淺談山區(qū)小半徑橋梁設(shè)計(jì)

龔健根

【摘 要】?山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)中，由于地形、地質(zhì)等因素的影響，不可避免會(huì)出現(xiàn)小半徑曲線橋梁。文章結(jié)合四川省綿竹至茂縣某公路施工圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目，分析了不同影響因素下橋梁結(jié)構(gòu)形式的選取，以及上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)分別采用預(yù)制梁和現(xiàn)澆箱梁應(yīng)注意的問(wèn)題，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在不同地質(zhì)、地形等條件下墩臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的選取，以及在深厚覆蓋層條件下、斷層破碎帶條件下、斜坡條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以供橋梁設(shè)計(jì)人員在遇到相似情況時(shí)，合理選擇上部結(jié)構(gòu)形式和下部結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)避免在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)相似問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】山區(qū)橋梁; 小半徑曲線; 預(yù)制梁; 現(xiàn)澆梁; 橋梁上部; 橋梁下部

四川盆地的丘陵重丘區(qū)占比非常大，而且地形非常復(fù)雜、路線線性差、彎道多、縱坡大、沿線滑坡及泥石流區(qū)域多，同時(shí)橋隧占比大，有的項(xiàng)目甚至高達(dá)90 %以上。因此，山區(qū)高速公路中的橋梁設(shè)計(jì)，是修建一條安全、經(jīng)濟(jì)、舒適、環(huán)保、美觀的高速公路的一個(gè)控制性因素。本文結(jié)合四川省內(nèi)某施工圖設(shè)計(jì)項(xiàng)目中某一座小半徑斜交橋梁，來(lái)探討山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。

1 山區(qū)公路橋梁的主要特點(diǎn)

地形、地質(zhì)復(fù)雜是山區(qū)公路的主要特點(diǎn)，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)為地面縱坡及橫坡較大、坡面變化頻繁、路線內(nèi)外側(cè)地面高差大、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌陡崖、泥石流等。受到上述情況的影響，造成路線布設(shè)時(shí)平曲線占有非常大的比列，平曲線半徑小、回頭曲線多路線線性差，陡崖及溝谷的存在使得同一座橋梁橋墩墩高相差較大、橋墩結(jié)構(gòu)形式多，特別是在互通區(qū)域，因地形限制導(dǎo)致匝道半徑很小，甚至只有30 m的半徑，再加上路線加寬漸變段短，同時(shí)還要兼顧環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、美觀的要求，從而使得橋梁跨徑的布設(shè)及結(jié)構(gòu)形式的選取非常困難。因此，橋梁跨徑布設(shè)及結(jié)構(gòu)形式選取時(shí)協(xié)調(diào)解決好橋梁上下部各構(gòu)造之間及與地形地質(zhì)之間的關(guān)系非常重要。

2橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 地形、地質(zhì)、墩高的影響

橋位處的地形、地質(zhì)、水文以及橋墩高度等是影響橋梁上部結(jié)構(gòu)形式及跨徑選取的主要因素，考慮到山區(qū)地理環(huán)境的特殊性，為了盡量方便山區(qū)橋梁施工，形成規(guī)模化的生產(chǎn)，常規(guī)的中小跨徑橋梁，其上部結(jié)構(gòu)形式應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和規(guī)?；A(yù)制，在四川地區(qū)，由于T梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工方便，山區(qū)橋梁多數(shù)處于超高的平曲線上，采用T梁可以有效地防止出現(xiàn)支座受力不均、支座脫空、不宜調(diào)平的情況，同時(shí)考慮地震等因素，山區(qū)預(yù)制梁橋常采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支橋面連續(xù)T梁。

正常情況下一座橋梁應(yīng)盡可能采用相同的跨徑，對(duì)于多孔長(zhǎng)橋或有其他限制條件的橋梁，其跨徑布置也可采用兩種跨徑組合，并考慮施工工藝的可行性。除特殊橋梁及復(fù)雜橋梁外，為保證橋梁整體協(xié)調(diào)性及經(jīng)濟(jì)性，墩高小于20 m的中小橋，宜采用空心板，墩高20～30 m時(shí)，宜采用30 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)制梁;墩高30～60 m時(shí)，宜采用40 m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)制梁。跨越較寬、較深山谷時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)梁橋，但跨徑不宜大于200 m;跨越山區(qū)典型V型溝谷且兩岸地質(zhì)條件較好的橋位，可采用拱橋、斜腿剛構(gòu)等結(jié)構(gòu)一跨跨越，但采用拱橋方案時(shí)還應(yīng)考慮施工場(chǎng)地及施工方案的實(shí)施可能性;對(duì)特殊困難施工條件下的橋梁，場(chǎng)地狹窄無(wú)法設(shè)置預(yù)制場(chǎng)，便道無(wú)法滿足運(yùn)梁需求，工期上又不能待接線貫通后再進(jìn)行預(yù)制梁的運(yùn)輸和安裝時(shí)應(yīng)考慮現(xiàn)澆梁方案。

