山區(qū)公路橋梁設(shè)計策略

吳婷婷

（新疆立弓交通勘察設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 831401）

1 山區(qū)公路橋梁工程特點

由于山區(qū)構(gòu)造物比較多，地形較為復雜，如地面高差大、坡面變化頻繁，地質(zhì)不穩(wěn)定、滑坡等，使得山區(qū)公路橋梁設(shè)計受到了復雜的地形地質(zhì)條件影響，也變得比較復雜。這種情況下，山區(qū)公路線路布設(shè)圖中平曲線往往占有很大的比例，曲線半徑小、縱坡大、半邊橋和高擋墻多，使得橋梁設(shè)計也大多是小半徑彎坡橋多、大跨多及墩高、墩臺形式多[1]。另外，由于山區(qū)有著比較惡劣的工程條件，要求公路橋梁設(shè)計中應著重解決好公路橋梁各細部構(gòu)造與地形地質(zhì)條件之間的關(guān)系。

2 山區(qū)公路橋梁結(jié)構(gòu)的選擇

一座安全、經(jīng)濟、實用的山區(qū)公路橋梁的建成，離不開科學、合理并與之特點相符合的橋梁結(jié)構(gòu)。山區(qū)由于地形地質(zhì)情況比較復雜，溝深坡陡，且多為季節(jié)性深溝，因此，很多情況下公路橋梁設(shè)計不僅受地形地質(zhì)條件限制，還受水文條件影響，因此最好采用高橋墩的構(gòu)造形式，不宜采用路基方案[2]。山區(qū)公路橋梁大部分都要跨越山谷，如果采用高橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，不僅可以應對季節(jié)性洪水問題，利于穩(wěn)定路基，還不易對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，既安全又經(jīng)濟。

3 山區(qū)公路橋梁設(shè)計策略

本文將山區(qū)公路橋梁設(shè)計分為上部結(jié)構(gòu)設(shè)計和下部結(jié)構(gòu)設(shè)計兩部分內(nèi)容，下面將具體分析上、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計策略，以及設(shè)計中應該注意的相關(guān)問題。

3.1 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 結(jié)構(gòu)形式的選擇

在山區(qū)有著很多的季節(jié)性河流，為了跨越這些河流往往需要架設(shè)橋梁，使得橋梁在山區(qū)公路中占有很大的比重，無形中加大了成本投入。為了使成本投入經(jīng)濟又合理，施工方便，橋梁上部結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用標準化的預制裝配結(jié)構(gòu)[3]。但是因為每個施工現(xiàn)場有著不同工程地質(zhì)條件，設(shè)計方案也會有所不同，為此，以下將重點分析公路橋梁標準化、預制裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容。

近幾年，山區(qū)公路橋梁工程常用的預制裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的標準跨徑基本有16m、20m、25m、30m、40m、50m等，橫斷面形式基本采用空心板、T梁、小箱梁等。如果橋梁跨徑小于30m，可從空心板、T梁、小箱梁中任意選擇一種橫斷面形式，但是如果跨徑大于30m，最好選擇T梁形式的橫截面形式。山區(qū)公路橋梁一般對凈空無嚴格限制，加上山區(qū)公路平面半徑比較小，超高緩和段及豎曲線不可避免，如果選擇空心板和小箱梁形式的橫截面，架梁時不易調(diào)平一片梁的4個指支點。4個支點如果不在一個水平線上，可能導致支座受力不平衡[4]。所以，大跨徑的橋梁應盡量選擇T梁形式的橫截面，條件允許時小跨徑的橋梁也應該選擇T梁式橫截面，利于保持受力點平衡、穩(wěn)定。在這里需要強調(diào)的是，由于山區(qū)受到地形限制，基本上不存在較好的運輸和預制條件，但是50mT梁架設(shè)對運輸和安裝的要求很高，為此，山區(qū)最好不易選擇跨徑大于50m的橋梁結(jié)構(gòu)。

3.1.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的問題

（1）處理好跨徑和墩高之間的關(guān)系

11月16日，IFA秘書長夏洛特·黑貝布萊德（Charlotte Hebebrand）一行到訪中農(nóng)控股。中農(nóng)集團黨委書記、董事長兼中農(nóng)控股董事長蘇澤文會見來訪客人，雙方就下一步深入合作達成共識。

