山区高速公路桥梁设计研究

2021-06-12杨书针苏鑫

运输经理世界 2021年22期

杨书针、苏鑫

（聊城华鑫公路勘察设计有限责任公司，山东聊城 252000）

0 引言

我国幅员辽阔，在修建高速铁路的过程中，经常会遇到一些特殊的地形地貌。为了克服这种地质条件下的隔离度问题，通常采用架空的方法来达到高速公路之间的联系。根据山地地质条件的特点，正确把握设计要领，制定出一套科学、合理的设计方法是非常重要的。在设计过程中，要注重对细节的把握，以保证项目的整体品质。

1 山区高速公路桥梁的特殊性和必要性分析

1.1 山区高速公路桥梁的特殊性

山区公路大桥建设与传统的建设条件有很大区别，山地地区地势成分比较复杂，路面高差大，斜坡陡峭，容易发生滑坡事故。由于其特殊性，其平面、纵、横三个方向均受到制约，一般呈现出平曲线多、纵坡大等特征，为了更好地适应当地的环境，要修建更多的弯坡桥、更大的桥墩和更多的桥墩。在具体的工程中，施工单位应注意结构的合理调整，使其与地貌的协调一致，尽量减少滑坡等意外。我国地势以山地为主，公路工程本身就比较繁杂，尤其是大桥这种重要的工程，其结构的设计和施工都有很大的困难，所以针对山地的地貌特征，开展桥梁的设计尤为重要。

1.2 山区高速公路桥梁设计的必要性

公路是城市社会和经济发展的基础，对促进区域经济和社会的协调发展具有积极意义，且山区高速公路在近些年的发展中得到了越来越多的关注，山区道路的建设也在快速发展，但相对于一般的地方，山地地形条件更加复杂，给山区高速公路的设计带来了困难。在山区公路桥型的基础上，设计人员应根据地区的实际情况进行设计。由于山区高速铁路的施工往往涉及一些河流和隧道工程，因此在施工中要根据施工现场的具体条件，保证施工的正常进行，提高施工质量。搞好山区公路的桥梁结构，既能保证公路的正常运营，又能解决当地群众的交通问题，有利于当地的社会经济发展。因此，必须优化山区道路的桥梁结构。

2 山区高速公路桥梁设计原则

2.1 安全稳定性原则

由于我国山地面积较大，大约有2/3 的国土面积，地形复杂多变，给公路施工带来了极大困难。为了保证山区公路桥梁的设计能够更好地进行，设计者必须保证其工作与现实的环境相适应。目前，在某些一般区域，一般采用标准化程度高、技术完备、对现场养护的要求较少的组合结构，从而为后续标准化、系列化施工提供一定的便利。在山地桥梁的设计中，应选择技术完备、协调性好、受力明确、结构安全性好的桥式。山区高速公路的桥面可采用多种不同的构造形式，既要确保结构的安全性和可靠性，又要根据结构的耐用性进行设计，以确保结构设计的科学性。此外，山地地形条件较差，因此在实际工程中既要充分重视基础荷载，又要充分反映风荷载、雪荷载等特点。另外，由于受山区地形的制约，山区的公路施工大多采取了高墩式的桥型，桥面的实际跨径比较大，因此在山区公路上实现有效运用，必须对其进行整体的安全性分析。

2.2 经济协调性原则

从以往山区的公路大桥的设计实践来看，在施工中应该注意节约的原则，从对线路方案的选择、桥隧结构的合理设置、必要的桥隧方案、合理的桥隧方案的选择等方面进行探讨，在减少造价的同时，又能为工程建设带来较好的经济效益。另外，在山区公路桥梁的设计中，还应遵循因地制宜的原则、就地取材的思想，使其在建筑的作用和施工环境之间保持密切的关系，并尽量选择最适合的桥型。在进行桥梁结构设计时，必须对当地的地理环境和人文条件进行调查，从而最大限度地发挥出桥梁设计的真正意义。实际的桥梁结构必须与周围的自然环境相结合，并尽可能地减少对周围的环境的冲击，避免桥梁施工造成的大填大掘，提高生态环境的稳定性。