2.2 路線平曲線半徑的影響

山區(qū)路線布設(shè)時(shí)，由于滑坡、不穩(wěn)定斜坡、溶洞、庫(kù)區(qū)、斷崖等不良地質(zhì)及地形、征地限制等影響因素，使得路線平面線性常采用較小的曲線半徑，特別是采用環(huán)線匝道的互通式立體交叉，最小半徑可達(dá)到30 m左右，對(duì)于不能設(shè)置路基的段落，此時(shí)就需要設(shè)置小半徑彎橋。若采用預(yù)制梁橋需要處理由于內(nèi)外弧長(zhǎng)之間的差別，導(dǎo)致預(yù)制梁梁長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)梁長(zhǎng)之間存在很大差別，同時(shí)由于預(yù)制梁為直線梁，為滿足路線線性及美觀要求[1]，通常外邊梁需要增大外懸臂值，內(nèi)邊梁外懸臂需要減小懸臂值和調(diào)整濕接縫寬度來(lái)滿足路線線性變化，及小半徑曲線帶來(lái)的視距加寬或其它規(guī)范要求的橋面寬度影響，造成的相鄰跨梁片數(shù)不同以及同一跨的起止端濕接縫寬度不等的問(wèn)題。

如果曲線半徑較大、中矢高較小、路線變寬漸變段曲線較緩，內(nèi)外梁梁長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)梁長(zhǎng)的差值在容許范圍內(nèi)，可以采用平分中矢法布梁，橋面寬度可采用調(diào)整濕接縫寬度、內(nèi)外邊梁外翼板寬度的方法來(lái)調(diào)整，以滿足小半徑曲線帶來(lái)的視距加寬或其它規(guī)范要求的橋面寬度影響，若調(diào)整濕接縫寬度仍不能滿足橋面寬度變化時(shí)，可增加梁片數(shù)。邊梁外翼緣板應(yīng)按曲線預(yù)制以適應(yīng)路線設(shè)計(jì)線性變化及美觀要求，翼緣板寬度加長(zhǎng)或減小值應(yīng)在容許范圍內(nèi)，一般不應(yīng)超過(guò)20 cm。

如果曲線半徑較小、中矢高較大、路線變寬漸變段曲線較急，通過(guò)上述方法不能解決時(shí)，可以采用橋包路的布梁方法或采用現(xiàn)澆梁，由于橋梁位于平曲線上，使得現(xiàn)澆箱梁的重心與支撐中心不在同一點(diǎn)，現(xiàn)澆箱梁在恒載及豎向活載的作用下，產(chǎn)生豎向彎矩及橫向扭轉(zhuǎn)作用，從而導(dǎo)致橋梁內(nèi)外側(cè)支座受力不均，當(dāng)橋梁偏心較大時(shí)，支座容易產(chǎn)生負(fù)反力或出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生橋梁側(cè)翻事故[1]。

現(xiàn)結(jié)合具體項(xiàng)目簡(jiǎn)要介紹小半徑彎橋上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆箱梁的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：案列以位于路線半徑為30.229 m的曲線上的現(xiàn)澆箱梁為例[1]，因本橋跨越較大泥石流溝且泥石流溝上游物料豐富，為保證橋梁的安全，無(wú)法在溝中布置橋墩，因此不能采用小跨徑橋梁，所以采用橋梁加寬的方式一跨跨越泥石流溝，路線寬度11.5 m，本橋采用1×47.02 m單箱4室現(xiàn)澆箱梁，橋?qū)?2 m、梁高2.3 m，橋梁模型見(jiàn)圖1，橋梁加寬方式見(jiàn)圖2。

小半徑現(xiàn)澆梁橋設(shè)計(jì)時(shí)，為加大現(xiàn)澆梁橋自身的抵抗扭矩宜盡可能加大支座之間的間距，案例中支座之間的間距采用4.659 m[1]，邊支座采用4.4 m支座間距，支座處橫截面如圖3所示，恒載、活載作用下縱橫橋向計(jì)算的支座反力如表1、表2所示。

