山區(qū)高速公路橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

陳志達(dá)

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000)

1 山區(qū)高速公路特點(diǎn)

在山區(qū)建設(shè)高速公路時(shí)會(huì)存在地形復(fù)雜、地質(zhì)結(jié)構(gòu)多變的問(wèn)題。就地形方面來(lái)說(shuō)，山區(qū)地面高差大、橫坡陡，且地面形態(tài)變化頻繁，而在地質(zhì)上，山區(qū)地面結(jié)構(gòu)多存在滑坡、斜坡、陡崖、煤氣地層等地質(zhì)。在這些因素的作用下，布設(shè)施工路線時(shí)會(huì)受到平縱橫三方面約束。具體表現(xiàn)在平面線多、縱坡大、平面半徑大、陡坡陡、高擋墻多等方面。山區(qū)高速公路橋梁在建設(shè)時(shí)也會(huì)受到上述因素影響，存在彎坡橋多、墩臺(tái)形式多等問(wèn)題，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，必須將橋梁各部分結(jié)構(gòu)與山區(qū)地質(zhì)、地形關(guān)系進(jìn)行有效協(xié)調(diào)[1]。

2 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橋墩

針對(duì)橋梁下部的橋墩設(shè)計(jì)，如果高度在40 m以內(nèi)，通常將其設(shè)計(jì)為柱式墩，Y型薄壁墩，而前者最常應(yīng)用。柱式墩有圓柱與方柱兩種形式，按照?qǐng)A柱施工比較容易控制外觀質(zhì)量，并且在銜接樁基時(shí)也相對(duì)方便，多用于平原地區(qū)，不過(guò)方柱棱角分明，更具有美觀性，與上梁結(jié)構(gòu)更協(xié)調(diào)，直觀來(lái)看方柱美學(xué)價(jià)值高。而從受力方面考慮，方柱與圓柱處于橫截面相等條件下，方柱抗彎能力更強(qiáng)，相比圓柱能承受更多的力，當(dāng)體系為連續(xù)剛構(gòu)時(shí)，方柱的柱墩剛度只需要通過(guò)對(duì)兩方向尺寸進(jìn)行調(diào)整就可以控制，從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。而圓柱各方向都具有相同性質(zhì)，調(diào)整效果與方柱相比不夠明顯。但方柱的墩柱需要通過(guò)樁帽才能連接到樁基，進(jìn)而導(dǎo)致工程數(shù)量增加，同時(shí)由于山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡，如果柱帽結(jié)構(gòu)增加就會(huì)導(dǎo)致挖方工程量增加，引起邊坡不穩(wěn)問(wèn)題。因此選擇圓柱和方柱時(shí)，需要根據(jù)山區(qū)地形、上橋梁結(jié)構(gòu)、墩高來(lái)具體分析。

Y型墩薄壁這種墩型作用于獨(dú)柱雙支座上，具有較好的美觀性，不過(guò)具體施工較復(fù)雜。如果墩高較矮，將無(wú)法保證施工美觀性，因此采用較少。如果墩高較高，施工Y型薄壁墩只需要一套模板、搭一個(gè)支架。如果山區(qū)橋梁建設(shè)設(shè)計(jì)地面橫坡陡、搭支架困難、木板需求量大的問(wèn)題，選用Y型薄壁墩優(yōu)勢(shì)較為明顯。而從預(yù)算方面來(lái)看，Y型薄壁墩相比柱式墩更有性價(jià)比。另外選用雙柱墩時(shí)，由于山區(qū)地面橫坡陡，兩個(gè)墩柱會(huì)存在較大的高度差，由于線剛度WI/L差距大，導(dǎo)致一個(gè)墩兩個(gè)墩柱受力差異較大，而選擇Y型薄壁墩，能夠有效優(yōu)化這個(gè)問(wèn)題。

2.2 高墩

通常設(shè)計(jì)矮橋墩時(shí)主要考慮強(qiáng)度指數(shù)，如果橋墩高度較高，需要注重穩(wěn)定性問(wèn)題。而相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范針對(duì)偏心受壓柱的內(nèi)容有指出，當(dāng)10/h>30時(shí)，構(gòu)建已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。其中10代表受壓柱長(zhǎng)度的有效范圍，墩高變化在0.5～2倍范圍中，具體多少取值，主要取決于施工狀態(tài)、上構(gòu)重量、上構(gòu)與墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度。如果墩厚度在2 m以上，實(shí)心矩形截面將降低經(jīng)濟(jì)性，可以說(shuō)，墩柱如處于材料破壞情況下，可以選擇實(shí)心矩形截面，同時(shí)高度最好不超過(guò)50 m，如果超過(guò)50 m，應(yīng)選擇空心薄壁墩截面。空心薄壁墩在應(yīng)用中，如果涉及墩高在65 m左右范圍，順橋向應(yīng)考慮放坡[2]。

