山區高速公路梁式橋結構體系的選擇

張先忠 趙進鋒

（1.鄭州航空工業管理學院，河南 鄭州450015；2.中交一公局公路勘察設計院有限公司，北京100024）

［欄目責任編輯 宋先鋒 郵箱cxxf321@sina.com］

橋梁結構作為供公路、城市道路、鐵路、渠道、管線等跨越水體、山谷或彼此間相互跨越的工程構筑物，是交通運輸中重要的組成部分。工程中常見的橋梁結構體系類型主要有梁式橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋及組合橋梁，每種橋梁類型具有不同的受力形態，主要體現在結構內部荷載的傳遞方式及其平衡時的內力狀態等，它是結構體系的內核，而相同類型的橋梁結構受力形態也不盡相同，其影響因素可主要歸納為三個方面：外部對結構體系的約束，如結構體系是否靜定將決定溫度、支座沉降等對結構體系的影響；結構內部主要受力構件間的連接（傳力）形式，如梁式橋主梁和橋墩的連接形式將影響結構體系內部荷載的傳遞；主要構件間的受力分配，如多跨梁式橋中橋墩剛度的不同將影響各墩水平力的分配［1］。

隨著我國經濟建設的發展特別是西部大開發戰略實施以來，新建的高速公路逐漸由東部發達地區向中西部欠發達地區延伸。由于我國地形總體西高東低，西部多山地丘陵，因此在山區修建的高速公路越來越多，地形、地質相應也越來越復雜，隨之而來的是橋梁所占比例越來越大。山區高速公路橋梁所占比重大，結構體系的選擇對于結構物的安全、經濟、耐久均有較大的影響。

1 山區高速公路橋梁的特點［2］

1.1 地面高差大，地形、地質、水文條件復雜

山區公路所經地段大多地面高差達，橫坡陡；巖溶、滑坡、不穩定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣層等不良地質均有不同程度表現，巖性、巖層風化程度差別較大；水系眾多，暴雨、洪水等千差萬別。受此影響，路線布設時造成平曲線多，平面半徑小，縱坡較大。由于地形地質水文等條件復雜，導致墩臺形式復雜多樣。

1.2 橋梁比例高，高墩橋梁較多

由于山區地形多變，地面線橫坡陡，路線跨越眾多溝壑，如果采用路基方案，除了工程量較大外，其后期的路基沉降及穩定性帶來的安全隱患也較大，因此多采用高墩橋梁。山區高速公路往往在地質條件及地形比較復雜的區域采用橋梁和隧道結構，其總長占路線長度的比例較大，而在有的區域橋梁隧道結構占絕大部分。

1.3 橋梁下部結構設計重要性突出

山嶺地區由于地形比較復雜，運輸條件較差，不便于大型施工設備的使用，施工條件非常惡劣，加之山區高速公路，橋梁所占比重較大。因此除了一些特殊區域受地形條件限制需要采用大跨度橋梁結構外，一般采用結構形式簡單、造價經濟的預制梁裝配施工。因此，下部結構的安全性、合理性對橋梁的經濟安全起著至關重要的作用。下部構造設計主要指橋梁墩臺的設計，其中橋墩的設計是重中之重。許多工程實例表明：橋梁下部結構是關系整座橋梁運營質量的關鍵所在，眾多橋梁事故的發生是由于橋梁墩臺受到損害所致。

2 山區高速公路橋梁下部結構的設計要點［3］

2.1 墩高與跨徑的關系

橋梁上下部經濟美觀的原則，墩高與跨徑比值一般應選擇為0.618～1m之間。因此，對于墩高為12～20m的橋梁，跨徑一般采用20m；墩高18～30m適應的橋梁跨徑為30m；40m跨徑的橋梁適應的墩高一般為24～40m。由于地形條件的影響使得橋梁墩柱結構高度發生較大變化時，可以根據以上原則采用兩種跨徑組合布跨。

2.2 墩高與墩型的關系

矮橋墩的設計由強度控制，高橋墩由穩定控制，墩高不同，應采用不同的墩型，以便使橋墩的受力及經濟性達到最優。一般而言，墩高小于45m的橋墩多采用柱式墩，45～55m墩高多采用矩形墩，墩高大于55m，多采用空心薄壁墩。

