山区高速公路桥梁设计探讨

2012-08-15徐咏梅

河南科技 2012年22期

徐咏梅

（河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南郑州市 4500522）

随着经济发展速度的加快，公路交通起到了重要作用，山区高速公路地形起伏大，受复杂地形条件限制，需修建大量构造物，桥隧比例高达70%～80%，甚至更高。桥梁方案的合理选择关系到一条山区高速公路设计成功与否。

1 山区桥梁设计原则

安全可靠：山区桥梁与平原区设计基本相同，但由于山区条件的特殊、变化大，相应要考虑强风荷载、雪荷载、冻胀力、水力对桥梁产生的不利的影响；对于受地形条件限制布设的高墩大跨结构，在保证上部结构满足规范要求的基础上，还应注意各墩刚度不宜相差过大，保证桥梁结构施工阶段、成桥运营阶段的稳定性。

使用舒适：山区桥梁在满足承载力的同时，还应尽量减少伸缩缝，加长连续段长度，同时还要充分考虑构件具有充足的刚度，以满足乘车舒适性的要求。

经济性好、施工养护容易：山岭地区地形起伏大，路线布设困难，桥梁结构物多，导致造价远远高于平原区高速公路，所以桥梁的设计要考虑其技术的可行性以及经济性指标是否达到最佳范围。山岭地区地形起伏复杂，施工场地布设十分困难，在有预制条件时，中小跨径桥梁尽量采用预制结构，大跨径桥梁由于施工场地受限，尽量采用现浇结构，在材料的选择上应缩短运距，就地取材。处在不良自然条件的桥梁必须具有良好的耐候性，而且便于养护管理。

造型优美与自然相协调：桥梁修建应避免对自然环境的破坏，尽量减少对自然界平衡的破坏，确保植被的恢复，在施工期间还应注意减少对河流的污染，使其降低到最小程度。

2 高架桥与高路堤的比较

山区由于地形起伏大，纵横坡陡，桥梁多受地形控制而不受水文控制设置为高架桥，山区高速公路通过“V”形谷地或“U”形山间平原时形成高路堤。高架桥最大优势在于能与山区特有的地形、地貌特征相融合，减少对自然环境的干扰与破坏，防洪抗灾能力也优于高路堤方案，但山区桥梁施工场地比较狭窄，材料和构件的运输较为困难；高路堤设计方案的最大优点在于能充分利用前后路段的挖余废方，减少弃方困难，但路堤方案占用土地多，在环境保护、自然景观等问题上也造成很大的破坏，此外高路堤的稳定性受基底地质条件、路堤填料性质影响较大，工程可靠度低。路基规范规定，“路基中心填方高度超过20m 时，宜结合路线方案与桥梁作方案比选。”，高架桥与高路堤方案的论证比选涉及面广，比选因素多，要从路线总体布局的角度审视方案是否合理，环境保护、自然景观、工程可靠度、工程造价等因素进行论证。

3 半边桥与挡墙的比较

山区高速公路路线不可避免的沿半坡布设，当地形横向陡峭时，处在半填半挖的路段非常多。对于中心填挖不高，但路基边缘填方很大，填方坡脚无法收敛的情况下，主要通过设置挡墙收缩坡脚和半边桥方案来处理。采用挡墙方案征地较多，运营阶段影响路基稳定性的因素较多，半边桥方案可以节约用地，降低工程风险，但造价较高。当最大填土高度15m 附近时，应结合地形、地物、地貌、工程地质等因素进行论证后确定。

4 桥梁结构体系

山岭地区山高谷深，地形复杂，坡陡流急，路线布设要么顺山沿水，要么横越山岭，山区桥梁不可避免的出现平面曲线半径小，纵、横坡大，桥长较长。为保证桥梁在运营使用阶段的安全、舒适、耐久性，桥梁多设计为预应力连续结构，预应力砼曲线连续梁桥的特点是弯扭耦合作用，在弯扭耦合作用下，曲线梁桥会沿着某一不动点变形；而对于大长纵坡桥梁，在汽车制动力频繁、反复作用下，上部结构具有沿着下坡方向滑移的趋势，而且梁体的下滑很难恢复。当桥梁上下构间采用支座连接时，梁体的错动将导致支座受力不平衡，甚至脱空、破坏，而采用墩梁固结的连续—刚构混合体系可避免这种情况引起的梁体开裂现象。当纵坡较大、墩高较高时，为防止梁体的纵向滑移，增强桥梁的整体刚度，联内取较高的中墩作墩梁固结。对于连续刚构桥，一联中主墩刚度相差较大，可通过边跨合拢前后加卸载、中跨合拢前顶推主梁的方法来调整墩身的受力。

