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浅谈山区高速公路桥梁设计

时间：2023-03-17 18:50:22 设计我要投稿

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浅谈山区高速公路桥梁设计

　　随着我国经济建设的发展，特别是西部大开发战略的实施，我国山区高速公路越来越多，地形地质复杂，结构众多。桥梁和隧道的总长度占线路长度的很大比例。在一些山区高速公路中，桥梁和隧道的比例高达70%-80%。因此，要成功设计山区高速公路，桥梁部分的设计非常重要。

浅谈山区高速公路桥梁设计

　　1、山区公路的主要特点

　　山区高速公路的主要特点是地形地质复杂。地形复杂，地面高差大，变化频繁，横坡陡；地质复杂性表现为岩溶、滑坡、不稳定斜坡、崩塌、陡崖、气层等不良地质。受此影响，路线的布置受到三个方面的制约，即平曲线多、平面半径小、纵坡大、桥梁比例高、横坡陡、半桥多、挡土墙高。山区高速公路桥梁也具有上述特点，如弯坡桥梁多，高墩大跨多，墩台形式多。在设计中，需要协调解决桥梁各细部结构与地形、地质的关系。

　　2.桥梁与路基的关系

　　2.1跨桥方案与高填方路基方案的比较

　　山区很多公路桥梁不受水文控制，只受地形控制。因为路基方案不合适，设置为高架桥。道路和桥梁之间的界限设置问题一直是一个难以把握的关键问题，也影响着公路的造价。路基规范强调“当路基中心填土高度超过20m时，最好与桥梁进行方案比选。”在工程的实际运行中，由于工期紧或认为跨桥方案安全方便，往往直接考虑桥梁方案。事实上，对于地质条件较好的V型峡谷，填筑中心高度30m但收敛较快，且桥梁与隧道相连的地方，为了消化隧道废物，考虑路基方案可能比桥梁方案更安全、更经济，因为这种地形桥梁多，场地局促、难度大，横纵坡陡，容易导致边坡失稳；对于宽缓段，虽然填筑高度只有20m左右，但如果需要穿越投标段借款人，且运输距离较长，填筑基地需要花费大量资金处理该段，则考虑桥梁方案可能更安全、更经济。因此，笔者认为山区公路与桥梁的界限不能一概而论。对于填筑高度超过20m的路段，应根据地形、地质、前后结构、前后路段垃圾量、工程造价等综合比选后决定是否架桥。不能速战速决，省事，直接考虑桥梁方案。

　　2.2半桥与挡土墙的关系

　　山区高速公路地形横坡较陡，可通过设计左右路基高度不同的交错路基进行处理。但有时由于左右路基的横向交通要求，需要设置转弯车道，交错路基方案不易实现，这时必然会出现半桥。当最低侧填土高度约为15m时，应根据地形地质综合比较加筋挡土墙、锚杆挡土墙和弃土方案与半桥方案，再决定是否架桥。

　　3.结构系统特征

　　为了保证结构的行车舒适性和耐久性，山区高速公路标准跨径大中型桥梁一般采用先简支后连续或墩梁固结的连续刚构混合体系。由于桥墩高度差异较大，全刚架体系需要调整桥墩的线性刚度来提高桥墩的应力。因此，桥墩尺寸的类型很多，美观性降低，施工相对麻烦。全连续结构长度不能太长，舒适度差，墩台水平位移大，桥墩尺寸需要设计的比较大，材料昂贵。根据地形，将相邻几个中墩高、刚度差异不大的桥墩进行加固，利用其柔性来适应桥墩上的水平力。短边墩设置滑板支座或橡胶支座，形成连续梁。采用这种刚架-连续体系，高墩和低墩的力学性能得到了改善，并适应了地形特点。

　　山区公路桥梁多为弯坡桥。曲线梁桥在弯曲和扭转的耦合作用下，有沿固定点变形的趋势。单向行驶的大纵坡长桥梁，在长期反复的汽车制动力作用下，有沿汽车行驶方向滑移的趋势。如果采用全连续结构，即上下结构用橡胶支座连接时，这种滑动倾向往往会造成横梁受力不平衡，支座脱落甚至损坏，导致横梁开裂。因此，山区公路桥梁应采用先简支后连续或墩梁固结的连续-刚架混合体系，既适合平面线形又适合桥梁受力特点。

