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淺談山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計
隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國山區(qū)高速公路越來越多，地形地質(zhì)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)眾多。橋梁和隧道的總長度占線路長度的很大比例。在一些山區(qū)高速公路中，橋梁和隧道的比例高達(dá)70%-80%。因此，要成功設(shè)計山區(qū)高速公路，橋梁部分的設(shè)計非常重要。
1、山區(qū)公路的主要特點
山區(qū)高速公路的主要特點是地形地質(zhì)復(fù)雜。地形復(fù)雜，地面高差大，變化頻繁，橫坡陡；地質(zhì)復(fù)雜性表現(xiàn)為巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、氣層等不良地質(zhì)。受此影響，路線的布置受到三個方面的制約，即平曲線多、平面半徑小、縱坡大、橋梁比例高、橫坡陡、半橋多、擋土墻高。山區(qū)高速公路橋梁也具有上述特點，如彎坡橋梁多，高墩大跨多，墩臺形式多。在設(shè)計中，需要協(xié)調(diào)解決橋梁各細(xì)部結(jié)構(gòu)與地形、地質(zhì)的關(guān)系。
2.橋梁與路基的關(guān)系
2.1跨橋方案與高填方路基方案的比較
山區(qū)很多公路橋梁不受水文控制，只受地形控制。因為路基方案不合適，設(shè)置為高架橋。道路和橋梁之間的界限設(shè)置問題一直是一個難以把握的關(guān)鍵問題，也影響著公路的造價。路基規(guī)范強(qiáng)調(diào)“當(dāng)路基中心填土高度超過20m時，最好與橋梁進(jìn)行方案比選。”在工程的實際運行中，由于工期緊或認(rèn)為跨橋方案安全方便，往往直接考慮橋梁方案。事實上，對于地質(zhì)條件較好的V型峽谷，填筑中心高度30m但收斂較快，且橋梁與隧道相連的地方，為了消化隧道廢物，考慮路基方案可能比橋梁方案更安全、更經(jīng)濟(jì)，因為這種地形橋梁多，場地局促、難度大，橫縱坡陡，容易導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；對于寬緩段，雖然填筑高度只有20m左右，但如果需要穿越投標(biāo)段借款人，且運輸距離較長，填筑基地需要花費大量資金處理該段，則考慮橋梁方案可能更安全、更經(jīng)濟(jì)。因此，筆者認(rèn)為山區(qū)公路與橋梁的界限不能一概而論。對于填筑高度超過20m的路段，應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、前后結(jié)構(gòu)、前后路段垃圾量、工程造價等綜合比選后決定是否架橋。不能速戰(zhàn)速決，省事，直接考慮橋梁方案。
2.2半橋與擋土墻的關(guān)系
山區(qū)高速公路地形橫坡較陡，可通過設(shè)計左右路基高度不同的交錯路基進(jìn)行處理。但有時由于左右路基的橫向交通要求，需要設(shè)置轉(zhuǎn)彎車道，交錯路基方案不易實現(xiàn)，這時必然會出現(xiàn)半橋。當(dāng)最低側(cè)填土高度約為15m時，應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)綜合比較加筋擋土墻、錨桿擋土墻和棄土方案與半橋方案，再決定是否架橋。
3.結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特征
為了保證結(jié)構(gòu)的行車舒適性和耐久性，山區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)跨徑大中型橋梁一般采用先簡支后連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)剛構(gòu)混合體系。由于橋墩高度差異較大，全剛架體系需要調(diào)整橋墩的線性剛度來提高橋墩的應(yīng)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(xù)結(jié)構(gòu)長度不能太長，舒適度差，墩臺水平位移大，橋墩尺寸需要設(shè)計的比較大，材料昂貴。根據(jù)地形，將相鄰幾個中墩高、剛度差異不大的橋墩進(jìn)行加固，利用其柔性來適應(yīng)橋墩上的水平力。短邊墩設(shè)置滑板支座或橡膠支座，形成連續(xù)梁。采用這種剛架-連續(xù)體系，高墩和低墩的力學(xué)性能得到了改善，并適應(yīng)了地形特點。
