山區高速公路橋梁方案設計與研究

萬麗紅

（中鐵六局集團有限公司工程設計院，北京 100036）

1 工程概況

靜樂豐潤至興縣黑峪口高速公路是晉陜煤運一條主干道，里程長93.691 km，設計速度采用80 km/h，雙向四車道高速公路，路基寬度25.5 m，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。全線共設置橋梁：24 590.5/60座，其中特大橋2 335 m/2座、大中橋22 255.5 m/58座；隧道：10 863 m/2座，其中特長隧道10 435 m/1座、短隧道428 m/1座；橋隧比例為37.84%。整個項目地形、地質復雜，橋梁數量多、里程長，除需對橋梁方案設計進行技術經濟比選外，還要更深入研究橋梁抗震與耐久性，研究內容可為今后項目提供指導和借鑒。

全線地貌景觀主要為中山侵蝕黃土地貌、寬谷堆積地貌、中山侵蝕基巖地貌，微地貌主要表現為黃土沖溝、黃土陡崖、基巖中緩坡、河床、漫灘、階地等。區域內地質構造復雜，歷經了多次地質運動和構造變動，進而形成極為復雜的褶皺和斷裂構造。區域內水系屬黃河水系，與路線有關的河流為汾河、嵐城河、交樓申河、蔚汾河、嵐河。本項目結構所處環境類別按Ⅱ類考慮。地震動峰值加速度系數：0.05g（嵐縣、興縣）、0.1g（靜樂）。

2 橋梁總體方案設計

2.1 總體布設原則

遵循“安全、耐久、適用、環保、經濟和美觀”的原則進行公路橋涵設計。綜合考慮項目區的自然環境、使用要求、材料來源、便于施工和養護等因素。更加重視抗震和耐久性設計，注重細節，始終貫徹品質工程理念；重視與周圍環境、人文景觀相協調[1]。

對溶洞路段的橋梁，應充分結合地質條件，可適當增大橋梁跨徑，盡量減少樁基礎數量；對采空區路段的橋梁，應查明采空區的類型、范圍、大小、形態等，同時對場地適宜性、穩定性做出評價，并提出工程處理建議措施。

2.2 上部結構設計

本項目橋梁規模較大，主要是跨越山谷、農田、河溝和道路，跨徑以中小跨徑為主，全線橋梁最大橋高普遍在55 m以下，為節約工程造價、節省工期，上部結構主要采用裝配式預應力混凝土連續小箱梁或T梁；對于橋高大于80 m以及跨越汾河、黃河等個別有特殊跨越要求，需采用較大跨徑滿足跨越需求的，采用現澆預應力混凝土連續梁或連續剛構；對于互通區橋梁，優先采用裝配式小箱梁、T梁，分流鼻處橋梁、小半徑匝道橋、以及墩高較高的橋梁，裝配式箱梁、T梁結構無法滿足設計要求時，分別采用普通鋼筋混凝土連續箱梁、現澆預應力混凝土連續箱梁、鋼箱梁等結構型式。表1為裝配式上部結構方案綜合比較表。

綜合以上比較表，可以看出20 m以下跨徑適合采用空心板；20～30 m中小跨徑箱梁與T梁相比雖然吊裝重量相對較大，但是對吊裝設備來說要求并不高，結構具有施工預制安裝方便，橫向穩定性好，經濟性好的特點；40 m跨徑中T梁與小箱梁經濟性相差不大，但吊裝重量相對較小，明顯降低了對吊裝設備的要求，適于在山區中應用。所以結合本項目特點，全線20～30 m跨徑的橋梁采用預應力混凝土組合小箱梁，40～50 m跨徑的橋梁采用預應力混凝土T梁。

表1 裝配式上部結構方案綜合比較表

2.3 下部結構設計

下部結構視具體情況及是否有景觀要求而定，總體上應盡可能減少結構類型，盡量統一，減少環境破壞，方便快速、標準化施工。下部結構類型一般應綜合結合地形地質情況、跨徑、上部結構型式、墩臺高度等情況選定，與周邊環境相協調。

橋墩采用鋼筋混凝土結構，根據墩高情況截面形式主要為柱式墩、矩形墩或空心墩，連續剛構采用空心雙薄壁墩，樁基礎，根據基巖埋深分為用摩擦樁、端承樁等；橋臺根據地質狀況及填土高度采用肋板式臺、柱式臺、扶壁臺。特殊橋位（如立交區內橋梁、跨線橋梁、跨越航道橋梁）的橋墩形式選擇時，除滿足基本橋墩的使用功能外，應注意橋梁設計的景觀性。可采用小柱距大挑臂雙柱橋墩，預應力混凝土隱式蓋梁，或采用其他形式美觀的橋墩。

