山區(qū)公路橋梁的設(shè)計要點及方案比選分析

劉澤泉LIU Ze-quan；葉祺YE Qi

（青島市市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，青島 266100）

0 引言

新時期里，國家對基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)行了更多的投入，尤其是交通設(shè)施，呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的良好態(tài)勢，并且逐漸向貧困山區(qū)延展。由于山區(qū)地形、水文、地質(zhì)等條件都極為特殊，增加了建設(shè)難度，特別是橋梁工程，其設(shè)計、建設(shè)等效果直接關(guān)系到交通的質(zhì)量與安全，而且對成本投入產(chǎn)生著最為直接的影響，所以橋梁設(shè)計成為整個設(shè)計工作的重中之重。本文選取二級公路為研究的具體對象，從設(shè)計原則、關(guān)鍵部位及環(huán)節(jié)等為立足點，結(jié)合施工實際，對地質(zhì)、橋梁結(jié)構(gòu)、施工環(huán)境、橋段特點、成本投入等進(jìn)行分析，圍繞科學(xué)性、可行性、經(jīng)濟(jì)性等方面制定合理的方案，希望能夠為我國道路橋梁建設(shè)提供借鑒。

1 工程概況

此次選取公路是雙向四車道，總長93.6km，路基寬度大約為25.5m，理論車速為80km/h。本項目施工區(qū)域地處山區(qū)，地形復(fù)雜，山勢險峻?？缭缴焦鹊臉蛄汗こ潭?，增加了運輸難度。由于其在山路中極具代表性，所以不管是設(shè)計還是結(jié)構(gòu)方案都應(yīng)突出山地工程的特點。

2 項目特點

2.1 地形復(fù)雜

該段公路全境都在山區(qū)，不僅地勢起伏較大，而且坡度相對較深，整個施工段上下高差最大值達(dá)到1100m，其中橋梁、隧道占比達(dá)70%。

2.2 氣候復(fù)雜

整個建設(shè)區(qū)域氣候變化相對強烈，而且周邊小氣候變化也較為明顯，地形高差100m 時，氣溫就會下降0.6 攝氏度。在冬季，海拔超過1km 就會下雪，海拔超過1.2km 就會結(jié)冰。特別是施工段，由于地勢高險，存在積雪，所以施工極為困難，存在著較大的安全隱患。

2.3 地質(zhì)復(fù)雜

整個施工區(qū)域整體地質(zhì)條件都相對較差，屬于災(zāi)害多發(fā)地帶，從施工角度來說，塌方、危巖以及巖溶等地質(zhì)對施工產(chǎn)生直接影響，特別是三疊系、寒武系以及其他碳酸鹽類地質(zhì)，硬度較大，而且大多處于構(gòu)造斷裂帶，完整性能整體較差，對施工極為不利。所以進(jìn)行該段橋梁設(shè)計時，一定要采取必要的技術(shù)措施，以保證邊坡的穩(wěn)定和橋墩的基礎(chǔ)安全。

2.4 景區(qū)以及環(huán)境保護(hù)的要求

由于工程涉及到眾多的景區(qū)以及環(huán)境保護(hù)區(qū)，存在著豐富的生態(tài)資源，所以無論是設(shè)計還是施工都要立足于當(dāng)?shù)靥厥庖?，對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行細(xì)化，從而制定科學(xué)的方案安排施工，這樣才能使生態(tài)得到保護(hù)，同時，橋梁造型還要力求與景觀相匹配，這樣不僅能夠促進(jìn)工程建設(shè)與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)建設(shè)的統(tǒng)一，還能夠提升工程的外觀美感。

2.5 橋梁形式復(fù)雜

設(shè)計階段，除主橋之外，還要兼顧到引橋以及其他部分的運行安全性。它是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到復(fù)雜的工程形式和影響因素。因此，項目設(shè)計要綜合技術(shù)、管理以及運營等具體因素而進(jìn)行。

3 大跨徑橋梁方案比選

柴埠溪大橋在本工程中地位相對特殊，它跨越了漁洋關(guān)大鯢保護(hù)區(qū)（省級），長度大約310m，在環(huán)保審批條文中明確作出指示，該范圍之內(nèi)不得架設(shè)橋墩，根據(jù)施工場地實際以及地理特征，該橋梁要選擇較大的跨度。綜合多種因素，設(shè)計三種方案以供選擇，分別為斜拉橋、懸索橋及拱橋。