例如，在确定设计和设孔洞的时候，既要保证合理的结构，又要保证高跨比例的协调，在有条件的前提下，尽量选择较经济的跨径，以保证景观协调，同时在穿孔时还要保持跨径的整体性和协调。不管是大桥的整体设计，抑或是其他设计，都应该遵循“尽可能少的损害就能得到最好的保护”的原则，尽量减少对当地环境造成的冲击。

2.3 横坡及桥涵设计原则

山区公路桥梁在进行结构优化时，常常会遇到斜坡问题，因此设计者在施工时要避免高填方路堤的发生，同时采用板路板桥的方式来加强侧向边坡的稳定性。若桥墩位置发生左、右横向较大时，可根据下列三个准则进行处理：

一是适当降低高侧桥墩的桩顶高度，避免低侧桩基大量露出。

二是采取高侧桩基础开挖工作，避免对斜坡的稳定造成影响。

三是选择高低墩，使两侧桩顶标高处于此水平线之下对应的高度，并将高侧桩基处的桩顶系梁与低侧桥墩相连。根据工程的具体情况，设计人员采取上述两种方案。

此外，如遇跨V 型峡谷时，必须避免在谷底中部设桥墩，以确保与当地地势的特点相一致，要适当调整对台的高度和跨径的布孔形式。

3 山区高速公路桥梁设计关键问题

3.1 设计理念存在偏差

根据山区公路大桥建设的基本特征，保证其稳定和安全是必不可少的，必须根据工程的实际情况，对其进行科学优化，提高其合理性。而对于工程实践来说，许多的干扰都会对其产生一定影响，另外部分施工人员由于缺乏足够的专业知识，不能够进行正确的选型和选型，导致了工程的可行性不高。在某些情况下，如果设计图纸不够完备，不能精确地说明技术要领，导致后期的工程建设困难，容易发生工程质量问题。

3.2 施工难度大

在山地条件下，高速公路桥梁的建设难度大、复杂程度高。由于场地面临的地形和施工条件在设计时没有得到很好地解决，这就要求项目的管理者具备更高的技术需求，以便在工地上根据存在的问题制定更加科学的最佳方案。

另外，在建设过程中，没有实施相应的管理体系，缺少全面的建设管理。从桥梁工程中的安全事件来分析，各种事故的发生都与不完善的管理体系有着紧密的联系。

3.3 基础设计问题

整个桥梁的施工过程中，地基的设计对整个桥梁的施工具有举足轻重的作用。在一些工程场地，由于工程地质情况较好，基体基本处于较稳定的情况下，开挖拓宽地基是可行的。但对于结构较弱的涵管，在这种情况下，地基较薄。一些区域土壤较为疏松，虽然有较好的基底，但由于处于较深的地层中，故应采用桩基的方式。在设计桥梁地基时，设计人员必须考虑到地形、生态环境等因素的影响。

3.4 钢筋混凝土耐久性问题

施工中的重点是施工中的钢筋混凝土，采用混凝土可以提高钢筋的抗剪能力，同时也可以采用包裹的方法来达到加固的目的，因此如何选用合适的钢筋混凝土结构是非常重要的。由于电化学作用，导致钢筋腐蚀，再加上应力状态等因素，对钢筋混凝土的整体稳定构成了严重威胁。其由于暴露在自然条件下，受到各种物理因素和过程的影响，随着长时期的发展，会引起混凝土的内部改变，并对其产生一定的侵蚀。为了解决这一问题，可以选用耐腐蚀的环氧树脂加固，或者在混凝土结构表面加一层涂料，以达到对建筑的良好防护。

4 山区高速公路桥梁设计优化措施

4.1 设计方案的优化

山地地区的地质条件和自然条件都很特殊，因此通过实地勘察可以了解工程建设状况，并根据调查的成果制定出合理的设计计划，从而提高其稳定性。目前，我国的桥梁结构分为大跨径和标准跨径两种类型，两者都有不同的设计控制需求，所以在进行设计时设计人员会遇到不同的问题。一般情况下，在山地桥梁中采用的是标准跨型，其具有提高设计可能性、可操作性和安全性等优点，而且投资费用也比较低[1]。

4.2 施工材料合理选择

桥面结构的结构形式多种多样，其中最具代表性的就是混凝土和钢筋，这两种材质都要保证其品质，并采用合理的运用方式，才能提高其综合性能，保证整个桥面的安全运行。采用的钢筋和混凝土应符合要求，并要严格遵守现行的桥梁规范，进行合理设计和建造。

