山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究

何晉、紀(jì)丹琳

（上饒市宏優(yōu)公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，江西 上饒 334000）

0 引言

橋梁設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是公路工程建設(shè)的重要問(wèn)題，尤其是在山區(qū)高速公路項(xiàng)目中，由于路線范圍內(nèi)的地形地勢(shì)條件復(fù)雜多變，所以相較于平原地區(qū)，橋梁設(shè)計(jì)難度大、要求高，需要整理并分析設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的關(guān)鍵問(wèn)題。

1 支承體系確定

1.1 簡(jiǎn)支體系

簡(jiǎn)支梁橋十分常見(jiàn)，尤其適用于山區(qū)，但主要為中小跨徑橋，具有下列優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：

第一，各孔簡(jiǎn)單支承，且單獨(dú)受力，預(yù)制與架設(shè)均較為方便，管理簡(jiǎn)單，施工成本費(fèi)用相對(duì)較低。

第二，結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單且明確，不會(huì)產(chǎn)生太大的附加應(yīng)力，且設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算較為簡(jiǎn)便，對(duì)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化十分有利。

第三，屬于靜定結(jié)構(gòu)，基本不會(huì)受到地基因素的影響，對(duì)基礎(chǔ)沒(méi)有提出太高的要求，可在地基條件相對(duì)較差的區(qū)域使用。

然而，該橋梁也存在一些缺點(diǎn)：

第一，橋面存在很多接縫，行車(chē)舒適性較差，且結(jié)構(gòu)的耐久性和整體性也相對(duì)較差。

第二，一般情況下只能滿足中小跨徑要求，無(wú)法最大限度發(fā)揮出材料自身受力特性。

第三，結(jié)構(gòu)自重較大，需設(shè)置大量支座，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)整體尺寸偏差，影響經(jīng)濟(jì)性與美觀性。

為有效克服以上缺陷問(wèn)題，可使用橋面連續(xù)體系，這一體系除了延續(xù)了簡(jiǎn)支體系各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)之外，還能通過(guò)對(duì)橋面板厚度及連續(xù)長(zhǎng)度的適當(dāng)調(diào)整，在很大程度上減輕上部結(jié)構(gòu)自重，并能減少伸縮裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)行車(chē)舒適性的有效改善。該體系已經(jīng)在很多橋梁工程得到應(yīng)用，主要具有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：

第一，橋面板具有一定橫縱向剛度，可直接參與到整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的受力，從而極大減輕上部結(jié)構(gòu)自重，為施工創(chuàng)造便利條件。

第二，橋面板在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行澆筑，能對(duì)梁之間的距離進(jìn)行靈活調(diào)整，除了能適應(yīng)多種路基寬度，還能在曲線橋中使用。

第三，能大幅減少橋面上的接縫，使行車(chē)保持平順，保證結(jié)構(gòu)自身耐久性、整體性與適用性。

1.2 連續(xù)支承體系

首先，對(duì)于山區(qū)公路橋梁，經(jīng)常選擇連續(xù)結(jié)構(gòu)及其支承體系，這一體系一般包含下列3 種形式：其一，現(xiàn)澆單支點(diǎn)連續(xù)；其二，先簡(jiǎn)支后單支點(diǎn)連續(xù)；其三，先簡(jiǎn)支后雙支點(diǎn)連續(xù)。

其次，對(duì)于現(xiàn)澆單支點(diǎn)連續(xù)，一般為整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)該體系，如現(xiàn)澆混凝土箱梁和板橋等，很少用于山區(qū)公路橋梁。然而，當(dāng)橋梁處在半徑較小的曲線段時(shí)，如互通立交，通常難以避免要采用這種橋型。這種支承體系實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)重視其支座設(shè)置基本原則，對(duì)各方面設(shè)計(jì)要點(diǎn)都要引起足夠的重視，如鉸與抗扭支承等。

