山區(qū)公路橋梁的設(shè)計要點及方案比選分析

杜廣偉

（貴州省交通科學研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展，我國經(jīng)濟發(fā)展逐步向貧困山區(qū)拓展。因山區(qū)水文、地質(zhì)條件復雜，地形復雜多變，橋梁工程在整個工程項目中的占比較大，橋梁工程設(shè)計的科學性直接決定交通通行質(zhì)量和安全程度，并對工程建設(shè)的造價有著決定性影響。所以橋梁的設(shè)計是整個交通工程設(shè)計的重中之重。本文結(jié)合某二級公路的實際案例，全方位分析和探究了山區(qū)二級公路橋梁工程設(shè)計的基本原則和重點環(huán)節(jié)，并根據(jù)工程項目現(xiàn)場實際地理條件，綜合分析各橋梁結(jié)構(gòu)形式、適用環(huán)境及投資費用等各方面因素，最終制定科學有效的山區(qū)橋梁建設(shè)方案，以期能有效促進我國路橋事業(yè)的進步與發(fā)展。

1 工程概況

某公路為雙向四車道，設(shè)計速度為80km/h，路基寬25.5m，設(shè)計總長約93.6km。工程建設(shè)區(qū)域位于山嶺重丘區(qū)，地形復雜、山勢險峻，存在多處跨越山谷的橋梁工程，物資運輸困難，是極具代表性的山區(qū)公路，其橋梁設(shè)計結(jié)構(gòu)方案需重點考慮山區(qū)項目的特質(zhì)。

2 項目特點

2.1 地形條件復雜

該公路工程全部處于山區(qū)，地勢崎嶇不平，坡陡崖深，溝壑縱橫，施工區(qū)域高差最大位置約1 100m。橋梁、隧道在整個工程項目中占比超過70%。

2.2 地質(zhì)條件復雜

工程建設(shè)區(qū)域大部分為不良地質(zhì)條件發(fā)育區(qū)，是典型的地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場實際地址勘察，全段經(jīng)常出現(xiàn)坍塌，存在巖溶及危巖等不良地質(zhì)；主要巖層分布為寒武系、奧陶系以及三疊系灰?guī)r等碳酸質(zhì)巖石，質(zhì)地堅硬，并距離構(gòu)造斷裂帶較近，巖石整體性較差，發(fā)育情況為裂隙發(fā)育。所以在進行橋梁設(shè)計時要全面結(jié)合現(xiàn)場不良地質(zhì)條件的影響，采取必要的技術(shù)措施保證邊坡穩(wěn)定性及橋梁墩臺基礎(chǔ)的安全性。

2.3 復雜的氣候環(huán)境

工程建設(shè)區(qū)域氣候垂直性變化強烈，周圍小氣候復雜多變，地形每升高100m，溫度下降約0.6℃。進入冬季海拔高度超過1km 會存在積雪現(xiàn)象，海拔高度超過1.2km 易產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象。由于施工區(qū)域地勢高、山勢險、山坡陡峭、積雪覆蓋，使得工程施工難度加大，安全問題極為突出。

2.4 環(huán)境保護及景觀要求突出

工程全線內(nèi)生態(tài)資源多樣，自然風景區(qū)及保護區(qū)分布較廣。所以，要結(jié)合現(xiàn)場具體情況對橋梁設(shè)計方案實施全面優(yōu)化，并根據(jù)局部位置對設(shè)計進行細化，從而設(shè)計出合理的工程建設(shè)方案，盡可能降低對生態(tài)保護區(qū)的干擾和破壞；此外，還要注意對橋梁造型及景觀的設(shè)計，使建成后的橋梁盡可能與周圍自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，真正實現(xiàn)工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的統(tǒng)一發(fā)展。

2.5 橋梁項目形式較復雜

本工程橋梁設(shè)計時必須要對主橋、引橋、接線及建成后運營安全進行全面考慮，涉及項目形式及影響因素復雜多樣，是一項較為繁瑣的系統(tǒng)性工程。所以在對該工程進行設(shè)計時，必須綜合技術(shù)和管理運營等不同層面全方位進行考慮。