2.3 橋墩與路幅的關(guān)系

山區(qū)高速公路建設(shè)路基主要有整體式與分離式兩種形式，現(xiàn)階段選線環(huán)節(jié)注重于縮小占地面積、環(huán)保、協(xié)調(diào)景觀的理念，因此分離式路基通常只會(huì)設(shè)置在中長(zhǎng)隧道等情況下，建設(shè)單位更頻繁使用整體式路基。針對(duì)整體式路基雙幅橋下部結(jié)構(gòu)，通常采用分幅單獨(dú)形式來(lái)設(shè)計(jì)，即雙幅四柱。而像是高墩長(zhǎng)橋這種類型，為減少開挖施工數(shù)量，提高邊坡穩(wěn)定性，減輕材料消耗以及工程造價(jià)，選擇整體式下構(gòu)即雙幅兩柱這種施工形式，具有一定的經(jīng)濟(jì)性。相比雙幅四柱，如果存在相同的橋墩截面積以及橫向?qū)挾?，整體式下構(gòu)相比分幅下構(gòu)，在橫向、縱向剛度方面具備更大優(yōu)勢(shì)，不光可以減少開挖、節(jié)約材料，還能時(shí)墩頂變位減少。

2.4 橋臺(tái)

山區(qū)高速公路橋梁通常會(huì)使用重力式U型臺(tái)、樁柱式臺(tái)、肋板臺(tái)來(lái)建設(shè)橋臺(tái)結(jié)構(gòu)，而重力式U型臺(tái)應(yīng)用最為廣泛。相關(guān)規(guī)定說(shuō)明，如果填土在4～10 m范圍內(nèi)，可選擇U型臺(tái)，因此最好以10 m范圍來(lái)控制U臺(tái)高度。山區(qū)橋梁U臺(tái)的橫向、縱向橫坡陡，因此臺(tái)階設(shè)置要結(jié)合山區(qū)地形實(shí)際來(lái)考慮，以此減少開挖量，節(jié)約圬工方量。樁柱式橋臺(tái)的抗推剛度小，當(dāng)聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng)，臺(tái)后填土如果高度較高時(shí)施工價(jià)值偏低。通常以5 m以下范圍來(lái)控制臺(tái)后填土高度，聯(lián)長(zhǎng)高度則在150 m以內(nèi)。埋置式肋板臺(tái)則適用范圍較廣，但高度也存在限制，不宜超過(guò)12 m[3]。

2.5 基礎(chǔ)

山區(qū)高速公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，常選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)或是樁基礎(chǔ)。如果地質(zhì)情況較好，通常使用擴(kuò)大基礎(chǔ)更多一些，并且分離式擴(kuò)基礎(chǔ)方式更有效果，因?yàn)榉蛛x式擴(kuò)基礎(chǔ)在橫坡地形、承載力方面都能夠較好的適應(yīng)。針對(duì)斜坡所采用的擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮基礎(chǔ)擴(kuò)散角和覆蓋層厚度以及施工時(shí)的相互影響。

3 山區(qū)特殊橋墩的處理

3.1 整體式隱式蓋梁簡(jiǎn)支橋墩

如圖1，由于此橋跨設(shè)計(jì)的斜交角度過(guò)大以及道路凈空限制，因此錯(cuò)孔、大跨徑橋梁跨越方式無(wú)法在主線使用，設(shè)計(jì)時(shí)可采用將橋墩蓋梁與箱梁中橫梁相結(jié)合的方式，即隱式蓋梁。此種設(shè)計(jì)方案在應(yīng)用后，不會(huì)對(duì)道路的行車凈空進(jìn)行侵占，并且達(dá)成跨越國(guó)道的目的[4]。

圖1 整體式隱式蓋梁簡(jiǎn)支橋墩示意圖

3.2 獨(dú)柱式橋墩

如果山區(qū)高速公路橋梁建設(shè)設(shè)計(jì)河流流速快、瞬時(shí)水流沖擊力大等問(wèn)題，可以使用獨(dú)柱式橋墩設(shè)計(jì)方案，以此縮減橋墩的阻水面積，將水流沖擊力降低。為保證山區(qū)橋梁上部結(jié)構(gòu)步跨的合理性，避讓被交車道，減少開挖、提高邊坡穩(wěn)定性，采用整體式下部結(jié)構(gòu)方案施工具有很好的效益。

圖2 獨(dú)柱式橋墩示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)山區(qū)高速公路橋梁工程建設(shè)，需要保證前期的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而橋梁下部結(jié)構(gòu)在具體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素很多，需要結(jié)合具體施工情況來(lái)進(jìn)行合理的選擇，主要從橋墩、路幅、橋臺(tái)、基礎(chǔ)等方面進(jìn)行考慮，并列舉了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式，由于山區(qū)施工的復(fù)雜性以及嚴(yán)格質(zhì)量要求，具體設(shè)計(jì)時(shí)需要嚴(yán)格根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行。