山區高速公路橋梁上、下部構造設計

顧云發

摘要：結合山區高速公路特點，詳細闡述了山區高速公路橋梁上、下部構造設計。

關鍵詞：山區高速公路；橋梁；上部；下部；設計

隨著我國經濟建設的發展，我國在山區修建的高速公路越來越多，山區高速公路地形地質復雜，構造物多，橋梁隧道總長占路線長度的比例大，有的山區高速公路，橋隧比例高達70%-80%。所以要設計成功一條山區高速公路，設計好其中的橋梁部分就顯得十分重要。

1 上部構造設計

上部構造設計要處理好兩個關系。

1.1 處理好跨徑與墩高的關系。

跨徑與墩高的關系按橋梁美學原則，一般應選擇比值為0.618-1之間，通過經濟比較，往往又是經濟的，也就是說20m跨徑T梁適應的墩高一般為12-20m，30m跨徑適應的墩高一般為18-30m，40m跨徑適應的墩高一般為24m-40m。山區高速公路地形起伏變化頻繁，通常應根據地形選擇一種跨徑，不宜根據墩高頻繁變化跨徑，墩柱高度變化很大時，可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當一座橋梁，有幾種跨徑方案可選擇時，應結合上下構做造價分析比較再做選擇。

1.2 處理好上部構造（板或梁）與平面曲線半徑的關系。

橋位處平面曲線半徑對橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大，主要表現為兩個方面，第一是內外弧差，第二是中矢高。墩臺徑向布置時，由于曲率半徑的影響，內外梁梁長不等，半徑越小，內外梁梁長差越大。解決此問題一般兩種途徑，一種是根據平面半徑變化梁長，另一種是不變梁長通過加大帽梁，加大封錨端或加長現澆連續段處理。第一種方法變化梁長，設計簡單，帽梁尺寸較小、規格統一，但一個標段，如果有幾座橋處于不同的曲線半徑上時，預制梁長度種類就較多，頻繁調整模板雖不算很難，但每片梁都需要編號，堆放預制梁需要很大場地，這對“地無百米平”的山區確實是難以解決的問題，因此一般不采用變梁長方案。采用等梁長方案時，如果半徑較大，內外梁梁長差不大，可以采用內弧長等于標準跨徑布置，如果半徑較小，可以采用半幅橋中線弧長等于標準跨徑布置，這樣連續段長度一端比標準長度增加，一端減小。內外弧差的問題解決后，還有中矢高的問題，一般中矢高10cm以內，可以通過調整護墻內緣使之適應平面線形；半徑較小，中矢高大于10cm時，由于護墻一般為50cm寬，護墻調整太大外觀不美，護墻功能亦削減。此時亦有兩種解決辦法，一種是預制梁外緣按實際曲線預制，另一種是預制T梁邊梁時，將邊梁多預制一段長度，讓現澆橋面板和護墻來適應平面線形。邊梁按實際曲線預制時，邊梁翼緣板由于兩側不等寬，剛度不等，施加預應力時可能出現側向翹曲，且不同半徑外邊梁形狀不一樣，種類多施工較麻煩。第二種辦法雖然材料稍有浪費，美觀性稍差，仍優于前一種。

2 橋梁下部構造設計

2.1 橋墩

高度較矮的橋墩（h＜40m）多采用柱式墩，Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質量易控制，且與樁基銜接方便，平原地區用的較多。但從美觀上來說，方柱有棱有角，與上構梁體協調，有一定的視線誘導性，較美觀。從受力上看，截面積相等的方柱和圓柱，方柱抗彎剛度大于圓柱，受力優于圓柱，當體系為連續剛構時，方柱可以方便地通過調整兩個方向的尺寸來調整墩柱的剛度，從而達到調整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性，調整起來效果差一些。方柱的缺點是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接，增加了工程數量，并且山區橋梁地面橫坡都較陡，增加柱帽構造還會增加挖方工程量，引起邊坡不穩，設計中應根據地形、上構結構形式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。

Y型墩薄壁是獨柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復雜。墩高較矮時，其施工既復雜又不美觀所以少采用。當墩高較高時Y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一個支架，對于地面橫坡較陡，搭支架困難，模板需求量大的山區橋梁，Y型薄壁墩具有顯著的優勢。從預算定額中也可以看出，同高度的柱式墩與Y型薄壁墩相比，Y型薄壁墩的基價低。另外采用雙柱墩時，由于地面橫坡較陡，兩個墩柱高度經常相差較大，由于線剛度EI/L差距大，導致一個墩兩個墩柱受力差異較大，采用Y型薄壁墩，只一個墩柱，就避免了上述缺陷。也有人認為，上部的Y型承托節約材料并不多，卻施工麻煩，宜設計為實體，權衡施工進度和質量、安全和節省材料及美觀之間的關系，也未嘗不可。不管外形如何，墩高較高時，采用獨柱雙支座外部形狀Y型的薄壁墩較為適宜。

