山區(qū)高速公路裝配式橋梁設(shè)計及優(yōu)化策略

鄒霖，孔令智，韓相宏

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

鑒于山區(qū)高速公路的特殊性，橋梁建設(shè)時應(yīng)以安全、穩(wěn)定為基本目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上提升效率、經(jīng)濟性與美觀性。山區(qū)地形復(fù)雜，分布有大量溝壑，橫坡較陡，因雨水等因素的影響，易出現(xiàn)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，不利于橋梁的施工與正常使用[1]，在裝配式橋梁設(shè)計時要重點關(guān)注此類問題，兼顧多項設(shè)計要點，提升裝配式橋梁設(shè)計方案的可行性。

1 山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計原則

根據(jù)山區(qū)自然地理環(huán)境的特殊性，橋梁設(shè)計要遵循以下幾點原則。

（1）標(biāo)準(zhǔn)化。山區(qū)高速公路橋梁占比較大時，首先應(yīng)堅持標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化預(yù)制、裝配化施工的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計原則，一是可以大幅度降低工程造價，二是可以保證工程質(zhì)量，三是可以加快工期。

（2）因地制宜。山區(qū)地勢起伏較大，并存在地質(zhì)復(fù)雜的特點，結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)等均要與現(xiàn)場施工環(huán)境相適應(yīng)。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場勘察資料，根據(jù)現(xiàn)場施工具體條件選擇最為適宜的結(jié)構(gòu)與材料，并應(yīng)明確各項施工技術(shù)要求，以保證質(zhì)量和工期，并盡量減少工程變更。

（3）路橋配合。橋梁是構(gòu)成高速公路的重要部分，在橋梁設(shè)計中應(yīng)考慮路線線形的連續(xù)均衡和路橋連接順暢，而在路線設(shè)計中應(yīng)考慮橋位設(shè)計的合理性、橋梁線形的合規(guī)性。例如，要注重對橋位的設(shè)計，避免因橋位不合理而出現(xiàn)線路延長，或出現(xiàn)高墩大跨特殊結(jié)構(gòu)、設(shè)計施工難度大、工程造價高等問題。

（4）資金充分利用。山區(qū)地形地質(zhì)條件特殊，氣候惡劣，采用工廠化生產(chǎn)的預(yù)制構(gòu)件進行現(xiàn)場裝配式安裝，可以節(jié)約現(xiàn)場預(yù)制成本，保證主要構(gòu)件的工程質(zhì)量。但應(yīng)考慮和控制構(gòu)件運輸、安裝和現(xiàn)場連接等施工成本。

（5）布局新穎性?，F(xiàn)階段，裝配式橋梁設(shè)計技術(shù)已經(jīng)較為成熟，在此背景下，除了要滿足橋梁的正常使用外，還要注重在外觀造型方面的設(shè)計，提升橋梁的可觀賞性，與周邊自然環(huán)境相適應(yīng)，實現(xiàn)工程建設(shè)與自然環(huán)境的協(xié)同發(fā)展。

2 山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計要點

2.1 跨徑的選擇

根據(jù)山區(qū)施工環(huán)境，高速公路橋梁普遍使用標(biāo)準(zhǔn)化跨徑的形式[2]。

2.1.1 30m內(nèi)橋梁

針對跨徑在30m內(nèi)的橋梁，可使用小箱梁結(jié)構(gòu)。

2.1.2 40m以上橋梁

跨度達40m 甚至更大時，T 形梁是更為合適的形式。受到山區(qū)地形的限制，此環(huán)境下的高速公路平面半徑偏小，若橋梁工程中常遇到超高緩和段施工作業(yè)，此時小箱梁的適用性不足，易出現(xiàn)梁上各支點平整度不一的情況，此時以T形梁更為合適。

2.1.3 50m以上橋梁

針對跨徑達50m 的T 形梁，其在應(yīng)用中也存在局限之處，在小半徑平曲線上將表現(xiàn)出較明顯的內(nèi)外梁長度差問題，并且跨中矢高偏大，難以與所在的線路達到相適應(yīng)的狀態(tài)。此外，山區(qū)交通較為閉塞，運輸條件偏差，大型機具進入現(xiàn)場并非易事，而50m 跨徑的T形梁規(guī)格較大，單片梁重達到150t 左右，適配高性能的架設(shè)設(shè)備是必要的前提，但現(xiàn)場運輸條件難以滿足該要求，且安裝時易變形，因此50m 跨徑T形梁并非首選形式。