通過(guò)對(duì)上述表格的對(duì)比可知，支座活載及對(duì)應(yīng)的恒載最小反力分別為-188 kN、2 680 kN，且后者是前者的14倍多，因此支座產(chǎn)生負(fù)反力的概率較小，則現(xiàn)澆箱梁抵抗傾覆的能力較強(qiáng)[1]。

對(duì)于曲線現(xiàn)澆箱梁，不僅要滿足強(qiáng)度和剛度要求，還必須進(jìn)行現(xiàn)澆梁的抗傾覆計(jì)算，使現(xiàn)澆梁有足夠的抗傾覆能力，以避免支座產(chǎn)生負(fù)反力或現(xiàn)澆梁傾覆，相對(duì)于其他橋梁病害而言，橋梁傾覆破壞發(fā)生的時(shí)間極短，同時(shí)事故發(fā)生前不會(huì)產(chǎn)生明顯的征兆，而且橋梁傾覆的危害很大，特別是小半徑匝道上的現(xiàn)澆箱梁，在重車的偏載作用下很容易發(fā)生傾覆，近幾年在國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過(guò)幾起這樣的事故，使人民的生命和財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生了巨大的損失，因此，橋梁設(shè)計(jì)中我們必須采取有效措施，防止橋梁傾覆破壞的產(chǎn)生，而產(chǎn)生傾覆破壞的機(jī)理主要是偏載作用下，內(nèi)外支座受力不均，使得邊支座脫空，從而產(chǎn)生傾覆，預(yù)防支座產(chǎn)生負(fù)反力并脫空的主要措施有以下三種，一是加大支座間距，但是支座間距受到橋梁寬度、下部結(jié)構(gòu)形式及其受力的限制，不可能隨意調(diào)整支座間距;二是對(duì)現(xiàn)澆箱梁增加混凝土壓重，增加恒載反力的儲(chǔ)備，但是壓重也不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致壓重處現(xiàn)澆箱梁受力計(jì)算不滿足規(guī)范要求;三是采用抗拉支座，但是也有其局限性，比如需要定制、價(jià)格相比其它支座較貴，當(dāng)然也可以同時(shí)采用上述措施中的幾種。

對(duì)于山區(qū)小半徑曲線橋梁，在墩高較高、地勢(shì)較陡、路線變寬較平緩時(shí)，采用預(yù)制梁較合理，同時(shí)在工期上較短，造價(jià)上也更經(jīng)濟(jì)合理;在墩高不高、地勢(shì)較平緩、路線變寬較急或主線與匝道交匯處，采用現(xiàn)澆箱梁則線性更加流暢、美觀、更能與山區(qū)環(huán)境和諧、緊密的融合在一起。因此，在設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒌刭|(zhì)、水文、經(jīng)濟(jì)、路線線性等因素綜合考慮，采用哪一種或者兩種的組合形式，以達(dá)到更優(yōu)的設(shè)計(jì)效果。

3 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是墩臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的選擇以及樁基類型及長(zhǎng)度的確定。

3.1 墩臺(tái)結(jié)構(gòu)形式的選擇

橋墩的選擇要結(jié)合山區(qū)的地質(zhì)及地形條件、橋梁的跨徑、墩高等進(jìn)行綜合考慮。對(duì)于山區(qū)橋梁因地形起伏變化大，每座橋梁結(jié)構(gòu)形式應(yīng)盡可能統(tǒng)一，同一座橋梁上的橋墩高度相差較大時(shí)，可采用不同的結(jié)構(gòu)形式，但當(dāng)某種橋墩結(jié)構(gòu)形式的數(shù)量較少時(shí)，應(yīng)將數(shù)量較少的橋墩結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行合并，以減少墩柱模板及樁基類型，方便施工。山區(qū)橋墩的常見(jiàn)形式有柱式墩、矩形實(shí)心墩、空心薄壁墩。原則上墩高（含蓋梁）不大于40 m時(shí)，采用圓柱式橋墩;當(dāng)40 m<墩高（含蓋梁）≤50 m時(shí)，采用矩形實(shí)心墩;當(dāng)墩高在50 m以上宜采用空心薄壁墩。