最后，對(duì)于先簡(jiǎn)支后連續(xù)體系，大多應(yīng)用在裝配式結(jié)構(gòu)橋梁，預(yù)制與架設(shè)都比較方便，能在保證結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上，提高行車(chē)舒適度與結(jié)構(gòu)耐久度，目前正被大量用于山區(qū)公路橋梁。對(duì)先簡(jiǎn)支后單點(diǎn)連續(xù)而言，具有受力合理與明確的優(yōu)勢(shì)，但需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換，使施工難度大幅增加；對(duì)先簡(jiǎn)支后雙支點(diǎn)連續(xù)而言，由于不存在結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，所以施工相對(duì)便利，但要做好結(jié)構(gòu)受力分析，避免由于支座受力問(wèn)題產(chǎn)生脫空。

1.3 剛構(gòu)支承體系

山區(qū)公路橋梁以彎、坡、高、長(zhǎng)橋居多。對(duì)于曲線梁橋，因受到彎扭耦合作用，會(huì)有沿某一不動(dòng)點(diǎn)發(fā)生變形的趨勢(shì)；對(duì)于單向行駛的連續(xù)大縱坡長(zhǎng)橋，受汽車(chē)制動(dòng)力長(zhǎng)時(shí)間作用，梁體會(huì)沿行車(chē)方向產(chǎn)生一定程度的滑移。在以上情況中，如果使用的是連續(xù)支承體系，則以上變化與趨勢(shì)會(huì)導(dǎo)致梁體結(jié)構(gòu)受力無(wú)法達(dá)到平衡，導(dǎo)致支座脫空或破壞，在梁體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生裂縫，對(duì)此應(yīng)采用剛構(gòu)體系，防止上述問(wèn)題的發(fā)生。

在高墩橋設(shè)計(jì)過(guò)程中，壓彎穩(wěn)定性與變位控制是墩身設(shè)計(jì)主要影響因素之一，尤其是當(dāng)橋梁處在曲線段和大縱坡條件下時(shí)，應(yīng)使用剛構(gòu)體系，并對(duì)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行調(diào)整，防止梁體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滑移，以此大幅度減小總體變位，保證穩(wěn)定性與耐久性。除此之外，墩梁實(shí)現(xiàn)固結(jié)能有效防止因抗扭或抗滑而給支座施工造成不利影響，或支座發(fā)生損壞而給橋梁整體結(jié)構(gòu)造成不利影響，在某些情況還能直接省去支座更換環(huán)節(jié)?；诖耍捎脛倶?gòu)體系能良好適應(yīng)山區(qū)公路橋梁基本需要。

1.4 混合支承體系

山區(qū)公路地形十分復(fù)雜且多變，經(jīng)常遇到深溝縱崖和長(zhǎng)陡邊坡，橋梁不同墩身的高度有很大偏差，為切實(shí)保證橋梁行車(chē)舒適性與結(jié)構(gòu)整體耐久性，建議采用混合支承體系，如連續(xù)支承與剛構(gòu)支承相結(jié)合。如果這種橋梁采用的是剛構(gòu)支承，則需要通過(guò)對(duì)橋墩線剛度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整來(lái)改善橋墩結(jié)構(gòu)受力，但這樣會(huì)使橋墩尺寸相對(duì)較多，影響美觀性，對(duì)施工也會(huì)造成很大影響；如果使用的是全連續(xù)支承體系，則會(huì)使聯(lián)長(zhǎng)變大，墩臺(tái)受到的水平方向作用力很大，使墩柱尺寸增大，影響舒適性。針對(duì)這種情況，需要根據(jù)地形條件對(duì)剛度相差較小的高墩進(jìn)行固結(jié)，充分利用結(jié)構(gòu)的柔性良好適應(yīng)墩身受到的水平方向作用力，對(duì)于高度相對(duì)較小的邊墩，可采用滑板或橡膠支座，以此形成連續(xù)梁，改善墩柱結(jié)構(gòu)受力性能，在與橋梁結(jié)構(gòu)自身受力特點(diǎn)相適應(yīng)的基礎(chǔ)上，滿足地形地勢(shì)方面的要求。