基于現(xiàn)有技術(shù)，可在標(biāo)準(zhǔn)跨徑的基礎(chǔ)上改進，例如，某裝配式橋梁工程中，樁基與懸崖間距約5～10m，結(jié)束施工后清理左側(cè)懸臂的松散強化風(fēng)層，但樁基與懸崖壁間距較小，部分樁基已經(jīng)出現(xiàn)裸露在巖體外的情況。下部樁基所處位置也較為特殊，其與懸崖壁表層間距甚至未達到3m?？紤]到樁基與上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求，必須針對基礎(chǔ)采取加固措施，無誤后方可組織上部施工作業(yè)。

針對下部的大裂隙問題，較為合適的是灌漿處理方式；考慮到下部巖體松散的特點，于該處通過預(yù)應(yīng)力錨索加固。上述方案處理工藝復(fù)雜，難度較大。此施工環(huán)境下，若在原標(biāo)準(zhǔn)跨徑的基礎(chǔ)上綜合采用非標(biāo)準(zhǔn)跨徑，可巧妙繞開不良地質(zhì)，盡管工程成本有所提升，但施工風(fēng)險降低，全橋穩(wěn)定性得到保障，可行性更高。

2.2 墩臺形式的選擇

現(xiàn)代化橋梁工程中，除了施工質(zhì)量外，效率與成本也是重點追求目標(biāo)。根據(jù)山區(qū)高速公路施工環(huán)境，裝配式橋梁建設(shè)中應(yīng)注重對下部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使其具有標(biāo)準(zhǔn)化的特點。橋墩高度在20m以內(nèi)時，建議選擇雙柱式圓截面橋墩；高度達20～40m 時，優(yōu)先選擇實心矩形截面薄壁墩；部分施工環(huán)境特殊，橋墩高度超40m，此時較合適的是空心薄壁墩?？紤]到山區(qū)地形復(fù)雜的特點，為適應(yīng)地形的急劇變化，橋梁工程中通常會采用大高度橋墩。為滿足邊坡穩(wěn)定性、低成本施工等方面的要求，還可使用全幅雙柱式大挑臂墩。此外，工程建設(shè)要盡可能減少對周邊環(huán)境的影響，不改移地方道路，此時可采取道路穿越橋墩下方的方式，以大跨徑門式橋墩更為可行。

裝配式橋梁工程中，為與山區(qū)地形環(huán)境相協(xié)調(diào)，重力式U形臺得到廣泛應(yīng)用。依據(jù)《墩臺與基礎(chǔ)》相關(guān)內(nèi)容[3]，此類型橋臺較為合適的填土范圍為4～10m，由此表明在設(shè)計U形臺時要求其高度盡可能在10m內(nèi)。為盡可能減少開挖量，避免基礎(chǔ)開挖過度而引發(fā)滑塌現(xiàn)象，在U 形臺設(shè)計時應(yīng)重點考慮現(xiàn)場地形特點，合理分臺。

3 橋梁設(shè)計中的特殊考慮因素

3.1 橋梁與高路堤的關(guān)系

除水文因素外，施工現(xiàn)場的地形因素也會在很大程度上影響山區(qū)高速公路橋梁建設(shè)，路橋設(shè)置界限取值成為重點關(guān)注對象，會直接影響到施工成本，欠妥時甚至引發(fā)環(huán)境問題。以路基中心填方高度為基準(zhǔn)，若該值超過20m，則要綜合對比橋梁和路基方案，結(jié)合現(xiàn)場情況選擇橋梁施工或是路基填筑的方式。