山區(qū)河流、溝谷季節(jié)流量差異大，應(yīng)考慮泥沙石等攜帶物對(duì)橋墩樁基的沖刷及碰撞造成的威脅，正常情況下橋墩不宜設(shè)置在谷底。對(duì)于跨泥石流溝的橋墩，宜設(shè)置剛度較大的墻式墩。大跨徑連續(xù)剛構(gòu)或連續(xù)梁橋墩一般采用國(guó)內(nèi)成熟的形式，并控制橋墩高度一般不超過(guò)150 m;必要時(shí)采取調(diào)整路線平縱線位措施或橋孔布置，盡可能避免采用技術(shù)難度大、國(guó)內(nèi)目前沒(méi)有工程實(shí)踐或較少采用的超高橋墩。柱式墩墩高大于5 m宜設(shè)置底系梁，墩高大于15 m時(shí)，可每間隔8～10 m加設(shè)一道柱間系梁，以增加整體剛度。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，山谷中的高墩應(yīng)充分考慮風(fēng)力的影響，彎橋橋墩應(yīng)考慮偏心荷載、離心力對(duì)橫橋向強(qiáng)度的影響。

山區(qū)橋梁橋臺(tái)形式的選擇應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)條件和填土高度，常見(jiàn)形式有樁柱式、肋板式、薄壁式橋臺(tái)和重力式U形橋臺(tái)等。

如采用樁柱式應(yīng)注意，其抗推能力較差，在水平力作用下位移較大的缺點(diǎn)，當(dāng)橋臺(tái)填土高度較大（H≥5 m）或臺(tái)前邊坡較陡時(shí)不宜采用;對(duì)于長(zhǎng)聯(lián)、大縱坡橋，為減少長(zhǎng)期荷載作用累積變位，也不宜采用樁柱式臺(tái)。

U形橋臺(tái)和埋置式肋板橋臺(tái)高度不宜超過(guò)12 m，還應(yīng)注意對(duì)臺(tái)身、基礎(chǔ)材料的選擇，保證橋臺(tái)構(gòu)造的結(jié)構(gòu)耐久性，同時(shí)注意基礎(chǔ)持力層的選擇和施工現(xiàn)場(chǎng)控制要求。

重力式U形橋臺(tái)適合于持力層埋深小于5 m的情況，對(duì)于多孔橋梁，當(dāng)持力層埋深大于5 m時(shí)，宜采用埋置式輕型橋臺(tái)。

在陡斜邊坡上不宜設(shè)置輕型橋臺(tái)，可采用重力式橋臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)地形、地質(zhì)將重力式橋臺(tái)做成臺(tái)階狀，節(jié)省臺(tái)身材料、減輕基底壓應(yīng)力。除特殊需要外應(yīng)盡量避免采用重力式橋臺(tái)接群樁基礎(chǔ)。

位于陡斜邊坡上的橋臺(tái)，應(yīng)注意避免橋臺(tái)高度過(guò)大，否則應(yīng)加大橋梁長(zhǎng)度或調(diào)整橋梁起終點(diǎn)樁號(hào)，使橋臺(tái)進(jìn)入挖方段2～3 m;當(dāng)橋臺(tái)位于挖方段，同時(shí)橋臺(tái)處巖層較好時(shí)，可采用板凳式橋臺(tái)。

3.2 樁基類型及長(zhǎng)度的確定

工程中常用的基礎(chǔ)類型包括擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)橋位處的地形、地質(zhì)條件并結(jié)合經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的要求綜合考慮選擇基礎(chǔ)類型。

因擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土方量通常較大，為保證持力層承載力滿足要求，持力層通常采用巖層，同時(shí)其基礎(chǔ)埋深也要滿足河流沖刷等要求。當(dāng)持力層巖層為新鮮基巖時(shí)，擴(kuò)大基礎(chǔ)邊緣到邊坡巖面的最小距離a應(yīng)滿足下列要求（圖4）。

（1）當(dāng)巖層為軟質(zhì)巖時(shí)，a值應(yīng)大于2～3.5 m;當(dāng)巖層為硬質(zhì)巖時(shí)，a值應(yīng)大于1～2 m。a值大小隨巖層節(jié)理發(fā)育程度及走向、巖石飽和單軸抗壓極限強(qiáng)度而定。

（2）基礎(chǔ)底面不宜置于巖石層節(jié)理傾向與山坡向一致的山坡上，不滿足要求時(shí)宜采用樁基礎(chǔ)。

（3）不應(yīng)在不穩(wěn)定的邊坡上設(shè)置擴(kuò)大基礎(chǔ)，不滿足要求時(shí)應(yīng)綜合考慮邊坡處治和橋梁設(shè)計(jì)方案，并提高設(shè)計(jì)安全度。