3.1 斜拉橋

該方案采用雙塔雙索面，主跨達(dá)到480m，詳情如圖1所示。

圖1 主跨480m 斜拉橋方案示意圖

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，斜拉橋的跨越性能相對較強，造型別致，形成了良好的視覺效果，而且契合于周邊環(huán)境，營造了和諧的整體感。從項目實際來看，在本例中，橋梁跨距布置為（68+144+480+144+68）m 鋼-混凝土組合，表現(xiàn)為半浮式結(jié)構(gòu)。索塔下部，其橫梁部分設(shè)置了縱向滯后阻尼器（限位功能）。根據(jù)實踐經(jīng)驗，大路徑橋梁中，如果主跨不超過800m，斜拉橋比其他結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，能夠抵御更強的風(fēng)荷載，而且相對經(jīng)濟(jì)，所以這一形式得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 懸索橋

在超長跨度橋梁中，懸索橋的應(yīng)用也極為廣泛，特別是主跨達(dá)到或者超過800m 時應(yīng)用更加普遍，其優(yōu)點較多，不僅線形優(yōu)美，而且重量較輕。進(jìn)行設(shè)計時需要兼顧主塔與錨固的具體位置，特別是主塔與陡坡之間要留有足夠的安全距離。本工程選擇的鋼板梁跨度是660m，起點與終點都選擇重力式錨旋，矢跨比1/9.8，如圖2 所示。

圖2 主跨660m 懸索橋方案

660m 對于懸索橋而言，并非經(jīng)濟(jì)跨度，造價高，錨固施工時間長。另外，錨固基坑的施工會對周圍環(huán)境造成破壞，不適合環(huán)保要求高的工程。

3.3 拱橋方案

由于地理位置的限制以及豫陽與西域互通的布局，項目處于較高的位置，分析發(fā)現(xiàn)，上承式拱橋更加契合于當(dāng)?shù)貙嶋H，設(shè)計主跨為380m，主跨比1/4.5，如圖3所示。

圖3 主跨380m 拱橋方案

目前建成搭橋其頂部81m，在拱環(huán)的上部，其最高柱表現(xiàn)為78m。

該方案缺點相對明顯，拱圈上部，柱肋穩(wěn)定性差，受力狀態(tài)難以控制，而且難以施工，工期長，投入成本大。

3.4 三種方案的比較與選用

立足實際，對成本、建設(shè)周期、環(huán)保、質(zhì)量、外觀美感等因素加以綜合分析，認(rèn)為斜拉橋方案優(yōu)勢明顯。

4 橋梁上部結(jié)構(gòu)形式

對于大中型橋梁來說，其上部結(jié)構(gòu)所采用的形式大多為裝配式T 梁、組合箱梁或者空心板。通過對實際案例分析發(fā)現(xiàn)，空心板預(yù)制如果使用預(yù)應(yīng)力混凝土，那么施工或者使用中樓板以及接縫經(jīng)常會出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象，所以本工程對此不予考慮，只對前兩種形式作出分析與比較。

4.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

以跨度20~40m、路基26m 為樣本，對上部結(jié)構(gòu)采用T梁與組合箱梁兩種形式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，詳情見圖4~圖6。

圖4 梁高對比圖

圖5 梁的質(zhì)量對比圖

圖6 估算對比圖

從以上對比可以看出，當(dāng)跨度在20m 和25m 狀態(tài)下，小箱梁的經(jīng)濟(jì)效益較好，但隨著跨度的增大，其造價無限接近T 梁。當(dāng)跨度為30m 和40m 時，兩種經(jīng)濟(jì)效應(yīng)較為接近。

4.2 受力分析與比較

組合箱梁與T 梁對比：整體組合箱梁穩(wěn)定性強，扭轉(zhuǎn)力矩為1.19~2.37kN·m，高于整體T 梁。單框、單孔組合箱梁的整體扭轉(zhuǎn)力矩高于T 梁，約為1.08~1.19kN·m，單框、單孔組合箱梁所表現(xiàn)出的彎矩在1.19~1.33kN·m，比組合箱梁高出許多。

