山区高速公路桥梁结构型式选择研究

宫玉明，徐百成，唐兴哲

（中交第一公路勘察设计研究院，陕西 西安 710068）

1 工程概况

神木至府谷高速公路（以下简称“神府高速”）位于毛乌素沙漠至黄土高原过渡地带的东南部，采用双向六车道高速公路标准，设计速度为80km/h，路基宽度为32m，采用公路－Ⅰ级荷载。路线总长为56.036km，共设桥梁78座，桥梁总长为20.1km。

神府高速大部分路段位于黄土梁峁沟壑区，地面起伏大，河谷梁窄沟深，地形破碎，冲沟发育，形态多呈树枝状。地表以黄土为主，厚度大、承载力较低。下伏基岩的强风化层厚度薄，承载力较低，中风化砂岩、泥质砂岩厚度大，分布较均匀，承载力较高。泥岩、砂质泥岩厚度不大，分布不均匀，呈薄层或夹层分布，承载力较低，遇水易软化。

2 桥梁上部结构型式选择

根据沿线地形、地质、水文等情况，结合以往的设计经验，神府高速常规桥梁上部结构采用标准跨径的预制拼装结构。

目前国内山岭重丘区高速公路上广泛采用先简支后连续装配式预应力混凝土箱梁、先简支后连续装配式预应力混凝土T梁、先简支后连续装配式预应力混凝土空心板和简支桥面连续装配式预应力混凝土空心板四种预制拼装结构。本文针对上述结构型式，从主要经济指标、结构性能、施工工艺等方面进行比较分析。

2.1 上部主要经济指标比较

标准跨径预制拼装桥梁上部结构主要材料指标见表1。

表1 桥梁上部结构主要材料指标对比表

分析表中数据，结论如下：

b）相同跨径的预制箱梁基价较预制T梁低20%～27.9%；

c）单片预制T梁施工吊装重量均较相同跨径预制箱梁轻12%～15%。

2.2 上部结构性能和施工工艺比较

比较上部结构的性能和施工工艺，结论如下：

a）先张法空心板施工工艺成熟、施工快捷，但需要制作张拉平台且结构非连续，影响行车的舒适性，高速公路的大桥不宜采用非连续结构的桥型方案；

b）后张法空心板具有施工便捷、建筑高度小、外形美观、结构连续的优点，但受结构尺寸限制，张拉工艺要求较高；

c）预制箱梁具有施工工艺成熟、外型美观、结构整体刚度大、施工稳定性好的优点，并且梁片数少，安装便捷；

（四）强化生态环境保护能力保障体系。增强科技支撑，开展大气污染成因与治理、水体污染控制与治理、土壤污染防治等重点领域科技攻关，

d）预制T梁施工工艺成熟、简单，吊装重量轻，安装便捷，对小半径平曲线适应能力强。

2.3 上部结构型式选用原则

根据桥址处的地形特点，结合上述结构的基价比较结果以及施工阶段的实际吊装能力、施工预制场地和运输条件等，确定桥梁上部结构型式选用原则如下：

a）20～40m跨径桥梁采用先简支后连续装配式预应力混凝土连续箱梁；

b）40m跨径以上桥梁采用先简支后连续装配式预应力混凝土连续T梁。

3 桥梁下部结构型式选择

桥梁下部结构的型式结合地形、地质、施工工艺、施工工期、造价、结构安全等因素综合确定。

3.1 墩台型式选择

神府高速桥址处地形起伏较大，桥台的填土高度一般控制在8m以内，根据桥台处实际地形、地质情况，选用重力式U台、柱式桥台和肋板式桥台三种型式。若桥梁伸入挖方段内，且桥台处地基整体性较好（承载力大于600kPa）时，可设置简易桥台。

