山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計關(guān)鍵問題分析

劉容，劉瑞

（中榕規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410000）

1 山區(qū)橋梁特性

公路建設(shè)存在的主要問題往往來自地質(zhì)和水文的影響。當(dāng)?shù)匦螚l件變化較大、地質(zhì)條件存在巖溶、軟基等不良地質(zhì)時，會給橋梁設(shè)計造成較大困難。橋梁選位處水系發(fā)達，水流沖刷較大時，同樣會造成橋梁布設(shè)困難[1]。因此路線布設(shè)時常出現(xiàn)平曲線較多、半徑較小、縱坡較大情況。加之山區(qū)地形多變，常出現(xiàn)陡坡或半填半挖路段，該段進行橋梁布設(shè)時會出現(xiàn)半路半橋或多擋墻的情況。另外，由于山區(qū)地形的限制，橋梁常出現(xiàn)高墩大跨徑的橋型，增加設(shè)計難度。

2 設(shè)計原則

橋梁設(shè)計時主要應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性以及經(jīng)濟性。同時還應(yīng)對地形條件和橋梁的高跨比進行分析。

山區(qū)橋梁在設(shè)計時會應(yīng)用到大多數(shù)橋型。橋梁的安全性應(yīng)通過結(jié)構(gòu)計算和合理構(gòu)造進行處理。在對橋梁進行計算時不僅要考慮恒載、活載、地震力的影響，還應(yīng)考慮風(fēng)荷載、水力以及雪荷載等的影響。當(dāng)?shù)匦问芟迺r，橋梁常布設(shè)成高墩大跨形式，因此應(yīng)對下部結(jié)構(gòu)的剛度分配、穩(wěn)定性等進行分析[2]。

山區(qū)橋梁的構(gòu)造物較多，橋梁選型的合理性對橋梁造價影響較大。因此在對橋梁進行設(shè)計時，不僅考慮技術(shù)方面的可行性，還應(yīng)分析各種方案的經(jīng)濟指標(biāo)。

2.1 地質(zhì)條件影響

橋梁進行結(jié)構(gòu)選擇以及方案確定時，應(yīng)考慮橋梁所處位置的地形地質(zhì)條件以及地貌特征，根據(jù)這些因素綜合考慮橋梁的布置形式、橋墩橋臺的位置、跨徑尺寸。設(shè)計時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)過大山體開挖，防止山體發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致橋梁的安全性受到威脅。橋梁在進行設(shè)計時，布局方式應(yīng)與公路路線的走向相順應(yīng)，橋梁作為路線的控制點，應(yīng)考慮路線的影響因素[3]。與此同時，路線在布設(shè)時也應(yīng)考慮橋梁的影響因素，二者相輔相成，保證方案設(shè)計時路線與橋梁相匹配。

2.2 高跨比協(xié)調(diào)

進行山區(qū)中小跨徑橋梁設(shè)計時，高跨比主要影響橋梁的經(jīng)濟性和美觀程度，因此高跨比應(yīng)與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，選擇合理高跨比使橋梁與環(huán)境相適應(yīng)，達到橋梁的美觀效果和經(jīng)濟性[4]。

2.3 合理選擇結(jié)構(gòu)形式

進行中小跨徑橋梁設(shè)計時多采用裝配式結(jié)構(gòu)，因此橋梁應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化較高的結(jié)構(gòu)形式，通過該形式可進行質(zhì)量、進度控制。結(jié)構(gòu)形式確定時最大程度減少斜交橋梁的使用，特殊地形的橋梁可通過加大跨徑、調(diào)整水溝的方式進行解決[5]。

3 橋梁設(shè)計要點

3.1 上部結(jié)構(gòu)

山區(qū)公路建設(shè)過程中，橋隧比較大，但橋梁還是以常見跨徑為主。我國橋梁設(shè)計中，大、中、小橋常采用的標(biāo)準(zhǔn)跨徑及結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

表1 橋梁常用標(biāo)準(zhǔn)跨徑及結(jié)構(gòu)形式

當(dāng)橋梁跨徑小于20m時，常采用結(jié)構(gòu)形式有：空心板、預(yù)制矮T 梁；當(dāng)橋梁跨徑25～50m 時，常采用結(jié)構(gòu)形式有：T梁、小箱梁。

根據(jù)國內(nèi)高速公路空心板橋梁的運營養(yǎng)護統(tǒng)計，空心板橋梁病害較多，鉸縫施工質(zhì)量差，易造成單塊板受力，導(dǎo)致空心板板底出現(xiàn)裂縫較多；當(dāng)跨徑小于20m 時，橋梁多采用矮T 梁形式。為保證橋梁的受力特性，橋梁跨徑為40m 或50m 時，應(yīng)采用T 梁截面。小箱梁主要優(yōu)點為造價低、施工簡便，當(dāng)跨徑為25～35m時，常采用小箱梁結(jié)構(gòu)形式。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