3 大跨徑橋梁方案比選

本項目中的柴埠溪大橋主要為路線跨越漁洋關(guān)大鯢省級自然保護小區(qū)而專門建設(shè)，保護小區(qū)長度為310m。根據(jù)環(huán)保審批的相關(guān)指示，在此范圍內(nèi)嚴禁布置橋墩。結(jié)合現(xiàn)場實際地理特征和相關(guān)指示，該橋梁應(yīng)采用大跨度橋梁。根據(jù)大跨度橋梁方案，建議采用的橋型包括斜拉橋、懸索橋及拱橋三種形式。

3.1 斜拉橋方案

斜拉橋方案應(yīng)用主跨為480m 雙塔雙索面斜拉橋（見圖1）。該橋梁形式具有較強的跨越性能，總體造型巍峨聳立，能夠帶來強烈的視覺沖擊感，最大程度地實現(xiàn)橋梁與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。結(jié)合本工程實際情況，其橋跨布置為（68+144+480+144+68）m 鋼混組合梁斜拉橋，半漂浮結(jié)構(gòu)體系。和索塔下部橫梁位置安裝具有限位功能的縱向豁滯阻尼器。

圖1 主跨480m斜拉橋方案示意圖

針對主跨不超過800m的大跨度橋梁，該結(jié)構(gòu)形式和懸索橋相比，抵抗風荷載的能力較強，穩(wěn)定性更高，其經(jīng)濟效果更好，是該跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式的主要代表。

3.2 懸索橋方案

懸索橋主要是應(yīng)用于超大跨度的橋梁結(jié)構(gòu)形式，其主跨大多超過800m。其具有線形美觀、自重輕、跨度大等優(yōu)點。這一方案在設(shè)計時，要重點考慮主塔和錨固位置，主塔必須要與陡坡保持適當?shù)陌踩嚯x。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，該工程需采用跨度為660m鋼板梁方案，矢跨比為1/9.8（見圖2）。起點和終點錨旋均應(yīng)用重力式錨旋。

圖2 主跨660m懸索橋方案示意圖

660m 跨度并非懸索橋的經(jīng)濟跨度，成本較高，且施工錨旋花費工期較長，此外，施工錨碇基坑會破壞周邊環(huán)境，不適用于環(huán)保條件要求較高的工程。

3.3 拱橋方案

該工程因受地理及漁洋關(guān)西互通布置等情況限制，位置布設(shè)較高，通過分析決定，如果選擇拱橋方案，可采用主跨為380m 的上承式拱橋，其矢跨比為1/4.5（見圖3）。拱圈上部最高立柱約81m，現(xiàn)階段我國已建成的拱橋，拱圈上部最高立柱78m。

圖3 主跨380m拱橋方案示意圖

拱圈上部立柱和拱肋位置受力狀況及立柱穩(wěn)定性不易控制，施工難度較大、工期較長、成本較高。

3.4 方案綜合比選

結(jié)合工程實際，全面考慮造價、工期、環(huán)保、景觀以及質(zhì)量控制等因素后，建議該橋選用斜拉橋方案。

4 橋梁上部結(jié)構(gòu)形式

通常情況下，大中型橋梁在設(shè)計時上部結(jié)構(gòu)形式主要采用空心板、組合箱梁以及裝配式T 梁三種形式。結(jié)合前期大量設(shè)計及施工案例，預應(yīng)力混凝土裝配式空心板在施工和運營過程中通常會產(chǎn)生接縫和底板開裂等質(zhì)量缺陷，因此本工程不建議采用此種結(jié)構(gòu)，僅針對裝配式組合箱梁及T 梁兩種形式展開比選。

4.1 技術(shù)經(jīng)濟比較

選擇路基寬度為26m，標準跨度為20～40m 組合箱梁及T 梁上部結(jié)構(gòu)實施技術(shù)及經(jīng)濟效果比較，具體情況如圖4～圖6所示。

圖4 梁高對比圖

圖5 梁的質(zhì)量對比圖

圖6 估算對比圖

通過上述比較能夠看出，小箱梁在跨徑為20m 和25m 時具有較好的經(jīng)濟價值。當跨徑逐漸增加時，其造價逐漸趨于T 梁造價。當跨度為30m、40m 時，二者經(jīng)濟效果接近。

4.2 受力分析比較

組合箱梁和T 梁對比：單片組合箱梁具有較強的穩(wěn)定性能，其抗扭彎矩為1.19～2.37kn.m，高于單片T 梁。單幅單孔組合箱梁其整體抗扭彎矩比T 梁高，約為1.08～1.19kn.m，而單幅單孔T 梁的彎矩明顯高于組合箱梁，約1.19～1.33kn.m。

