山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)方案比選分析

楊長(zhǎng)諾

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600)

0 引言

山區(qū)公路橋梁工程建設(shè)中,由于地勢(shì)險(xiǎn)峻,地質(zhì)條件差,導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作難度較大。有些山區(qū)公路橋梁需要穿越復(fù)雜地形,為了滿足車輛行駛需求,通常采用增加高墩及縱坡設(shè)計(jì)的方案。但這種設(shè)計(jì)方案與普通公路橋梁相比,受力情況存在較大差異,不僅增加了現(xiàn)場(chǎng)施工難度,還可能影響工程的使用質(zhì)量及壽命。

以某山區(qū)公路橋梁工程項(xiàng)目為例,分析了此類工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)。此橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率為特大橋1/300,大、中橋1/100,安全等級(jí)為一級(jí)。橋梁采用整體式路基橋梁橫斷面布置,路基標(biāo)準(zhǔn)寬度25.5 m,橋梁分幅設(shè)置,橫斷面為0.525 m(防撞護(hù)欄)+11.475 m(行車道)+0.525 m(防撞護(hù)欄)+0.45 m(分隔帶)+0.525 m (防撞護(hù)欄)+11.475 m(行車道)+0.525 m(防撞護(hù)欄)=25.5 m。

1 方案選擇

選擇橋型方案時(shí),以“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)及美觀”為原則。項(xiàng)目地形呈黃土丘陵溝壑地貌,地表起伏較大,需跨越溝谷及河流。但該區(qū)域溝谷多為季節(jié)性沖溝,匯水面積較小,大部分時(shí)間內(nèi)無(wú)水流,只在暴雨時(shí)才會(huì)有洪水且河流無(wú)通航要求。一般路段采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋梁設(shè)計(jì),確定跨徑時(shí),結(jié)合線位地形及地質(zhì)條件進(jìn)行比選。如果跨徑過(guò)小,將導(dǎo)致橋墩過(guò)多,樁基無(wú)法充分利用較好的中下層土層,造成下部結(jié)構(gòu)浪費(fèi)。如果跨徑過(guò)大,將增加上部結(jié)構(gòu)的工程量,下部橋墩承受過(guò)大力,要增加樁長(zhǎng),導(dǎo)致下部總工程量與中等跨徑相比失去造價(jià)上的優(yōu)勢(shì)。經(jīng)綜合比選得出,中小跨徑橋梁更為經(jīng)濟(jì)有效。當(dāng)墩高不超過(guò)40 m時(shí),選擇30 m跨徑更為經(jīng)濟(jì)。當(dāng)墩高超過(guò)40 m時(shí),則選用40 m跨徑更為經(jīng)濟(jì)。

1.1 上部結(jié)構(gòu)選型

我國(guó)公路常用的標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)制結(jié)構(gòu)形式包括預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁及預(yù)應(yīng)力混凝土空心板等,特殊節(jié)點(diǎn)處可采用現(xiàn)澆混凝土箱梁或鋼結(jié)構(gòu)箱梁等上部結(jié)構(gòu)形式。

1.1.1 預(yù)制混凝土梁

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁是一種廣泛使用的預(yù)制結(jié)構(gòu)形式,具有成熟的設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn),適用于較大跨度的橋梁,最大跨徑可達(dá)50 m左右,可在工廠及施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制。該結(jié)構(gòu)形式具有綜合造價(jià)經(jīng)濟(jì)、施工方便、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。單片梁體重量輕,便于吊裝,對(duì)施工及吊裝設(shè)備的要求較低,對(duì)橋梁變寬段的適應(yīng)性較強(qiáng)。但預(yù)應(yīng)力混凝土T梁的橋梁建筑高度較高,橫向整體性稍差,梁之間的布置比較密集,景觀性較差。預(yù)應(yīng)力混凝土T梁在橋梁工程中具有諸多優(yōu)點(diǎn),如跨度范圍廣、施工方便及造價(jià)經(jīng)濟(jì)等,但在橫向整體性及景觀性方面存在一些限制。要選擇適合的上部結(jié)構(gòu)形式,需綜合考慮工程要求、技術(shù)條件及景觀效果等因素,確保選擇最合適的方案[1]。

