山區高速公路深谷地形橋梁選型設計研究

梁余定

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

山區高速公路深谷地形橋梁選型設計研究

梁余定

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510507)

以廣東省龍川至懷集公路的橋梁為典型例子，介紹了山區典型地貌下的高墩橋梁的選型原則及設計特點。詳細介紹了龍門大橋橋型方案的選擇分析過程，對山區高墩橋梁方案選型及設計時應考慮和注意的實際問題進行探討，給出了解決方法。

山區；高墩；連續剛構；方案；設計；施工

1 工程概況

廣東省龍川至懷集公路懷集縣境內龍門大橋為跨越U形山谷而設。項目地處于粵西隆起帶，地貌單元屬山嶺重丘，局部為臺地，溶蝕平原或山間洼地。橋區位于山間谷地，地勢起伏較大，谷底區域地勢平坦，主要為農田及民房。橋位區地面標高約115～254 m，兩側山地縱橫向坡度較陡，山上植被茂密。橋梁跨越龍門村寨、省道S349和桃花水支流。

主要技術指標：設計荷載為公路-Ⅰ級；設計速度100 km/h；橋面寬度：0.5 m(防撞梁)+11.5 m(行車道)+1.5 m(中央分隔帶)+11.5 m(行車道)+0.5 m(防撞欄)=25.5 m；單幅橋面寬度12.5 m。

2 橋型方案選擇原則

(1) 考慮高速公路的路橋配合，原則上橋位服從路線，不因橋位選擇造成路線過度繞行或線形指標的降低；同時，在路線方案設計中，盡量考慮大型構造物兩頭接線順暢的需要[1]。

(2) 山區高速公路地形起伏變化大，橋梁墩高變化劇烈，橋梁的跨徑除滿足功能需求外，高跨比通常結合橋梁美學原則及經濟性進行比較，一般比值控制在0.618～1之間[2]。由于山區地形起伏變化頻繁，一座橋梁應根據地形盡量選擇一種跨徑，不宜根據墩高頻繁變化跨徑，墩柱高度變化很大時，可根據全橋平均墩高綜合考慮[3]。

(3) 橋墩高度在60 m以內時，橋梁上部結構形式一般選擇空心板、T梁和小箱梁的預制吊裝結構，常用的跨徑有16 m、20 m、25 m、30 m、40 m、50 m[4]。

(4) 跨越大型深谷和河川時，考慮造價、施工條件和美學等因素，宜采用大跨徑結構橋梁。

綜合上述原則，在一般情況下，橋梁上部結構宜采用標準跨徑的預制梁板。但山區高速須跨越溝谷，墩高普遍較高，在跨越深谷地形時橋梁結構型式的選擇會影響橋梁受力的合理性、整體造價、施工的難易和美觀。

3 橋型方案的選擇

3.1 橋型方案

根據龍門大橋橋位場區地形地貌情況，綜合路線線形、地質、水文及橋下道路等因素分析，橋型方案設計以梁橋體系為主。對于拱橋、斜拉橋和懸索橋方案，由于其造價高，且運營養護期間需要定期的更換斜拉索或吊索，養護費用高，故不考慮進行同深度的比較。

對于山區梁式橋可選擇的梁橋方案較多，同一地形橋梁單跨可以從40～200 m進行比選[5]。為充分地進行比較分析，設計擬定了3個不同主橋跨徑的連續剛構橋方案和1個40 m跨預應力混凝土先簡支后結構連續T梁橋方案進行同深度比較。具體方案情況分別如下：

(1) 方案一：采用1～30 m預應力混凝土簡支T梁+5×40 m預應力混凝土先簡支后結構連續T梁+(50 m+90 m+50 m)預應力混凝土連續剛構+(5×40 m+5×40 m)預應力混凝土先簡支后結構連續T梁(圖1)。

(2) 方案二：采用4×40 m預應力混凝土先簡支后結構連續T梁+(55 m+100 m+100 m+55 m)預應力混凝土連續剛構+(4×40 m+5×40 m)預應力混凝土先簡支后結構連續T梁(圖2)。