4.3 景觀性比較

組合箱梁只在橋墩頂部安裝隔板，具有良好的視覺效果。T 梁因尺寸較大、跨中位置通過橫隔板實現(xiàn)與各主梁的連接，視覺效果略遜于組合箱梁。但T 量具有較強的抗彎性能，在實際應(yīng)用時，抗彎性能相比視覺效果更加重要。

4.4 施工控制及后期養(yǎng)護比較

就施工方式而言，預制箱梁具有可行性高、穩(wěn)定性強等優(yōu)勢，且梁數(shù)量和T 梁相比要少很多。預制T梁單片重量和跨度相同的箱梁相比要輕約18%～23%，跨度超過40m 的預制T 梁同跨度預制箱梁相比其施工吊裝重量明顯較輕，施工較為便捷。

從質(zhì)量把控方面來看，預制組合箱梁內(nèi)部為中空內(nèi)腔，對施工技術(shù)要求較為嚴苛；而預制T 梁在實際施工時，其質(zhì)量更容易把控。

從使用階段維護情況來看，二者在后期維護方面均無需投入太多費用，但由于T 梁屬于密實構(gòu)造，其質(zhì)量缺陷更容易顯露，方便檢查和維護。

結(jié)合前期該地區(qū)類似橋梁工程設(shè)計及施工案例，并根據(jù)綜合比選結(jié)果，建議本工程橋梁采用T 梁設(shè)計方案。

4.5 橋梁墩高與跨徑的比選

根據(jù)山區(qū)實際地形特征，高橋墩已成為橋梁設(shè)計的必選方案，在確定橋梁跨度時要嚴格結(jié)合橋梁特征合理設(shè)置高跨比，確保在力學性能滿足規(guī)范要求的前提下，盡可能使造價降至最低。

當橋墩高度不超過30m 時，下部結(jié)構(gòu)占比相對較小，這種情況下應(yīng)用30m 跨度上部結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性較好；而隨著橋墩高度的逐漸增大，下部結(jié)構(gòu)占比越來越大。當橋墩高度增加至35m 時，跨度為30m 和跨度為40m 的橋梁工程造價大體相同。當橋墩高度處于二者之間時，更傾向于采用跨度為40m 的T 梁；而當橋墩高度超過40m時，應(yīng)采用40m跨度T梁設(shè)計。

5 橋梁下部結(jié)構(gòu)形式選擇

本工程涉及的橋梁大部分橋墩高度較大，在結(jié)構(gòu)受力方面的考慮因素主要為抗壓和抗彎性能，所以，在進行橋墩設(shè)計時，除考慮強度達到標準要求外，還要全面考慮橋梁在施工及使用階段的整體穩(wěn)定性及安全性，以有效保證施工及使用階段不會發(fā)生橋墩失穩(wěn)狀況。目前，常用的橋墩結(jié)構(gòu)形式主要包括雙柱墩、實體墩以及空心薄壁墩等。實際應(yīng)用情況如表1所示。

表1 橋墩形式選取表

當橋墩高度超過25m 或縱向坡比高于3%時，應(yīng)采用橋墩和上部結(jié)構(gòu)固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。橋臺設(shè)計要根據(jù)現(xiàn)場實際地形特征，通常狀況下，普遍應(yīng)用樁柱式臺、肋板臺、U 臺以及板凳臺等幾種形式。在山區(qū)橋梁設(shè)計時，其橋臺要盡可能設(shè)置在挖方部位。

6 結(jié)語

山區(qū)二級公路橋梁設(shè)計在確保使用功能及安全的基礎(chǔ)上，要盡可能控制建設(shè)規(guī)模，降低投資成本；嚴格遵循技術(shù)先進、安全舒適、經(jīng)久耐用、經(jīng)濟合理、美觀協(xié)調(diào)、節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念。貫徹可接近、可監(jiān)測、可維護、可替換的控制思路，以有效降低使用階段維修、養(yǎng)護的工作難度，減少維護成本。此外，制定科學有效的設(shè)計方案，并對細部設(shè)計不斷優(yōu)化，能夠有效降低工程對環(huán)境的影響，實現(xiàn)工程建設(shè)與環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展。