浅谈山区小半径桥梁设计

龚健根

【摘 要】 山区高速公路桥梁设计中，由于地形、地质等因素的影响，不可避免会出现小半径曲线桥梁。文章结合四川省绵竹至茂县某公路施工图设计项目，分析了不同影响因素下桥梁结构形式的选取，以及上部结构设计时分别采用预制梁和现浇箱梁应注意的问題，下部结构设计时在不同地质、地形等条件下墩台结构形式的选取，以及在深厚覆盖层条件下、断层破碎带条件下、斜坡条件下桥梁桩基设计要点，以供桥梁设计人员在遇到相似情况时，合理选择上部结构形式和下部结构形式，同时避免在设计中出现相似问题。

【关键词】山区桥梁; 小半径曲线; 预制梁; 现浇梁; 桥梁上部; 桥梁下部

四川盆地的丘陵重丘区占比非常大，而且地形非常复杂、路线线性差、弯道多、纵坡大、沿线滑坡及泥石流区域多，同时桥隧占比大，有的项目甚至高达90 %以上。因此，山区高速公路中的桥梁设计，是修建一条安全、经济、舒适、环保、美观的高速公路的一个控制性因素。本文结合四川省内某施工图设计项目中某一座小半径斜交桥梁，来探讨山区高速公路桥梁设计中应注意的问题。

1 山区公路桥梁的主要特点

地形、地质复杂是山区公路的主要特点，其复杂性主要表现为地面纵坡及横坡较大、坡面变化频繁、路线内外侧地面高差大、滑坡、不稳定斜坡、崩塌陡崖、泥石流等。受到上述情况的影响，造成路线布设时平曲线占有非常大的比列，平曲线半径小、回头曲线多路线线性差，陡崖及沟谷的存在使得同一座桥梁桥墩墩高相差较大、桥墩结构形式多，特别是在互通区域，因地形限制导致匝道半径很小，甚至只有30 m的半径，再加上路线加宽渐变段短，同时还要兼顾环保、经济、美观的要求，从而使得桥梁跨径的布设及结构形式的选取非常困难。因此，桥梁跨径布设及结构形式选取时协调解决好桥梁上下部各构造之间及与地形地质之间的关系非常重要。

2桥梁上部结构设计要点

2.1 地形、地质、墩高的影响

桥位处的地形、地质、水文以及桥墩高度等是影响桥梁上部结构形式及跨径选取的主要因素，考虑到山区地理环境的特殊性，为了尽量方便山区桥梁施工，形成规模化的生产，常规的中小跨径桥梁，其上部结构形式应采用标准化设计和规模化预制，在四川地区，由于T梁结构简单，施工方便，山区桥梁多数处于超高的平曲线上，采用T梁可以有效地防止出现支座受力不均、支座脱空、不宜调平的情况，同时考虑地震等因素，山区预制梁桥常采用预应力混凝土简支桥面连续T梁。

正常情况下一座桥梁应尽可能采用相同的跨径，对于多孔长桥或有其他限制条件的桥梁，其跨径布置也可采用两种跨径组合，并考虑施工工艺的可行性。除特殊桥梁及复杂桥梁外，为保证桥梁整体协调性及经济性，墩高小于20 m的中小桥，宜采用空心板，墩高20～30 m时，宜采用30 m标准跨径预制梁;墩高30～60 m时，宜采用40 m标准跨径预制梁。跨越较宽、较深山谷时，可采用预应力混凝土连续刚构或连续梁桥，但跨径不宜大于200 m;跨越山区典型V型沟谷且两岸地质条件较好的桥位，可采用拱桥、斜腿刚构等结构一跨跨越，但采用拱桥方案时还应考虑施工场地及施工方案的实施可能性;对特殊困难施工条件下的桥梁，场地狭窄无法设置预制场，便道无法满足运梁需求，工期上又不能待接线贯通后再进行预制梁的运输和安装时应考虑现浇梁方案。

