大坡度橋梁設計特殊性解析與要點梳理

趙洋

（廣州市設計院，廣東 廣州 510620）

大坡度橋梁設計特殊性解析與要點梳理

趙洋

（廣州市設計院，廣東 廣州 510620）

在城市或山區，因受場地自然條件及規劃條件限制，各等級道路經常需要在橋位處設置較大縱坡，有時甚至需適當突破規范中有關縱坡的非強制條款。設計此類橋梁過程中，有很多與常規橋梁不同的關鍵節點需要進行特殊設計，以保證結構安全、行車安全和舒適性。從實用角度出發，通過梳理典型案例的設計過程，對該類問題逐一進行了歸納總結，提出了可行的解決辦法，為同類項目的設計工作提供參考。

橋梁；大縱坡；制動力；調平塊；排水設施；舒適性

0 引言

為了保證橋梁結構安全、行車安全和使用舒適性，現行橋梁及道路規范對橋面最大縱坡均有相關規定，歸納整理后詳見表1。

表1 國內各規范關于橋梁最大縱坡的規定

然而，隨著城市化和基礎設施建設的迅速發展，城市中的工程用地條件愈發緊張，道路交通網絡也偏離平坦開闊地區，更多地向偏遠山地快速延伸。新建的路橋設施越來越受到諸如地形標高、控制接口標高、用地范圍、地下管線等客觀條件的限制，設計師常常不得不在橋位處設置較大的縱坡，甚至適當突破規范條款以實現預設的設計目標。

對于較大縱坡的橋梁，其在活載、溫度等作用的常年反復作用下，表現出與普通平坡橋不同的工作狀態。其在構造、支座放置、橋面系等方面存在特別的設計要點，在行車安全、舒適性等方面需要特別關注。本文嘗試通過梳理典型案例的設計過程，對該類要點進行分析及歸納總結。

1 規范條文與設計思路梳理

在進行道路縱斷面設計，布設路橋縱坡之前，應首先根據表1所列規范條文，對橋梁的所屬地域、通行功能、未來使用狀況、控制條件等進行篩分歸納。

（1）針對城鎮交通繁忙的橋梁，為方便非機動車通行，橋面縱坡宜小于2.5%，且應小于3%。大于等于2.5%時，應滿足《城市道路工程設計規范》（CJJ 37-2012）6.3.5條關于最大坡長的規定。無非機動車道或要求非機動車下車推行的可不受此限。

（2）地處易結冰、積雪區域的橋梁，由于橋面比路面更容易結冰積雪，且難以消融，為保證行車安全及橋梁使用安全，橋上縱坡以不大于3%為宜，剩余高差可通過增大前后銜接道路的縱坡來消化，其縱坡限制可參照《城市道路工程設計規范》（CJJ 37-2012）6.3.1條第三款之規定。

（3）一般情況下，橋上機動車道縱坡不宜大于4%，橋頭引道機動車道不宜大于5%。若設計規劃條件受限，考慮到規范此處對橋梁最大縱坡的規定均非強制性條款，措辭為“不宜”，故而溫熱地區、交通量不大、較低等級道路上的橋梁縱坡可作適當突破[1]，因此而造成諸多關鍵節點需作特殊設計。

2 設計要點分析總結

以具體工程為例，廣東韶關地區一處高檔酒店的配套橋梁工程，標準段橋寬11 m，雙向兩車道，全橋長387.8 m，跨徑16～20 m不等，采用單箱多室現澆混凝土連續箱梁。因景觀效果需求，斷面采用坦腹式邊腹板，橋墩采用Y型墩。橋梁沿線分別連接酒店主出入口、住宅區、酒店大堂、地下車庫等，兼做消防車道。橋梁被迫采用較大縱坡以適應各處接口的平面位置及控制標高。圖1為橋梁平面圖，圖2為橋梁橫斷面圖。

圖1 橋梁平面圖

圖2 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

考慮到橋位處極少出現結冰積雪天氣，橋梁車流量較少且不考慮非機動車騎行，因而將橋上多處縱坡放大至10%，每處坡長約80 m，其間在小半徑彎道處及銜接口處設置兩段縱坡緩和段，連續坡降長度共約250 m。與常規橋梁相同的設計要點在此不再贅述，僅著重討論考慮了橋面較大縱坡的各設計細節。