2.4 墩臺基礎設計

在保證安全，注重環保要求前提下，墩臺基礎應根據地質、地形條件，合理選擇基礎形式，一般選用樁基礎，地質條件很好時可適當選用擴大基礎。為減少對自然地貌的破壞，需避免大面積基坑開挖，造成邊坡失穩，較陡邊坡上不適宜采用擴大基礎和承臺群樁基礎。當為水下基礎時，應根據水文地質狀況，結合施工工藝、技術設備等因素，綜合考慮選取經濟合理的基礎形式。當橋址處地質條件復雜時，樁基的承載力宜通過試樁確定。

3 橋梁專項研究

3.1 抗震與穩定性研究

抗震設計依照《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/TB02-01—2008）的具體要求進行。橋梁選址時盡量避開可能發生大規模滑坡、崩塌等不良地質段以及地層嚴重不均一地段、可液化土層、軟弱土層等，同時也要盡可能避開巖石松散、地形陡峭、孤突、破碎的地段。橋梁上部結構形式盡量采用整體性好、結構形式簡單、抗扭剛度大的結構形式。為防止落梁，對抗震等級要求高的地區，盡可能加強上部結構和下部結構的連接，做好防擋措施。根據抗震數據統計，長大橋梁損壞率明顯較中、小橋要高，嚴重損害率和全橋失效率統計結果表現出“大橋＞中橋＞小橋”的規律。圖1為不同規模橋梁抗震損壞率統計。

圖1 不同規模橋梁抗震損壞率統計

結構穩定性是橋梁設計很重要的方面，在某種程度上與強度有著同等一個重要的作用。結構失穩是指受一定荷載作用下結構處于平衡狀態，當荷載達到某一個值時，若增加一個微小增量，結構的平衡位移將發生很大變化，達到不平衡狀態，最后遭到破壞。失穩可以分為兩大類：第一類失穩是分支點失穩，理論上存在兩種平衡狀態；第二類失穩是極值點失穩，結構只存在一個平衡狀態，在此平衡狀態下，外力增大會使應力集中部位出現塑性破壞。這與結構自身特性、約束形式，以至于受力方式有關。當荷載達到一定的數值時（臨界荷載），結構變形會迅速增大，超過限值，引起結構破壞。

實際結構都不是理想的完善結構，失穩大多數屬第二類失穩。分析第二類穩定性，就是考慮材料和幾何非線性，求解平衡方程。混凝土應力-應變關系是非線性關系，截面剛度為非定值，其穩定分析基本方程為：

式中：[k0]為小位移彈塑性剛度矩陣；[δ]為位移列陣；｛P｝為節點荷載列陣。

3.1.1 結合抗震設計，采用的具體措施

結合本項目特點，重點針對橋梁高墩柱穩定性分析研究，保證有足夠的安全系數，并結合抗震設計，采用的具體措施如下：

a）對全線所有橋梁均進行E1和E2地震作用下的抗震設計。

b）橋梁分聯時盡量使一聯內的橋墩高度比較接近，使地震水平力由各墩共同承擔，避免地震力分配不均。

c）充分考慮橋墩的延性設計，應對抗震的薄弱、能力不足的部位，在構造上予以加強，提高抗剪能力。在墩柱范圍內使用螺旋形箍筋，以加強約束。

d）增加主梁的支承長度和墩臺帽梁寬度，為提高上部結構的整體性和穩定性，加強主梁之間的橫向連接。在墩臺上設置橫向擋塊，擋塊外側與蓋梁端部錯開15 cm距離，盡量避免上部結構在地震中落梁[2]。

e）在梁與橋臺背墻之間和梁與擋塊之間設置防震橡膠墊塊，起到緩沖和限制主梁位移的作用。

f）加強黃土沖溝陡坡地區橋梁的墩柱設計，合理布置孔徑，盡量避開陡坡陡坎及沖溝地區。墩臺基礎盡可能減少開挖范圍和高度，同時適當延長樁基長度。

3.1.2 地震烈度區較高的路段需加強的抗震措施

a）適當加強墩臺身與蓋梁、承臺、樁基礎的連接，加大墩身頂、底截面的配筋率，加強塑性鉸區域的抗剪能力。

b）對較高的柱式墩適當加大截面尺寸，設置不大于7 m間距的墩身橫系梁。

c）對臺高較大的肋式橋臺加強橫向剛度，適當加大肋寬和肋身側面鋼筋配筋率。

3.2 耐久性研究

混凝土橋梁結構的耐久性取決于組成材料的自身特性、配合比以及結構所處的環境，且與設計、施工及養護管理緊密相關[3]。本項目橋梁基本上采用預應力混凝土結構，耐久性問題還與預應力保護效率有關。調查發現，預應力結構會出現的耐久性問題主要有管道泌水、灌漿不飽滿，錨頭附近沒有水泥漿,或者孔道內有殘留水,鋼鉸線被孔道內的空氣和水分包裹。

