淺談山區小半徑橋梁設計

龔健根

【摘 要】?山區高速公路橋梁設計中，由于地形、地質等因素的影響，不可避免會出現小半徑曲線橋梁。文章結合四川省綿竹至茂縣某公路施工圖設計項目，分析了不同影響因素下橋梁結構形式的選取，以及上部結構設計時分別采用預制梁和現澆箱梁應注意的問題，下部結構設計時在不同地質、地形等條件下墩臺結構形式的選取，以及在深厚覆蓋層條件下、斷層破碎帶條件下、斜坡條件下橋梁樁基設計要點，以供橋梁設計人員在遇到相似情況時，合理選擇上部結構形式和下部結構形式，同時避免在設計中出現相似問題。

【關鍵詞】山區橋梁; 小半徑曲線; 預制梁; 現澆梁; 橋梁上部; 橋梁下部

四川盆地的丘陵重丘區占比非常大，而且地形非常復雜、路線線性差、彎道多、縱坡大、沿線滑坡及泥石流區域多，同時橋隧占比大，有的項目甚至高達90 %以上。因此，山區高速公路中的橋梁設計，是修建一條安全、經濟、舒適、環保、美觀的高速公路的一個控制性因素。本文結合四川省內某施工圖設計項目中某一座小半徑斜交橋梁，來探討山區高速公路橋梁設計中應注意的問題。

1 山區公路橋梁的主要特點

地形、地質復雜是山區公路的主要特點，其復雜性主要表現為地面縱坡及橫坡較大、坡面變化頻繁、路線內外側地面高差大、滑坡、不穩定斜坡、崩塌陡崖、泥石流等。受到上述情況的影響，造成路線布設時平曲線占有非常大的比列，平曲線半徑小、回頭曲線多路線線性差，陡崖及溝谷的存在使得同一座橋梁橋墩墩高相差較大、橋墩結構形式多，特別是在互通區域，因地形限制導致匝道半徑很小，甚至只有30 m的半徑，再加上路線加寬漸變段短，同時還要兼顧環保、經濟、美觀的要求，從而使得橋梁跨徑的布設及結構形式的選取非常困難。因此，橋梁跨徑布設及結構形式選取時協調解決好橋梁上下部各構造之間及與地形地質之間的關系非常重要。

2橋梁上部結構設計要點

2.1 地形、地質、墩高的影響

橋位處的地形、地質、水文以及橋墩高度等是影響橋梁上部結構形式及跨徑選取的主要因素，考慮到山區地理環境的特殊性，為了盡量方便山區橋梁施工，形成規模化的生產，常規的中小跨徑橋梁，其上部結構形式應采用標準化設計和規模化預制，在四川地區，由于T梁結構簡單，施工方便，山區橋梁多數處于超高的平曲線上，采用T梁可以有效地防止出現支座受力不均、支座脫空、不宜調平的情況，同時考慮地震等因素，山區預制梁橋常采用預應力混凝土簡支橋面連續T梁。

正常情況下一座橋梁應盡可能采用相同的跨徑，對于多孔長橋或有其他限制條件的橋梁，其跨徑布置也可采用兩種跨徑組合，并考慮施工工藝的可行性。除特殊橋梁及復雜橋梁外，為保證橋梁整體協調性及經濟性，墩高小于20 m的中小橋，宜采用空心板，墩高20～30 m時，宜采用30 m標準跨徑預制梁;墩高30～60 m時，宜采用40 m標準跨徑預制梁。跨越較寬、較深山谷時，可采用預應力混凝土連續剛構或連續梁橋，但跨徑不宜大于200 m;跨越山區典型V型溝谷且兩岸地質條件較好的橋位，可采用拱橋、斜腿剛構等結構一跨跨越，但采用拱橋方案時還應考慮施工場地及施工方案的實施可能性;對特殊困難施工條件下的橋梁，場地狹窄無法設置預制場，便道無法滿足運梁需求，工期上又不能待接線貫通后再進行預制梁的運輸和安裝時應考慮現澆梁方案。