山區(qū)公路橋梁多為彎坡橋。曲線梁橋在彎曲和扭轉(zhuǎn)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梁，在長期反復(fù)的汽車制動力作用下，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)，即上下結(jié)構(gòu)用橡膠支座連接時，這種滑動傾向往往會造成橫梁受力不平衡，支座脫落甚至損壞，導(dǎo)致橫梁開裂。因此，山區(qū)公路橋梁應(yīng)采用先簡支后連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)-剛架混合體系，既適合平面線形又適合橋梁受力特點。
4.橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1一般設(shè)計原則
橋梁在山區(qū)高速公路中占很大比例，但總的來說，大跨度橋梁畢竟少，大多采用標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制結(jié)構(gòu)，施工方便，成本經(jīng)濟(jì)。大跨度橋梁一般具有不同的控制因素、不同的方案和強(qiáng)烈的個性特征，而標(biāo)準(zhǔn)跨度橋梁具有更多的共性特征，因此本文重點研究標(biāo)準(zhǔn)化拼裝橋梁的設(shè)計。
山區(qū)公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)化拼裝跨徑分別為16、20、25、30、40、50m，截面為空心板、T梁、小箱梁�？缍刃∮�30m的，有三種結(jié)構(gòu)可供選擇:空心板、小箱梁、T梁。跨度為40和50m時，應(yīng)根據(jù)梁的受力特點采用丁字梁。30m以下，相同跨度，應(yīng)采用何種截面形式，可通過表1選擇。
一孔上部結(jié)構(gòu)主要材料指標(biāo)表1
梁高跨截面形式的橋?qū)?/p>
(cm)工作面積(m2)混凝土
(m3/m2)絞合線
(kg/m2)普通鋼筋(kg/m2)數(shù)據(jù)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梁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(dāng)跨度為20米時，丁字梁更經(jīng)濟(jì)。30m跨度以下，三個截面的對比基本遵循上述規(guī)律。當(dāng)然，山區(qū)是這樣，平原地區(qū)就另當(dāng)別論了。在平原地區(qū)，由于凈空和橋臺填土高度的限制，橋梁上部結(jié)構(gòu)要求盡可能降低建筑高度，這樣可以降低縱坡、路基填土高度、占地和路基處理難度。20m空心板的建筑高度最低，與路基相比具有優(yōu)勢。平原地區(qū)路網(wǎng)發(fā)達(dá)，分離式立交較多。空心板在美觀上優(yōu)于其他兩種截面，因此空心板在平原地區(qū)使用較多。山區(qū)高速公路橋梁的凈空一般沒有嚴(yán)格的限制。另外，山區(qū)高速公路平面半徑小，橋上必然會出現(xiàn)超高緩和段。如果采用空心板和小箱梁，架設(shè)主梁時很難將一根梁的四個支點調(diào)平，容易導(dǎo)致支座脫空和受力不均。因此，山區(qū)高速公路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)截面應(yīng)首選丁字梁。對于50米跨度的丁字梁，在小半徑水平曲線上，由于內(nèi)外梁長度差異大，跨中上升大，對路線的適應(yīng)性較差。此外，山區(qū)高速公路運輸和現(xiàn)場預(yù)制條件差，大型機(jī)具難以進(jìn)入。50mt梁單件重量超過150噸，對架設(shè)設(shè)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梁。因此，山區(qū)高速公路橋梁常用的標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20、25、30、40m。T梁之間的橫向連接有鉸鏈連接和剛性連接兩種形式。采用鉸鏈連接時，鉸鏈只傳遞剪力。當(dāng)車輛荷載作用在鉸縫上時，彎矩主要由現(xiàn)澆橋面承擔(dān)，因此現(xiàn)澆橋面的厚度必須加厚，否則鉸縫處的橋面容易出現(xiàn)縱向長裂縫。隨著現(xiàn)澆橋面厚度的增加，意味著恒載增加，T梁的鋼筋和鋼索必須增加，經(jīng)濟(jì)性降低，所以T梁橫向連接宜采用剛性連接�！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTGD 62-XX)第9.3.16條還規(guī)定“預(yù)制T形截面梁的橫隔梁的連接應(yīng)與現(xiàn)澆混凝土整體連接”。當(dāng)然，當(dāng)斜交橋梁和異形橋梁需要橫向弱連接時，鉸縫也是一種很好的選擇。
4.2混凝土橋梁設(shè)計
設(shè)計橋梁時，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)處理好兩個關(guān)系。