預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)成熟的預(yù)制結(jié)構(gòu)形式,具有低經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、較大的結(jié)構(gòu)剛度及良好的抗扭性能。該梁的高度適中,可以在工廠或施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行預(yù)制。斜腹板形式的截面設(shè)計(jì)令其線形美觀、協(xié)調(diào),通常適用于跨度為25～40 m、高跨比約為1/15～1/20的工程中。安裝時(shí),待梁體吊裝就位后再進(jìn)行濕接頭混凝土澆注,以形成整體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式具有適中的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),但小箱梁在變寬段的適應(yīng)性較差,相同跨度下單片梁的吊裝重量增加較多,對(duì)運(yùn)輸及吊裝設(shè)備要求較高。

1.1.2 現(xiàn)澆混凝土梁

現(xiàn)澆混凝土梁常采用單箱單寬或單箱多室結(jié)構(gòu),具有線形簡(jiǎn)捷、美觀等特點(diǎn)。該梁結(jié)構(gòu)受力合理,剛度大,連續(xù)箱梁一聯(lián)長(zhǎng)度可達(dá)100 m,行車舒適性良好。對(duì)橋面變寬有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,能夠?qū)崿F(xiàn)豐富的斷面外形,故對(duì)于異型段或位于小半徑曲線段上的橋梁,適用能力較強(qiáng)。中小跨連續(xù)梁通常采用滿堂支架澆筑,對(duì)施工設(shè)備的要求較低,設(shè)計(jì)及施工技術(shù)成熟。但現(xiàn)場(chǎng)澆筑需要較長(zhǎng)的施工周期,會(huì)對(duì)地面交通造成一定的影響。對(duì)于曲線半徑較小的匝道橋且橋下沒有重要道路或交通流量較低時(shí),可采用現(xiàn)澆混凝土箱梁作為合適的結(jié)構(gòu)形式[2]。

1.1.3 鋼箱梁

鋼箱梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特,外觀簡(jiǎn)潔美觀,常采用單箱單室或多箱多室結(jié)構(gòu),具有自重輕、承載能力強(qiáng)、建筑高度低及對(duì)凈空影響小等特點(diǎn)。鋼箱梁的截面形式采用空心閉合結(jié)構(gòu),在相同材料及數(shù)量情況下能夠提供較大的抗彎及抗扭剛度,適用于曲線橋及承受較大偏心荷載的直線橋。

鋼箱梁常采用正交異性鋼橋面板及薄鋼板作梁肋的結(jié)構(gòu)形式,能夠有效發(fā)揮鋼板的承載能力。梁構(gòu)件通常在工廠預(yù)制成大型安裝單元,可有效減少現(xiàn)場(chǎng)連接螺栓或焊接數(shù)量。安裝時(shí)可以采用吊裝、縱向拖拉或頂推法,安裝速度較快。但鋼箱梁整體結(jié)構(gòu)需要較大的鋼材用量,養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較高,鋼橋面板的疲勞問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究。

當(dāng)跨徑較大或要求不影響交通且橋梁所處交通等級(jí)較高時(shí),鋼箱梁結(jié)構(gòu)是一種適宜的選擇,能夠滿足高標(biāo)準(zhǔn)的橋梁結(jié)構(gòu)性能及安全要求,施工過(guò)程對(duì)交通干擾較小。

1.2 下部結(jié)構(gòu)選型

橋墩的選擇應(yīng)基于強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求,考慮梁部形式、占地情況、河流溝渠、道路通視及周圍環(huán)境等因素。通過(guò)精心設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)上下部結(jié)構(gòu)的一致性,令橋梁輕盈、美觀,與周圍環(huán)境相融合[3]。

