山区公路中小跨桥梁设计关键问题研究

何志伟

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉 430056）

1 引言

随着我国经济的快速发展，也带动了公路的建设规模。我国东部地区地处平原地带，相应的公路及路网建设已基本完成，然而我国西部地区山脉众多，地形地貌复杂，导致路网建设较为困难。当前，为保障公路的贯通，西部地区的路网建设常采用中小跨、零散不均等特点的桥梁作为连接山区公路的枢纽。为保证西部山区路网建设的顺利开展，有必要对山区公路中小跨桥梁设计进行深入分析，从而更好地服务于工程建设。鉴于此，本文针对当前常规中小跨桥梁设计中存在的问题提出相应的优化改进措施，以期为设计提供参考。

2 中小跨桥梁设计的特点及存在问题

受地形地貌影响，西部山区公路桥梁建设与东部平原地区桥梁建设存在显著差异。其具体体现在以下4个方面[1-4]：

1）地质勘探具有一定的难度。山区公路桥梁建设地形起伏大，地质以硬岩居多，在地勘过程中，测量山体、路线、周边地形等均存在极大的困难。此外，由于山区水系复杂，在外部因素作用下山体常发生泥石流、滑坡等一系列工程灾害，这也进一步加大了地勘难度。

2）桥墩高墩多。受山区地形起伏、高差大的影响，桥梁结构多采用高墩结构，高墩属于柔性结构，地震作用对其安全性能有一定的不利影响。

3）桥隧比高。受山区高低起伏构造的影响，公路建设常常以桥梁和隧道居多，同时，频繁交替的路桥隧工程在交替位置处的安全性存在一定的隐患。

4）施工难度极大。由于地理位置、周边环境以及地形条件的限制，施工中的原材料运输、加工、混凝土浇筑以及相应的施工所需辅助作业均存在极大的困难。

针对上述提及的中小跨桥梁设计的特点，对桥梁设计方面所存在问题进行综合论述，其主要体现在承载力、耐久性以及设计方面3个方面，具体如下：

1）桥梁规范标准指出，混凝土结构的承载力取决于其所处状态。当桥梁承载力不足时，会使构件逐渐产生变形，进而导致桥梁结构变形乃至破坏。也就是说，桥梁结构仍具备一定的承载力，但其所能承载的极限承载力已无法达到正常标准，从而严重制约了桥梁的安全和寿命。目前的桥梁设计中以考虑桥梁的极限承载力为主，而对于制约桥梁正常使用的极限程度影响因素以及承载力下降机理缺乏分析和研究。

2）耐久性是制约桥梁使用寿命的决定性因素，桥梁的施工、运行以及维护阶段均对其有显著影响。随着近年来桥梁事故频发，桥梁耐久性问题逐渐被业内所重视。先前的研究多不考虑桥梁的耐久性问题，或仅停留在理论层面，并未应用于施工中。随着桥梁建设技术的日益成熟，桥梁耐久性设计是当前亟待解决的关键技术问题之一。

3）设计中过分重视某一构件或主体的受力和变形特征，而忽略了其他部位或其他结构对此构件受力及变形的影响，导致计算内力与实际存在较大偏差。因此，不仅要考虑桥梁结构的局部受力，还要以整体作为研究对象，才能更为合理地保障桥梁结构的安全。

3 中小跨桥梁设计原则及优化措施

3.1 桥梁结构形式选择

山区多为河谷、山岭等地貌，桥梁一般具有大桥数量大、分布广、中小桥数量少的特点，桥梁除跨越沿线分布较广的V形冲沟谷外，受地形限制，陡坡段亦需设置一定数量的纵向高架桥，桥梁平均墩高较大，桥址处基岩埋深较浅，墩、台桩长一般不超过40 m，大部分介于15～30 m，且嵌岩桩居多，墩台桩基长度受跨径影响不大。

上部构造尽可能做到设计标准化、施工机械化，便于分段统一集中预制安装，便于运输方便、缩短工期、节省造价。跨径为20～40 m的装配式梁（板）是最经济、最合理的桥跨，上部结构主梁主要有预应力混凝土空心板、小箱梁、T梁。

3.2 桥梁上部结构选型

预应力混凝土空心板梁高最小，上部构造轻盈美观，吊装重量最轻，在一定高度的中小跨桥梁中，空心板结构具有较广的适用范围。当前桥梁设计中，空心板结构是设计者较为常用的桥梁结构，然而从使用上看，空心板结构横向整体性较差，易出现铰缝不密实而引起纵向裂缝等病害，施工运营阶段容易出现支座脱空现象，不利于结构及行车安全。

预应力混凝土小箱梁以造价低、抗扭性能好、梁高适中等特点被广泛用于工程中，但小箱梁为斜腹板，预制工艺稍复杂，吊装重量大，并且预制小箱梁先简支后墩梁固结的设置及施工较T梁困难。

预应力混凝土T梁跨越能力较强，最大跨径一般可达50 m，具有施工方便、吊重适中等优点，其缺点是梁高尺寸较大，经济性相对一般。山区一般为河谷、丘陵等地貌，桥梁平均墩高较高，T梁的建筑高度较高，其与高墩桥梁的视觉感观较预制小箱梁协调，且随着墩高的增加，桥梁刚构情况的越来越多，T梁设置墩梁固结的构造处理难度较组合小箱梁简单。