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 跨徑布置

第一，山區(qū)地形有很大的起伏變化，一般需要結(jié)合地形條件確定適宜的跨徑，不能完全根據(jù)墩高進(jìn)行頻繁調(diào)整，如果墩高發(fā)生很大的變化，則可組合使用兩種不同的跨徑。若橋梁有多種跨徑方案可供選擇，則可根據(jù)上下部結(jié)構(gòu)方案實(shí)施造價(jià)分析，在綜合對(duì)比后再確定適宜的方案，并優(yōu)先考慮標(biāo)準(zhǔn)跨徑方案。

第二，對(duì)于山區(qū)公路十分常見(jiàn)的曲線橋，若按照不等梁長(zhǎng)方式進(jìn)行布置，則要以曲線半徑大小為依據(jù)，在確定適宜的跨徑及墩臺(tái)中心線具體位置的過(guò)程中，充分考慮以下兩點(diǎn)：

其一，當(dāng)曲率半徑相對(duì)較大時(shí)，內(nèi)、外弧線長(zhǎng)度相差不能太大，可按照內(nèi)弧長(zhǎng)和標(biāo)準(zhǔn)跨徑完全一致的要求布置，在這種情況下，立面跨徑依然是標(biāo)準(zhǔn)值，在設(shè)計(jì)中概念相對(duì)清晰，墩臺(tái)位置和跨徑也比較明確，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量都有很大幫助。

其二，當(dāng)曲線半徑相對(duì)較小時(shí)，可按照半幅橋中線弧長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)跨徑完全相同的要求來(lái)布置，以此減小梁長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)值和實(shí)際值之間的差值，確保結(jié)構(gòu)受力與構(gòu)造性能與標(biāo)準(zhǔn)梁盡可能相近，以此在最大程度上達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化。該方法會(huì)使立面跨徑形成一個(gè)碎值，尤其是對(duì)墩臺(tái)進(jìn)行平行布置時(shí)，左右兩幅橋梁的墩臺(tái)會(huì)發(fā)生錯(cuò)位，給設(shè)計(jì)與施工都造成很大影響，并且也會(huì)影響到美觀性。

2.2 橋型選擇

對(duì)于山區(qū)公路，因交通運(yùn)輸與場(chǎng)地預(yù)制等方面的條件相對(duì)較差，所以應(yīng)進(jìn)行裝配化與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。當(dāng)橋梁為中小跨徑時(shí)，優(yōu)先考慮裝配式結(jié)構(gòu)，以梁板組合結(jié)構(gòu)形式為宜，該上部結(jié)構(gòu)形式造價(jià)低，且施工方便，可使生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化與工業(yè)化，在山區(qū)公路橋梁中比較常用，如小箱梁、空心板和T 形梁。當(dāng)跨徑在20m 以內(nèi)時(shí)，以空心板形式為宜；當(dāng)跨徑為20～40m時(shí)，以小箱梁與T 形梁為宜；當(dāng)跨徑為40～50m 時(shí)，以T 形梁為宜。

需要注意的是，對(duì)裝配式橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，建議采用梁板相組合的形式，如將預(yù)制裝配小矮梁和整體現(xiàn)澆橋面板結(jié)合到一起，這樣除了能減小預(yù)制結(jié)構(gòu)的重量，為架設(shè)施工提供便利之外，還能使其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，適用于多種路基寬度與橋面線形，加快工程的施工進(jìn)度。