2.2 路線平曲線半徑的影響

山區路線布設時，由于滑坡、不穩定斜坡、溶洞、庫區、斷崖等不良地質及地形、征地限制等影響因素，使得路線平面線性常采用較小的曲線半徑，特別是采用環線匝道的互通式立體交叉，最小半徑可達到30 m左右，對于不能設置路基的段落，此時就需要設置小半徑彎橋。若采用預制梁橋需要處理由于內外弧長之間的差別，導致預制梁梁長與標準梁長之間存在很大差別，同時由于預制梁為直線梁，為滿足路線線性及美觀要求[1]，通常外邊梁需要增大外懸臂值，內邊梁外懸臂需要減小懸臂值和調整濕接縫寬度來滿足路線線性變化，及小半徑曲線帶來的視距加寬或其它規范要求的橋面寬度影響，造成的相鄰跨梁片數不同以及同一跨的起止端濕接縫寬度不等的問題。

如果曲線半徑較大、中矢高較小、路線變寬漸變段曲線較緩，內外梁梁長與標準梁長的差值在容許范圍內，可以采用平分中矢法布梁，橋面寬度可采用調整濕接縫寬度、內外邊梁外翼板寬度的方法來調整，以滿足小半徑曲線帶來的視距加寬或其它規范要求的橋面寬度影響，若調整濕接縫寬度仍不能滿足橋面寬度變化時，可增加梁片數。邊梁外翼緣板應按曲線預制以適應路線設計線性變化及美觀要求，翼緣板寬度加長或減小值應在容許范圍內，一般不應超過20 cm。

如果曲線半徑較小、中矢高較大、路線變寬漸變段曲線較急，通過上述方法不能解決時，可以采用橋包路的布梁方法或采用現澆梁，由于橋梁位于平曲線上，使得現澆箱梁的重心與支撐中心不在同一點，現澆箱梁在恒載及豎向活載的作用下，產生豎向彎矩及橫向扭轉作用，從而導致橋梁內外側支座受力不均，當橋梁偏心較大時，支座容易產生負反力或出現支座脫空現象，嚴重時甚至發生橋梁側翻事故[1]。

現結合具體項目簡要介紹小半徑彎橋上部結構采用現澆箱梁的設計要點：案列以位于路線半徑為30.229 m的曲線上的現澆箱梁為例[1]，因本橋跨越較大泥石流溝且泥石流溝上游物料豐富，為保證橋梁的安全，無法在溝中布置橋墩，因此不能采用小跨徑橋梁，所以采用橋梁加寬的方式一跨跨越泥石流溝，路線寬度11.5 m，本橋采用1×47.02 m單箱4室現澆箱梁，橋寬22 m、梁高2.3 m，橋梁模型見圖1，橋梁加寬方式見圖2。

小半徑現澆梁橋設計時，為加大現澆梁橋自身的抵抗扭矩宜盡可能加大支座之間的間距，案例中支座之間的間距采用4.659 m[1]，邊支座采用4.4 m支座間距，支座處橫截面如圖3所示，恒載、活載作用下縱橫橋向計算的支座反力如表1、表2所示。

通過對上述表格的對比可知，支座活載及對應的恒載最小反力分別為-188 kN、2 680 kN，且后者是前者的14倍多，因此支座產生負反力的概率較小，則現澆箱梁抵抗傾覆的能力較強[1]。

對于曲線現澆箱梁，不僅要滿足強度和剛度要求，還必須進行現澆梁的抗傾覆計算，使現澆梁有足夠的抗傾覆能力，以避免支座產生負反力或現澆梁傾覆，相對于其他橋梁病害而言，橋梁傾覆破壞發生的時間極短，同時事故發生前不會產生明顯的征兆，而且橋梁傾覆的危害很大，特別是小半徑匝道上的現澆箱梁，在重車的偏載作用下很容易發生傾覆，近幾年在國內已經發生過幾起這樣的事故，使人民的生命和財產產生了巨大的損失，因此，橋梁設計中我們必須采取有效措施，防止橋梁傾覆破壞的產生，而產生傾覆破壞的機理主要是偏載作用下，內外支座受力不均，使得邊支座脫空，從而產生傾覆，預防支座產生負反力并脫空的主要措施有以下三種，一是加大支座間距，但是支座間距受到橋梁寬度、下部結構形式及其受力的限制，不可能隨意調整支座間距;二是對現澆箱梁增加混凝土壓重，增加恒載反力的儲備，但是壓重也不宜過大，否則會導致壓重處現澆箱梁受力計算不滿足規范要求;三是采用抗拉支座，但是也有其局限性，比如需要定制、價格相比其它支座較貴，當然也可以同時采用上述措施中的幾種。