當(dāng)橋墩小于40m時，多采用柱式墩、薄壁墩。柱式墩按形狀可分為圓柱和方柱。圓柱主要優(yōu)點為：施工時，外觀質(zhì)量控制較為容易，與樁基連接較好。方柱主要優(yōu)點為：棱角分明，能與梁體保持協(xié)調(diào)，具有視線誘導(dǎo)性。方柱的抗彎剛度較大，能夠起到調(diào)整墩柱受力作用。

高墩設(shè)計時的要點有：矮橋墩常通過強度進行控制。當(dāng)橋墩較高時，應(yīng)對橋墩的穩(wěn)定性進行重點分析?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362－2018）規(guī)定，對于偏心受壓柱，L0/h>30 時，構(gòu)件發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此表明構(gòu)件長細比越大，高墩剛度越小，柔度越大。因此對高墩連續(xù)梁橋進行設(shè)計時，應(yīng)對高墩柔性重點考慮。

山區(qū)橋梁設(shè)計時，橋臺常采用形式為：重力式U型臺、肋式臺、柱式臺?！抖张_與基礎(chǔ)》中表明：U 臺填土范圍是4～10m，因此U臺高度應(yīng)小于10m，U臺進行設(shè)計時，應(yīng)進行合理分配臺階。樁柱式橋臺主要特點為：抗推剛度小。臺后填土高度應(yīng)小于5m，聯(lián)長宜小于150m。埋置式肋式臺宜小于12m[6]。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計

山區(qū)橋梁常采用基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)、擴大基礎(chǔ)。淺表土地質(zhì)條件穩(wěn)定、承載力較高時，可采用擴大基礎(chǔ)；根據(jù)覆蓋土層厚度合理選擇樁基類型。當(dāng)覆蓋層厚度較薄時，可采用端承樁，覆蓋土層厚度較厚時，常采用摩擦樁。橋梁基礎(chǔ)設(shè)計時，由于地形和地質(zhì)條件的多變性和復(fù)雜性，會增加橋梁樁基設(shè)計的難度。尤其是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件中存在斷層、巖溶以及軟弱夾層等。

4 橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

4.1 預(yù)應(yīng)力橋梁配束原則

預(yù)應(yīng)力橋梁配束原則如下：

（1）對于預(yù)應(yīng)力鋼束型式和錨具型式應(yīng)進行合理選擇。當(dāng)橋梁跨徑結(jié)構(gòu)不同時，為保證布置形式的合理性，應(yīng)對鋼束的預(yù)應(yīng)力進行控制。預(yù)應(yīng)力鋼束和預(yù)加力較小時，大跨徑應(yīng)布置較多預(yù)應(yīng)力鋼筋，但結(jié)構(gòu)尺寸有限，該情況下，需要增大橋梁截面。

（2）布置預(yù)應(yīng)力鋼束時，應(yīng)對施工難易程度進行考慮，錨具布置個數(shù)不應(yīng)過多。

（3）布置預(yù)應(yīng)力鋼束時，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力要求，還應(yīng)避免產(chǎn)生較大的次應(yīng)力。

（4）布置預(yù)應(yīng)力鋼束時，應(yīng)對使用材料的經(jīng)濟性進行考慮，同時應(yīng)保證梁橋體系，構(gòu)造尺寸的合理性。

（5）布置預(yù)應(yīng)力鋼束時，多次反向曲率的連續(xù)束不宜多用，否則摩阻損失較大，使預(yù)應(yīng)力束筋效應(yīng)降低。

4.2 應(yīng)力均勻度系數(shù)的確定

針對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中應(yīng)力取值是否合理的問題，本文提出了應(yīng)力均勻度系數(shù)的概念。通過該系數(shù)判斷預(yù)應(yīng)力設(shè)計的合理性。

C50混凝土預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁應(yīng)力合理取值為-1.855MPa～16.2MPa。對于坐標(biāo)軸中的中間值計算為9.1MPa。本文設(shè)定：外力作用下，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)截面最小值為σmin，最大值為σmax。應(yīng)力均勻度系數(shù)通過ξ 表示，當(dāng)滿足-2MPa<σmin<σmax<16.2MPa條件時，ξ=9.1-σmin|+|σmax-9.1|，當(dāng)應(yīng)力最大值和最小值不滿足要求時，表明預(yù)應(yīng)力鋼筋的配束存在錯誤，應(yīng)對鋼束進行重新調(diào)配。ξ 取值區(qū)間為[0,16.2]。在該區(qū)間內(nèi)，ξ越小時表明配筋越合理。

5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1 橋墩設(shè)計

橋墩在進行設(shè)計時主要考慮的因素有：主梁的結(jié)構(gòu)形式和橋墩高度以及地形條件等，通過設(shè)計經(jīng)驗可知，橋墩主要采用的形式有：圓柱形和方柱形以及空心墩。圓柱墩的特點是：施工便捷、施工質(zhì)量可控，橋墩的受力狀況可通過橋墩截面尺寸大小進行控制。橋墩的剛度可以通過增加系梁等方式進行調(diào)整或增強。圓柱墩是橋梁設(shè)計時最常采用的墩柱形式。當(dāng)墩高不小于15m情況下，應(yīng)設(shè)置柱間系梁，其間距可控制在12～15m。當(dāng)墩高小于7m時，系梁可設(shè)可不設(shè)。整體橋梁墩柱的截面尺寸盡可能保持一致，為滿足施工要求，同一座橋截面尺寸的形式最多不應(yīng)大于3種。