考虑到本项目最大墩高为56m，桥墩采用了圆柱墩和空心薄壁墩两种型式。圆柱墩具有外形整洁美观、与地形适应性强、施工工艺简单快捷、与桩基础衔接好的优点；空心薄壁墩具有刚度较大，施工稳定性好，适应高度能力强等优点。神府高速桥墩型式的选取采用如下原则：

a）墩高H≤35m，选用圆柱式桥墩；

b）墩高H＞35m，选用空心薄壁墩。

3.2 基础型式选择

根据桥址处地形、地质情况，对桥墩采用扩大基础和桩基础进行工程量比较（见表2）。由于地形复杂，坡面陡峭，除考虑基础的工程量外，还应考虑基坑开挖对环境的破坏以及开挖和坡面防护工程量。针对原地面的不同坡度，列举扩基基坑开挖和防护工程量（见表3）。

表2 扩大基础与桩基础工程数量对比表

表3 扩基基坑开挖和防护工程数量表

从表3可以看出，当桥址处地面横坡较陡时，基坑开挖方量和坡面防护工程量较大，不利于生态环境保护。综上所述，确定墩台基础型式的原则如下：

a）对于地势平坦路段的桥梁，若桥墩计算桩长小于扩基换算桩长，采用桩基础，反之采用扩大基础；

b）对于陡坡路段桥梁，当桥址处地面横坡陡于1∶1.5时，采用桩基础，当桥址处地面横坡缓于1∶1.5时，若桥墩计算桩长大于扩基换算桩长，采用扩大基础，反之采用桩基础；

c）对于河道内的桥梁，由于项目区内河流具有比降大、流速大、冲刷深的特点，从基础安全方面考虑，采用桩基础；

d）符合上述采用扩基的条件，但基坑开挖对自然环境、地表植被造成较大破坏的情况，所以采用桩基础。

4 跨径组合比选

桥梁结构型式选择应高跨比协调，使得桥梁上、下部结构整体造价最低。神府高速设计过程中，针对常规桥梁，应用数理统计原理，对具有典型样本特征的方案进行经济比选，达到优选跨径组合的目的。比选时，上部主要采用20～40m标准跨径预制箱梁，根据桥址处工程地质特点分区，并以平均墩高H为基础，划分典型桥梁样本进行比较。本文仅以部分样本举例说明。

桥梁样本Ⅰ（10m＜H≤15m）和桥梁样本Ⅱ（15m＜H≤20m）上部分别采用10m×20m和8m×25m装配式预应力混凝土连续箱梁，下部采用柱式墩台和桩基础。桥梁样本Ⅲ（15m＜H≤20m）上部分别采用6m×25m和5m×30m装配式预应力混凝土连续箱梁，下部采用柱式墩台和桩基础。上述样本主要经济指标分别见表4、表5和表6。

表4 桥梁样本Ⅰ主要经济指标比较表

表5 桥梁样本Ⅱ主要经济指标比较表

表6 桥梁样本Ⅲ主要经济指标比较表

在同等施工条件下，由表4可知，当10m＜H≤15m时，20m和25m跨径箱梁经济指标接近；由表5可知，当15m＜H≤20m时，25m跨径较20m跨径箱梁经济性好；由表6可知，当15m＜H≤20m时，25m跨径较30m跨径箱梁经济性好。综上所述，得出桥梁跨径组合方案比选结论如下：

a）当10m＜H≤15m时，20m和25m跨径箱梁经济指标接近，应结合平曲线半径、实际桥长、地形条件、施工条件和前后相邻桥梁的跨径组合方案等情况综合比选，确定跨径组合；

b）当15m＜H≤20m时，25m跨径较20m和30m跨径箱梁经济性好，应优先选用。

5 结语

本文结合实际工程的地形、地质和水文等建设条件，对山区高速公路桥梁的上部结构型式、下部墩台型式、基础型式和跨径组合方面进行分析研究，确定选用原则，并提出基于数理统计原理的跨径组合比选方法。经过实践证明，上述原则和方法在山区高速公路设计中，对优选桥梁方案有积极作用，取得了良好的效果，可供同类工程项目借鉴参考。

[1]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]JTG D63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[3]JTG TF50—2011，公路桥涵施工设计规范[S].