對于山區小半徑曲線橋梁，在墩高較高、地勢較陡、路線變寬較平緩時，采用預制梁較合理，同時在工期上較短，造價上也更經濟合理;在墩高不高、地勢較平緩、路線變寬較急或主線與匝道交匯處，采用現澆箱梁則線性更加流暢、美觀、更能與山區環境和諧、緊密的融合在一起。因此，在設計中，我們應該結合當地的地形、地質、水文、經濟、路線線性等因素綜合考慮，采用哪一種或者兩種的組合形式，以達到更優的設計效果。

3 橋梁下部結構設計要點

橋梁下部結構設計主要是墩臺結構形式的選擇以及樁基類型及長度的確定。

3.1 墩臺結構形式的選擇

橋墩的選擇要結合山區的地質及地形條件、橋梁的跨徑、墩高等進行綜合考慮。對于山區橋梁因地形起伏變化大，每座橋梁結構形式應盡可能統一，同一座橋梁上的橋墩高度相差較大時，可采用不同的結構形式，但當某種橋墩結構形式的數量較少時，應將數量較少的橋墩結構類型進行合并，以減少墩柱模板及樁基類型，方便施工。山區橋墩的常見形式有柱式墩、矩形實心墩、空心薄壁墩。原則上墩高（含蓋梁）不大于40 m時，采用圓柱式橋墩;當40 m<墩高（含蓋梁）≤50 m時，采用矩形實心墩;當墩高在50 m以上宜采用空心薄壁墩。

山區河流、溝谷季節流量差異大，應考慮泥沙石等攜帶物對橋墩樁基的沖刷及碰撞造成的威脅，正常情況下橋墩不宜設置在谷底。對于跨泥石流溝的橋墩，宜設置剛度較大的墻式墩。大跨徑連續剛構或連續梁橋墩一般采用國內成熟的形式，并控制橋墩高度一般不超過150 m;必要時采取調整路線平縱線位措施或橋孔布置，盡可能避免采用技術難度大、國內目前沒有工程實踐或較少采用的超高橋墩。柱式墩墩高大于5 m宜設置底系梁，墩高大于15 m時，可每間隔8～10 m加設一道柱間系梁，以增加整體剛度。在設計計算時，山谷中的高墩應充分考慮風力的影響，彎橋橋墩應考慮偏心荷載、離心力對橫橋向強度的影響。

山區橋梁橋臺形式的選擇應結合地形、地質條件和填土高度，常見形式有樁柱式、肋板式、薄壁式橋臺和重力式U形橋臺等。

如采用樁柱式應注意，其抗推能力較差，在水平力作用下位移較大的缺點，當橋臺填土高度較大（H≥5 m）或臺前邊坡較陡時不宜采用;對于長聯、大縱坡橋，為減少長期荷載作用累積變位，也不宜采用樁柱式臺。

U形橋臺和埋置式肋板橋臺高度不宜超過12 m，還應注意對臺身、基礎材料的選擇，保證橋臺構造的結構耐久性，同時注意基礎持力層的選擇和施工現場控制要求。

重力式U形橋臺適合于持力層埋深小于5 m的情況，對于多孔橋梁，當持力層埋深大于5 m時，宜采用埋置式輕型橋臺。

在陡斜邊坡上不宜設置輕型橋臺，可采用重力式橋臺，設計時可根據地形、地質將重力式橋臺做成臺階狀，節省臺身材料、減輕基底壓應力。除特殊需要外應盡量避免采用重力式橋臺接群樁基礎。

位于陡斜邊坡上的橋臺，應注意避免橋臺高度過大，否則應加大橋梁長度或調整橋梁起終點樁號，使橋臺進入挖方段2～3 m;當橋臺位于挖方段，同時橋臺處巖層較好時，可采用板凳式橋臺。

