淺談山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)
2010-12-01
1、山區(qū)高速公路的主要特點(diǎn)
山區(qū)高速公路的主要特點(diǎn)是地形地質(zhì)復(fù)雜。地形復(fù)雜，表現(xiàn)為地面高差大，變化頻繁，橫坡陡；地質(zhì)復(fù)雜表現(xiàn)為巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣地層等不良地質(zhì)。受此影響，路線布設(shè)時平縱橫三個方面都受到約束，一般就是平曲線多，平面半徑小，縱坡大，橋梁比例高，橫坡陡，半邊橋和高擋墻多。山區(qū)高速公路橋梁也相應(yīng)具有上述特點(diǎn)，彎坡橋多，高墩大跨多，墩臺形式多，設(shè)計(jì)中必須協(xié)調(diào)解決好橋梁各細(xì)部構(gòu)造與地形地質(zhì)之間的關(guān)系。
2、橋梁與路基的關(guān)系
2.1橋梁跨越方案與高填方路基方案的比較山區(qū)高速公路橋梁很多不受水文控制而只受地形控制，因不宜采用路基方案而設(shè)置為高架橋，路橋設(shè)置界限問題，一直是難以把握的關(guān)鍵問題，也是影響公路造價的問題。路基規(guī)范強(qiáng)調(diào)，“路基中心填方高度超過20m時，宜和橋梁做方案比選。”，項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)作中，往往由于工期緊，或認(rèn)為橋梁跨越方案安全省事，就直接考慮橋梁方案。實(shí)際上，對于地質(zhì)情況較好，雖然填方中心高度為30m，但收斂較快的v型峽谷，且橋隧相連地段，為消化隧道廢方，考慮路基方案可能比橋梁方案更安全更經(jīng)濟(jì)，因?yàn)檫@樣的地形架橋，場地局促，難度大，橫縱坡陡，極易引發(fā)邊坡不穩(wěn)；而對于寬而平緩地段，雖然填方高度只是20m左右，但如果需跨標(biāo)段借方，且運(yùn)距遠(yuǎn)，填方基底還需花大量資金處理的路段，反而考慮橋梁方案可能更安全更經(jīng)濟(jì)。所以筆者認(rèn)為，山區(qū)高速公路路橋界限，不能一概而論，對于填土高度超過20m的路段，應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、前后構(gòu)造物、前后路段的廢方量、工程造價等進(jìn)行綜合比選后決定是否設(shè)置橋梁。不能圖快圖省事，直接考慮橋梁方案。
2.2半邊橋與擋墻的關(guān)系山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭，雖然可以通過設(shè)計(jì)為左右幅路基不一樣高的錯臺路基來處理，但有時由于左右幅路基橫向交通要求，需要設(shè)置轉(zhuǎn)向車道，錯臺式路基方案不易實(shí)現(xiàn)，這時就不可避免地會出現(xiàn)半邊橋。當(dāng)最低一側(cè)填土高度15m左右時，應(yīng)綜合地形、地質(zhì)將加筋擋墻，錨桿擋墻、棄土方案與半邊橋做綜合比較后決定是否設(shè)置橋梁。
3、結(jié)構(gòu)體系特性
為了保證行車舒適，結(jié)構(gòu)耐久適用，山區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)跨徑大中橋一般均采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系。全剛構(gòu)體系由于一座橋梁墩高相差較大，需通過調(diào)整橋墩的線剛度來改善橋墩受力，這樣一來，橋墩尺寸種類就比較多，美觀性降低，施工相對麻煩一些。全連續(xù)結(jié)構(gòu)聯(lián)長不能太長，舒適性差，墩臺水平位移較大，墩柱尺寸需設(shè)計(jì)的相對大一些，材料較費(fèi)。根據(jù)地形，將中間墩高較高，剛度相差不大的相鄰幾個橋墩固結(jié)起來，利用其柔性適應(yīng)橋墩所受的水平力，較矮的邊墩設(shè)置滑板支座或橡膠支座，形成連續(xù)梁。這樣的剛構(gòu)一連續(xù)體系，高墩、矮墩的受力性能都得到了改善，且適應(yīng)地形特點(diǎn)。
