山区高速公路桥梁设计关键问题分析

刘容，刘瑞

（中榕规划设计有限公司，湖南 长沙 410000）

1 山区桥梁特性

公路建设存在的主要问题往往来自地质和水文的影响。当地形条件变化较大、地质条件存在岩溶、软基等不良地质时，会给桥梁设计造成较大困难。桥梁选位处水系发达，水流冲刷较大时，同样会造成桥梁布设困难[1]。因此路线布设时常出现平曲线较多、半径较小、纵坡较大情况。加之山区地形多变，常出现陡坡或半填半挖路段，该段进行桥梁布设时会出现半路半桥或多挡墙的情况。另外，由于山区地形的限制，桥梁常出现高墩大跨径的桥型，增加设计难度。

2 设计原则

桥梁设计时主要应满足结构的耐久性、安全性以及经济性。同时还应对地形条件和桥梁的高跨比进行分析。

山区桥梁在设计时会应用到大多数桥型。桥梁的安全性应通过结构计算和合理构造进行处理。在对桥梁进行计算时不仅要考虑恒载、活载、地震力的影响，还应考虑风荷载、水力以及雪荷载等的影响。当地形受限时，桥梁常布设成高墩大跨形式，因此应对下部结构的刚度分配、稳定性等进行分析[2]。

山区桥梁的构造物较多，桥梁选型的合理性对桥梁造价影响较大。因此在对桥梁进行设计时，不仅考虑技术方面的可行性，还应分析各种方案的经济指标。

2.1 地质条件影响

桥梁进行结构选择以及方案确定时，应考虑桥梁所处位置的地形地质条件以及地貌特征，根据这些因素综合考虑桥梁的布置形式、桥墩桥台的位置、跨径尺寸。设计时应尽量避免出现过大山体开挖，防止山体发生滑坡等地质灾害，导致桥梁的安全性受到威胁。桥梁在进行设计时，布局方式应与公路路线的走向相顺应，桥梁作为路线的控制点，应考虑路线的影响因素[3]。与此同时，路线在布设时也应考虑桥梁的影响因素，二者相辅相成，保证方案设计时路线与桥梁相匹配。

2.2 高跨比协调

进行山区中小跨径桥梁设计时，高跨比主要影响桥梁的经济性和美观程度，因此高跨比应与自然环境相协调，选择合理高跨比使桥梁与环境相适应，达到桥梁的美观效果和经济性[4]。

2.3 合理选择结构形式

进行中小跨径桥梁设计时多采用装配式结构，因此桥梁应选择标准化、装配化较高的结构形式，通过该形式可进行质量、进度控制。结构形式确定时最大程度减少斜交桥梁的使用，特殊地形的桥梁可通过加大跨径、调整水沟的方式进行解决[5]。

3 桥梁设计要点

3.1 上部结构

山区公路建设过程中，桥隧比较大，但桥梁还是以常见跨径为主。我国桥梁设计中，大、中、小桥常采用的标准跨径及结构形式如表1所示。

表1 桥梁常用标准跨径及结构形式

当桥梁跨径小于20m时，常采用结构形式有：空心板、预制矮T 梁；当桥梁跨径25～50m 时，常采用结构形式有：T梁、小箱梁。

根据国内高速公路空心板桥梁的运营养护统计，空心板桥梁病害较多，铰缝施工质量差，易造成单块板受力，导致空心板板底出现裂缝较多；当跨径小于20m 时，桥梁多采用矮T 梁形式。为保证桥梁的受力特性，桥梁跨径为40m 或50m 时，应采用T 梁截面。小箱梁主要优点为造价低、施工简便，当跨径为25～35m时，常采用小箱梁结构形式。

3.2 下部结构

当桥墩小于40m时，多采用柱式墩、薄壁墩。柱式墩按形状可分为圆柱和方柱。圆柱主要优点为：施工时，外观质量控制较为容易，与桩基连接较好。方柱主要优点为：棱角分明，能与梁体保持协调，具有视线诱导性。方柱的抗弯刚度较大，能够起到调整墩柱受力作用。

高墩设计时的要点有：矮桥墩常通过强度进行控制。当桥墩较高时，应对桥墩的稳定性进行重点分析。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362－2018）规定，对于偏心受压柱，L0/h>30 时，构件发生失稳破坏。因此表明构件长细比越大，高墩刚度越小，柔度越大。因此对高墩连续梁桥进行设计时，应对高墩柔性重点考虑。

山区桥梁设计时，桥台常采用形式为：重力式U型台、肋式台、柱式台。《墩台与基础》中表明：U 台填土范围是4～10m，因此U台高度应小于10m，U台进行设计时，应进行合理分配台阶。桩柱式桥台主要特点为：抗推刚度小。台后填土高度应小于5m，联长宜小于150m。埋置式肋式台宜小于12m[6]。

3.3 基础设计

山区桥梁常采用基础形式为桩基础、扩大基础。浅表土地质条件稳定、承载力较高时，可采用扩大基础；根据覆盖土层厚度合理选择桩基类型。当覆盖层厚度较薄时，可采用端承桩，覆盖土层厚度较厚时，常采用摩擦桩。桥梁基础设计时，由于地形和地质条件的多变性和复杂性，会增加桥梁桩基设计的难度。尤其是当地质条件中存在断层、岩溶以及软弱夹层等。

4 桥梁上部结构应力分析

4.1 预应力桥梁配束原则

预应力桥梁配束原则如下：

（1）对于预应力钢束型式和锚具型式应进行合理选择。当桥梁跨径结构不同时，为保证布置形式的合理性，应对钢束的预应力进行控制。预应力钢束和预加力较小时，大跨径应布置较多预应力钢筋，但结构尺寸有限，该情况下，需要增大桥梁截面。

