大坡度桥梁设计特殊性解析与要点梳理

2017-06-01赵洋

城市道桥与防洪 2017年4期

关键词：纵坡梁体坡度

赵洋

（广州市设计院，广东广州 510620）

大坡度桥梁设计特殊性解析与要点梳理

赵洋

（广州市设计院，广东广州 510620）

在城市或山区，因受场地自然条件及规划条件限制，各等级道路经常需要在桥位处设置较大纵坡，有时甚至需适当突破规范中有关纵坡的非强制条款。设计此类桥梁过程中，有很多与常规桥梁不同的关键节点需要进行特殊设计，以保证结构安全、行车安全和舒适性。从实用角度出发，通过梳理典型案例的设计过程，对该类问题逐一进行了归纳总结，提出了可行的解决办法，为同类项目的设计工作提供参考。

桥梁；大纵坡；制动力；调平块；排水设施；舒适性

0 引言

为了保证桥梁结构安全、行车安全和使用舒适性，现行桥梁及道路规范对桥面最大纵坡均有相关规定，归纳整理后详见表1。

表1 国内各规范关于桥梁最大纵坡的规定

然而，随着城市化和基础设施建设的迅速发展，城市中的工程用地条件愈发紧张，道路交通网络也偏离平坦开阔地区，更多地向偏远山地快速延伸。新建的路桥设施越来越受到诸如地形标高、控制接口标高、用地范围、地下管线等客观条件的限制，设计师常常不得不在桥位处设置较大的纵坡，甚至适当突破规范条款以实现预设的设计目标。

对于较大纵坡的桥梁，其在活载、温度等作用的常年反复作用下，表现出与普通平坡桥不同的工作状态。其在构造、支座放置、桥面系等方面存在特别的设计要点，在行车安全、舒适性等方面需要特别关注。本文尝试通过梳理典型案例的设计过程，对该类要点进行分析及归纳总结。

1 规范条文与设计思路梳理

在进行道路纵断面设计，布设路桥纵坡之前，应首先根据表1所列规范条文，对桥梁的所属地域、通行功能、未来使用状况、控制条件等进行筛分归纳。

（1）针对城镇交通繁忙的桥梁，为方便非机动车通行，桥面纵坡宜小于2.5%，且应小于3%。大于等于2.5%时，应满足《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012）6.3.5条关于最大坡长的规定。无非机动车道或要求非机动车下车推行的可不受此限。

（2）地处易结冰、积雪区域的桥梁，由于桥面比路面更容易结冰积雪，且难以消融，为保证行车安全及桥梁使用安全，桥上纵坡以不大于3%为宜，剩余高差可通过增大前后衔接道路的纵坡来消化，其纵坡限制可参照《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012）6.3.1条第三款之规定。

（3）一般情况下，桥上机动车道纵坡不宜大于4%，桥头引道机动车道不宜大于5%。若设计规划条件受限，考虑到规范此处对桥梁最大纵坡的规定均非强制性条款，措辞为“不宜”，故而温热地区、交通量不大、较低等级道路上的桥梁纵坡可作适当突破[1]，因此而造成诸多关键节点需作特殊设计。

2 设计要点分析总结

以具体工程为例，广东韶关地区一处高档酒店的配套桥梁工程，标准段桥宽11 m，双向两车道，全桥长387.8 m，跨径16～20 m不等，采用单箱多室现浇混凝土连续箱梁。因景观效果需求，断面采用坦腹式边腹板，桥墩采用Y型墩。桥梁沿线分别连接酒店主出入口、住宅区、酒店大堂、地下车库等，兼做消防车道。桥梁被迫采用较大纵坡以适应各处接口的平面位置及控制标高。图1为桥梁平面图，图2为桥梁横断面图。

图1 桥梁平面图

图2 桥梁横断面图（单位：cm）

考虑到桥位处极少出现结冰积雪天气，桥梁车流量较少且不考虑非机动车骑行，因而将桥上多处纵坡放大至10%，每处坡长约80 m，其间在小半径弯道处及衔接口处设置两段纵坡缓和段，连续坡降长度共约250 m。与常规桥梁相同的设计要点在此不再赘述，仅着重讨论考虑了桥面较大纵坡的各设计细节。

