山區高速公路橋梁下部結構設計優化探討

陳志達

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710000)

1 山區高速公路特點

在山區建設高速公路時會存在地形復雜、地質結構多變的問題。就地形方面來說，山區地面高差大、橫坡陡，且地面形態變化頻繁，而在地質上，山區地面結構多存在滑坡、斜坡、陡崖、煤氣地層等地質。在這些因素的作用下，布設施工路線時會受到平縱橫三方面約束。具體表現在平面線多、縱坡大、平面半徑大、陡坡陡、高擋墻多等方面。山區高速公路橋梁在建設時也會受到上述因素影響，存在彎坡橋多、墩臺形式多等問題，在進行橋梁設計時，必須將橋梁各部分結構與山區地質、地形關系進行有效協調[1]。

2 橋梁下部結構設計

2.1 橋墩

針對橋梁下部的橋墩設計，如果高度在40 m以內，通常將其設計為柱式墩，Y型薄壁墩，而前者最常應用。柱式墩有圓柱與方柱兩種形式，按照圓柱施工比較容易控制外觀質量，并且在銜接樁基時也相對方便，多用于平原地區，不過方柱棱角分明，更具有美觀性，與上梁結構更協調，直觀來看方柱美學價值高。而從受力方面考慮，方柱與圓柱處于橫截面相等條件下，方柱抗彎能力更強，相比圓柱能承受更多的力，當體系為連續剛構時，方柱的柱墩剛度只需要通過對兩方向尺寸進行調整就可以控制，從而達到調整墩柱受力的目的。而圓柱各方向都具有相同性質，調整效果與方柱相比不夠明顯。但方柱的墩柱需要通過樁帽才能連接到樁基，進而導致工程數量增加，同時由于山區橋梁地面橫坡都較陡，如果柱帽結構增加就會導致挖方工程量增加，引起邊坡不穩問題。因此選擇圓柱和方柱時，需要根據山區地形、上橋梁結構、墩高來具體分析。

Y型墩薄壁這種墩型作用于獨柱雙支座上，具有較好的美觀性，不過具體施工較復雜。如果墩高較矮，將無法保證施工美觀性，因此采用較少。如果墩高較高，施工Y型薄壁墩只需要一套模板、搭一個支架。如果山區橋梁建設設計地面橫坡陡、搭支架困難、木板需求量大的問題，選用Y型薄壁墩優勢較為明顯。而從預算方面來看，Y型薄壁墩相比柱式墩更有性價比。另外選用雙柱墩時，由于山區地面橫坡陡，兩個墩柱會存在較大的高度差，由于線剛度WI/L差距大，導致一個墩兩個墩柱受力差異較大，而選擇Y型薄壁墩，能夠有效優化這個問題。

2.2 高墩

通常設計矮橋墩時主要考慮強度指數，如果橋墩高度較高，需要注重穩定性問題。而相關設計規范針對偏心受壓柱的內容有指出，當10/h>30時，構建已由材料破壞變為失穩破壞。其中10代表受壓柱長度的有效范圍，墩高變化在0.5～2倍范圍中，具體多少取值，主要取決于施工狀態、上構重量、上構與墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度。如果墩厚度在2 m以上，實心矩形截面將降低經濟性，可以說，墩柱如處于材料破壞情況下，可以選擇實心矩形截面，同時高度最好不超過50 m，如果超過50 m，應選擇空心薄壁墩截面。空心薄壁墩在應用中，如果涉及墩高在65 m左右范圍，順橋向應考慮放坡[2]。

2.3 橋墩與路幅的關系

山區高速公路建設路基主要有整體式與分離式兩種形式，現階段選線環節注重于縮小占地面積、環保、協調景觀的理念，因此分離式路基通常只會設置在中長隧道等情況下，建設單位更頻繁使用整體式路基。針對整體式路基雙幅橋下部結構，通常采用分幅單獨形式來設計，即雙幅四柱。而像是高墩長橋這種類型，為減少開挖施工數量，提高邊坡穩定性，減輕材料消耗以及工程造價，選擇整體式下構即雙幅兩柱這種施工形式，具有一定的經濟性。相比雙幅四柱，如果存在相同的橋墩截面積以及橫向寬度，整體式下構相比分幅下構，在橫向、縱向剛度方面具備更大優勢，不光可以減少開挖、節約材料，還能時墩頂變位減少。

2.4 橋臺

山區高速公路橋梁通常會使用重力式U型臺、樁柱式臺、肋板臺來建設橋臺結構，而重力式U型臺應用最為廣泛。相關規定說明，如果填土在4～10 m范圍內，可選擇U型臺，因此最好以10 m范圍來控制U臺高度。山區橋梁U臺的橫向、縱向橫坡陡，因此臺階設置要結合山區地形實際來考慮，以此減少開挖量，節約圬工方量。樁柱式橋臺的抗推剛度小，當聯長較長，臺后填土如果高度較高時施工價值偏低。通常以5 m以下范圍來控制臺后填土高度，聯長高度則在150 m以內。埋置式肋板臺則適用范圍較廣，但高度也存在限制，不宜超過12 m[3]。

2.5 基礎

山區高速公路橋梁基礎設計中，常選擇擴大基礎或是樁基礎。如果地質情況較好，通常使用擴大基礎更多一些，并且分離式擴基礎方式更有效果，因為分離式擴基礎在橫坡地形、承載力方面都能夠較好的適應。針對斜坡所采用的擴大基礎和樁基礎，在具體設計時需要考慮基礎擴散角和覆蓋層厚度以及施工時的相互影響。

3 山區特殊橋墩的處理

3.1 整體式隱式蓋梁簡支橋墩

如圖1，由于此橋跨設計的斜交角度過大以及道路凈空限制，因此錯孔、大跨徑橋梁跨越方式無法在主線使用，設計時可采用將橋墩蓋梁與箱梁中橫梁相結合的方式，即隱式蓋梁。此種設計方案在應用后，不會對道路的行車凈空進行侵占，并且達成跨越國道的目的[4]。

圖1 整體式隱式蓋梁簡支橋墩示意圖

3.2 獨柱式橋墩

如果山區高速公路橋梁建設設計河流流速快、瞬時水流沖擊力大等問題，可以使用獨柱式橋墩設計方案，以此縮減橋墩的阻水面積，將水流沖擊力降低。為保證山區橋梁上部結構步跨的合理性，避讓被交車道，減少開挖、提高邊坡穩定性，采用整體式下部結構方案施工具有很好的效益。

圖2 獨柱式橋墩示意圖

4 結束語

針對山區高速公路橋梁工程建設，需要保證前期的設計質量，而橋梁下部結構在具體設計時需要考慮的因素很多，需要結合具體施工情況來進行合理的選擇，主要從橋墩、路幅、橋臺、基礎等方面進行考慮，并列舉了相應的結構形式，由于山區施工的復雜性以及嚴格質量要求，具體設計時需要嚴格根據相關標準來進行。