淺談山區高速公路橋樑設計

隨着我國經濟建設的發展，特別是西部大開發戰略的實施，我國山區高速公路越來越多，地形地質複雜，結構眾多。橋樑和隧道的總長度佔線路長度的很大比例。在一些山區高速公路中，橋樑和隧道的比例高達70%-80%。因此，要成功設計山區高速公路，橋樑部分的設計非常重要。

1、山區公路的主要特點

山區高速公路的主要特點是地形地質複雜。地形複雜，地面高差大，變化頻繁，橫坡陡；地質複雜性表現為巖溶、滑坡、不穩定斜坡、崩塌、陡崖、氣層等不良地質。受此影響，路線的佈置受到三個方面的制約，即平曲線多、平面半徑小、縱坡大、橋樑比例高、橫坡陡、半橋多、擋土牆高。山區高速公路橋樑也具有上述特點，如彎坡橋樑多，高墩大跨多，墩台形式多。在設計中，需要協調解決橋樑各細部結構與地形、地質的關係。

2.橋樑與路基的關係

2.1跨橋方案與高填方路基方案的比較

山區很多公路橋樑不受水文控制，只受地形控制。因為路基方案不合適，設置為高架橋。道路和橋樑之間的界限設置問題一直是一個難以把握的關鍵問題，也影響着公路的造價。路基規範強調“當路基中心填土高度超過20m時，最好與橋樑進行方案比選。”在工程的實際運行中，由於工期緊或認為跨橋方案安全方便，往往直接考慮橋樑方案。事實上，對於地質條件較好的V型峽谷，填築中心高度30m但收斂較快，且橋樑與隧道相連的地方，為了消化隧道廢物，考慮路基方案可能比橋樑方案更安全、更經濟，因為這種地形橋樑多，場地侷促、難度大，橫縱坡陡，容易導致邊坡失穩；對於寬緩段，雖然填築高度只有20m左右，但如果需要穿越投標段借款人，且運輸距離較長，填築基地需要花費大量資金處理該段，則考慮橋樑方案可能更安全、更經濟。因此，筆者認為山區公路與橋樑的界限不能一概而論。對於填築高度超過20m的路段，應根據地形、地質、前後結構、前後路段垃圾量、工程造價等綜合比選後決定是否架橋。不能速戰速決，省事，直接考慮橋樑方案。

2.2半橋與擋土牆的關係

山區高速公路地形橫坡較陡，可通過設計左右路基高度不同的交錯路基進行處理。但有時由於左右路基的橫向交通要求，需要設置轉彎車道，交錯路基方案不易實現，這時必然會出現半橋。當最低側填土高度約為15m時，應根據地形地質綜合比較加筋擋土牆、錨杆擋土牆和棄土方案與半橋方案，再決定是否架橋。

3.結構系統特徵

為了保證結構的行車舒適性和耐久性，山區高速公路標準跨徑大中型橋樑一般採用先簡支後連續或墩樑固結的連續剛構混合體系。由於橋墩高度差異較大，全剛架體系需要調整橋墩的線性剛度來提高橋墩的應力。因此，橋墩尺寸的類型很多，美觀性降低，施工相對麻煩。全連續結構長度不能太長，舒適度差，墩台水平位移大，橋墩尺寸需要設計的比較大，材料昂貴。根據地形，將相鄰幾個中墩高、剛度差異不大的橋墩進行加固，利用其柔性來適應橋墩上的水平力。短邊墩設置滑板支座或橡膠支座，形成連續樑。採用這種剛架-連續體系，高墩和低墩的力學性能得到了改善，並適應了地形特點。

山區公路橋樑多為彎坡橋。曲線樑橋在彎曲和扭轉的耦合作用下，有沿固定點變形的趨勢。單向行駛的大縱坡長橋樑，在長期反覆的汽車制動力作用下，有沿汽車行駛方向滑移的趨勢。如果採用全連續結構，即上下結構用橡膠支座連接時，這種滑動傾向往往會造成橫樑受力不平衡，支座脱落甚至損壞，導致橫樑開裂。因此，山區公路橋樑應採用先簡支後連續或墩樑固結的連續-剛架混合體系，既適合平面線形又適合橋樑受力特點。

