大的差異，所以橋梁設(shè)計時要考慮的因素也不同。通常來說，標(biāo)準(zhǔn)跨度橋梁多數(shù)都應(yīng)用到山區(qū)橋梁工程中，其主要的特點(diǎn)設(shè)計效果更好，施工安全性更高，且投入成本較低。

4.2 不同橋梁設(shè)計要點(diǎn)

山區(qū)的地形條件比較特殊，橋梁設(shè)計要綜合分析現(xiàn)場情況，以確定合適的設(shè)計方案。如果橋梁為彎曲、大縱坡的橋梁形式，在設(shè)計環(huán)節(jié)要考慮穩(wěn)固性、變位的狀態(tài)；大縱坡、長橋連接的情況下，隨時監(jiān)測位移變化，預(yù)防發(fā)生錯位的問題，以提高施工效果。嚴(yán)格落實(shí)橋梁的設(shè)計管理，加強(qiáng)質(zhì)量管理和控制，確保工程的質(zhì)量合格，達(dá)到正常運(yùn)營的標(biāo)準(zhǔn)，以符合工程的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

5 案例分析

在山區(qū)橋梁的設(shè)計環(huán)節(jié)，設(shè)計人員考慮的核心就是上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造的類型、下端墩柱類型方面，這既是提高橋梁性能和質(zhì)量的關(guān)鍵，也是管理和維護(hù)的重點(diǎn)，所以必須加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇和控制，以確保工程的質(zhì)量合格。

5.1 工程概況

某山區(qū)公路中橋梁項(xiàng)目表現(xiàn)出兩端低、中間高的變化趨勢，海拔1365～1952m，沿途分布著河流、山谷、耕地等，整個橋梁項(xiàng)目按照山澗橋梁的形式進(jìn)行設(shè)計，為了滿足施工進(jìn)度的要求，盡量采用裝配式施工方式，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場直接安裝施工，不會對跨水?dāng)嗝嬉约皹蛳聝魧捲斐捎绊?，確保項(xiàng)目通行效果合格。

5.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于中小跨度的橋梁來說，空心板、T 形梁、小箱梁是主要的結(jié)構(gòu)形式，為了能夠盡量地減少墩柱建設(shè)的數(shù)量，使用T 形梁與小箱梁的結(jié)構(gòu)形式。下面對比兩種施工方式優(yōu)劣：一是施工難度對比。T 形梁使用后張法施工，吊裝質(zhì)量小、施工方便，且質(zhì)量水平較高。小箱梁也是應(yīng)用后張法施工，但是寬度尺寸大，模板組成復(fù)雜，起吊難度高，且現(xiàn)場施工工藝復(fù)雜，質(zhì)量控制難度高。二是操作與維護(hù)對比。T 形梁施工技術(shù)比較成熟，運(yùn)行與維護(hù)更加方便，在彎曲線上鋪設(shè)施工效果好，在山區(qū)橋梁應(yīng)用優(yōu)勢明顯。小箱梁施工難度高，維護(hù)與管理工作復(fù)雜，施工工藝?yán)щy。綜合分析，該工程項(xiàng)目采用裝配式T 形梁的形式，跨度尺寸40m，總長292m，按40m×3+40m×4 設(shè)置。

5.3 下部構(gòu)造設(shè)計

因?yàn)樵摌蛄喉?xiàng)目需要跨越山川，橋兩側(cè)分布著梯田，所以為了避免過度占用農(nóng)田，根據(jù)山區(qū)的特點(diǎn)進(jìn)行分析，上部結(jié)構(gòu)跨度40m，應(yīng)用雙柱式墩形式，直徑為1.2m，高度為25.2m，地梁與中梁布置在中部位置。

6 結(jié)語

我國的地域面積比較廣闊，不同地區(qū)的地形條件相差較大，所以導(dǎo)致公路橋梁建設(shè)難度升高。在公路橋梁的設(shè)計環(huán)節(jié)，選擇使用裝配式橋梁設(shè)計方案，對現(xiàn)場的地形條件展開分析，了解影響因素，并結(jié)合現(xiàn)場情況做出方案優(yōu)化分析，以提升設(shè)計水平。同時還要加強(qiáng)現(xiàn)場施工的控制，落實(shí)施工工藝方案和技術(shù)措施，提高公路裝配式橋梁的施工效果，為今后橋梁事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展奠定基礎(chǔ)。