山區(qū)高速公路橋梁多為彎、坡橋，曲線梁橋在彎扭耦合作用下，具有沿某一不動點(diǎn)變形的趨勢，單向行駛的大縱坡長橋在長期反復(fù)的汽車制動力作用下，梁體具有沿汽車行駛方向滑移的趨勢，如果采用全連續(xù)結(jié)構(gòu)，即上下構(gòu)之間為橡膠支座連接時，這種滑移趨勢往往造成梁體受力不平衡，支座脫空甚至破壞，從而導(dǎo)致梁體開裂。因此山區(qū)高速公路橋梁宜采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系，既適應(yīng)平面線形，又適應(yīng)橋梁受力特點(diǎn)。
4、橋梁上部構(gòu)造設(shè)計(jì)
4.1一般設(shè)計(jì)原則山區(qū)高速公路，橋梁所占比重大，但一般來講，大跨徑橋梁方案畢竟是少數(shù)，絕大部分還是采用施工方便、造價經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配化結(jié)構(gòu)。大跨徑橋梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有較強(qiáng)的個性特征，而標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋則更多的是具有共性特征，所以本文重點(diǎn)探討標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化橋梁的設(shè)計(jì)。
山區(qū)高速公路橋梁常用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化跨徑有16、20、25、30、40、50m，橫斷面形式有空心板、t梁、小箱梁等。對于跨徑小于30m的，有空心板、小箱梁、t梁等三種結(jié)構(gòu)可以選擇，對于40、50m跨徑，根據(jù)梁的受力特點(diǎn)，宜采用t梁。30m以下，同一種跨徑，究竟應(yīng)當(dāng)采用哪一種橫斷面形式，通過表1，就可以作出選擇。
一孔上部構(gòu)造主要材料指標(biāo)表表1梁高跨徑橫斷面形式橋?qū)挘╟m）工作面積（㎡）混凝土（m3/㎡）綱絞線（kg/㎡）普通鋼筋（kg/㎡）數(shù)據(jù)來源90c㎡0空心板122400.54712.8484.49（贛粵高速）
100c㎡0小箱梁122400.3809.08267.85（京珠北）
120c㎡0t梁122400.3698.11285.24（三福線）
從表1可以看出，小箱梁是介于空心板和t梁之間的一種橫斷面形式。20米跨徑時，t梁較為經(jīng)濟(jì)。30m跨徑以下，三種橫斷面比較，基本也是上述規(guī)律。當(dāng)然，這是山區(qū)的情況，平原地區(qū)則另當(dāng)別論。平原地區(qū)受凈空和橋臺填土高度的限制，橋梁上構(gòu)要求盡可能降低建筑高度，這樣可以減小縱坡，降低路基填土高度，減少占地及降低路基處理難度，對土源缺乏，軟基較多的平原地區(qū)有顯著的經(jīng)濟(jì)性。20m空心板建筑高度最低，與路基綜合起來比較具有優(yōu)勢，平原地區(qū)路網(wǎng)發(fā)達(dá)，分離式立交較多，空心板在美觀方面優(yōu)于另外兩種斷面，所以平原地區(qū)較多采用空心板。山區(qū)高速公路橋梁一般凈空無嚴(yán)格限制，另外，山區(qū)高速公路平面半徑較小，超高緩和路段不可避免會出現(xiàn)在橋上，如果選用空心板和小箱梁，架梁時一片梁四個支點(diǎn)不易調(diào)平，易造成支座脫空，受力不均勻的情況，所以山區(qū)高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面宜優(yōu)先采用t梁。對于50m跨徑t梁，在小半徑平曲線上，由于內(nèi)外梁梁長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應(yīng)性要差一些。另外山區(qū)高速公路，交通運(yùn)輸、場地預(yù)制條件均較差，大型機(jī)具進(jìn)入困難，50mt梁單片重150多噸，架設(shè)設(shè)備要求較高，運(yùn)輸及安裝過程中變形不易控制，因此一般情況下不選用50m跨徑t梁，所以山區(qū)高速公路橋梁，宜采用的常用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20、25、30、40m.t梁之間的橫向連接有鉸結(jié)和剛接兩種形式，采用鉸聯(lián)結(jié)時，鉸只傳遞剪力，車輛荷載作用在鉸縫處時，彎矩主要由現(xiàn)澆橋面來承受，這樣一來，現(xiàn)澆橋面的厚度就必須加厚，否則，鉸縫處橋面板易出現(xiàn)通長的縱向裂縫?