對(duì)于半徑相對(duì)較小的曲線橋，建議選擇有很強(qiáng)抗扭性能的結(jié)構(gòu)，如連續(xù)閉合箱梁。對(duì)采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)曲線橋，導(dǎo)致彎扭的力主要來(lái)源于以下幾點(diǎn)：溫度變化、混凝土自身收縮徐變、預(yù)應(yīng)力施加與梁體自身重量。在梁體結(jié)構(gòu)中，平彎預(yù)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生一定沿水平方向分布的徑向力，該作用力會(huì)在豎直截面上產(chǎn)生偏心，導(dǎo)致梁體結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。如果車(chē)輛荷載發(fā)生偏心或行駛過(guò)程中產(chǎn)生離心力導(dǎo)致曲線梁產(chǎn)生扭矩，就會(huì)發(fā)生向外偏轉(zhuǎn)。根據(jù)相關(guān)資料可知，在曲率較小和跨徑較大的橋梁中，主梁結(jié)構(gòu)最大扭矩將超過(guò)縱向彎矩1/2。因整體式閉合箱梁結(jié)構(gòu)上部抗扭性能與平衡外力的能力強(qiáng)于大部分梁式結(jié)構(gòu)，不會(huì)對(duì)下部結(jié)構(gòu)體系造成太大附加力，同時(shí)更容易符合線形及超高方面的要求，所以這樣對(duì)曲線橋、高敦橋和長(zhǎng)橋而言更加有利，是此類(lèi)橋梁優(yōu)先考慮的結(jié)構(gòu)形式。

對(duì)于跨徑較大的橋梁，建議采用懸臂澆筑結(jié)構(gòu)或懸臂拼裝連續(xù)箱梁。當(dāng)橋梁的跨徑較大時(shí)，不推薦使用跨徑超過(guò)50m 以上的整體式預(yù)制結(jié)構(gòu)，在這種情況下，懸臂澆筑結(jié)構(gòu)或懸臂拼裝式連續(xù)箱梁成為最佳橋型。這種橋型幾乎不會(huì)受到場(chǎng)地與實(shí)際運(yùn)輸條件等因素的影響和限制，同時(shí)也不需要采用太多吊裝機(jī)具，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，結(jié)構(gòu)受力合理。在設(shè)計(jì)中可通過(guò)對(duì)箱梁截面的適當(dāng)調(diào)整或預(yù)應(yīng)力配置來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的優(yōu)化，從而提高結(jié)構(gòu)自身整體性與耐久性。除此之外，在選擇大跨徑橋梁的上部結(jié)構(gòu)形式時(shí)，還要充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況及結(jié)構(gòu)特征，嚴(yán)格按照因地制宜的原則來(lái)選定結(jié)構(gòu)形式。

3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 橋墩

公路橋梁有多種橋墩形式，如柱式墩、板式墩、空心墩或?qū)嶓w墩。

首先，對(duì)于墩高小于25m 的山區(qū)公路橋梁，其墩身形式以柱式墩與薄板式墩形式為宜，尤其是柱式墩。圓柱形墩的構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，施工過(guò)程中墩身外觀質(zhì)量相對(duì)容易控制，而且和樁基之間的銜接也較為方便；方柱和上部結(jié)構(gòu)之間比較協(xié)調(diào)，整體受力性能也比圓柱形墩好很多，特別適合剛構(gòu)體系，但需要設(shè)置承臺(tái)和樁基相連，導(dǎo)致工程量大幅增加，若山區(qū)地面橫坡較大時(shí)，需增加承臺(tái)，導(dǎo)致挖方量變大，可能導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。基于此，設(shè)計(jì)過(guò)程中要以地形條件、墩高與上部結(jié)構(gòu)形式為依據(jù)進(jìn)行綜合選擇。除此之外，對(duì)美觀性有較高要求的橋梁，推薦使用薄板式墩，以此在克服中分帶相對(duì)較窄問(wèn)題的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)抗扭支承的合理設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)曲線橋整體受力的有效改善。