5.2 橋臺設(shè)計

橋臺進行設(shè)計時，主要考慮的方面為施工的地質(zhì)條件和地形變化，通過綜合考慮確定合理方案。山區(qū)中小跨徑橋梁最常使用的橋臺有三種，分別是樁柱式橋臺和U形橋臺以及肋板式橋臺。三種橋臺對應(yīng)的適用范圍如表2所示。

表2 橋臺適應(yīng)范圍表

6 山區(qū)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計

山區(qū)橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)重點考慮地質(zhì)條件、地形變化、水文環(huán)境等，通過以上因素的分析確定擴大基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)的合理選用，既保證工程的經(jīng)濟性又確?；A(chǔ)具有較強的穩(wěn)定性和承載力。

6.1 擴大基礎(chǔ)

對于表層地質(zhì)地基承載力較高的情況，可以根據(jù)計算選擇擴大基礎(chǔ)，擴大基礎(chǔ)的基底應(yīng)力應(yīng)略有富余，一般富余5%～10%。

墩臺擴大基礎(chǔ)埋置深度不僅需要滿足非巖石河床橋梁墩臺基底埋深安全值，也需要滿足地基為凍脹土層時，橋涵墩臺基礎(chǔ)基底埋置深度的要求；若墩臺擴大基礎(chǔ)位于縱橫橋向地形較陡峭處時，應(yīng)注意巖層傾向及穩(wěn)定性，還應(yīng)滿足式（1）規(guī)定，圖1為陡坡地基基礎(chǔ)示意。

圖1 陡坡地基基礎(chǔ)示意

式（1）中：H為基礎(chǔ)埋置深度（m）；d為基礎(chǔ)寬度或直徑（m）；β為坡度（°）。

6.2 樁基礎(chǔ)

6.2.1 摩擦樁

對于覆蓋土層較厚、基巖深度較深時，宜采用摩擦樁；摩擦樁應(yīng)滿足式（2）規(guī)定：

式（2）中：R為單樁軸向受壓承載力特征值（kN）；u為樁身周長（m）；Ap為樁端截面面積（m2）；Qik為樁側(cè)的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；qr為修正后的樁端土承載力特征值（kPa）；li為樁長（m）。

摩擦樁在山區(qū)橋梁的工程設(shè)計中需要注意濕陷性黃土、地下水位下降等因素引起的負摩阻力或墩臺位于縱橫橋向地形較陡峭處時，應(yīng)考慮樁基的失效覆蓋層厚度，圖2為摩擦樁失效覆蓋層示意圖。

圖2 摩擦樁失效覆蓋層示意圖，D為樁基直徑（單位：m）

6.2.2 端承樁

對于覆蓋土層較薄、完整基巖或較完整基巖深度較淺時，宜采用端承樁；端承樁應(yīng)滿足式（3）規(guī)定：

式（3）中：C1為端阻力發(fā)揮系數(shù)；frk為樁端巖石飽和單軸抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；C2i為側(cè)阻發(fā)揮系數(shù)；ξs為覆蓋層土的側(cè)阻力發(fā)揮系數(shù)；hi為樁嵌入各巖層部分的厚度（m）。

端承樁在山區(qū)橋梁的工程設(shè)計中，不僅需要關(guān)注熔巖地區(qū)、采空區(qū)樁長的確定，還需對嵌入傾斜的完整和較完整巖的全斷面深度進行研究，宜根據(jù)傾斜度及巖石完整性適當(dāng)加大全斷面嵌巖深度。圖3為端承樁嵌巖深度示意圖。

圖3 端承樁全斷面嵌巖深度示意圖，D為樁基直徑（單位：m）

6.2.3 巖溶區(qū)樁基礎(chǔ)

巖溶區(qū)橋梁的樁基礎(chǔ)，樁底高程應(yīng)設(shè)置在一定厚度的巖溶頂板板上。巖溶頂板厚度不宜小于3倍樁徑。

7 結(jié)論

本文通過對中小跨徑橋梁設(shè)計的問題進行分析得出以下結(jié)論：

（1）橋梁設(shè)計時應(yīng)遵循適應(yīng)地形條件、結(jié)構(gòu)高跨比協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)形式合理的原則。

（2）橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主梁通過采用形式為T梁、小箱梁、空心板；橋梁分聯(lián)設(shè)計時分聯(lián)時應(yīng)根據(jù)橋梁跨徑選擇分聯(lián)長度。

（3）預(yù)應(yīng)力橋梁設(shè)計時，應(yīng)力均勻度系數(shù)在區(qū)間內(nèi)數(shù)值越小，表明配筋合理。

（4）通過分析，山區(qū)橋梁因充分考慮橋位處地形和地質(zhì)，選擇合適的基礎(chǔ)形式。