5 桥梁上部结构

山区高速公路,桥梁所占比重大，种类繁多，几乎囊括了所有的桥型，从缩短设计周期、加快施工进度、节约工程造价来讲，多数宜采用预制结构。高墩大跨桥梁因地形、地质、地貌等不同，因此采用的方案也不尽相同，本文不在阐述，重点介绍预制装配式桥梁结构。

5.1 跨径选择

山区高速公路桥梁多采用标准跨径20、30、40m，从桥梁上、下部协调一致美观角度来讲，20m 跨径一般适用墩高25m 以下的桥梁，30m 跨径一般适用墩高40m 以下的桥梁，40m 跨径一般适用墩高40m 以上的桥梁，这样可以减少跨径的种类，以使设计、施工标准化。同一标段的结构物应尽量采用相同跨径，保证施工方便，节约造价。

部颁标准预制结构断面有T 梁、装配箱梁以及空心板。相同跨径，采用哪种横断面形式更合理，本文以路基宽24.5m 的桥梁进行比较。跨径20m 时，装配箱梁造价比空心板高10%左右，T 梁造价比空心板高20%左右。

本文还对跨径20m、30m、40m 的装配箱梁与T 梁进行对比，结果表明：同跨径T 梁的经济性均比箱梁略差，但两者造价相差不大，跨径20、30、40m 的T 梁比装配箱梁造价高10%～14% 。

装配箱梁的安装重量较大，运输、施工场地布设极其困难，后期维修养护困难，T 梁安装重量较轻，施工简单、便捷安全，对施工场地要求较低，曲线上横桥向可通过调整边梁外翼缘板长来适用曲线变化，先简支后结构连续的设置及施工较装配箱梁简单，可以更好的适应山区高速公路弯道多、半径小、桥墩高的特点。

对于净空受限制的通道、天桥等中小跨径桥梁可优先选用空心板，装配箱梁吊装重量大，经济性介于空心板和 T梁之间。

总之，高速公路桥梁跨径和断面的选择，应考虑路线平曲线对桥梁设计及施工的影响，同时考虑施工预制场地、模板、施工工艺和造价经济。

6 桥梁下部结构设计

6.1 桥墩

山区桥梁因地形条件的限制往往采用高桥墩，桥墩形式的选择多从桥梁的整体刚度和构件稳定性来考虑。桥墩的种类主要有柱式墩、薄壁墩及空心墩。

高度较矮的桥墩（h<40m）多采用施工方便、结构轻巧的圆柱桥墩，墩柱直径可以随墩高阶梯变化，既适应高墩受力特点，又节约工程造价。

对于矮桥墩，设计由强度控制，但当墩高较高时，设计应考虑其稳定性以及墩顶因活载或温度荷载产生过大水平位移对上部结构产生不利影响。根据桥梁设计规范，L0/h>30时，构件已由材料破坏变为失稳坡。当墩高大于40m 时，应考虑采用薄壁墩，对于空心薄壁墩应注意预留通气孔，已调节内外温差，改善受力性能。

6.2 桥台

山区桥梁桥台的设计往往受山区地形的限制，桥台型式的选择直接影响到两侧山体开挖和台前填土是否可以实施。桥台常用的型式有重力式U 型台、肋式台、桩柱式台。

位于倾角较大的山体斜坡上的桥台不宜采用台前设有填土锥坡的桥台类型，如肋板台，避免台前锥坡的不稳定性，只有在地形较为平缓的地段可以采用填土锥坡桥台，如桩柱式桥台；对边坡稳定性有十分的把握可采用U 型台，扩大基础外，一般应采用桩式桥台或组合式桥台较安全。根据《墩台与基础》规定，U台的高度宜控制在10m 以内，由于纵横坡较陡，根据地形、地质、地貌做成台阶状，节省台身材料数量。当山体较为平缓，填土高度小于5m 时，可以采用桩主式桥台。