4.橋樑上部結構設計

4.1一般設計原則

橋樑在山區高速公路中佔很大比例，但總的來説，大跨度橋樑畢竟少，大多采用標準化預製結構，施工方便，成本經濟。大跨度橋樑一般具有不同的控制因素、不同的方案和強烈的個性特徵，而標準跨度橋樑具有更多的共性特徵，因此本文重點研究標準化拼裝橋樑的設計。

山區公路橋樑標準化拼裝跨徑分別為16、20、25、30、40、50m，截面為空心板、T樑、小箱梁。跨度小於30m的，有三種結構可供選擇:空心板、小箱梁、T樑。跨度為40和50m時，應根據樑的受力特點採用丁字梁。30m以下，相同跨度，應採用何種截面形式，可通過表1選擇。

一孔上部結構主要材料指標表1

樑高跨截面形式的橋寬

(cm)工作面積(m2)混凝土

(m3/m2)絞合線

(kg/m2)普通鋼筋(kg/m2)數據來源

90cm20空心板122400.54712.8484.49(贛粵高速)

100cm20小箱梁122400.3809.08267.85(京珠北)

120cm20t樑122400.3698.11285.24(三福線)

從表1可以看出，小箱梁是空心板和丁字梁之間的截面形式。當跨度為20米時，丁字梁更經濟。30m跨度以下，三個截面的對比基本遵循上述規律。當然，山區是這樣，平原地區就另當別論了。在平原地區，由於淨空和橋台填土高度的限制，橋樑上部結構要求儘可能降低建築高度，這樣可以降低縱坡、路基填土高度、佔地和路基處理難度。20m空心板的建築高度最低，與路基相比具有優勢。平原地區路網發達，分離式立交較多。空心板在美觀上優於其他兩種截面，因此空心板在平原地區使用較多。山區高速公路橋樑的淨空一般沒有嚴格的限制。另外，山區高速公路平面半徑小，橋上必然會出現超高緩和段。如果採用空心板和小箱梁，架設主樑時很難將一根樑的四個支點調平，容易導致支座脱空和受力不均。因此，山區高速公路橋樑的標準截面應首選丁字梁。對於50米跨度的丁字梁，在小半徑水平曲線上，由於內外樑長度差異大，跨中上升大，對路線的適應性較差。此外，山區高速公路運輸和現場預製條件差，大型機具難以進入。50mt樑單件重量超過150噸，對架設設備要求高，運輸和安裝過程中變形難以控制。所以一般不使用50m跨度的T樑。因此，山區高速公路橋樑常用的標準跨徑為20、25、30、40m。T樑之間的橫向連接有鉸鏈連接和剛性連接兩種形式。採用鉸鏈連接時，鉸鏈只傳遞剪力。當車輛荷載作用在鉸縫上時，彎矩主要由現澆橋面承擔，因此現澆橋面的厚度必須加厚，否則鉸縫處的橋面容易出現縱向長裂縫。隨着現澆橋面厚度的增加，意味着恆載增加，T樑的鋼筋和鋼索必須增加，經濟性降低，所以T樑橫向連接宜採用剛性連接。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》(JTGD 62-XX)第9.3.16條還規定“預製T形截面樑的橫隔樑的連接應與現澆混凝土整體連接”。當然，當斜交橋樑和異形橋樑需要橫向弱連接時，鉸縫也是一種很好的選擇。

4.2混凝土橋樑設計

設計橋樑時，上部結構設計應處理好兩個關係。

首先處理好跨度和墩高的關係。根據橋樑美學原理，跨徑與墩高之比為0.618-1，通過經濟比較往往是經濟的，也就是説20m跨徑的T樑墩高一般為12-20m，30m跨徑一般為18-30m，40m跨徑一般為24m—40m。山區高速公路地形起伏變化頻繁，通常需要根據地形選擇跨度，根據墩高頻繁改變跨度是不合適的。當墩高變化較大時，可採用20m與30m或30m與40m的組合跨度。當一座橋樑有幾個跨度方案可供選擇時，在做出選擇之前，應與上下結構進行分析和比較。