，F(xiàn)澆橋面板厚度增加，意味著恒載增加，t梁配筋和鋼索必須增加，經(jīng)濟(jì)性下降，所以t梁橫向連接采用剛接較好。《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（jtgd62—2004）9.3.16條也有相應(yīng)規(guī)定：“預(yù)制t形截面梁的橫隔梁連接，宜采用現(xiàn)澆混凝土整體連接”，當(dāng)然在斜交橋及異形橋中需要橫向弱聯(lián)結(jié)時，鉸結(jié)也是很好的選擇形式。
4.2具體橋梁設(shè)計(jì)具體到一座橋設(shè)計(jì)時，上部構(gòu)造設(shè)計(jì)要處理好兩個關(guān)系。
第一，處理好跨徑與墩高的關(guān)系?？鐝脚c墩高的關(guān)系按橋梁美學(xué)原則，一般應(yīng)選擇比值為0.618-1之間，通過經(jīng)濟(jì)比較，往往又是經(jīng)濟(jì)的，也就是說20m跨徑t梁適應(yīng)的墩高一般為12—20m，30m跨徑適應(yīng)的墩高一般為18-30m，40m跨徑適應(yīng)的墩高一般為24m-40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁，通常應(yīng)根據(jù)地形選擇一種跨徑，不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑，墩柱高度變化很大時，可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當(dāng)一座橋梁，有幾種跨徑方案可選擇時，應(yīng)結(jié)合上下構(gòu)做造價分析比較再做選擇。
第二，處理好上部構(gòu)造（板或梁）與平面曲線半徑的關(guān)系。橋位處平面曲線半徑對橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大，主要表現(xiàn)為兩個方面，第一是內(nèi)外弧差，第二是中矢高。墩臺徑向布置時，由于曲率半徑的影響，內(nèi)外梁梁長不等，半徑越小，內(nèi)外梁梁長差越大。解決此問題一般兩種途徑，一種是根據(jù)平面半徑變化梁長，另一種是不變梁長通過加大帽梁，加大封錨端或加長現(xiàn)澆連續(xù)段處理。第一種方法變化梁長，設(shè)計(jì)簡單，帽梁尺寸較小、規(guī)格統(tǒng)一，但一個標(biāo)段，如果有幾座橋處于不同的曲線半徑上時，預(yù)制梁長度種類就較多，頻繁調(diào)整模板雖不算很難，但每片梁都需要編號，堆放預(yù)制梁需要很大場地，這對“地?zé)o百米平”的山區(qū)確實(shí)是難以解決的問題，因此一般不采用變梁長方案。采用等梁長方案時，如果半徑較大，內(nèi)外梁梁長差不大，可以采用內(nèi)弧長等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置，如果半徑較小，可以采用半幅橋中線弧長等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置，這樣連續(xù)段長度一端比標(biāo)準(zhǔn)長度增加，一端減小。內(nèi)外弧差的問題解決后，還有中矢高的問題，一般中矢高10cm以內(nèi)，可以通過調(diào)整護(hù)墻內(nèi)緣使之適應(yīng)平面線形；半徑較小，中矢高大于10cm時，由于護(hù)墻一般為50cm寬，護(hù)墻調(diào)整太大外觀不美，護(hù)墻功能亦削減。此時亦有兩種解決辦法，一種是預(yù)制梁外緣按實(shí)際曲線預(yù)制，另一種是預(yù)制t梁邊梁時，將邊梁多預(yù)制一段長度，讓現(xiàn)澆橋面板和護(hù)墻來適應(yīng)平面線形。邊梁按實(shí)際曲線預(yù)制時，邊梁翼緣板由于兩側(cè)不等寬，剛度不等，施加預(yù)應(yīng)力時可能出現(xiàn)側(cè)向翹曲，且不同半徑外邊梁形狀不一樣，種類多施工較麻煩。第二種辦法雖然材料稍有浪費(fèi)，美觀性稍差，仍優(yōu)于前一種。
5、橋梁下部構(gòu)造設(shè)計(jì)