從美學角度出發(fā)，橋梁跨徑與墩高之間的比值應在0.5～1.0之間，即橋梁跨徑如果是30m，墩高最好在15～30m之間。將橋梁跨徑與墩高之間最佳比值固定在0.5～1.0間，原因在于這樣的設(shè)計比較經(jīng)濟實用，既不影響橋梁外形的美觀度，也能達到控制投資成本的效果。但山區(qū)公路地形變化頻繁，不易根據(jù)墩高來決定跨徑，應根據(jù)公路地形的變化情況選擇一種跨徑。但是，如果地形起伏變化非常頻繁，也可以選擇組合跨徑。通常一個公路橋梁工程不止有一種跨徑方案，這種情況下，要經(jīng)過多方對比分析，選擇造價低、質(zhì)量有保障的方案。

（2）處理好上部結(jié)構(gòu)與平面線形之間的關(guān)系

若不能處理好上部結(jié)構(gòu)與平面線形之間的關(guān)系，可能導致出現(xiàn)曲線橋。曲線橋一般表現(xiàn)為內(nèi)外弧差和中矢高。在布置墩臺徑向時，內(nèi)外橋梁因受到曲率半徑的影響會出現(xiàn)梁長不等的情況，半徑越小，內(nèi)外梁之間長度差距越大[4]。為了有效解決這一問題，必須處理好上部結(jié)構(gòu)與平面線形之間的關(guān)系，否則極容易影響到內(nèi)外橋梁的等長情況，并最終導致出現(xiàn)曲線橋。

針對內(nèi)外弧差這一問題，可以采用以下兩種應對措施：根據(jù)平面半徑的變化適當調(diào)整梁長；不改變梁長的前提下，通過加大帽梁、封錨端或加長現(xiàn)澆連續(xù)段的方式以適應平面半徑的變化。第一種應對措施設(shè)計簡單，規(guī)格統(tǒng)一，但往往需要很大場地堆放預制梁，場地不僅不易尋找，而且管理起來難度較大[5]。如果采用第二種應對措施，在半徑比較大時可以采用內(nèi)弧長等于標準跨徑布置，如果半徑比較小，可以采用中線弧長等于標準跨徑布置。

針對中矢高這一問題，如果中矢高在10cm以內(nèi)，一般可通過調(diào)整護墻內(nèi)緣的方式適應平面線形。在中矢高超過10cm時，不易調(diào)整護墻，以免影響橋梁整體外形的美觀度和消弱護墻功能。最好的解決方式就是按照實際曲線情況預制梁外緣，以此來適應平面線形。

（3）彎梁橋橫坡設(shè)置問題

在山區(qū)公路上看到的橋梁，平面上多呈扇形。為了使彎梁橋滿足行車要求，要求在結(jié)構(gòu)橫斷面上做成一個外弧側(cè)高、向內(nèi)弧側(cè)傾斜的橫坡。橫坡的設(shè)置方法有兩種：一種是將梁橫斷面上的每根梁肋做成不等高；另外一種是將梁橫斷面上的每根梁肋做成等高，然后將內(nèi)弧側(cè)做成傾斜，同時將橋墩蓋也做成傾斜，利用支座墊石和梁底設(shè)置的楔形墊塊所產(chǎn)生的力量使支座受力均勻，保持穩(wěn)定。

（4）結(jié)構(gòu)體系

公路橋梁結(jié)構(gòu)體系基本包括全鋼構(gòu)體系、全連續(xù)結(jié)構(gòu)體系等幾大類。全鋼構(gòu)體系如果應用于多跨梁橋，由于多跨橋梁的橋墩高相差很大，必須通過調(diào)整橋墩的線剛度來改善橋墩的受力情況，這樣必然存在著多種橋墩尺寸，不僅影響橋梁外形的美觀，也不利于施工。全連續(xù)結(jié)構(gòu)體系的舒適性比較差、墩臺水平位移比較大，相應的墩柱尺寸也要比較大一些，既不利于節(jié)省材料也不利于結(jié)構(gòu)優(yōu)化。山區(qū)地形復雜，地形起伏變化比較頻繁，因此橋梁多是彎橋或坡橋。無論是彎橋還是坡橋，作為曲線橋梁中的一種類型，在彎扭耦合作用下必然沿著某一點變形。如果采用全連續(xù)結(jié)構(gòu)式的橋梁，當橋梁整體沿著某一點向下滑動時，必然不能保證橋梁結(jié)構(gòu)受力平衡、均勻，如再出現(xiàn)支座脫空或破壞的問題，橋梁必然會受到前所未有毀壞[6]。

從以上分析內(nèi)容可知，選擇某一種結(jié)構(gòu)體系作為橋梁整體的構(gòu)造并不是明智的選擇。為了保證橋梁結(jié)構(gòu)受力均勻、平衡，使用壽命長，設(shè)計人員應適當根據(jù)地形的高低合理調(diào)整墩高，保證中間橋墩較高，然后將剛度基本一致的相鄰橋墩連接在一起，滿足橋墩水平受力的要求，矮一些的橋墩則可通過設(shè)置滑板支座或橡膠支座以滿足橋墩水平受力的要求，這樣就可形成連續(xù)梁，無論是高橋墩還是矮橋墩，其受力性能都會得到有效的改善，橋梁整體也就能更加適應地形特點。由此，山區(qū)公路橋梁可以采用連續(xù)-剛構(gòu)混合體系，既能滿足橋梁的受力特點，又能適應平面線形。