　　4.桥梁上部结构设计

　　4.1一般设计原则

　　桥梁在山区高速公路中占很大比例，但总的来说，大跨度桥梁毕竟少，大多采用标准化预制结构，施工方便，成本经济。大跨度桥梁一般具有不同的控制因素、不同的方案和强烈的个性特征，而标准跨度桥梁具有更多的共性特征，因此本文重点研究标准化拼装桥梁的设计。

　　山区公路桥梁标准化拼装跨径分别为16、20、25、30、40、50m，截面为空心板、T梁、小箱梁。跨度小于30m的，有三种结构可供选择:空心板、小箱梁、T梁。跨度为40和50m时，应根据梁的受力特点采用丁字梁。30m以下，相同跨度，应采用何种截面形式，可通过表1选择。

　　一孔上部结构主要材料指标表1

　　梁高跨截面形式的桥宽

　　(cm)工作面积(m2)混凝土

　　(m3/m2)绞合线

　　(kg/m2)普通钢筋(kg/m2)数据来源

　　90cm20空心板122400.54712.8484.49(赣粤高速)

　　100cm20小箱梁122400.3809.08267.85(京珠北)

　　120cm20t梁122400.3698.11285.24(三福线)

　　从表1可以看出，小箱梁是空心板和丁字梁之间的截面形式。当跨度为20米时，丁字梁更经济。30m跨度以下，三个截面的对比基本遵循上述规律。当然，山区是这样，平原地区就另当别论了。在平原地区，由于净空和桥台填土高度的限制，桥梁上部结构要求尽可能降低建筑高度，这样可以降低纵坡、路基填土高度、占地和路基处理难度。20m空心板的建筑高度最低，与路基相比具有优势。平原地区路网发达，分离式立交较多。空心板在美观上优于其他两种截面，因此空心板在平原地区使用较多。山区高速公路桥梁的净空一般没有严格的限制。另外，山区高速公路平面半径小，桥上必然会出现超高缓和段。如果采用空心板和小箱梁，架设主梁时很难将一根梁的四个支点调平，容易导致支座脱空和受力不均。因此，山区高速公路桥梁的标准截面应首选丁字梁。对于50米跨度的丁字梁，在小半径水平曲线上，由于内外梁长度差异大，跨中上升大，对路线的适应性较差。此外，山区高速公路运输和现场预制条件差，大型机具难以进入。50mt梁单件重量超过150吨，对架设设备要求高，运输和安装过程中变形难以控制。所以一般不使用50m跨度的T梁。因此，山区高速公路桥梁常用的标准跨径为20、25、30、40m。T梁之间的横向连接有铰链连接和刚性连接两种形式。采用铰链连接时，铰链只传递剪力。当车辆荷载作用在铰缝上时，弯矩主要由现浇桥面承担，因此现浇桥面的厚度必须加厚，否则铰缝处的桥面容易出现纵向长裂缝。随着现浇桥面厚度的增加，意味着恒载增加，T梁的钢筋和钢索必须增加，经济性降低，所以T梁横向连接宜采用刚性连接。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD 62-XX)第9.3.16条还规定“预制T形截面梁的横隔梁的连接应与现浇混凝土整体连接”。当然，当斜交桥梁和异形桥梁需要横向弱连接时，铰缝也是一种很好的选择。

　　4.2混凝土桥梁设计

　　设计桥梁时，上部结构设计应处理好两个关系。

　　首先处理好跨度和墩高的关系。根据桥梁美学原理，跨径与墩高之比为0.618-1，通过经济比较往往是经济的，也就是说20m跨径的T梁墩高一般为12-20m，30m跨径一般为18-30m，40m跨径一般为24m—40m。山区高速公路地形起伏变化频繁，通常需要根据地形选择跨度，根据墩高频繁改变跨度是不合适的。当墩高变化较大时，可采用20m与30m或30m与40m的组合跨度。当一座桥梁有几个跨度方案可供选择时，在做出选择之前，应与上下结构进行分析和比较。