5.1橋墩高度較矮的橋墩（h＜40m）多采用柱式墩，y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制，且與樁基銜接方便，平原地區(qū)用的較多。但從美觀上來說，方柱有棱有角，與上構(gòu)梁體協(xié)調(diào)，有一定的視線誘導(dǎo)性，較美觀。從受力上看，截面積相等的方柱和圓柱，方柱抗彎剛度大于圓柱，受力優(yōu)于圓柱，當(dāng)體系為連續(xù)剛構(gòu)時，方柱可以方便地通過調(diào)整兩個方向的尺寸來調(diào)整墩柱的剛度，從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性，調(diào)整起來效果差一些。方柱的缺點(diǎn)是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接，增加了工程數(shù)量，并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡，增加柱帽構(gòu)造還會增加挖方工程量，引起邊坡不穩(wěn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形、上構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。
y型墩薄壁是獨(dú)柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復(fù)雜。墩高較矮時，其施工既復(fù)雜又不美觀所以少采用。當(dāng)墩高較高時y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一個支架，對于地面橫坡較陡，搭支架困難，模板需求量大的山區(qū)橋梁，y型薄壁墩具有顯著的優(yōu)勢。從預(yù)算定額中也可以看出，同高度的柱式墩與y型薄壁墩相比，y型薄壁墩的基價低。另外采用雙柱墩時，由于地面橫坡較陡，兩個墩柱高度經(jīng)常相差較大，由于線剛度ei/l差距大，導(dǎo)致一個墩兩個墩柱受力差異較大，采用y型薄壁墩，只一個墩柱，就避免了上述缺陷。也有人認(rèn)為，上部的y型承托節(jié)約材料并不多，卻施工麻煩，宜設(shè)計(jì)為實(shí)體，權(quán)衡施工進(jìn)度和質(zhì)量、安全和節(jié)省材料及美觀之間的關(guān)系，也未嘗不可。不管外形如何，墩高較高時，采用獨(dú)柱雙支座外部形狀y型的薄壁墩較為適宜。
5.2高墩一般矮橋墩的設(shè)計(jì)由強(qiáng)度控制，但當(dāng)墩高較高時，就必須得考慮橋墩的穩(wěn)定問題?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（jtgd62—2004）關(guān)于偏心受壓柱條文說明5.3.10條指出，“當(dāng)l0/h＞30時，構(gòu)件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。”l0為受壓柱的有效長度，在0.5～2倍墩高之間變化，究竟取值多少，與施工狀態(tài)、上構(gòu)重量、上構(gòu)和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關(guān)。大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)表明對于先簡支后剛構(gòu)（墩頂與上構(gòu)為鋼板焊接）和先簡支后連續(xù)（墩頂與上構(gòu)為橡膠支座連接）的多跨t梁橋來說，墩柱的有效長度l0=1.2～1.43l，l為墩柱高度，當(dāng)l=40m且采用矩形截面時，h≥1.2~1.43×40/30=1.6～1.907m，h=50m時h≥2～2.383m，當(dāng)墩厚大于2m時，實(shí)心矩形截面經(jīng)濟(jì)性降低，所以可以得出一個結(jié)論：墩柱為材料破壞時，采用實(shí)心矩形截面，其高度不宜超過50m.當(dāng)墩高大于50m時，宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩，墩高超過65m左右時順橋向應(yīng)考慮放坡，因?yàn)椴捎玫葘挸叽鐣r施工雖然方便，但為了保證橋墩的穩(wěn)定，墩柱和帽梁必將尺寸加大很多，這樣材料會浪費(fèi)較大。