二、處理上部結構(板或樑)與平面曲線半徑的關係。橋位平曲線半徑對橋跨選擇和平面佈置影響很大，主要表現在兩個方面:一是內外弧差，二是中間隆起。墩台呈放射狀佈置時，由於曲率半徑的影響，內外樑的長度不同，半徑越小，內外樑的差異越大。解決這個問題一般有兩種方法，一種是根據平面半徑改變樑長，另一種是在不改變樑長的情況下，增加蓋樑、增加錨固端或加長現澆連續截面。第一種方法改變樑長，設計簡單，帽樑尺寸小，規格統一。但是，如果在一個標段的不同曲線半徑上有幾座橋樑，那麼預製樑的長度就有很多種。雖然經常調整模板並不困難，但是每根樑都需要編號，堆放預製樑需要很大的空間。這在土地不是100米平地的山區確實是一個很難解決的問題，所以一般不採用改變樑長的方案。採用等樑長方案時，如果半徑大，內外樑差小，則內弧長等於標準跨度佈置；如果半徑較小，則半橋中心線的弧長等於標準跨徑佈置，這樣，連續截面長度的一端增大，而另一端減小。內外弧差問題解決後，還有中間矢高問題，一般在10cm以內，通過調整擋土牆內緣可以適應平面線形；半徑小，矢量高度大於10cm時，由於擋牆一般為50cm寬，擋牆調整過大，外觀不美觀，擋牆功能也降低。此時也有兩種解決辦法，一種是按實際曲線預製預製預製樑外緣，另一種是在預製T樑邊樑時預製較長長度的邊樑，使現澆橋面和擋土牆適應平面線形。邊樑按實際曲線預製時，邊樑翼緣板在預應力時可能橫向翹曲，不同半徑的外樑形狀也不一樣，施工起來比較麻煩。第二種方法雖然材料稍有浪費，美觀稍差，但仍優於前一種方法。

5.橋樑下部結構設計

5.1碼頭

短墩(h < 40m)多采用柱式墩和Y形薄壁墩，其中柱式墩最常用。柱式橋墩分為柱式和方柱式。圓柱形結構的外觀質量易於控制，便於與樁基連接，在平原地區得到廣泛應用。但在審美上，方柱有稜角，與上層建築協調，有一定的視線感應，更美觀。從受力來看，方柱和等截面的柱比柱的抗彎剛度更大，受力更好。當系統為連續剛架時，方柱可以方便地通過調整兩個方向的尺寸來調整墩柱的剛度，從而達到調整墩柱受力的目的。圓柱體各向同性，所以調節效果更差。方柱的缺點是墩柱和樁基需要通過承台連接，增加了工程數量。而且山橋的橫坡比較陡。增加承台結構也會增加開挖量，造成邊坡失穩。設計時應根據地形、上部結構和墩高選擇方柱或圓柱。

y形墩薄壁為單柱雙支撐墩型，美觀性好，但施工略複雜。當橋墩高度較低時，其施工複雜且不美觀，因此很少使用。當墩高較高時，Y形薄壁墩施工只需一套模板和一個支撐。y形薄壁墩對於橫坡陡、支撐困難、模板需求量大的山橋有明顯的優勢。從預算定額中也可以看出，Y形薄壁墩的基價低於同高度的Y形薄壁墩。另外，採用雙柱墩時，由於地面橫坡較陡，兩個墩的高度往往相差較大，一個墩的兩個墩的應力差由於線剛度ei/L相差較大而相差較大，只有一個墩的Y形薄壁墩可以避免上述缺陷。有人認為上部的Y型支座不省多少材料，但施工麻煩，所以要作為一個實體來設計，權衡施工進度與質量、安全、節材、美觀的關係也不無道理。無論形狀如何，當墩高較高時，宜採用單柱雙支撐的Y形薄壁墩。