首先處理好跨度和墩高的關(guān)系。根據(jù)橋梁美學(xué)原理，跨徑與墩高之比為0.618-1，通過經(jīng)濟(jì)比較往往是經(jīng)濟(jì)的，也就是說20m跨徑的T梁墩高一般為12-20m，30m跨徑一般為18-30m，40m跨徑一般為24m—40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁，通常需要根據(jù)地形選擇跨度，根據(jù)墩高頻繁改變跨度是不合適的。當(dāng)墩高變化較大時，可采用20m與30m或30m與40m的組合跨度。當(dāng)一座橋梁有幾個跨度方案可供選擇時，在做出選擇之前，應(yīng)與上下結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和比較。
二、處理上部結(jié)構(gòu)(板或梁)與平面曲線半徑的關(guān)系。橋位平曲線半徑對橋跨選擇和平面布置影響很大，主要表現(xiàn)在兩個方面:一是內(nèi)外弧差，二是中間隆起。墩臺呈放射狀布置時，由于曲率半徑的影響，內(nèi)外梁的長度不同，半徑越小，內(nèi)外梁的差異越大。解決這個問題一般有兩種方法，一種是根據(jù)平面半徑改變梁長，另一種是在不改變梁長的情況下，增加蓋梁、增加錨固端或加長現(xiàn)澆連續(xù)截面。第一種方法改變梁長，設(shè)計簡單，帽梁尺寸小，規(guī)格統(tǒng)一。但是，如果在一個標(biāo)段的不同曲線半徑上有幾座橋梁，那么預(yù)制梁的長度就有很多種。雖然經(jīng)常調(diào)整模板并不困難，但是每根梁都需要編號，堆放預(yù)制梁需要很大的空間。這在土地不是100米平地的山區(qū)確實是一個很難解決的問題，所以一般不采用改變梁長的方案。采用等梁長方案時，如果半徑大，內(nèi)外梁差小，則內(nèi)弧長等于標(biāo)準(zhǔn)跨度布置；如果半徑較小，則半橋中心線的弧長等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置，這樣，連續(xù)截面長度的一端增大，而另一端減小。內(nèi)外弧差問題解決后，還有中間矢高問題，一般在10cm以內(nèi)，通過調(diào)整擋土墻內(nèi)緣可以適應(yīng)平面線形；半徑小，矢量高度大于10cm時，由于擋墻一般為50cm寬，擋墻調(diào)整過大，外觀不美觀，擋墻功能也降低。此時也有兩種解決辦法，一種是按實際曲線預(yù)制預(yù)制預(yù)制梁外緣，另一種是在預(yù)制T梁邊梁時預(yù)制較長長度的邊梁，使現(xiàn)澆橋面和擋土墻適應(yīng)平面線形。邊梁按實際曲線預(yù)制時，邊梁翼緣板在預(yù)應(yīng)力時可能橫向翹曲，不同半徑的外梁形狀也不一樣，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(yōu)于前一種方法。
5.橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的外觀質(zhì)量易于控制，便于與樁基連接，在平原地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。但在審美上，方柱有棱角，與上層建筑協(xié)調(diào)，有一定的視線感應(yīng)，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(dāng)系統(tǒng)為連續(xù)剛架時，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。圓柱體各向同性，所以調(diào)節(jié)效果更差。方柱的缺點是墩柱和樁基需要通過承臺連接，增加了工程數(shù)量。而且山橋的橫坡比較陡。增加承臺結(jié)構(gòu)也會增加開挖量，造成邊坡失穩(wěn)。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)地形、上部結(jié)構(gòu)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，但施工略復(fù)雜。當(dāng)橋墩高度較低時，其施工復(fù)雜且不美觀，因此很少使用。當(dāng)墩高較高時，Y形薄壁墩施工只需一套模板和一個支撐。y形薄壁墩對于橫坡陡、支撐困難、模板需求量大的山橋有明顯的優(yōu)勢。從預(yù)算定額中也可以看出，Y形薄壁墩的基價低于同高度的Y形薄壁墩。另外，采用雙柱墩時，由于地面橫坡較陡，兩個墩的高度往往相差較大，一個墩的兩個墩的應(yīng)力差由于線剛度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(rèn)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(shè)計，權(quán)衡施工進(jìn)度與質(zhì)量、安全、節(jié)材、美觀的關(guān)系也不無道理。無論形狀如何，當(dāng)墩高較高時，宜采用單柱雙支撐的Y形薄壁墩。
5.2高墩