2.2 高墩

一般矮橋墩的設計由強度控制，但當墩高較高時，就必須得考慮橋墩的穩定問題。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD62-2004）關于偏心受壓柱條文說明5.3.10條指出，“當l0/h＞30時，構件已由材料破壞變為失穩破壞。”l0為受壓柱的有效長度，在0.5~2倍墩高之間變化，究竟取值多少，與施工狀態、上構重量、上構和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關。大量的計算實驗表明對于先簡支后剛構（墩頂與上構為鋼板焊接）和先簡支后連續（墩頂與上構為橡膠支座連接）的多跨T梁橋來說，墩柱的有效長度l0=1.2~1.43l，l為墩柱高度，當l=40m且采用矩形截面時，h≥1.2~1.43×40/30=1.6~1.907m，h=50m時h≥2~2.383m，當墩厚大于2m時，實心矩形截面經濟性降低，所以可以得出一個結論：墩柱為材料破壞時，采用實心矩形截面，其高度不宜超過50m。當墩高大于50m時，宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩，墩高超過65m左右時順橋向應考慮放坡，因為采用等寬尺寸時施工雖然方便，但為了保證橋墩的穩定，墩柱和帽梁必將尺寸加大很多，這樣材料會浪費較大。

2.3 橋墩與路幅的關系

山區高速公路有整體式路基，也有分離式路基。目前路線選線越來越強調減少占地，環保、與景觀協調的理念，除了中長隧道等設置分離式路基外，越來越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋，一般情況下下構按分幅單獨設計，即雙幅四柱。對于高墩長橋，為了減少開挖，增強邊坡穩定性，節約材料，降低造價，整體式下構即雙幅兩柱不失為一種較好的選擇。與雙幅四柱相比，在橋墩截面積及橫向寬度相當的情況下，整體式下構橫向和縱向剛度是分幅設置的兩倍以上，除了可以減少開挖，節約材料、施工面少外，還能減少墩頂變位。當然整體式下構帽梁跨度較大，還須考慮車輛雙向行駛時扭矩影響，帽梁需設置的強大一些。一座橋究竟是采用整體式下構還是分幅下構，需結合橋位處地形、地質、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。

2.4 橋臺

山區高速公路橋梁橋臺一般采用重力式U型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式U臺最常用，根據《墩臺與基礎》規定，U臺適應的填土范圍為4-10m，所以U臺的高度最好以10m控制。山區橋梁U臺一個顯著特征就是橫向，縱向橫坡陡，為了適應地形，減小開挖，節約圬工方量，U臺設計時必須根據地形合理分臺階。樁柱式橋臺由于抗推剛度小，當聯長較長，臺后填土高度較高時不宜使用，一般臺后填土高度宜控制在5m以下，聯長宜控制在150米以內。埋置式肋板臺適應范圍廣一些，但也不宜太高，不宜超過12m。山區高速公路橋梁縱向地形陡峭，往往不能設置錐坡，這時采用樁柱式或肋板臺會受到較大限制。當地質情況較差時，常常會出現U臺下設置樁基的情況。

2.5 基礎

山區高速公路橋梁最常用的基礎仍為為擴大基礎與樁基礎。山區一般地質情況較好，采用擴大基礎的情況相對較多，且宜采用分離式擴基礎。因為分離式擴基礎適應地形橫坡，承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴大基礎與樁基礎必須考慮基礎擴散角和覆蓋層厚度以及施工時的相互影響。樁基礎多為嵌巖樁和柱樁，地質情況較差地段采用摩擦樁。樁基礎不管受力形式如何，施工方法上多是挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價較節省，但設計中能否采用挖孔樁，應結合地質情況具體分析，當樁長較長；遇到流沙、軟弱夾層多，卵石、漂石等容易造成塌孔的地質情況；地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時不宜設計為挖孔樁。

3 結束語

山區高速公路橋梁設計有很多區別于平原橋梁的地方，也更有很多方面需要探討，結合設計中遇到的實際問題，提出一些解決方法。