圖2 錨具腐蝕

結構的防腐蝕耐久性設計是一個系統工程，它涉及到設計方案、施工質量、監理監控及養護部門后期維修養護等全過程。通過調查研究，耐久性問題很大程度上取決于施工質量、措施以及養護維修，因此，需要項目參與方和建設、設計、施工及監理單位密切協作，相互配合，共同解決結構耐久性存在的問題。

綜合類似工程經驗和國內外研究成果，本項目主要從以下幾個方面應對混凝土橋梁結構的耐久性問題：

a）完善橋梁構造設計，混凝土保護層厚度適當加大，配置構造鋼筋，防止控制裂縫發展。

混凝土結構保護層厚度適當加大，配置構造鋼筋，減少混凝土保護層碳化的幾率，從而防止鋼筋鈍化膜破壞。混凝土結構的損傷與破壞，通常都是從混凝土結構中出現裂縫開始，而后病害逐步發展、惡化[4]。同時，裂縫又會引起、加劇混凝土結構的其他病害，比如裂縫會加大混凝土結構的滲透性，雨水或腐蝕水流入會使侵蝕破壞升級，耐久性不斷下降。裂縫的出現，會加大、加快侵蝕速度，形成混凝土結構耐久性一步一步退化的惡性循環。要提高混凝土結構的耐久性，保證正常使用性能，延長使用壽命，重中之重是控制混凝土結構的裂縫，除按相關設計規范控制裂縫外，主要還是采取構造措施，消除可能出現的隱患，嚴格控制非工作裂縫的出現。

b）預應力混凝土應加強對鋼絞線和錨頭的保護，預應力管道應充填密實，分散預應力體系，提高結構的防水性能，進而強化結構的延性。

c）橋面排水和防水層進一步加強，防止橋面積水。

為做好橋梁自身的防排水設計，應重視防水層作用，在橋面鋪裝層頂面設置防水層，減少主梁與水的接觸。鋪裝層應采用抗滲性能好的混凝土，鋪裝層內設置抗裂鋼筋網，以防止混凝土開裂，影響耐久性能。此外，優化橋梁泄水管及伸縮縫處的排水設計，使橋面積水能快速排出，不至于滲入主梁內[5]。

d）控制混凝土的材料組成，提高混凝土的耐久性以及自身抗破損能力。

混凝土的耐久性主要取決于混凝土的材料組成及配合比例，為保證混凝土強度和密實度，最小水泥用量、最大水灰比、最低強度等級、最大堿含量和氯離子含量要嚴格控制，從本質上提高耐久性。

e）橋梁運營過程中，支座的耐久性也相當重要，滿足結構的使用要求時可延長結構使用壽命。墩梁之間要留有足夠的距離，定時檢查，在維修養護過程中，必要時更換支座，保證結構安全。

f）在管理運營階段，養護部門要定期進行養護、維修、檢測以及相應的監控，并做好詳細的記錄，確保結構的正常使用。

3.3 環保景觀設計

在橋位橋址選擇和橋孔布置時，要與周圍環境景觀相協調，跨越河流時，盡量不壓縮河道，以保證洪水及地面水的排出。同時還應特別重視路基縱橫向排水設計。橋面或路面匯水設置獨立的排水系統將污水排出水庫或水塘范圍以外。對于環境敏感區，比如距離村鎮較近的橋梁，噪聲將會較大影響沿線居民的生活，出于環保要求，在噪聲影響較大的路段設置聲屏障。

本項目起點部分段落位于汾河國家濕地公園邊緣，路線跨越汾河、蔚汾河、嵐尾河、嵐城河、黃河等主要河流，設計中不在跨越河流的橋面設置垂直泄水孔，橋面徑流初期污水統一收集后排入公路橋頭的污水處理池，不直接進入河流，同時在橋面兩側設置防拋網；在汾河國家濕地公園范圍內不設置施工營地、施工場地、取棄土場和建筑材料堆放場地；在施工過程中產生的生活及施工污水不得直接向河流排放；路基的零星棄土不侵占河道，以保護水環境。為防止萬一發生危險品運輸事故的污染風險，設計中加強風景區范圍內的安全設施。

4 總結

由于本項目以山嶺、微丘地形為主，沿線地質比較復雜、運輸條件較差，上部梁板綜合考慮采用分段預制。全線跨徑在20～30 m的橋梁采用預應力混凝土組合小箱梁；跨徑40～50 m的橋梁采用預應力混凝土T梁。同時還應該加強地質勘察工作，施工中動態設計，加密鉆孔布置并輔以物探，查明橋址處地質情況，并結合試樁成果，為橋梁基礎設計提供可靠依據。

山區高速公路橋梁方案除滿足基本的技術、經濟條件外，更應該針對具體項目的水文地質、氣候等條件，加強抗震設計、穩定性及耐久性研究，綜合工程經驗及研究成果，踐行品質工程理念，充分提高橋梁的使用性能。