5.3橋墩與路幅的關(guān)系山區(qū)高速公路有整體式路基，也有分離式路基。目前路線選線越來越強(qiáng)調(diào)減少占地，環(huán)保、與景觀協(xié)調(diào)的理念，除了中長隧道等設(shè)置分離式路基外，越來越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋，一般情況下下構(gòu)按分幅單獨(dú)設(shè)計(jì)，即雙幅四柱。對于高墩長橋，為了減少開挖，增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，節(jié)約材料，降低造價，整體式下構(gòu)即雙幅兩柱不失為一種較好的選擇。與雙幅四柱相比，在橋墩截面積及橫向?qū)挾认喈?dāng)?shù)那闆r下，整體式下構(gòu)橫向和縱向剛度是分幅設(shè)置的兩倍以上，除了可以減少開挖，節(jié)約材料、施工面少外，還能減少墩頂變位。當(dāng)然整體式下構(gòu)帽梁跨度較大，還須考慮車輛雙向行駛時扭矩影響，帽梁需設(shè)置的強(qiáng)大一些。一座橋究竟是采用整體式下構(gòu)還是分幅下構(gòu)，需結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。
5.4橋臺山區(qū)高速公路橋梁橋臺一般采用重力式u型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式u臺最常用，根據(jù)《墩臺與基礎(chǔ)》規(guī)定，u臺適應(yīng)的填土范圍為4-10m，所以u臺的高度最好以10m控制。山區(qū)橋梁u臺一個顯著特征就是橫向，縱向橫坡陡，為了適應(yīng)地形，減小開挖，節(jié)約圬工方量，u臺設(shè)計(jì)時必須根據(jù)地形合理分臺階。樁柱式橋臺由于抗推剛度小，當(dāng)聯(lián)長較長，臺后填土高度較高時不宜使用，一般臺后填土高度宜控制在5m以下，聯(lián)長宜控制在150米以內(nèi)。埋置式肋板臺適應(yīng)范圍廣一些，但也不宜太高，不宜超過12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭，往往不能設(shè)置錐坡，這時采用樁柱式或肋板臺會受到較大限制。當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況較差時，常常會出現(xiàn)u臺下設(shè)置樁基的情況。
5.5基礎(chǔ)山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎(chǔ)仍為為擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)。山區(qū)一般地質(zhì)情況較好，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的情況相對較多，且宜采用分離式擴(kuò)基礎(chǔ)。因?yàn)榉蛛x式擴(kuò)基礎(chǔ)適應(yīng)地形橫坡，承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)必須考慮基礎(chǔ)擴(kuò)散角和覆蓋層厚度以及施工時的相互影響。樁基礎(chǔ)多為嵌巖樁和柱樁，地質(zhì)情況較差地段采用摩擦樁。樁基礎(chǔ)不管受力形式如何，施工方法上多是挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價較節(jié)省，但設(shè)計(jì)中能否采用挖孔樁，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況具體分析，當(dāng)樁長較長；遇到流沙、軟弱夾層多，卵石、漂石等容易造成塌孔的地質(zhì)情況；地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時不宜設(shè)計(jì)為挖孔樁。
6、結(jié)束語
山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)有很多區(qū)別于平原橋梁的地方，也更有很多方面需要探討，本文只是拋磚引玉，結(jié)合設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問題，提出一些解決方法，不正確之處，敬請同行批評指正。