4.3 外觀美感比較

選用組合箱梁時，通常是將隔板安裝于橋墩頂部，所以產(chǎn)生了良好的視覺效果，而T 型梁通常表現(xiàn)為較大的尺寸，跨中與主梁的連接通常基于橫隔板進(jìn)行，視覺效果比組合箱梁要次些，不過其抗彎性能明顯要強，所以更加可靠。

4.4 施工控制與后期維護(hù)對比

在施工方法上，裝配式箱梁具有可行性高、穩(wěn)定性強的優(yōu)點，梁的數(shù)量比T 梁少很多。與同跨箱梁相比，預(yù)制T梁的單件重量減輕約18%~23%。與跨度大于40m 的裝配式箱梁相比，T 梁由于重量輕，所以吊裝等工序施工更加簡便。

質(zhì)量方面，預(yù)制組合箱梁大多是空心內(nèi)腔，所以對工藝要求更加嚴(yán)格。預(yù)制T 梁在實際空腔中，對施工工藝要求更為嚴(yán)格；預(yù)制T 梁的質(zhì)量在實際施工中比較容易控制。從使用階段的維護(hù)來看，兩者都不需要在后期的維護(hù)投入太多，T 梁在結(jié)構(gòu)方面更加密實，而且質(zhì)量出現(xiàn)缺陷時容易發(fā)現(xiàn)，所以對檢查與維護(hù)來說更加便捷。針對本地區(qū)實際與施工實踐經(jīng)驗，對二者進(jìn)行比較，認(rèn)為T 梁更加契合于本工程需要。

4.5 墩高與跨徑的選擇

工程地處山區(qū)，由于地勢、地形等因素的制約，高墩也是設(shè)計時關(guān)注的重點。根據(jù)地形實際確定橋梁跨徑，然后計算、確定高跨比，在滿足力學(xué)性能的同時，還要努力降低投入成本。如果墩高在30m 以內(nèi)，其下部結(jié)構(gòu)所占比例較小，這時可以選擇結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)的上部結(jié)構(gòu)，而隨著墩高的不斷增加，其下部結(jié)構(gòu)占比也隨之而增大，當(dāng)墩高35m時，跨度30m 與40m 兩種類型的橋梁造價相關(guān)不大。如果墩高處于二者之間，可以選擇跨40m 的T 梁，如果墩高大于40m，則必須選擇40m 跨T 梁。

5 下部結(jié)構(gòu)的選擇

本項目建設(shè)中所涉及到的墩高都比較大，所以設(shè)計時還要考慮結(jié)構(gòu)的可靠性，比如抗彎、抗壓等性能，也就是說，除強度要求之外，還要兼顧施工、運行等不同時期的穩(wěn)定性，確保安全，避免施工或者運行階段出現(xiàn)意外事故。從目前類似工程建設(shè)來看，橋墩結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)為三種類型，其一為雙柱墩，其二為實心墩，其三為空心薄壁墩，詳見表1。

表1 橋墩形式選取表

墩高縱坡比超過3%或者高度大于25m，橋墩與上部結(jié)構(gòu)應(yīng)以固結(jié)為主，同時橋臺設(shè)計時要立足當(dāng)?shù)嘏c施工實際進(jìn)行，通常常用樁式平臺、肋板平臺、U 型平臺和臺架平臺等形式。在山橋設(shè)計中，橋臺應(yīng)盡量設(shè)置在開挖部分。

6 結(jié)論

在保證山區(qū)公路二級橋梁設(shè)計功能和安全的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能控制施工規(guī)模，降低投資成本。我們嚴(yán)格遵循技術(shù)先進(jìn)、安全舒適、耐用、經(jīng)濟(jì)合理、美觀和諧、節(jié)能環(huán)保的設(shè)計理念。實施可達(dá)性、監(jiān)控性、維護(hù)性、更換性的控制思想，有效降低使用階段的維護(hù)難度，降低維護(hù)成本。此外，制定科學(xué)有效的設(shè)計方案，不斷優(yōu)化設(shè)計細(xì)節(jié)，可以有效降低項目對環(huán)境的影響，實現(xiàn)工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。