2.1 汽车制动力

车辆在大坡度路段行驶时通常会频繁制动以控制车速，相对于平坡桥梁，下行车辆制动力将更加频繁地作用于桥体，且力值及作用时程会随车速的增加而迅速增大。20世纪80年代曾有研究人员针对陡坡汽车制动力大小进行过实验研究，根据屈庆琭所介绍的实验结果[2]，以汽-20加重车为实验车辆，7%纵坡、40 km时速条件下，测得的平均制动力达到实验车辆荷载的31%，已大于旧版《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）有关“汽车制动力不得小于一辆重车重力的30%”的规定（该条款对应于现行《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）中的“公路-II级汽车制动力标准值不得小于90 kN”）。所以，进行大纵坡桥梁设计时，有必要根据具体坡度、设计车速等对规范规定的制动力最小值适当放大，具体放大系数有待进一步研究。

本工程汽车荷载按城-B级设计，由于联长较短，按照“车道荷载总重力10%”计算的制动力不起控制作用。考虑到桥面纵坡达10%，在设计中偏安全地按照公路-I级制动力最小标准值165 kN取用[3]。

2.2 拱效应

由于纵坡过大，在陡坡与缓坡以及反向坡间的变坡点处，梁截面中性轴竖向标高变化剧烈，梁体表现出了类似拱轴的受力特性（见图3）。对于采用盆式橡胶支座的梁桥，在平面方向上多设置为静定体系，即仅设置一处固定支座，其余支座释放纵桥向或横桥向的水平约束，此情况下拱效应将产生较大的顺桥向位移；对于固定支座未设置于梁长中段[2]，或采用板式橡胶支座，或多处墩梁固结的梁桥，拱效应势必对附近的桥墩产生较大的水平推力。同时，支承不均匀沉降以及系统温差对拱形梁内力的影响也与平坡、缓坡梁多有不同。

图3 凸曲线拱效应桥型示意图（单位：m）

常规的建模计算方法多不计梁体纵坡，无法真实体现上述效应。在计算陡坡桥梁竖曲线处梁段时，有必要真实模拟竖向线形，对于放置固定支座或墩梁固结的桥墩，尚应考虑支座与墩身抗推刚度，以准确计算梁体及墩身内力和顺桥向位移。

另外，考虑在变坡点处设置桥墩（见图3），并在其附近加密墩位布置，减小跨径，可有效降低拱效应。针对凹型竖曲线，该措施也能减小汽车冲击对梁体的影响[5]。

2.3 系统惯性力

结构动力学认为，当车辆在桥上带加速度行驶时，系统由于具有惯性而受到虚拟的惯性力的作用，以维持体系原有的运动状态。当体系水平方向受约束时，虚拟的惯性力便在约束处产生附加动反力，利用广义坐标和拉格朗日方程可推导出动反力的大小[2]。设梁体自重为G，活载为P，梁体与水平面夹角为θ，则水平动反力：

根据上式可知，由于G+P往往明显大于P值，则当θ介于0°～45°之间时，附加水平动反力随θ的增大而增大，且活载P占总荷载的比例越大，动反力越大。若活载P按550 kN计，则当纵坡大于5%时，估算f已达约20 kN，与汽车制动力基本属于同一数量级。因而，对于大坡度桥梁，系统惯性力引起的附加水平动反力应引起设计人员的重视。

2.4 梁底调平楔块与梁体爬移

为了改善支座的受力状态，常在梁底支座处设置调平楔块，在实现梁体纵横坡的同时保证支座上方传力面水平。此举使得支座仅在系统自重作用下不会出现水平反力（上述拱效应梁段除外），其他如汽车制动力、离心力、动反力、温度、混凝土收缩等作用则会产生水平力，在各约束处按下部结构刚度比、位移量等进行分配，并通过调平楔块传至支座及下部墩台。