若現(xiàn)場地形呈“U”形，并且存在橫向坡度較陡的情況，此情況下路基邊坡宜適當(dāng)放遠(yuǎn)，但隨之帶來填土運距增加的問題，為滿足邊坡穩(wěn)定性要求，宜選擇架橋方案。若現(xiàn)場的地形為“V”形峽谷，此時路基方案將優(yōu)于橋梁方案，通過高填方路基的方式在施工可行性、成本等方面的表現(xiàn)都更為出色；若為架橋方案，則存在施工難度大，場地局限性強的問題，因此針對填方高度超20m 的路段，應(yīng)綜合評價并選擇合適的方案，在條件允許時盡可能選擇路基方案。

3.2 陡邊坡上的橋梁設(shè)計

地形橫坡陡峭是山區(qū)工程施工中極為典型的問題，部分情況下半幅路填方較高，但余下的半幅則為淺填的方式。針對此問題，則要在半幅路上增設(shè)橋梁，余下半幅設(shè)置路基（必須增設(shè)擋土墻）。

3.3 橋臺設(shè)計

橋臺設(shè)計要充分結(jié)合現(xiàn)場的地形條件，由于山區(qū)環(huán)境的特殊性，在裝配式橋梁建設(shè)時橋臺普遍設(shè)置在山坡處，考慮到橫縱向坡度較大的特點，宜選擇重力式U形臺。結(jié)合現(xiàn)場情況，若坡度較緩，此條件下柱式臺具有可行性；若遇到地勢較陡的情況，則以樁基礎(chǔ)U形臺為宜。橋臺是決定全橋穩(wěn)定性的關(guān)鍵，要嚴(yán)格控制橋臺后方填土高度，要求U 形臺在8m 內(nèi)，柱式臺在5m內(nèi)。

設(shè)計時，要結(jié)合現(xiàn)場的地形特征，當(dāng)使用到U形臺時，則要形成合理的分臺階處理方案，盡可能降低施工成本；關(guān)于基礎(chǔ)部分的處理，可通過片石混凝土加固的方式來實現(xiàn)。在各類影響裝配式橋梁穩(wěn)定性的因素中，尤為關(guān)鍵的是橋墩結(jié)構(gòu)，要根據(jù)橋墩高度要求選擇合適的橋墩類型。

若橋墩高度在20m內(nèi)，優(yōu)先選擇雙圓柱式橋墩，可提升施工作業(yè)的可控性，并實現(xiàn)與樁基礎(chǔ)的有效銜接；若橋墩高度為20～40m，建議使用薄壁墩，可起到減少材料用量、降低自重的效果；部分情況下墩身高度超40m，為滿足穩(wěn)定性要求，以空心矩形薄壁墩較為合適，此方式的優(yōu)點在于提升邊坡穩(wěn)定性，有效控制施工成本。

3.4 支座設(shè)置

根據(jù)山區(qū)高速公路橋梁工程經(jīng)驗，多數(shù)情況下橋墩較高。由于公路縱坡較大，加之溫度等因素的影響，伴隨使用時間的延長，上部構(gòu)造穩(wěn)定性下降，表現(xiàn)出向下坡移動的趨勢，此時需采取主梁縱向限位措施解決該問題，如墩梁固結(jié)等方式。分聯(lián)墩上增設(shè)支座，此處考慮的因素較多，如扭矩產(chǎn)生的支反力、變位方向差異等，針對此類問題，可使用盆式支座，相比于板式支座而言其耐久性更為良好，還可降低維護難度。

3.5 伸縮縫設(shè)置

因溫度變化等因素的影響，曲線橋易出現(xiàn)伸縮現(xiàn)象，內(nèi)外側(cè)梁的長度存在差異，不同于直線橋梁的是，使用曲線橋梁時將出現(xiàn)更明顯的伸縮。此外，長大縱坡條件下梁體更容易發(fā)生位移。鑒于此，可通過伸縮縫的方式解決上述問題，且數(shù)量上要明顯多于常規(guī)橋梁。

4 完善山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計的措施

4.1 完善設(shè)計方案

由于山區(qū)存在獨特的地形和自然環(huán)境，所以，早期的實地考察就成了控制施工狀況的關(guān)鍵步驟，以獲得的結(jié)果作為參考，然后設(shè)計出科學(xué)合理的方案，這也是一項提高橋梁穩(wěn)定性的重要工作。橋梁結(jié)構(gòu)通常主要有大跨度橋梁與普通跨度橋梁兩種形式。兩者在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中也有一定的差異，所以，在橋梁設(shè)計中顯現(xiàn)的情況也各不相同。一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)跨度橋梁被廣泛應(yīng)用于山區(qū)橋梁項目中，其主要特征是提高設(shè)計的有效性，在項目作業(yè)中其相對安全，并且投入預(yù)算也不高。