2.2 路线平曲线半径的影响

山区路线布设时，由于滑坡、不稳定斜坡、溶洞、库区、断崖等不良地质及地形、征地限制等影响因素，使得路线平面线性常采用较小的曲线半径，特别是采用环线匝道的互通式立体交叉，最小半径可达到30 m左右，对于不能设置路基的段落，此时就需要设置小半径弯桥。若采用预制梁桥需要处理由于内外弧长之间的差别，导致预制梁梁长与标准梁长之间存在很大差别，同时由于预制梁为直线梁，为满足路线线性及美观要求[1]，通常外边梁需要增大外悬臂值，内边梁外悬臂需要减小悬臂值和调整湿接缝宽度来满足路线线性变化，及小半径曲线带来的视距加宽或其它规范要求的桥面宽度影响，造成的相邻跨梁片数不同以及同一跨的起止端湿接缝宽度不等的问题。

如果曲线半径较大、中矢高较小、路线变宽渐变段曲线较缓，内外梁梁长与标准梁长的差值在容许范围内，可以采用平分中矢法布梁，桥面宽度可采用调整湿接缝宽度、内外边梁外翼板宽度的方法来调整，以满足小半径曲线带来的视距加宽或其它规范要求的桥面宽度影响，若调整湿接缝宽度仍不能满足桥面宽度变化时，可增加梁片数。边梁外翼缘板应按曲线预制以适应路线设计线性变化及美观要求，翼缘板宽度加长或减小值应在容许范围内，一般不应超过20 cm。

如果曲线半径较小、中矢高较大、路线变宽渐变段曲线较急，通过上述方法不能解决时，可以采用桥包路的布梁方法或采用现浇梁，由于桥梁位于平曲线上，使得现浇箱梁的重心与支撑中心不在同一点，现浇箱梁在恒载及竖向活载的作用下，产生竖向弯矩及横向扭转作用，从而导致桥梁内外侧支座受力不均，当桥梁偏心较大时，支座容易产生负反力或出现支座脱空现象，严重时甚至发生桥梁侧翻事故[1]。

现结合具体项目简要介绍小半径弯桥上部结构采用现浇箱梁的设计要点：案列以位于路线半径为30.229 m的曲线上的现浇箱梁为例[1]，因本桥跨越较大泥石流沟且泥石流沟上游物料丰富，为保证桥梁的安全，无法在沟中布置桥墩，因此不能采用小跨径桥梁，所以采用桥梁加宽的方式一跨跨越泥石流沟，路线宽度11.5 m，本桥采用1×47.02 m单箱4室现浇箱梁，桥宽22 m、梁高2.3 m，桥梁模型见图1，桥梁加宽方式见图2。

小半径现浇梁桥设计时，为加大现浇梁桥自身的抵抗扭矩宜尽可能加大支座之间的间距，案例中支座之间的间距采用4.659 m[1]，边支座采用4.4 m支座间距，支座处横截面如图3所示，恒载、活载作用下纵横桥向计算的支座反力如表1、表2所示。

通过对上述表格的对比可知，支座活载及对应的恒载最小反力分别为-188 kN、2 680 kN，且后者是前者的14倍多，因此支座产生负反力的概率较小，则现浇箱梁抵抗倾覆的能力较强[1]。

对于曲线现浇箱梁，不仅要满足强度和刚度要求，还必须进行现浇梁的抗倾覆计算，使现浇梁有足够的抗倾覆能力，以避免支座产生负反力或现浇梁倾覆，相对于其他桥梁病害而言，桥梁倾覆破坏发生的时间极短，同时事故发生前不会产生明显的征兆，而且桥梁倾覆的危害很大，特别是小半径匝道上的现浇箱梁，在重车的偏载作用下很容易发生倾覆，近几年在国内已经发生过几起这样的事故，使人民的生命和财产产生了巨大的损失，因此，桥梁设计中我们必须采取有效措施，防止桥梁倾覆破坏的产生，而产生倾覆破坏的机理主要是偏载作用下，内外支座受力不均，使得边支座脱空，从而产生倾覆，预防支座产生负反力并脱空的主要措施有以下三种，一是加大支座间距，但是支座间距受到桥梁宽度、下部结构形式及其受力的限制，不可能随意调整支座间距;二是对现浇箱梁增加混凝土压重，增加恒载反力的储备，但是压重也不宜过大，否则会导致压重处现浇箱梁受力计算不满足规范要求;三是采用抗拉支座，但是也有其局限性，比如需要定制、价格相比其它支座较贵，当然也可以同时采用上述措施中的几种。