在各类效应的常年反复作用下，梁体及桥墩会因之发生平面变位。尤其对于高墩、大坡度、小半径弯梁等情形，如若调平楔块未能正确支模，支座顶底面未能水平安装，或是未设置梁体限位措施，则梁体极易出现朝向上坡方向或平曲线外侧的水平爬移，桥墩也随之产生墩顶位移，且均难以自行恢复。近年已有多个项目出现类似情形[2]。

因此，梁底调平块也成为本项目一个关键的设计施工节点。首先，常规调平块中心外露高度5 cm难以满足大纵坡调平需求，设计中将其中心高度加高至8 cm；其次，考虑到梁底与调平块交界面处存在支反力的斜向分量，其与水平反力相叠加而出现较大的集中剪力，设计时对该截面抗剪承载力进行了验算，并相应地加强配筋。再次，设计图中给定各调平块四角外露高度及相应计算公式以方便支设模板，在局部加设梁体限位锚栓，并反复提醒施工单位注意现场复算及监测，保证墩顶截面及调平块底面水平。

2.5 桥面排水与防水

本项目纵坡坡度较大，连续坡降长度相对较长，多处坡度变化剧烈且涉及小半径弯道，桥面径流流速快，集水排水压力较大。如若采用车道两侧明沟、盲沟排水，高速水流在沟槽内急转向时会导致水面外高内低，需要将沟深设置足够的超高以防止水流外溅，而过深的沟槽在桥面上难以实现；如若设置横桥向的截水沟，除沟深难以满足外，更会不利于行车安全与舒适性，且影响美观。综合考虑后，本项目依然采用管线组织排水，沿车行道两侧设置竖向泄水管及横向排水管，适当加高路缘石高度以利弯道集水，并在弯道曲线外侧以及坡底车道两侧加密布设泄水管口。

另外，桥面铺装下的防水黏结层起着保护桥面板免受雨水侵蚀及粘结混凝土与桥面铺装层的作用。有材料显示[7]，10%纵坡路段坡底刹车产生的水平剪切力是平坡路段的两倍以上。防水黏结层受剪破坏成为铺装层破坏的重要因素之一。设计中可采用适当加厚铺装层厚度、采用乳化改性沥青等方法来改善防水层的使用状况。

2.6 行车安全及驾驶员观感

一般情况下，普通轿车的最大爬坡角度在20°左右（对应坡度约36%），部分越野车爬坡极限达30°（对应坡度约58%），而车库最大设计坡度为15%。室外道路虽也有一些极端案例（见图4、图5），但都仅限于道路工程。为保证桥梁结构安全，避免桥上交通事故引发二次事故，桥上纵坡一般都较为保守（见图6）。

图4 鲍德温街（Baldwin Street新西兰）坡度35%

图5 西盘营正街（香港）坡度25%

图6 江岛大桥（日本）坡度6%

本项目由于兼做消防车道，取用了消防车通行最大坡度10%，并且在坡降过程中的小半径弯道处设置了两处纵坡缓和段，在保证与关键出入口平顺接驳的同时，使得陡坡坡长控制在80 m，避免了车辆连续极限爬坡。另外，竖曲线最小半径、最小坡长、最小竖曲线长度等线形指标也需满足现行城市道路设计规范相关规定，保证停车、会车视距满足行车需求，并通过加高路缘石高度、加强防撞护栏设计、完善标志标线等途径，保障行人车辆通行安全。

在长直线的大坡度路段行车，容易给驾驶员造成路面垂直爬升的视觉错觉和心理压力，使用体验较差。本桥梁弯道较多，控制坡长较短，避免了出现上述情况。同时，通过选用合适的铺装材料及颜色，路中加设地埋灯，防撞护栏埋设灯带，完善桥体景观照明等措施，营造舒适的行驶环境，改善驾驶员观感，使其与本项目服务的高档酒店定位相匹配。

大坡度桥梁的施工与监测相对于缓坡桥也较为复杂，近年来多有工程人员进行了研究总结，在此不再赘述。