按樁基礎(chǔ)的受力可以分為摩擦樁和嵌巖樁，根據(jù)樁位處地質(zhì)條件的不同可按以下分類分別采用不同的樁基類型及長(zhǎng)度。

3.2.1 深厚覆蓋層條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)

四川山區(qū)公路橋梁工程場(chǎng)地深厚覆蓋層主要包括粉質(zhì)粘土、塊石土、角礫土、卵石土、碎石土等;當(dāng)覆蓋層厚度不大于30 m且下伏較完整中風(fēng)化及以上基巖時(shí)，宜按嵌巖樁設(shè)計(jì)，當(dāng)持力層為軟質(zhì)巖時(shí)有效嵌巖深度宜為3d～5d，當(dāng)持力層為硬質(zhì)巖時(shí)有效嵌巖深度宜為1.5d～3d;當(dāng)30 m<覆蓋層厚度≤40 m且下伏較完整中風(fēng)化及以上基巖時(shí)，應(yīng)分別按摩擦樁和嵌巖樁進(jìn)行計(jì)算，并取樁長(zhǎng)較小者，當(dāng)兩者樁長(zhǎng)相差較小時(shí)，為減小沉降，宜采用嵌巖樁;當(dāng)覆蓋層厚度大于40 m時(shí)，宜按摩擦樁設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)富裕度應(yīng)取10 %和3 m富裕長(zhǎng)度中的較大者。

3.2.2 斷層破碎帶條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)

當(dāng)斷層破碎帶很深、寬度很大且樁基持力層位于破碎帶時(shí)，若持力層巖層抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)滿足要求且強(qiáng)度較大時(shí)，可采用嵌巖樁，若抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)不滿足要求且強(qiáng)度較低時(shí)，應(yīng)采用摩擦樁。當(dāng)斷層破碎帶很深但寬度較小且樁基持力層位于破碎帶之上或破碎帶很淺且樁基持力層穿過(guò)破碎帶時(shí)，宜按嵌巖樁設(shè)計(jì)。樁長(zhǎng)在滿足承載力要求的情況下，樁底距斷層破碎帶的豎向距離宜大于3d或5 m，樁底距斷層破碎帶水平距離應(yīng)取2.5d和3 m兩者的較大值。

3.2.3 斜坡條件下橋梁樁基設(shè)計(jì)

位于斜坡場(chǎng)地的樁基，不得支撐于滑動(dòng)的邊坡上，設(shè)計(jì)時(shí)必須驗(yàn)算樁基的豎向承載力、最不利荷載效應(yīng)組合下樁基的整體穩(wěn)定性和水平承載力，同時(shí)同一墩臺(tái)下的樁長(zhǎng)相差不宜過(guò)大，宜控制在1/5樁長(zhǎng)及5 m以內(nèi)，并應(yīng)合理控制開(kāi)挖量、不宜大填大挖，整體上應(yīng)保證填挖平衡、保護(hù)環(huán)境。在土質(zhì)邊坡地段樁周巖土作用起算點(diǎn)距斜坡臨空面的距離不宜小于5d，且不小于8 m;在巖石邊坡地段中風(fēng)化硬質(zhì)巖宜不小于3 m，中風(fēng)化軟質(zhì)巖宜不小于3d且不小于5 m（圖5、圖6）。

對(duì)于嵌巖樁，樁基嵌入中風(fēng)化基巖的有效深度應(yīng)按下列要求取值：泥巖、頁(yè)巖等軟質(zhì)巖按5d取值（同時(shí)采用摩擦樁復(fù)核計(jì)算）;石英閃長(zhǎng)巖、砂巖、灰?guī)r等硬質(zhì)巖按3d取值。

4 結(jié)束語(yǔ)

山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒌刭|(zhì)、水文、經(jīng)濟(jì)、路線線性等因素綜合考慮，把握山區(qū)小半徑橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過(guò)方案比選選擇最優(yōu)的橋梁方案及結(jié)構(gòu)形式，并不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以達(dá)到更優(yōu)的設(shè)計(jì)效果，保證橋梁設(shè)計(jì)的質(zhì)量、安全和經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁培， 王飛杰. 淺談山區(qū)高速公路彎橋設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水運(yùn)， 2018， 18（5）：195-196.

[2] 吳建民. 淺談山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)[J].新材料新裝飾， 2014， 1（9）：559-559.

[3] 楊清寶. 山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)問(wèn)題探討[J].山西建筑， 2018， 44（20）：172-173.

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