1.2.1 墩高40 m 以下的墩柱比選

本項(xiàng)目橋址區(qū)地層情況較好,主要為中風(fēng)化砂巖,埋深約為20 m。在這種情況下,單樁設(shè)計(jì)在高度40 m以內(nèi)的橋墩更加省材料,具備較強(qiáng)的承載能力及穩(wěn)定性,橋墩設(shè)計(jì)更纖細(xì),可高效利用材料,提供良好的橋下通透性,充分利用空間。對(duì)于整幅路基橋梁寬度為25.5 m的設(shè)計(jì)要求,橋梁設(shè)置可選擇整幅或分幅。根據(jù)橫向?qū)挾瓤紤]采用分離式雙柱墩、整體式三柱墩或整體式雙柱墩等墩型。具體的墩型選擇需綜合考慮地形條件、結(jié)構(gòu)受力情況、經(jīng)濟(jì)性等因素,以確定最合適的墩型方案。在施工方便性及經(jīng)濟(jì)性方面,采用樁接柱形式的下部結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì),通過(guò)充分考慮地層情況及結(jié)構(gòu)需求,設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)。

1)地形條件。在相同條件下,分幅雙柱墩的雙柱之間的高差會(huì)明顯減少。相比整體三柱墩及整體雙柱墩,分幅雙柱墩具有受力均勻明確的特點(diǎn)。通常情況下,分幅雙柱墩的蓋梁不需要加寬或施加預(yù)應(yīng)力,可簡(jiǎn)化施工流程,令施工更加便捷、迅速。此外,分幅雙柱墩的施工難度也大大降低,具有較好的經(jīng)濟(jì)性。故推薦采用分離式雙柱墩作為設(shè)計(jì)方案,在局部受到既有道路、河道邊坡、構(gòu)筑物等限制的位置,可以考慮采用多柱框架墩。這種墩型可根據(jù)具體情況靈活調(diào)整柱的數(shù)量及布置,以適應(yīng)限制條件并確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2)結(jié)構(gòu)受力。分離式蓋梁框架雙圓柱墩適用于本項(xiàng)目,其柱距較小,采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),受力明確,能更好地適應(yīng)平曲線等情況。蓋梁的橫坡設(shè)置相對(duì)簡(jiǎn)單,一般情況下不需要加寬,施工操作簡(jiǎn)便[4]。相比之下,整體三柱式墩的受力較為復(fù)雜,蓋梁承受的力較大,樁基受力不均,在一般平曲線半徑下需要加寬。而整體雙柱式墩由于柱距較大,需要設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼束并進(jìn)行二次張拉,施工周期較長(zhǎng)且施工難度大。此外,在地面橫坡較陡地方,整體式墩柱之間的高差較大,適應(yīng)性較差。

從經(jīng)濟(jì)性的角度考慮,分離式蓋梁框架雙圓柱墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),在公路建設(shè)中具有一定的優(yōu)勢(shì)?？紤]到本橋項(xiàng)目的特點(diǎn)及要求,當(dāng)橋墩高度小于40 m時(shí),推薦采用分離式蓋梁框架雙圓柱墩作為下部結(jié)構(gòu)。

1.2.2 墩高40 m 以上的墩柱比選

當(dāng)橋墩高度超過(guò)40 m時(shí),結(jié)構(gòu)尺寸變得較大,墩柱與基礎(chǔ)受力也增加。常規(guī)的單樁結(jié)構(gòu)往往不能滿足受力要求,通常需要使用群樁基礎(chǔ)來(lái)提供足夠的承載力。但使用階梯形的圓柱墩的做法較為少見,雖然可以節(jié)約材料,但在同一橋位需要不同類型的模板,導(dǎo)致施工成本增加,降低施工效率[5]。相比之下,采用在高度方向統(tǒng)一截面的大直徑圓柱形橋墩與矩形空心墩相比,截面利用率較低。故在高度超過(guò)40 m以上的橋墩設(shè)計(jì)中使用矩形截面可以降低成本。

本橋的單幅橋?qū)捴挥?2.75 m,當(dāng)墩高達(dá)到40 m以上時(shí),可以考慮采用整體的矩形單柱墩或分離的雙柱墩作為設(shè)計(jì)方案。相較而言,雙柱墩雖然在與整體單柱墩相比能稍微節(jié)省混凝土材料,但由于高墩本身結(jié)構(gòu)尺寸較大,這種優(yōu)勢(shì)并不是非常明顯,且雙柱墩的配筋率較高,需要使用大量的施工模板,施工速度相對(duì)較慢。故針對(duì)這種寬度較窄的單幅橋(僅12.75 m)設(shè)置整體矩形單柱墩更具技術(shù)及經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。當(dāng)墩高達(dá)到40 m以上時(shí),墩柱結(jié)構(gòu)形式比選參考表1、表2。