4.2 不同橋梁設(shè)計要點

山區(qū)地形具有一定的差異性，橋梁設(shè)計應(yīng)根據(jù)實際問題，形成有目標(biāo)性的設(shè)計方案。如果是彎曲和大縱坡長橋時，在設(shè)計中需著重考慮其穩(wěn)固性和變位情況；在大縱坡和長橋相連接的施工過程中，應(yīng)重點關(guān)注位移情況，除縱向和豎向兩種位移形式，還需防止錯位問題。務(wù)必要重視橋梁的設(shè)計工作，否則可能會引發(fā)施工質(zhì)量不達標(biāo)現(xiàn)象，進而使橋梁的正常運營受阻。

5 案例分析

針對山區(qū)橋梁的設(shè)計，重點是其上端構(gòu)造種類與下端墩柱種類的選取，這也是橋梁設(shè)計、施工和維護的重點問題。以下根據(jù)實際項目，提出了適合該工程的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

5.1 工程概況

某條穿過盆地的山區(qū)公路有兩端低、中間高的趨勢，其海拔為1365～1952m，沿途有河流、山澗與農(nóng)耕區(qū)域，該段為跨山澗的橋梁設(shè)計，為保證施工進度，盡可能采用成品的安裝式部件，并且在橋址的設(shè)置過程中，應(yīng)考慮不得影響跨水?dāng)嗝婧蜆蛳聝魧?，以及橋墩不會產(chǎn)生過度的阻水效果。

5.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

空心板、T 形梁和小箱梁是中小跨度橋梁的重要結(jié)構(gòu)形式，為了有效降低山區(qū)橋梁墩柱建設(shè)的數(shù)量，采用了T形梁或者小箱梁進行作業(yè)，下面是對應(yīng)優(yōu)勢的比較和說明。

（1）施工困難。T 形梁選擇后張法，吊裝質(zhì)量相對較小，施工工藝簡便，所以質(zhì)量比較容易掌控；與T形梁進行比較，小箱梁結(jié)構(gòu)也采取后張法作業(yè)，但因為寬度太大，模板相對復(fù)雜，起吊艱難，并且施工步驟相對復(fù)雜，質(zhì)量也不好掌控。

（2）操作和維護。T 形梁施工技術(shù)相對成熟，運行期間的維護工作相對簡便，并且便于鋪設(shè)在彎曲線上，適合山區(qū)橋梁的應(yīng)用。與小箱梁相比，其全面性與持久性都相對良好，但其施工技術(shù)復(fù)雜，后續(xù)的維護工作也困難。

綜上所述，本工程建議采用裝配式T形梁結(jié)構(gòu)，跨度為40m，橋梁全程長292m，分區(qū)以40m×3+40m×4 進行設(shè)置。

5.3 下部構(gòu)造設(shè)計

考慮到本項目跨越山川，橋兩旁都是梯田結(jié)構(gòu)分布，為了有效降低農(nóng)耕區(qū)域的占用，按照山區(qū)的特征進行分析，上部結(jié)構(gòu)跨度為40m，采用雙柱式橋墩，墩柱直徑設(shè)計為1.2m，高度設(shè)計為25.2m，地梁和中梁設(shè)置在中部。

6 結(jié)語

我國幅員遼闊，山地分布范圍廣、規(guī)模大，明顯加大了高速公路橋梁建設(shè)的難度。山區(qū)裝配式橋梁是主要的應(yīng)用形式，其具備施工效率高、成本低、質(zhì)量好等多重特點。本文以山區(qū)裝配式橋梁為例，根據(jù)高速公路的整體建設(shè)需求，總結(jié)此類橋梁在設(shè)計中應(yīng)注重的要點，圍繞橋墩、橋臺、支座等方面展開針對性分析，以期給類似工程提供參考，助力裝配式橋梁建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。