5.2高墩

一般來説，短墩的設計受強度控制，但當墩高較高時，必須考慮墩的穩定性。《公路鋼筋混凝土和預應力混凝土橋涵設計規範》(JTGD 62-XX)關於偏心受壓柱的第5.3.10條指出“當L0/h > 30時，構件由材料破壞變為失穩破壞。”L0為受壓柱的有效長度，為墩高的0.5-2倍。該值與施工狀態、上部結構重量、上部結構和橋墩連接方式有關，即橋墩的支撐剛度。大量計算試驗表明，對於先簡支後剛架(墩頂與上部結構用鋼板焊接)先簡支後連續(墩頂與上部結構用橡膠支座連接)的多跨T樑橋，墩的有效長度l0=1.2~1.43l，L為墩高，當l=40m且採用矩形截面時，H ≥ 1.2 ~ 1.43× 40/30當墩厚大於2m時，實心矩形截面的經濟性會降低，因此可以得出結論:當墩柱被材料破壞時，應採用實心矩形截面，其高度不應超過50m。當墩高大於50m時，宜採用空心薄壁墩段。使用空心薄壁墩時，當墩高超過65m左右時，應考慮沿橋向傾斜，因為等寬尺寸施工方便，但為了保證墩的穩定性，墩柱和蓋樑的尺寸會大大增大，導致材料的極大浪費。

5.3橋墩與道路寬度的關係

山區高速公路有整體路基和分離式路基。目前，人們越來越重視減少土地佔用、環境保護和與景觀協調的概念。中長隧道除了設置獨立路基外，越來越多的採用整體路基。整體路基的雙跨橋樑結構一般採用分幅設計，即雙跨四柱。對於高墩長橋，為了減少開挖，提高邊坡穩定性，節省材料，降低成本，整體式下部結構，即雙框架雙柱是一種較好的選擇。與雙跨四柱相比，在橋墩截面積和橫向寬度相等的情況下，整體式下部結構的橫向和縱向剛度是分跨結構的兩倍以上，不僅可以減少開挖，節省材料，而且可以減少墩頂位移。當然整體式結構下蓋樑跨度較大，要考慮車輛雙向行駛的扭矩影響，所以蓋樑要設置的更強。橋樑採用整體式下部結構還是子框架式下部結構，應結合橋址地形、地質、水文、墩高等多種因素綜合考慮。

5.4橋台

山區高速公路的橋台一般採用重力式U形橋台、肋板式橋台和樁式橋台。其中最常用的是重力式U型平台。根據墩台和基礎的規定，U平台的適宜填築範圍為4-10m，因此U平台高度最好控制10m。山橋U型橋台的一個顯著特點是橫坡和縱坡都很陡。為了適應地形，減少開挖，節省砌體，U型橋台必須根據地形設計合理的台階。由於樁式橋台抗推剛度較小，不宜在接頭長度較長、橋台後填土高度較高時使用。橋台後填土高度一般控制在5m以下，接縫長度控制在150m以內。嵌入式密肋壁板平台應用範圍較廣，但不宜過高，不宜超過12m。由於山區高速公路橋樑縱向地形陡峭，往往無法設置錐形邊坡，樁式或肋板式平台的採用將受到很大限制。在地質條件較差的情況下，往往會出現U型台下設置樁基的情況。

5.5基礎

山區高速公路橋樑最常用的基礎仍然是膨脹基礎和樁基礎。山區一般地質條件較好，採用擴大基礎的情況相對較多，宜採用分離式擴大基礎。由於分離式膨脹基礎適用於地形跨坡，承載力也能滿足要求。擴底和斜坡樁基必須考慮基礎擴散角、覆蓋層厚度以及施工過程中的相互影響。樁基多為嵌巖樁和柱樁，地質條件較差的地區採用摩擦樁。無論樁基受力形式如何，施工方法多為挖孔樁和鑽孔灌注樁。挖孔樁的造價比較經濟，但設計中是否可以採用挖孔樁，要根據地質條件詳細分析，當樁長較長時；流沙、多軟弱夾層、卵石、巨礫等地質條件。，容易造成塌孔；當地下水位較高，地層含有氣體、瓦斯等有害氣體時，不宜設計挖孔樁。

6.結束語

山區高速公路的橋樑設計與平原橋樑有許多不同之處，有許多方面需要探討。本文僅介紹設計中遇到的一些實際問題，並提出一些解決方法。請批評指正不準確之處。