桥梁上部结构比较见表1。

3.3 桥梁下部结构选型

桥梁结构的选型应除应重视上部跨径和下部墩高的高跨比的协调，最经济的跨径是桥梁上、下结构总造价最低。

山区公路一般桥址处地形起伏较大，以残坡积和基岩全风化为主的覆盖表层厚度较薄，其下的基岩埋深较浅，主要为花岗岩、砂岩、灰岩等。桥台的填土高度一般控制在8 m以内，桥台选型要根据地基承载力情况，并结合桥台处具体地形情况，常规考虑分别选用重力式U台（配扩大基础或桩基础）、柱式桥台（配桩基础）、肋板式桥台或承台分离式桥台（配桩基础）3种结构形式。

在桥墩的类型选择上，根据山区桥梁设计的经验和要求，结合桥墩墩高（H）确定采用原则一般如下：

H＜40 m时，下部选用双圆柱式桥墩，配桩基础；

40 m≤H＜50 m时，下部选用等截面矩形实心薄壁墩，配桩基础；

H≥50 m时，下部选用等截面空心薄壁墩，配桩基础。

柱式桥墩是墩高在40 m内最经济最实用的桥墩形式，它具有外形整洁美观、与地形适应性强、施工工艺简单、与桩基础衔接好的优点。由于薄壁空心墩施工复杂，施工模板较多，施工工期长，为了施工方便、加快工期，一般墩高超过40 m但小于50 m时，可采用等截面的矩形实心薄壁墩。

3.4 抗震设计

山区往往是地震多发地带，桥梁结构设计中必须进行一定的抗震设计[5]。对于山区公路中小跨度桥梁，其抗震性能的提升主要体现在细部构造设计方案。首先，支座必须选择具有良好抗隔震性能的材料；其次，桥墩设计应选择延性较好的结构，优化配筋设计并调整结构厚度，最后通过在梁和桥台（梁）之间加设缓冲材料，进而减小结构的横向位移。上述抗震措施的使用能有效提升结构的抗震性能，为公路桥梁的安全运营提供一定保障。

3.5 中小跨桥梁设计优化措施

上述提及的桥梁设计原则是指导山区桥梁设计的基本准则，然而不同地区的桥梁建设具有显著的独特性，设计中必须充分考虑当前的工程背景、施工条件等一系列问题，在满足规范标准的基础上，确保方案最优。由于国家或行业颁布的设计规范及标准具有普适性，无法真正与实际工程紧密结合，因此，在具体的桥梁设计中，设计人员应结合自身的专业能力以及工程背景对桥梁设计方案进行相应的调整改进。同时，应根据实际工程进行相应的改进或优化山区桥梁荷载标准，综合考虑公路用途、行车荷载以及未来载重趋势等一系列因素，进而使设计荷载标准更为合理、准确。此外，设计过程中必须考虑后续施工条件、措施、工期等一系列后续工作，仅从设计角度出发，未充分结合施工因素提出的桥梁设计方案无法真正落实到工程实践中。因此，以设计和施工作为整体考虑，立足于中小跨桥梁工程建设、运营以及维护的全寿命周期，加强对施工过程的管理和监督，针对施工人员开展技术指导，进而真正使桥梁设计贯彻于工程实践。

4 工程实例

4.1 工程概况

某山区高速公路穿越深沟谷地段，为保证道路贯通，在此处采用架设桥梁的设计方案，该区域交通较为便利，地质条件良好，但地面高差大，最大可达40 m，且该地区偶有地震作用，因此，桥梁设计中必须综合考虑上述工程及环境因素。

4.2 桥梁选型

考虑到该区域跨越沟谷的特点，结合路线设计纵断面，桥梁长度约300 m，因此，桥梁上部结构可采用小箱梁或T梁结构。基于二者的优缺点，综合考虑各种因素的影响，最终确定T梁结构作为桥梁的上部结构，跨径设计为8 m×40 m，高墩连续梁采用墩梁固结，横桥向左、右幅分幅设置。根据地质钻孔揭示，持力层为中风化花岗岩，覆盖层较薄，地质条件好，桩基均按嵌岩桩设置，且桩长基本在20 m以内，综合分析后确定桥墩采用圆柱墩接桩基础，桥台采用U形桥台加扩大基础。

4.3 桥梁抗震设计

在抗震措施方面，主要采用减隔振效果好的支座，同时，在梁与桥台间添加缓冲材料减少桥台结构位移对主梁结构的影响，此外，塑性交接部位对箍筋及钢筋进行加密布设，从而尽可能地提高中小跨桥梁结构的抗震性能。

5 结语

在山区公路中小跨度桥梁设计方面，最需要的是因地制宜，结合设计者多年的工程经验，并充分考虑各种制约因素进而综合分析后，得出最佳的桥梁设计方案。本文通过分析中小跨桥梁的设计特点及存在问题，提出了相应的设计原则和改进措施。为最大限度地满足施工要求，桥梁设计人员必须转变理念，深入理解桥梁设计的核心问题，进而通过计算乃至多方位比选确定最合理方案，最终实现延长山区公路桥梁使用寿命，为公路桥梁建设贡献自己的一份绵薄之力！