（2）布置预应力钢束时，应对施工难易程度进行考虑，锚具布置个数不应过多。

（3）布置预应力钢束时，应满足结构受力要求，还应避免产生较大的次应力。

（4）布置预应力钢束时，应对使用材料的经济性进行考虑，同时应保证梁桥体系，构造尺寸的合理性。

（5）布置预应力钢束时，多次反向曲率的连续束不宜多用，否则摩阻损失较大，使预应力束筋效应降低。

4.2 应力均匀度系数的确定

针对预应力结构中应力取值是否合理的问题，本文提出了应力均匀度系数的概念。通过该系数判断预应力设计的合理性。

C50混凝土预应力连续梁应力合理取值为-1.855MPa～16.2MPa。对于坐标轴中的中间值计算为9.1MPa。本文设定：外力作用下，预应力结构截面最小值为σmin，最大值为σmax。应力均匀度系数通过ξ 表示，当满足-2MPa<σmin<σmax<16.2MPa条件时，ξ=9.1-σmin|+|σmax-9.1|，当应力最大值和最小值不满足要求时，表明预应力钢筋的配束存在错误，应对钢束进行重新调配。ξ 取值区间为[0,16.2]。在该区间内，ξ越小时表明配筋越合理。

5 下部结构设计

5.1 桥墩设计

桥墩在进行设计时主要考虑的因素有：主梁的结构形式和桥墩高度以及地形条件等，通过设计经验可知，桥墩主要采用的形式有：圆柱形和方柱形以及空心墩。圆柱墩的特点是：施工便捷、施工质量可控，桥墩的受力状况可通过桥墩截面尺寸大小进行控制。桥墩的刚度可以通过增加系梁等方式进行调整或增强。圆柱墩是桥梁设计时最常采用的墩柱形式。当墩高不小于15m情况下，应设置柱间系梁，其间距可控制在12～15m。当墩高小于7m时，系梁可设可不设。整体桥梁墩柱的截面尺寸尽可能保持一致，为满足施工要求，同一座桥截面尺寸的形式最多不应大于3种。

5.2 桥台设计

桥台进行设计时，主要考虑的方面为施工的地质条件和地形变化，通过综合考虑确定合理方案。山区中小跨径桥梁最常使用的桥台有三种，分别是桩柱式桥台和U形桥台以及肋板式桥台。三种桥台对应的适用范围如表2所示。

表2 桥台适应范围表

6 山区桥梁基础设计

山区桥梁的基础设计应重点考虑地质条件、地形变化、水文环境等，通过以上因素的分析确定扩大基础、桩基础的合理选用，既保证工程的经济性又确保基础具有较强的稳定性和承载力。

6.1 扩大基础

对于表层地质地基承载力较高的情况，可以根据计算选择扩大基础，扩大基础的基底应力应略有富余，一般富余5%～10%。

墩台扩大基础埋置深度不仅需要满足非岩石河床桥梁墩台基底埋深安全值，也需要满足地基为冻胀土层时，桥涵墩台基础基底埋置深度的要求；若墩台扩大基础位于纵横桥向地形较陡峭处时，应注意岩层倾向及稳定性，还应满足式（1）规定，图1为陡坡地基基础示意。

图1 陡坡地基基础示意

式（1）中：H为基础埋置深度（m）；d为基础宽度或直径（m）；β为坡度（°）。

6.2 桩基础

6.2.1 摩擦桩

对于覆盖土层较厚、基岩深度较深时，宜采用摩擦桩；摩擦桩应满足式（2）规定：

式（2）中：R为单桩轴向受压承载力特征值（kN）；u为桩身周长（m）；Ap为桩端截面面积（m2）；Qik为桩侧的摩阻力标准值（kPa）；qr为修正后的桩端土承载力特征值（kPa）；li为桩长（m）。

摩擦桩在山区桥梁的工程设计中需要注意湿陷性黄土、地下水位下降等因素引起的负摩阻力或墩台位于纵横桥向地形较陡峭处时，应考虑桩基的失效覆盖层厚度，图2为摩擦桩失效覆盖层示意图。

图2 摩擦桩失效覆盖层示意图，D为桩基直径（单位：m）

6.2.2 端承桩

对于覆盖土层较薄、完整基岩或较完整基岩深度较浅时，宜采用端承桩；端承桩应满足式（3）规定：

式（3）中：C1为端阻力发挥系数；frk为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa）；C2i为侧阻发挥系数；ξs为覆盖层土的侧阻力发挥系数；hi为桩嵌入各岩层部分的厚度（m）。

端承桩在山区桥梁的工程设计中，不仅需要关注熔岩地区、采空区桩长的确定，还需对嵌入倾斜的完整和较完整岩的全断面深度进行研究，宜根据倾斜度及岩石完整性适当加大全断面嵌岩深度。图3为端承桩嵌岩深度示意图。

图3 端承桩全断面嵌岩深度示意图，D为桩基直径（单位：m）

6.2.3 岩溶区桩基础

岩溶区桥梁的桩基础，桩底高程应设置在一定厚度的岩溶顶板板上。岩溶顶板厚度不宜小于3倍桩径。

7 结论

本文通过对中小跨径桥梁设计的问题进行分析得出以下结论：

（1）桥梁设计时应遵循适应地形条件、结构高跨比协调、结构形式合理的原则。

（2）桥梁上部结构设计时，主梁通过采用形式为T梁、小箱梁、空心板；桥梁分联设计时分联时应根据桥梁跨径选择分联长度。

（3）预应力桥梁设计时，应力均匀度系数在区间内数值越小，表明配筋合理。

（4）通过分析，山区桥梁因充分考虑桥位处地形和地质，选择合适的基础形式。