对于山区小半径曲线桥梁，在墩高较高、地势较陡、路线变宽较平缓时，采用预制梁较合理，同时在工期上较短，造价上也更经济合理;在墩高不高、地势较平缓、路线变宽较急或主线与匝道交汇处，采用现浇箱梁则线性更加流畅、美观、更能与山区环境和谐、紧密的融合在一起。因此，在设计中，我们应该结合当地的地形、地质、水文、经济、路线线性等因素综合考虑，采用哪一种或者两种的组合形式，以达到更优的设计效果。

3 桥梁下部结构设计要点

桥梁下部结构设计主要是墩台结构形式的选择以及桩基类型及长度的确定。

3.1 墩台结构形式的选择

桥墩的选择要结合山区的地质及地形条件、桥梁的跨径、墩高等进行综合考虑。对于山区桥梁因地形起伏变化大，每座桥梁结构形式应尽可能统一，同一座桥梁上的桥墩高度相差较大时，可采用不同的结构形式，但当某种桥墩结构形式的数量较少时，应将数量较少的桥墩结构类型进行合并，以减少墩柱模板及桩基类型，方便施工。山区桥墩的常见形式有柱式墩、矩形实心墩、空心薄壁墩。原则上墩高（含盖梁）不大于40 m时，采用圆柱式桥墩;当40 m<墩高（含盖梁）≤50 m时，采用矩形实心墩;当墩高在50 m以上宜采用空心薄壁墩。

山区河流、沟谷季节流量差异大，应考虑泥沙石等携带物对桥墩桩基的冲刷及碰撞造成的威胁，正常情况下桥墩不宜设置在谷底。对于跨泥石流沟的桥墩，宜设置刚度较大的墙式墩。大跨径连续刚构或连续梁桥墩一般采用国内成熟的形式，并控制桥墩高度一般不超过150 m;必要时采取调整路线平纵线位措施或桥孔布置，尽可能避免采用技术难度大、国内目前没有工程实践或较少采用的超高桥墩。柱式墩墩高大于5 m宜设置底系梁，墩高大于15 m时，可每间隔8～10 m加设一道柱间系梁，以增加整体刚度。在设计计算时，山谷中的高墩应充分考虑风力的影响，弯桥桥墩应考虑偏心荷载、离心力对横桥向强度的影响。

山区桥梁桥台形式的选择应结合地形、地质条件和填土高度，常见形式有桩柱式、肋板式、薄壁式桥台和重力式U形桥台等。

如采用桩柱式应注意，其抗推能力较差，在水平力作用下位移较大的缺点，当桥台填土高度较大（H≥5 m）或台前边坡较陡时不宜采用;对于长联、大纵坡桥，为减少长期荷载作用累积变位，也不宜采用桩柱式台。

U形桥台和埋置式肋板桥台高度不宜超过12 m，还应注意对台身、基础材料的选择，保证桥台构造的结构耐久性，同时注意基础持力层的选择和施工现场控制要求。

重力式U形桥台适合于持力层埋深小于5 m的情况，对于多孔桥梁，当持力层埋深大于5 m时，宜采用埋置式轻型桥台。

在陡斜边坡上不宜设置轻型桥台，可采用重力式桥台，设计时可根据地形、地质将重力式桥台做成台阶状，节省台身材料、减轻基底压应力。除特殊需要外应尽量避免采用重力式桥台接群桩基础。

位于陡斜边坡上的桥台，应注意避免桥台高度过大，否则应加大桥梁长度或调整桥梁起终点桩号，使桥台进入挖方段2～3 m;当桥台位于挖方段，同时桥台处岩层较好时，可采用板凳式桥台。