3.2 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2.1 橋墩

橋梁跨徑的大小決定著橋墩的高矮，一般情況下，矮橋墩設(shè)計由強度控制，高橋墩設(shè)計時要考慮穩(wěn)定性問題。山區(qū)公路橋梁經(jīng)常采用柱式墩，柱式墩中又分為圓柱墩和方柱墩。從外形來看，圓柱墩的外形比較好控制，質(zhì)量也比較容易控制，也便于與樁基銜接。但方柱墩因為有棱有角，在外形上沒有圓柱墩看起來那么美觀，質(zhì)量控制上沒有什么區(qū)別，只要方法得當，橋墩質(zhì)量都會得到有效控制。從受力角度來看[6]，在圓柱墩和方柱墩截面積相等的情況下，方柱墩的抗彎剛度一般要大于圓柱墩，有著比圓柱墩好的受力性。至于為什么存在這樣一種情況，主要原因在于當橋梁結(jié)構(gòu)體系為連續(xù)鋼構(gòu)時，方柱墩可通過調(diào)整墩柱兩個方向的剛度以達到調(diào)整墩柱受力的目的。但是，圓柱墩每個方向的剛度都是一樣的，受力性的調(diào)整效果會比較差。盡管方柱墩在調(diào)整受力性上有一定的優(yōu)勢，但也有一定的缺點。除了外形不夠美觀外，墩柱與樁基之間要通過樁帽來連接，無形中增加了工程量。所以，具體設(shè)計中應根據(jù)實際情況決定選擇方柱墩還是圓柱墩。如果地面比較陡，可適當采用雙柱墩以增加穩(wěn)定性。

3.2.2 橋臺

通過對大量資料分析得到，山區(qū)公路橋梁橋臺一般采用U型臺、肋板臺、樁柱式臺，其中U型臺最常用。U型臺的設(shè)計要根據(jù)施工現(xiàn)場的地形、地質(zhì)條件而決定，以達到減少工程量、適應地形的目的。如果施工現(xiàn)場地質(zhì)條件比較惡劣，可以在U型臺下設(shè)置樁基，維持橋臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2.3 基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)是山區(qū)公路橋梁最常用的基礎(chǔ)，除此之外，擴大基礎(chǔ)也是比較常見的方式。在地形地質(zhì)條件比較好的情況下，適宜采用擴大基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)適用于地質(zhì)情況比較惡劣的情況。地質(zhì)條件非常惡劣，則可采用摩擦樁[7]。如果橋梁架構(gòu)在斜坡上，無論采用擴大基礎(chǔ)還是樁基礎(chǔ)，在設(shè)計時都應考慮基礎(chǔ)擴散角和覆蓋層厚度，以及在施工過程中可能出現(xiàn)的問題。樁基礎(chǔ)的施工方法多為挖孔樁和鉆孔樁。盡管挖孔樁造價比較低，但是由于其不適用于地下水位比較高、易形成塌孔的地質(zhì)條件，為此，是否選擇挖孔樁應根據(jù)實際情況來決定。

4 結(jié)語

與平原地區(qū)的公路橋梁相比，山區(qū)公路橋梁設(shè)計有著一定的特殊性。為了保證山區(qū)公路橋梁設(shè)計方案的合理性和安全性，相關(guān)人員應針對山區(qū)地形地質(zhì)條件探索出最佳的設(shè)計方案。設(shè)計時，除了要求設(shè)計人員有著專業(yè)的、高超的業(yè)務(wù)能力，更要求對山區(qū)公路橋梁工程有著深入的認識，只有這樣才能根據(jù)經(jīng)驗有效應對設(shè)計中遇到的各種問題，創(chuàng)造出優(yōu)秀的設(shè)計方案。

[1]鳳懋潤.中國公路橋梁建設(shè)成果的哲學啟示[J].中國工程科學，2012（12）：62-68.

[2]郭淑燕.提高中小跨徑公路橋梁耐久性的措施[J].交通標準化，2009（7）：95-98.

[3]文林，陳雁.探索公路橋梁加固施工技術(shù)[J].民營科技，2011（5）：229.

[4]馬玉林.公路橋梁橋頭跳車防治技術(shù)和措施[J].山西建筑，2009（20）：280-282.