3 結構體系選擇［4］

梁式橋按上下部結構相互作用的形式分為兩種結構體系：墩梁固結和墩頂設支座。

墩梁固結體系是將主梁與橋墩固結起來，利用橋墩自身的柔性適應上部梁體結構的變形，利用墩梁鋼構抵抗車輛沖擊力與制動力。

與墩梁固結體系不同的是，墩頂設支座的墩身僅承受上構傳遞來的軸力、剪力，不承受彎矩。墩梁固結可以使高墩在豎向偏心壓力的作用下，由一端固結（基礎端）、另一端自由或鉸接（墩頂端）的構件，變為一端固結、另一端彈性固結的構件，墩梁固結體系可有效提高墩身的穩定性，從而改善整橋的穩定性與抗震性能（見表1）。

現行公路橋梁規范對受壓構件的計算采用極限狀態法，分別通過引入軸壓穩定系數及偏心距增大系數來考慮穩定性問題。這兩個系數均與構件的計算長度有很大的關系。上表為筆者計算的常用墩型計算長度系數。從中可以看出，由于采用墩梁固結，橋墩計算長度系數可以大大減小。

山區公路橋梁多為彎、坡、斜橋，受力一般存在彎扭耦合現象，如果采用全連續結構，即上部梁體通過橡膠支座支撐在下部結構上時，容易造成梁體受力不平衡，導致支座脫空甚至破壞，使上部梁體受力不利，降低支座的使用壽命。為了克服以上不利因素，將較高的柔性橋墩與主梁固結起來，利用橋墩的柔性承受主梁傳遞來的水平推力，在剛度較大的橋臺或受力不利的邊墩設置縱向滑動支座，這樣的剛構-連續組合體系使高墩、矮墩的受力性能都得到了改善。

4 工程實例

冉家壩大橋為重慶萬州至湖北利川高速公路（重慶段）WL05合同段的一座橋梁，該橋位于重慶市萬州區長灘鎮長灘村，大橋跨越磨刀溪和二道河，橋位區最低點磨刀溪河床底部，地面高程233.16m，橋位區最高點位于萬州岸橋臺318國道邊坡頂部，高程為326.24m，相對高差93.08m。橋位區河谷平面形態呈“U”形，河床寬63.5m左右，水面寬度約18～42m，水深約0.5～2m。溝谷兩側斜坡有基巖出露，溝底上層為卵石土，下層為基巖。基巖主要為中風化砂巖，巖體較完整。結合本橋地形地質條件及橋梁高度，橋梁上部結構采用30m、35m、40m預應力砼（后張）T梁，下部結構根據墩高不同分別采用柱式墩、矩形墩及空心薄壁墩。

表1 常用墩型的計算長度系數

圖1 冉家壩大橋右幅第三聯橋型布置圖（單位：cm）

表2 方案一墩底計算結果

表3 方案二墩底計算結果

橋梁的結構體系選擇對下部結構的剛度分配、穩定性等都有較大的影響。以最有代表性的右幅第三聯為例進行結構體系分析。該聯橋墩高差較大，柱式墩、矩形墩及空心薄壁墩均有出現。結構體系有兩種備選方案：

方案一：采用剛構-連續體系，即8、9、10號墩采用墩梁固結，7、11號墩采用支座。

方案二：全橋墩頂設支座。

該聯下部結構計算結果如下：

由以上計算結果可以看出，由于方案一8～10號墩采用墩梁固結，橋墩的計算長度有較大幅度的降低，因此與方案二采用支座方式相比，各墩的安全儲備均有較大幅度的提高。

5 結語

與普通連續梁相比，主墩無支座，施工方便，連續鋼構一般采用懸臂施工，合攏時不需體系轉換，由于墩梁固結，墩柱的計算長度減小，可以有效增大結構的安全儲備；或者可以減小墩身截面，降低配筋率，達到節約材料而不降低結構安全儲備的目的。墩梁固結體系能有效減小主梁跨中正彎矩，對于柔性墩順橋向抗推剛度小，能有效減小溫度、混凝土收縮徐變等次內力的影響，提高結構的抗震性能同時，墩梁固結減少了支座，也避免了運營階段支座更換的工作量。

［1］項海帆，等.橋梁概念設計［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］許璐.山區高速公路橋梁設計關鍵問題研究［D］.西安：長安大學，2009.

［3］蘇榮耀，華少良.山區公路橋梁設計［J］.建材與裝飾，2010（2）：168-169.

［4］李凌夏，林杰，覃芳銘.墩梁固結法在山區橋梁的應用［J］.西部交通科技，2008（5）：64-67，71.

［5］廖朝華，等.墩臺與基礎（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2013.