4.3 不同桥梁设计要点

山地地区的地貌特征具有很大的差别，因此设计人员应根据当地的具体条件制定相应的设计。若为曲线、大纵坡长桥，则在此阶段的结构设计中必须注意结构的稳定和位移；对于大纵坡和长桥组合的情况，在结构上必须注意位移，在垂直和垂直两种变形的同时，也要防止位移。

5 山区高速公路桥梁设计实践

5.1 桥梁上部结构设计实践

在各种施工条件下，施工单位要根据不同的施工场地选择合适的桥型，可以选择的桥型主要有：

一是采用管柱形式，即前管后段的形式。在实际工程中，如果单孔直径不超过20m、伴有软弱地基、不稳定的建筑物可以采用管柱支护结构来提高其稳定性；如果单孔直径大于20m，采用先管后管结合的方法进行设计。

二是在桥墩高度小于70m 的情况下，可以采用T型梁和小箱梁进行组合，而在桥面间隙较窄的地方，可以采用中空钢板进行填筑[2]。在此期间，采用这种结构材料，既能达到减少施工费用，又能提高施工质量，提高施工效率。而20m、25m、30m 的跨度可以选择小箱梁和T 梁。对于跨越40 多公尺以上的小型箱梁桥，由于重量较大，可以采取T 梁法进行施工。

三是半径不超过250m 的曲线桥、立交主线桥，可以采取连续封闭的连续箱梁和连续板型。此外，由于山区平曲线段架桥较多，故以250m 为界限，以直径250m 以下的预应力混凝土梁弯桥，其布置必须合理。对于半径较大、桥梁较短的桥梁，采用“并行布置”方法优化桥墩的结构，以实现桥梁上部预制梁的跨径和纵向的协调。另外，在实际工程中，必须保证桥墩与线路的纵向平行，根据弯道的走向进行合理结构布置，以保证大桥的顺利通行。

5.2 桥梁支座设计实践

为了避免结构变形，多跨连续桥可以在桥头中部设置固定支架，并在桥头设置横向滑移支架，以保证结构的整体位移在桥面上均匀分布。在设计时，设计人员必须充分重视桥面的倾斜，如果是弯型桥墩，则采用侧向位移，从而达到对桥面行驶时的抗侧力。此外，山区高速公路桥台的主要结构有三类：重力U 形桥台、肋板式桥台、桩柱式桥台，特别是重力U 形桥台。根据有关的技术规范，将U 形桥的重量限制在10m 以下，达到对桥墩的要求。桥墩是连接道路和桥梁的重要组成部分，为了保证其稳定，必须对其进行合理的桥墩结构设计。因此，在进行山区公路大桥桥墩的规划中，必须做好以下工作：

一是确定大桥台的高程与桥墩上部构造的相互影响。设计桥台时，应尽量减小桥梁台的高度，以便最大限度地延长高速公路的上部构造，从而为施工打下坚实的地基。

二是为了防止桥台台体开裂，采用更换碎石水泥的方法进行加固，如桥台比较大，可以在墙体上安装相应的钢丝网，从而避免桥台发生大范围开裂。

5.3 桥梁下部结构设计实践

目前，传统的桥墩下部结构有重力墩、柱墩、空心墩、薄壁墩等，在这些类型的墩上，通常采用自重作用来平衡外力，提高结构的稳定度，但不适合在较低的地方；柱式墩等结构，易于操作，外形品质较好，且具有良好的防水性能，适合各种不同的地形，其他形状的选用要根据特定的墩高和外形的需要而定。在实际工程中，设计人员需考虑到车辆荷载、风雨等因素对桥梁的影响，并从耐用性的观点出发，有效保证桥梁的总体设计和施工的安全性。由于山地桥梁多为小直径弯型，应尽可能地避免装配式，以提高其抗扭性和稳定性，并采取现浇型等措施。建筑材料的品质对桥梁的寿命有很大影响，因此工作人员要做好材料管理方面的工作，在梁、柱等部位都要选择有质量保证的混凝土。另外，设计人员还要充分重视环境影响，做好周边自然环境的调查，切实解决地下水的侵蚀问题。