其次，對(duì)于墩高在25～40m 范圍內(nèi)的山區(qū)公路橋梁，其墩身以實(shí)心厚板式墩較為常用，截面形狀包括矩形或Y 字形。對(duì)矩形板式墩而言，可通過(guò)對(duì)橫縱方向截面尺寸的適當(dāng)調(diào)整來(lái)滿足不同受力要求，這樣一來(lái)還能簡(jiǎn)化構(gòu)造，方便現(xiàn)場(chǎng)施工，但需要設(shè)置寬度足夠的承臺(tái)，當(dāng)?shù)孛鏅M坡較大或左右高差較為明顯時(shí)，該結(jié)構(gòu)形式的適用性將明顯降低。Y 形墩實(shí)際上屬于獨(dú)柱雙支座，其頂部為雙柱，能十分方便地對(duì)左右高差進(jìn)行調(diào)整，根部只設(shè)置一個(gè)柱身，整體尺寸不大，結(jié)構(gòu)較為美觀且新穎，在山區(qū)地形情況較為適用。

最后，對(duì)于墩高超過(guò)40m 的山區(qū)公路橋梁，其墩身形式以空心墩最為常見(jiàn)，此時(shí)要充分考慮穩(wěn)定性方面的問(wèn)題。為防止墩柱材料發(fā)生破壞，可選擇實(shí)心矩形截面，但高度不能超出50m；當(dāng)墩高超過(guò)50m 時(shí)，墩身形式以空心墩為宜；當(dāng)墩高達(dá)到65m 以上時(shí)，為了使墩柱達(dá)到穩(wěn)定，并保證材料經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)沿順橋向進(jìn)行一定程度的放坡。

3.2 橋臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)于山區(qū)公路橋梁，其橋臺(tái)主要采用下列幾種類(lèi)型：重力式橋臺(tái)、肋板式橋臺(tái)與樁柱式橋臺(tái)。對(duì)U 形重力式橋臺(tái)而言，其適宜的填土深度在4～10m 內(nèi)，基于此，需將高度控制在10m 以內(nèi)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要以地形條件為依據(jù)進(jìn)行臺(tái)階劃分；對(duì)于樁柱式橋臺(tái)，因抗推剛度相對(duì)較小，如果聯(lián)長(zhǎng)很大或臺(tái)后填高較大，則不建議使用；對(duì)于肋板式橋臺(tái)，具有十分廣泛的適用范圍，但要求臺(tái)后填高控制在12m 以內(nèi)。此外，山區(qū)公路橋梁經(jīng)常處在深谷陡坡段，這種情況下很難采用錐坡的形式，對(duì)樁柱式或肋板式兩種橋臺(tái)的設(shè)置有很大影響，尤其是當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時(shí)，可在橋臺(tái)底部設(shè)置樁基礎(chǔ)。

3.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

山區(qū)公路橋梁的基礎(chǔ)以樁基礎(chǔ)與擴(kuò)大基礎(chǔ)兩種形式較為常見(jiàn)，其中樁基礎(chǔ)以嵌巖樁與柱樁居多，在地質(zhì)條件相對(duì)較差的地段，可使用摩擦樁。在山區(qū)地質(zhì)條件良好的地段，一般大多采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，而在地面橫坡相對(duì)較大的情況下，采用樁基礎(chǔ)。在這種實(shí)際情況下，如果采用擴(kuò)大基礎(chǔ)形式，即便為分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)，也難以適應(yīng)當(dāng)前的地形地勢(shì)條件。為適應(yīng)地基承載力要求，不得不增加開(kāi)挖量。此外，在斜坡上設(shè)置擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)綜合考慮基礎(chǔ)自身擴(kuò)散角與覆蓋層層厚，包括施工可能造成的影響，在必要情況下應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┳龊弥ёo(hù)，如采用設(shè)置錨桿的方法形成擋墻。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，橋梁在山區(qū)高速公路中的占比越來(lái)越大，其設(shè)計(jì)質(zhì)量在很大程度上決定了整條高速公路線路的安全性、穩(wěn)定性、耐久性和行車(chē)舒適度。以上對(duì)山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了初步分析與總結(jié)，旨在為實(shí)際的山區(qū)高速公路橋梁工程建設(shè)提供技術(shù)參考，保證設(shè)計(jì)的合理性，為之后橋梁施工奠定良好基礎(chǔ)。