3.2 桩基类型及长度的确定

工程中常用的基础类型包括扩大基础和桩基础，桥梁设计时应根据桥位处的地形、地质条件并结合经济、环保的要求综合考虑选择基础类型。

因扩大基础混凝土方量通常较大，为保证持力层承载力满足要求，持力层通常采用岩层，同时其基础埋深也要满足河流冲刷等要求。当持力层岩层为新鲜基岩时，扩大基础边缘到边坡岩面的最小距离a应满足下列要求（图4）。

（1）当岩层为软质岩时，a值应大于2～3.5 m;当岩层为硬质岩时，a值应大于1～2 m。a值大小随岩层节理发育程度及走向、岩石饱和单轴抗压极限强度而定。

（2）基础底面不宜置于岩石层节理倾向与山坡向一致的山坡上，不满足要求时宜采用桩基础。

（3）不应在不稳定的边坡上设置扩大基础，不满足要求时应综合考虑边坡处治和桥梁设计方案，并提高设计安全度。

按桩基础的受力可以分为摩擦桩和嵌岩桩，根据桩位处地质条件的不同可按以下分类分别采用不同的桩基类型及长度。

3.2.1 深厚覆盖层条件下桥梁桩基设计

四川山区公路桥梁工程场地深厚覆盖层主要包括粉质粘土、块石土、角砾土、卵石土、碎石土等;当覆盖层厚度不大于30 m且下伏较完整中风化及以上基岩时，宜按嵌岩桩设计，当持力层为软质岩时有效嵌岩深度宜為3d～5d，当持力层为硬质岩时有效嵌岩深度宜为1.5d～3d;当30 m<覆盖层厚度≤40 m且下伏较完整中风化及以上基岩时，应分别按摩擦桩和嵌岩桩进行计算，并取桩长较小者，当两者桩长相差较小时，为减小沉降，宜采用嵌岩桩;当覆盖层厚度大于40 m时，宜按摩擦桩设计，设计桩长富裕度应取10 %和3 m富裕长度中的较大者。

3.2.2 断层破碎带条件下桥梁桩基设计

当断层破碎带很深、宽度很大且桩基持力层位于破碎带时，若持力层岩层抗压强度试验满足要求且强度较大时，可采用嵌岩桩，若抗压强度试验不满足要求且强度较低时，应采用摩擦桩。当断层破碎带很深但宽度较小且桩基持力层位于破碎带之上或破碎带很浅且桩基持力层穿过破碎带时，宜按嵌岩桩设计。桩长在满足承载力要求的情况下，桩底距断层破碎带的竖向距离宜大于3d或5 m，桩底距断层破碎带水平距离应取2.5d和3 m两者的较大值。

3.2.3 斜坡条件下桥梁桩基设计

位于斜坡场地的桩基，不得支撑于滑动的边坡上，设计时必须验算桩基的竖向承载力、最不利荷载效应组合下桩基的整体稳定性和水平承载力，同时同一墩台下的桩长相差不宜过大，宜控制在1/5桩长及5 m以内，并应合理控制开挖量、不宜大填大挖，整体上应保证填挖平衡、保护环境。在土质边坡地段桩周岩土作用起算点距斜坡临空面的距离不宜小于5d，且不小于8 m;在岩石边坡地段中风化硬质岩宜不小于3 m，中风化软质岩宜不小于3d且不小于5 m（图5、图6）。

对于嵌岩桩，桩基嵌入中风化基岩的有效深度应按下列要求取值：泥岩、页岩等软质岩按5d取值（同时采用摩擦桩复核计算）;石英闪长岩、砂岩、灰岩等硬质岩按3d取值。

4 结束语

山区桥梁设计时，应结合当地的地形、地质、水文、经济、路线线性等因素综合考虑，把握山区小半径桥梁设计要点，通过方案比选选择最优的桥梁方案及结构形式，并不断总结经验，以达到更优的设计效果，保证桥梁设计的质量、安全和经济性。

参考文献

[1] 袁培， 王飞杰. 浅谈山区高速公路弯桥设计[J].中国水运， 2018， 18（5）：195-196.

[2] 吴建民. 浅谈山区公路桥梁设计[J].新材料新装饰， 2014， 1（9）：559-559.

[3] 杨清宝. 山区公路桥梁设计问题探讨[J].山西建筑， 2018， 44（20）：172-173.

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