表1 墩高40～75 m的墩柱結(jié)構(gòu)形式比較

表2 墩高40～75 m的墩柱雙柱與整體單柱墩比較

對(duì)于單幅橋?qū)挒?2.75 m的情況,可根據(jù)橋墩高度范圍來(lái)選擇合適的橋墩形式。當(dāng)橋墩高度在40 m以下時(shí),推薦采用雙柱等截面的圓柱形橋墩;當(dāng)橋墩高度在40～75 m時(shí),建議采用整體等截面的單柱矩形墩。為了減輕自重并合理利用截面,矩形墩可以采用空心薄壁墩的形式。

1.3 橋臺(tái)設(shè)計(jì)

在橋臺(tái)設(shè)計(jì)中需綜合考慮地形及地質(zhì)條件,通常采用以下幾種類型:樁柱式臺(tái)、肋板式橋臺(tái)及重力式U型橋臺(tái)等。具體選擇取決于地質(zhì)條件及填土高度等因素[2]。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差或基巖埋深較深時(shí),如果橋臺(tái)的填土高度為5 m且地質(zhì)情況允許,可以采用柱式臺(tái)或U型臺(tái)。當(dāng)填土高度在5～8 m時(shí),可根據(jù)地質(zhì)情況使用U型臺(tái)或肋板式臺(tái)設(shè)計(jì)。當(dāng)填土高度超過(guò)8 m時(shí),一般采用肋板式臺(tái),但填土高度不宜超過(guò)12 m。這樣的設(shè)計(jì)考慮了地質(zhì)情況及填土高度的影響,在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下選擇了適合的橋臺(tái)類型。

2 綜合比選

對(duì)于30 m跨徑,采用預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力小箱梁橋設(shè)計(jì)方案。利用預(yù)應(yīng)力技術(shù),在制造階段將構(gòu)件預(yù)制好并進(jìn)行裝配,在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝,提高施工效率,減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工的影響。對(duì)于40 m跨徑,選擇預(yù)制裝配式預(yù)應(yīng)力T梁橋設(shè)計(jì)方案。利用預(yù)應(yīng)力技術(shù),通過(guò)預(yù)制裝配及現(xiàn)場(chǎng)安裝來(lái)完成橋梁建造。此方案適用于墩高較高的情況,可提供更好的結(jié)構(gòu)性能及強(qiáng)度。

對(duì)于30 m跨徑的橋梁,根據(jù)橋墩高度的不同采用不同的橋墩類型。當(dāng)橋墩高度低于25 m時(shí),采用柱式橋墩?？赏ㄟ^(guò)單排樁的形式支撐橋墩,柱徑選擇1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m,基礎(chǔ)直徑一般選擇1.6 m、1.8 m、2.0 m。對(duì)于40m跨度的橋梁,根據(jù)橋墩高度的不同考慮以下設(shè)計(jì)方案:當(dāng)橋墩高度低于20 m時(shí),采用柱式橋墩,其高度適用于較低的橋墩要求。當(dāng)橋墩高度大于20 m且小于40 m時(shí),采用橋墩接承臺(tái)的 結(jié)構(gòu)形式,通過(guò)雙排樁來(lái)支撐。柱式橋墩的上部連接承臺(tái),承臺(tái)則通過(guò)兩排樁與地面相連,形成更穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)橋墩高度在40～75 m時(shí),采用矩形薄壁空心墩。矩形薄壁空心墩在橋墩高度較高的情況下可以提供足夠的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。墩的主要直徑可根據(jù)具體需求選擇1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m,樁基直徑一般采用1.6 m、1.8 m、2.0 m。

3 結(jié)束語(yǔ)

橋梁總體設(shè)計(jì)中,橋型方案比選是關(guān)鍵步驟。需綜合考慮工程方案的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)合理性,掌握橋梁建設(shè)理論,積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),深入分析,制定出合理的橋梁設(shè)計(jì)方案,滿足山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展要求。