(3) 采用5×40 m預應力混凝土先簡支后結構連續T梁+(72 m+130 m+72 m)預應力混凝土連續剛構+(4×40 m+5×40 m)預應力混凝土先簡支后結構連續T梁(圖3)。

(4) 采用21×40 m預應力混凝土先簡支后結構連續T梁(圖4)。

在對橋梁方案的下部結構進行靜力分析及穩定驗算后，結合結構經濟性、美觀性和施工工藝等影響因素確定。下部結構形式的選取原則：① 預應力混凝土T梁結構，當墩高H<35 m 時，采用雙圓柱墩[6]；當墩高35 m≤H<60 m時，采用等截面單薄壁空心墩；當墩高H>60 m時，采用變截面單薄壁空心墩，壁厚橫橋向坡比均采用1/100，空心墩壁厚均采用50 cm[7-8]。② 預應力混凝土連續剛構，當墩高40 m≤H<80 m時，采用等截面單薄壁空心墩；當墩高80 m≤H<100 m 時，采用變截面單薄壁空心墩。當墩高H>100 m時，采用等截面薄壁空心墩，空心墩壁厚采用60～80 cm[9]。

圖1 方案一橋型布置立面圖(局部)

圖2 方案二橋型布置立面圖(局部)

圖3 方案三橋型布置立面圖(局部)

圖4 方案四橋型布置立面圖(局部)

3.2 連續剛構方案間的比較

連續剛構方案主橋上部結構均采用預應力混凝土結構，主梁斷面采用單箱單室，箱梁梁高按二次拋物線變化；下部結構采用等截面單薄壁空心墩。引橋上部結構為40 m跨預應力混凝土先簡支后結構連續預制T梁；下部結構根據墩高情況采用等截面單空心薄壁墩或柱式墩。方案詳細對比情況見表1所列。

表1 方案造價對比分析表

方案一與方案二比較：在主橋總造價方面，由于方案一只有2個主墩和1孔主跨，主墩個數比方案二少，且主橋長度短，因此造價比方案二低。在主橋造價指標方面，方案一、二的上部結構指標基本相當，但由于方案一主墩造價占主橋總造價59%的比重，而方案二的主墩造價占主橋總造價的比重為55.5%，導致方案一的主橋造價指標比方案二高。引橋方面，由于方案一引橋較長，且薄壁高墩個數較多，以致其引橋造價比方案二高。在引橋造價指標方面，由于方案一引橋下部造價占引橋總造價59%的比重，而方案二的引橋下部造價占引橋總造價的比重為54.8%，導致方案一的指標比方案二的高。總體綜合比較，方案一由于主跨和主橋長度相對較小，沒有有效的減少引橋的長度和引橋高墩的個數，下部結構造價占比偏高，導致總體造價相對較高。

方案二與方案三比較：在主橋總造價方面，由于方案二有3個主墩，比方案三多1個，同時主橋長度比方案三長36 m，由此導致方案二主橋總體造價比方案三高。在主橋造價指標方面，方案三的上部結構指標比方案二的高；但由于方案二主墩造價偏高，占主橋總造價55.5%的比重，而方案三的主墩造價較低，占主橋總造價的比重為50.7%，以致方案二的造價指標比方案三高。兩個方案的引橋高度基本相當，但方案二的引橋比方案三的引橋短40 m，以致方案二引橋總造價比方案三低?？傮w綜合比較，方案三由于主墩個數比方案二少，主橋造價指標相對較低，在引橋基本相當的情況下，方案三更為經濟。

綜合連續剛構方案的對比分析發現，由于單個高墩結構的造價相對較高，當主橋跨徑較小時，受自身主墩造價高的影響，主橋總體造價指標偏高同時，由于主橋長度較小，不能有效地減少引橋高墩個數，以致引橋造價指標仍會偏高。隨著主橋跨徑的增加，引橋高墩個數減少，主橋造價指標和引橋造價指標均逐漸變優。

3.3 預制吊裝與連續剛構方案的比較

上部結構采用40 m跨預應力混凝土先簡支后結構連續預制T梁；下部結構根據墩高情況采用柱式墩、等截面空心薄壁墩或變截面單空心薄壁墩[10]。根據連續剛構橋的對比結果，采用方案三與方案四進行比較分析，詳細對比情況見表1所列。