3.2 樁基類型及長度的確定

工程中常用的基礎類型包括擴大基礎和樁基礎，橋梁設計時應根據橋位處的地形、地質條件并結合經濟、環保的要求綜合考慮選擇基礎類型。

因擴大基礎混凝土方量通常較大，為保證持力層承載力滿足要求，持力層通常采用巖層，同時其基礎埋深也要滿足河流沖刷等要求。當持力層巖層為新鮮基巖時，擴大基礎邊緣到邊坡巖面的最小距離a應滿足下列要求（圖4）。

（1）當巖層為軟質巖時，a值應大于2～3.5 m;當巖層為硬質巖時，a值應大于1～2 m。a值大小隨巖層節理發育程度及走向、巖石飽和單軸抗壓極限強度而定。

（2）基礎底面不宜置于巖石層節理傾向與山坡向一致的山坡上，不滿足要求時宜采用樁基礎。

（3）不應在不穩定的邊坡上設置擴大基礎，不滿足要求時應綜合考慮邊坡處治和橋梁設計方案，并提高設計安全度。

按樁基礎的受力可以分為摩擦樁和嵌巖樁，根據樁位處地質條件的不同可按以下分類分別采用不同的樁基類型及長度。

3.2.1 深厚覆蓋層條件下橋梁樁基設計

四川山區公路橋梁工程場地深厚覆蓋層主要包括粉質粘土、塊石土、角礫土、卵石土、碎石土等;當覆蓋層厚度不大于30 m且下伏較完整中風化及以上基巖時，宜按嵌巖樁設計，當持力層為軟質巖時有效嵌巖深度宜為3d～5d，當持力層為硬質巖時有效嵌巖深度宜為1.5d～3d;當30 m<覆蓋層厚度≤40 m且下伏較完整中風化及以上基巖時，應分別按摩擦樁和嵌巖樁進行計算，并取樁長較小者，當兩者樁長相差較小時，為減小沉降，宜采用嵌巖樁;當覆蓋層厚度大于40 m時，宜按摩擦樁設計，設計樁長富裕度應取10 %和3 m富裕長度中的較大者。

3.2.2 斷層破碎帶條件下橋梁樁基設計

當斷層破碎帶很深、寬度很大且樁基持力層位于破碎帶時，若持力層巖層抗壓強度試驗滿足要求且強度較大時，可采用嵌巖樁，若抗壓強度試驗不滿足要求且強度較低時，應采用摩擦樁。當斷層破碎帶很深但寬度較小且樁基持力層位于破碎帶之上或破碎帶很淺且樁基持力層穿過破碎帶時，宜按嵌巖樁設計。樁長在滿足承載力要求的情況下，樁底距斷層破碎帶的豎向距離宜大于3d或5 m，樁底距斷層破碎帶水平距離應取2.5d和3 m兩者的較大值。

3.2.3 斜坡條件下橋梁樁基設計

位于斜坡場地的樁基，不得支撐于滑動的邊坡上，設計時必須驗算樁基的豎向承載力、最不利荷載效應組合下樁基的整體穩定性和水平承載力，同時同一墩臺下的樁長相差不宜過大，宜控制在1/5樁長及5 m以內，并應合理控制開挖量、不宜大填大挖，整體上應保證填挖平衡、保護環境。在土質邊坡地段樁周巖土作用起算點距斜坡臨空面的距離不宜小于5d，且不小于8 m;在巖石邊坡地段中風化硬質巖宜不小于3 m，中風化軟質巖宜不小于3d且不小于5 m（圖5、圖6）。

對于嵌巖樁，樁基嵌入中風化基巖的有效深度應按下列要求取值：泥巖、頁巖等軟質巖按5d取值（同時采用摩擦樁復核計算）;石英閃長巖、砂巖、灰巖等硬質巖按3d取值。

4 結束語

山區橋梁設計時，應結合當地的地形、地質、水文、經濟、路線線性等因素綜合考慮，把握山區小半徑橋梁設計要點，通過方案比選選擇最優的橋梁方案及結構形式，并不斷總結經驗，以達到更優的設計效果，保證橋梁設計的質量、安全和經濟性。

參考文獻

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