一般來說，短墩的設(shè)計受強(qiáng)度控制，但當(dāng)墩高較高時，必須考慮墩的穩(wěn)定性。《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTGD 62-XX)關(guān)于偏心受壓柱的第5.3.10條指出“當(dāng)L0/h > 30時，構(gòu)件由材料破壞變?yōu)槭Х�(wěn)破壞�！盠0為受壓柱的有效長度，為墩高的0.5-2倍。該值與施工狀態(tài)、上部結(jié)構(gòu)重量、上部結(jié)構(gòu)和橋墩連接方式有關(guān)，即橋墩的支撐剛度。大量計算試驗表明，對于先簡支后剛架(墩頂與上部結(jié)構(gòu)用鋼板焊接)先簡支后連續(xù)(墩頂與上部結(jié)構(gòu)用橡膠支座連接)的多跨T梁橋，墩的有效長度l0=1.2~1.43l，L為墩高，當(dāng)l=40m且采用矩形截面時，H ≥ 1.2 ~ 1.43× 40/30當(dāng)墩厚大于2m時，實心矩形截面的經(jīng)濟(jì)性會降低，因此可以得出結(jié)論:當(dāng)墩柱被材料破壞時，應(yīng)采用實心矩形截面，其高度不應(yīng)超過50m。當(dāng)墩高大于50m時，宜采用空心薄壁墩段。使用空心薄壁墩時，當(dāng)墩高超過65m左右時，應(yīng)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(wěn)定性，墩柱和蓋梁的尺寸會大大增大，導(dǎo)致材料的極大浪費。
5.3橋墩與道路寬度的關(guān)系
山區(qū)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占用、環(huán)境保護(hù)和與景觀協(xié)調(diào)的概念。中長隧道除了設(shè)置獨立路基外，越來越多的采用整體路基。整體路基的雙跨橋梁結(jié)構(gòu)一般采用分幅設(shè)計，即雙跨四柱。對于高墩長橋，為了減少開挖，提高邊坡穩(wěn)定性，節(jié)省材料，降低成本，整體式下部結(jié)構(gòu)，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?qū)挾认嗟鹊那闆r下，整體式下部結(jié)構(gòu)的橫向和縱向剛度是分跨結(jié)構(gòu)的兩倍以上，不僅可以減少開挖，節(jié)省材料，而且可以減少墩頂位移。當(dāng)然整體式結(jié)構(gòu)下蓋梁跨度較大，要考慮車輛雙向行駛的扭矩影響，所以蓋梁要設(shè)置的更強(qiáng)。橋梁采用整體式下部結(jié)構(gòu)還是子框架式下部結(jié)構(gòu)，應(yīng)結(jié)合橋址地形、地質(zhì)、水文、墩高等多種因素綜合考慮。
5.4橋臺
山區(qū)高速公路的橋臺一般采用重力式U形橋臺、肋板式橋臺和樁式橋臺。其中最常用的是重力式U型平臺。根據(jù)墩臺和基礎(chǔ)的規(guī)定，U平臺的適宜填筑范圍為4-10m，因此U平臺高度最好控制10m。山橋U型橋臺的一個顯著特點是橫坡和縱坡都很陡。為了適應(yīng)地形，減少開挖，節(jié)省砌體，U型橋臺必須根據(jù)地形設(shè)計合理的臺階。由于樁式橋臺抗推剛度較小，不宜在接頭長度較長、橋臺后填土高度較高時使用。橋臺后填土高度一般控制在5m以下，接縫長度控制在150m以內(nèi)。嵌入式密肋壁板平臺應(yīng)用范圍較廣，但不宜過高，不宜超過12m。由于山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭，往往無法設(shè)置錐形邊坡，樁式或肋板式平臺的采用將受到很大限制。在地質(zhì)條件較差的情況下，往往會出現(xiàn)U型臺下設(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)仍然是膨脹基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)。山區(qū)一般地質(zhì)條件較好，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的情況相對較多，宜采用分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)。由于分離式膨脹基礎(chǔ)適用于地形跨坡，承載力也能滿足要求。擴(kuò)底和斜坡樁基必須考慮基礎(chǔ)擴(kuò)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(zhì)條件較差的地區(qū)采用摩擦樁。無論樁基受力形式如何，施工方法多為挖孔樁和鉆孔灌注樁。挖孔樁的造價比較經(jīng)濟(jì)，但設(shè)計中是否可以采用挖孔樁，要根據(jù)地質(zhì)條件詳細(xì)分析，當(dāng)樁長較長時；流沙、多軟弱夾層、卵石、巨礫等地質(zhì)條件。，容易造成塌孔；當(dāng)?shù)叵滤惠^高，地層含有氣體、瓦斯等有害氣體時，不宜設(shè)計挖孔樁。
6.結(jié)束語
山區(qū)高速公路的橋梁設(shè)計與平原橋梁有許多不同之處，有許多方面需要探討。本文僅介紹設(shè)計中遇到的一些實際問題，并提出一些解決方法。請批評指正不準(zhǔn)確之處。
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