2.1 汽車制動力

車輛在大坡度路段行駛時通常會頻繁制動以控制車速，相對于平坡橋梁，下行車輛制動力將更加頻繁地作用于橋體，且力值及作用時程會隨車速的增加而迅速增大。20世紀80年代曾有研究人員針對陡坡汽車制動力大小進行過實驗研究，根據屈慶琭所介紹的實驗結果[2]，以汽-20加重車為實驗車輛，7%縱坡、40 km時速條件下，測得的平均制動力達到實驗車輛荷載的31%，已大于舊版《公路橋涵設計通用規范》（JTJ 021-89）有關“汽車制動力不得小于一輛重車重力的30%”的規定（該條款對應于現行《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）中的“公路-II級汽車制動力標準值不得小于90 kN”）。所以，進行大縱坡橋梁設計時，有必要根據具體坡度、設計車速等對規范規定的制動力最小值適當放大，具體放大系數有待進一步研究。

本工程汽車荷載按城-B級設計，由于聯長較短，按照“車道荷載總重力10%”計算的制動力不起控制作用。考慮到橋面縱坡達10%，在設計中偏安全地按照公路-I級制動力最小標準值165 kN取用[3]。

2.2 拱效應

由于縱坡過大，在陡坡與緩坡以及反向坡間的變坡點處，梁截面中性軸豎向標高變化劇烈，梁體表現出了類似拱軸的受力特性（見圖3）。對于采用盆式橡膠支座的梁橋，在平面方向上多設置為靜定體系，即僅設置一處固定支座，其余支座釋放縱橋向或橫橋向的水平約束，此情況下拱效應將產生較大的順橋向位移；對于固定支座未設置于梁長中段[2]，或采用板式橡膠支座，或多處墩梁固結的梁橋，拱效應勢必對附近的橋墩產生較大的水平推力。同時，支承不均勻沉降以及系統溫差對拱形梁內力的影響也與平坡、緩坡梁多有不同。

圖3 凸曲線拱效應橋型示意圖（單位：m）

常規的建模計算方法多不計梁體縱坡，無法真實體現上述效應。在計算陡坡橋梁豎曲線處梁段時，有必要真實模擬豎向線形，對于放置固定支座或墩梁固結的橋墩，尚應考慮支座與墩身抗推剛度，以準確計算梁體及墩身內力和順橋向位移。

另外，考慮在變坡點處設置橋墩（見圖3），并在其附近加密墩位布置，減小跨徑，可有效降低拱效應。針對凹型豎曲線，該措施也能減小汽車沖擊對梁體的影響[5]。

2.3 系統慣性力

結構動力學認為，當車輛在橋上帶加速度行駛時，系統由于具有慣性而受到虛擬的慣性力的作用，以維持體系原有的運動狀態。當體系水平方向受約束時，虛擬的慣性力便在約束處產生附加動反力，利用廣義坐標和拉格朗日方程可推導出動反力的大小[2]。設梁體自重為G，活載為P，梁體與水平面夾角為θ，則水平動反力：

根據上式可知，由于G+P往往明顯大于P值，則當θ介于0°～45°之間時，附加水平動反力隨θ的增大而增大，且活載P占總荷載的比例越大，動反力越大。若活載P按550 kN計，則當縱坡大于5%時，估算f已達約20 kN，與汽車制動力基本屬于同一數量級。因而，對于大坡度橋梁，系統慣性力引起的附加水平動反力應引起設計人員的重視。

2.4 梁底調平楔塊與梁體爬移

為了改善支座的受力狀態，常在梁底支座處設置調平楔塊，在實現梁體縱橫坡的同時保證支座上方傳力面水平。此舉使得支座僅在系統自重作用下不會出現水平反力（上述拱效應梁段除外），其他如汽車制動力、離心力、動反力、溫度、混凝土收縮等作用則會產生水平力，在各約束處按下部結構剛度比、位移量等進行分配，并通過調平楔塊傳至支座及下部墩臺。

在各類效應的常年反復作用下，梁體及橋墩會因之發生平面變位。尤其對于高墩、大坡度、小半徑彎梁等情形，如若調平楔塊未能正確支模，支座頂底面未能水平安裝，或是未設置梁體限位措施，則梁體極易出現朝向上坡方向或平曲線外側的水平爬移，橋墩也隨之產生墩頂位移，且均難以自行恢復。近年已有多個項目出現類似情形[2]。

因此，梁底調平塊也成為本項目一個關鍵的設計施工節點。首先，常規調平塊中心外露高度5 cm難以滿足大縱坡調平需求，設計中將其中心高度加高至8 cm；其次，考慮到梁底與調平塊交界面處存在支反力的斜向分量，其與水平反力相疊加而出現較大的集中剪力，設計時對該截面抗剪承載力進行了驗算，并相應地加強配筋。再次，設計圖中給定各調平塊四角外露高度及相應計算公式以方便支設模板，在局部加設梁體限位錨栓，并反復提醒施工單位注意現場復算及監測，保證墩頂截面及調平塊底面水平。