　　二、处理上部结构(板或梁)与平面曲线半径的关系。桥位平曲线半径对桥跨选择和平面布置影响很大，主要表现在两个方面:一是内外弧差，二是中间隆起。墩台呈放射状布置时，由于曲率半径的影响，内外梁的长度不同，半径越小，内外梁的差异越大。解决这个问题一般有两种方法，一种是根据平面半径改变梁长，另一种是在不改变梁长的情况下，增加盖梁、增加锚固端或加长现浇连续截面。第一种方法改变梁长，设计简单，帽梁尺寸小，规格统一。但是，如果在一个标段的不同曲线半径上有几座桥梁，那么预制梁的长度就有很多种。虽然经常调整模板并不困难，但是每根梁都需要编号，堆放预制梁需要很大的空间。这在土地不是100米平地的山区确实是一个很难解决的问题，所以一般不采用改变梁长的方案。采用等梁长方案时，如果半径大，内外梁差小，则内弧长等于标准跨度布置；如果半径较小，则半桥中心线的弧长等于标准跨径布置，这样，连续截面长度的一端增大，而另一端减小。内外弧差问题解决后，还有中间矢高问题，一般在10cm以内，通过调整挡土墙内缘可以适应平面线形；半径小，矢量高度大于10cm时，由于挡墙一般为50cm宽，挡墙调整过大，外观不美观，挡墙功能也降低。此时也有两种解决办法，一种是按实际曲线预制预制预制梁外缘，另一种是在预制T梁边梁时预制较长长度的边梁，使现浇桥面和挡土墙适应平面线形。边梁按实际曲线预制时，边梁翼缘板在预应力时可能横向翘曲，不同半径的外梁形状也不一样，施工起来比较麻烦。第二种方法虽然材料稍有浪费，美观稍差，但仍优于前一种方法。

　　5.桥梁下部结构设计

　　5.1码头

　　短墩(h < 40m)多采用柱式墩和Y形薄壁墩，其中柱式墩最常用。柱式桥墩分为柱式和方柱式。圆柱形结构的外观质量易于控制，便于与桩基连接，在平原地区得到广泛应用。但在审美上，方柱有棱角，与上层建筑协调，有一定的视线感应，更美观。从受力来看，方柱和等截面的柱比柱的抗弯刚度更大，受力更好。当系统为连续刚架时，方柱可以方便地通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。圆柱体各向同性，所以调节效果更差。方柱的缺点是墩柱和桩基需要通过承台连接，增加了工程数量。而且山桥的横坡比较陡。增加承台结构也会增加开挖量，造成边坡失稳。设计时应根据地形、上部结构和墩高选择方柱或圆柱。

　　y形墩薄壁为单柱双支撑墩型，美观性好，但施工略复杂。当桥墩高度较低时，其施工复杂且不美观，因此很少使用。当墩高较高时，Y形薄壁墩施工只需一套模板和一个支撑。y形薄壁墩对于横坡陡、支撑困难、模板需求量大的山桥有明显的优势。从预算定额中也可以看出，Y形薄壁墩的基价低于同高度的Y形薄壁墩。另外，采用双柱墩时，由于地面横坡较陡，两个墩的高度往往相差较大，一个墩的两个墩的应力差由于线刚度ei/L相差较大而相差较大，只有一个墩的Y形薄壁墩可以避免上述缺陷。有人认为上部的Y型支座不省多少材料，但施工麻烦，所以要作为一个实体来设计，权衡施工进度与质量、安全、节材、美观的关系也不无道理。无论形状如何，当墩高较高时，宜采用单柱双支撑的Y形薄壁墩。