方案四由于上部結構為預制吊裝的40 mT梁，上部結構造價指標較連續剛構低很多。但由于預制吊裝結構跨徑較小，導致造價較高的高墩個數較多，橋梁下部結構造價占總造價比重高，全橋總造價與連續剛構橋方案趨近。

3.4 綜合比選

根據經濟比選的結果知，方案三和方案四的經濟指標較優。為更好的選出適合本項目的方案，需結合項目的特點，在環境影響、施工難度、施工工期及橋梁的景觀性方面做進一步的比選。

(1) 環境影響方面：方案三與地形的匹配較協調，橋墩個數少，基礎開挖少，對環境的破壞較?。环桨杆臉蚨諅€數較多，下部基礎開挖多，對環境破壞較大。

(2) 施工難度方面：方案三采用懸臂澆筑施工，施工工藝成熟；方案四上部結構全為預制安裝，施工工藝成熟，但橋墩高度較高，個數多，施工安全風險較大。

(3) 施工工期方面：方案四上部采用預制吊裝結構，可與下部結構同步施工，工期相對較短。

(4) 景觀性方面：本橋兩次跨越省道，橋下有龍門村和桃花水支流，方案三主橋跨徑大，整體通透性好，與周邊環境協調，景觀效果好；方案四由于跨徑小，橋墩高，總體不協調，柱林現象明顯，橋梁景觀效果較差。

綜合以上比較分析，考慮到采用連續剛構方案增加的造價不多，橋梁施工工期不直接影響項目的整體施工進度，且能兼顧到橋梁的美觀性要求，故龍門大橋最終選取主橋72 m+130 m+72 m的連續剛構橋方案進行施工圖設計。

4 結束語

隨著橋墩高度的增加，橋梁下部結構造價明顯增大，其造價占橋梁總體造價的比重增大。對于預制吊裝結構，由于下部墩柱個數較多，下部結構造價隨著墩高的增加，橋梁總體造價大幅增加。對于適當的大跨徑連續剛構，由于可以減少引橋或主橋的高墩個數，有效的降低橋梁的下部結構造價，從而使采用大跨連續剛構橋梁的方案更為經濟。

由于山區地形地質復雜，適當的采用大跨的連續剛構方案不僅能增加橋梁的美觀性，使橋梁更好地與環境融合，而且可以減少由于橋梁下部結構基礎施工、修建施工便道和開辟施工平臺時造成的開挖凌空面對山體穩定性的不利影響，避免次生災害的發生。

[1] 吳玲正．墩形選擇對山區高速公路橋梁設計的影響[J]．中外公路，2011，33(3)：167～170.

[2] 王常青．山區高速公路橋型選擇[J]．交通標準化，2005(5)：20～21.

[3] 葛勝錦，王學軍．山區高速公路橋梁的設計方法與實踐[J]．公 路，2008(9)：238.

[4] 楊金寶，吳建敏，李國清，等.86 m墩高高架橋的設計與施工[J]．公路，2005(1)：121～124.

[5] 鄧曉紅，陳冠樺，萬 麟．山區高墩梁橋方案的經濟性比較[J]．交通科技，2011(1)：4～6.

[6] 時翠芳.山區高墩墩頂水平位移及墩型比選探討[D].西安：長安大學，2013.

[7] 郭 梅．高墩大跨連續剛構橋穩定性分析[J]．西安公路交通大學學報，1999(3)：32～35，38．

[8] 徐 岳，郝憲武，張麗芳．連續剛構雙薄壁墩參數方法研究[J]．中國公路學報，2002，15(2)：79～82．

[9] 蔣銀萍.剛構橋中的高墩計算研究[J]．中國水運，2007，5(9)：88～89．

[10] 王銀輝，吳建敏，劉 東.變截面空心薄壁墩的穩定計算[J]．公 路，2004(1)：74～77.

2016-10-29

梁余定(1984-)，男，廣西防城港人，廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司工程師．

U422.54

A

1673-5781(2016)05-0625-04