2.5 橋面排水與防水

本項目縱坡坡度較大，連續坡降長度相對較長，多處坡度變化劇烈且涉及小半徑彎道，橋面徑流流速快，集水排水壓力較大。如若采用車道兩側明溝、盲溝排水，高速水流在溝槽內急轉向時會導致水面外高內低，需要將溝深設置足夠的超高以防止水流外濺，而過深的溝槽在橋面上難以實現；如若設置橫橋向的截水溝，除溝深難以滿足外，更會不利于行車安全與舒適性，且影響美觀。綜合考慮后，本項目依然采用管線組織排水，沿車行道兩側設置豎向泄水管及橫向排水管，適當加高路緣石高度以利彎道集水，并在彎道曲線外側以及坡底車道兩側加密布設泄水管口。

另外，橋面鋪裝下的防水黏結層起著保護橋面板免受雨水侵蝕及粘結混凝土與橋面鋪裝層的作用。有材料顯示[7]，10%縱坡路段坡底剎車產生的水平剪切力是平坡路段的兩倍以上。防水黏結層受剪破壞成為鋪裝層破壞的重要因素之一。設計中可采用適當加厚鋪裝層厚度、采用乳化改性瀝青等方法來改善防水層的使用狀況。

2.6 行車安全及駕駛員觀感

一般情況下，普通轎車的最大爬坡角度在20°左右（對應坡度約36%），部分越野車爬坡極限達30°（對應坡度約58%），而車庫最大設計坡度為15%。室外道路雖也有一些極端案例（見圖4、圖5），但都僅限于道路工程。為保證橋梁結構安全，避免橋上交通事故引發二次事故，橋上縱坡一般都較為保守（見圖6）。

圖4 鮑德溫街（Baldwin Street新西蘭）坡度35%

圖5 西盤營正街（香港）坡度25%

圖6 江島大橋（日本）坡度6%

本項目由于兼做消防車道，取用了消防車通行最大坡度10%，并且在坡降過程中的小半徑彎道處設置了兩處縱坡緩和段，在保證與關鍵出入口平順接駁的同時，使得陡坡坡長控制在80 m，避免了車輛連續極限爬坡。另外，豎曲線最小半徑、最小坡長、最小豎曲線長度等線形指標也需滿足現行城市道路設計規范相關規定，保證停車、會車視距滿足行車需求，并通過加高路緣石高度、加強防撞護欄設計、完善標志標線等途徑，保障行人車輛通行安全。

在長直線的大坡度路段行車，容易給駕駛員造成路面垂直爬升的視覺錯覺和心理壓力，使用體驗較差。本橋梁彎道較多，控制坡長較短，避免了出現上述情況。同時，通過選用合適的鋪裝材料及顏色，路中加設地埋燈，防撞護欄埋設燈帶，完善橋體景觀照明等措施，營造舒適的行駛環境，改善駕駛員觀感，使其與本項目服務的高檔酒店定位相匹配。

大坡度橋梁的施工與監測相對于緩坡橋也較為復雜，近年來多有工程人員進行了研究總結，在此不再贅述。

3 結語

大坡度橋梁有其獨特的受力特性及設計要點，本文以典型工程為例，從受力、構造、行車安全與舒適性等方面對相關要點進行了梳理總結，可為廣大設計人員在進行同類項目的設計工作時提供參考。其他如陡坡路段汽車制動力標準值取值，防水黏結層材料及厚度設計等問題，有待進一步實驗研究。

[1]石飛榮,楊少偉.山區高速公路車輛下行最大縱坡及坡長限制分析[J].交通運輸工程學報,2001,1(2):68-73.

[2]屈慶琭.大坡度橋梁的設計及試驗[C]//中國土木工程學會市政工程專業委員會第一次城市橋梁學術會議論文集.上海：中國土木工程學會市政工程專業委員會，上海市政工程設計院，重慶市城市建設局，重慶市土木建筑學會,1987.

[3]JTG D60－2015,公路橋涵設計通用規范[S].

[4]閆杰棟,李福寶,竇瑞軍.大縱坡人行橋簡化計算分析[J].山西建筑,2007,33(32):330-331.

[5]祝敏方.山區高速公路橋梁設計探討[J].公路,2003，5(5):33-37.

[6]蔡靜.大縱坡橋梁橋墩縱向偏位處治研究 [J].湖南交通科技, 2016,42(3):134-137.

[7]王毅,鄭南翔.長大縱坡水泥混凝土橋橋面鋪裝防水粘結層研究[D].西安:長安大學,2008.

U442.5

B

1009-7716（2017）04-0074-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.022

2017-02-14

趙洋（1984-），男，河南周口人，工程師，從事橋梁設計工作。