　　5.2高墩

　　一般来说，短墩的设计受强度控制，但当墩高较高时，必须考虑墩的稳定性。《公路钢筋混凝土和预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD 62-XX)关于偏心受压柱的第5.3.10条指出“当L0/h > 30时，构件由材料破坏变为失稳破坏。”L0为受压柱的有效长度，为墩高的0.5-2倍。该值与施工状态、上部结构重量、上部结构和桥墩连接方式有关，即桥墩的支撑刚度。大量计算试验表明，对于先简支后刚架(墩顶与上部结构用钢板焊接)先简支后连续(墩顶与上部结构用橡胶支座连接)的多跨T梁桥，墩的有效长度l0=1.2~1.43l，L为墩高，当l=40m且采用矩形截面时，H ≥ 1.2 ~ 1.43× 40/30当墩厚大于2m时，实心矩形截面的经济性会降低，因此可以得出结论:当墩柱被材料破坏时，应采用实心矩形截面，其高度不应超过50m。当墩高大于50m时，宜采用空心薄壁墩段。使用空心薄壁墩时，当墩高超过65m左右时，应考虑沿桥向倾斜，因为等宽尺寸施工方便，但为了保证墩的稳定性，墩柱和盖梁的尺寸会大大增大，导致材料的极大浪费。

　　5.3桥墩与道路宽度的关系

　　山区高速公路有整体路基和分离式路基。目前，人们越来越重视减少土地占用、环境保护和与景观协调的概念。中长隧道除了设置独立路基外，越来越多的采用整体路基。整体路基的双跨桥梁结构一般采用分幅设计，即双跨四柱。对于高墩长桥，为了减少开挖，提高边坡稳定性，节省材料，降低成本，整体式下部结构，即双框架双柱是一种较好的选择。与双跨四柱相比，在桥墩截面积和横向宽度相等的情况下，整体式下部结构的横向和纵向刚度是分跨结构的两倍以上，不仅可以减少开挖，节省材料，而且可以减少墩顶位移。当然整体式结构下盖梁跨度较大，要考虑车辆双向行驶的扭矩影响，所以盖梁要设置的更强。桥梁采用整体式下部结构还是子框架式下部结构，应结合桥址地形、地质、水文、墩高等多种因素综合考虑。

　　5.4桥台

　　山区高速公路的桥台一般采用重力式U形桥台、肋板式桥台和桩式桥台。其中最常用的是重力式U型平台。根据墩台和基础的规定，U平台的适宜填筑范围为4-10m，因此U平台高度最好控制10m。山桥U型桥台的一个显著特点是横坡和纵坡都很陡。为了适应地形，减少开挖，节省砌体，U型桥台必须根据地形设计合理的台阶。由于桩式桥台抗推刚度较小，不宜在接头长度较长、桥台后填土高度较高时使用。桥台后填土高度一般控制在5m以下，接缝长度控制在150m以内。嵌入式密肋壁板平台应用范围较广，但不宜过高，不宜超过12m。由于山区高速公路桥梁纵向地形陡峭，往往无法设置锥形边坡，桩式或肋板式平台的采用将受到很大限制。在地质条件较差的情况下，往往会出现U型台下设置桩基的情况。

　　5.5基础

　　山区高速公路桥梁最常用的基础仍然是膨胀基础和桩基础。山区一般地质条件较好，采用扩大基础的情况相对较多，宜采用分离式扩大基础。由于分离式膨胀基础适用于地形跨坡，承载力也能满足要求。扩底和斜坡桩基必须考虑基础扩散角、覆盖层厚度以及施工过程中的相互影响。桩基多为嵌岩桩和柱桩，地质条件较差的地区采用摩擦桩。无论桩基受力形式如何，施工方法多为挖孔桩和钻孔灌注桩。挖孔桩的造价比较经济，但设计中是否可以采用挖孔桩，要根据地质条件详细分析，当桩长较长时；流沙、多软弱夹层、卵石、巨砾等地质条件。，容易造成塌孔；当地下水位较高，地层含有气体、瓦斯等有害气体时，不宜设计挖孔桩。

　　6.结束语

　　山区高速公路的桥梁设计与平原桥梁有许多不同之处，有许多方面需要探讨。本文仅介绍设计中遇到的一些实际问题，并提出一些解决方法。请批评指正不准确之处。

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