山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計要點及方案比選

孟永旺

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

我國山地較多，且地形復(fù)雜，很多高速公路都建設(shè)在一些山區(qū)中，在施工設(shè)計中采用了大量的公路橋梁來跨越這些復(fù)雜的地形。另外，受到地形和設(shè)計規(guī)范的限制，在很多山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計方案中都添加了很多大縱坡、曲線、高墩和超長度的設(shè)計方案，這就造成高速公路橋梁的受力和普通高速公路橋梁的受力出現(xiàn)很大的區(qū)別，施工難度更大[1]。因此，在對山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計時要進(jìn)行多種方案的比選，關(guān)注設(shè)計要點，提高山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計的質(zhì)量。

1 山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計方案比選

1.1 工程案例情況

該工程項目選擇的是某山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計方案。該工程的橋梁平面分別在緩和曲線、圓曲線以及直線上。其中，緩和曲線的起始樁號為k96+609，終止樁號為k96+612.501，參數(shù)A為465.487 1偏右；圓曲線起始樁號為k96+612.501，終止樁號為k96+944.701，終止樁號為k97+113.981，參數(shù)A為465.487，偏右；直線起始樁號為k97+113.981，終止樁號為k97+277。橋面的橫向坡為雙向2%，縱斷面在直徑為25 000 m的豎曲線上。針對該工程的橋梁設(shè)計進(jìn)行了2種方案設(shè)計。

1.2 高速公路橋梁建設(shè)方案設(shè)計

方案一：此方案設(shè)計中，全橋共5聯(lián)，為40 m+(45 m+80 m+45 m)+4 m×40 m+(45 m+80 m+45 m)+3 m×40 m=660 m。主橋上端的結(jié)構(gòu)使用的是(45+80+45)m，并運用了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)；橋梁下端的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)預(yù)計使用雙肢實心墩或者是鉆孔灌注樁和空心薄壁墩，任意選擇其中一種；用40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁、40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁來對引橋進(jìn)行施工，下端的結(jié)構(gòu)位置用柱式墩或是鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和空心薄壁樁3種。其中一種來進(jìn)行施工；在進(jìn)行橋臺施工時選擇鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，或是柱式臺。其中最大墩的高度設(shè)計約為68 m，橋型具體布置如圖1所示。

圖1 方案一橋型具體布置圖

方案二：此方案設(shè)計中，全橋也是5聯(lián)，為40 m+(50 m+90 m+50 m)+4 m×40 m+(50 m+90 m+50 m)+2 m×40 m=660 cm。橋梁上端的主要結(jié)構(gòu)采用的是(50+90+50)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)，橋梁下端的結(jié)構(gòu)設(shè)計選用雙肢實心墩、空心薄壁墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)3種方案；引橋使用的是40 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁和40 m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，下端的結(jié)構(gòu)用柱式墩、薄壁墩或者是鉆孔灌注樁樁基礎(chǔ)進(jìn)行施工；橋臺設(shè)計方面，選擇鉆孔灌注樁基礎(chǔ)和柱式臺，其中最大的橋臺墩高度約為63 m，具體的橋型布置如圖2所示。

圖2 方案二橋型具體布置圖

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在該工程中，橋梁所在位置的山體非常的陡峭，需要2次跨過溝谷，不僅給橋梁方案設(shè)計帶來了很大的難度，同時對于橋梁后期的施工以及后期運營過程中的維護(hù)和監(jiān)控度增加了很大的難度。所以，在對其進(jìn)行高速公路橋梁設(shè)計時，設(shè)計方案的選擇非常重要，不僅需要從橋梁的上部構(gòu)造和下部構(gòu)造方面進(jìn)行考慮，同時還要對橋梁跨徑和墩高的關(guān)系角度進(jìn)行合理的處理，此外，還要對橋梁的上部構(gòu)造和平面的曲線半徑關(guān)系進(jìn)行分析處理。

1.3 高速公路橋梁設(shè)計方案對比分析

1)橋梁跨徑方案設(shè)計的選擇。在該工程中，橋梁的最高處高達(dá)73 m，因此主跨徑也要大于80 m。另外，在對配跨徑進(jìn)行設(shè)計時，要考慮多種因素的影響，不僅需要便于施工，同時還要盡可能地減少橋墩的數(shù)量，最為重要的是要確保施工過程中預(yù)制梁吊裝的順利完成，所以，在選擇時要選擇40 m跨徑的預(yù)制T梁。除此，在進(jìn)行方案設(shè)計過程中，不僅要考慮此種方案和現(xiàn)澆箱梁的造價高低，同時還要考慮橋墩數(shù)目的選擇，盡可能地減少施工過程中的安全隱患[2]。40 m跨徑的預(yù)制T梁常常在山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計中使用，并且這種施工技術(shù)水平比較高，施工技術(shù)也非常成熟。

在以上2種施工設(shè)計方案中，方案一的主跨為(45+80+45)m的連續(xù)型鋼結(jié)構(gòu)；方案二中主跨采用的是(50+90+50)m的連續(xù)性鋼結(jié)構(gòu)。連續(xù)性鋼結(jié)構(gòu)的選擇具有很大的優(yōu)勢，比如可以保障行車的通暢、平順和安全，并且還可以滿足交通運輸?shù)囊螅兄浅３墒斓氖┕ぜ夹g(shù)，可以更好地提高工程的施工質(zhì)量。另外，高速公路橋梁下部的凈空間非常大，可以滿足通航的大部分要求。設(shè)計方案一有著非常充分的施工優(yōu)勢，但是，方案設(shè)計一對于地基的要求要比連續(xù)梁更高。因為本工程中橋梁是一種大跨徑的橋梁，跨過了溝谷，要進(jìn)行綜合考慮，不僅要減少橋梁墩施工對周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響，還要考慮施工困難，在滿足節(jié)約經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上選擇更加合適的方案。在滿足地基要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計方案一更加合適。

另外，在選擇使用設(shè)計方案一時，圖1中10號、9號、3號和2號橋墩均為主跨橋墩，其中最高的橋墩高達(dá)68 m；在選擇使用設(shè)計方案二時，10號、9號、3號和2號橋墩也為主跨橋墩，橋墩的最高點為63 m。從橋墩高度方面來說，雖然相差不多，但是2種設(shè)計方案都避免了主跨和主墩在溝底中間會出現(xiàn)的一些不良因素，因此，2種方案的受力影響和設(shè)計難度都比較相似，可以選擇經(jīng)濟(jì)造價更加合適的。由此，設(shè)計方案一的經(jīng)濟(jì)性更高，設(shè)計方案一更加合適。

2)橋梁下端結(jié)構(gòu)形式設(shè)計的選擇。橋梁為連續(xù)性的鋼結(jié)構(gòu)+T梁組合形式，橋墩的高度有所不同，處在10～68 m，這樣下端的構(gòu)造形式要按照上端結(jié)構(gòu)形式和橋墩的高度來進(jìn)行設(shè)計。使用頻率比較高的下端構(gòu)造有實心薄壁墩、空心薄壁墩、柱式墩、雙薄壁墩等。其中柱式墩的優(yōu)勢是可以更好地減輕橋墩的自身重量，更加節(jié)省材料，施工美觀簡單，可以在多種跨徑橋梁施工，以及平原區(qū)架橋施工中使用[3]。但是，這種方案也有很大的缺點和不足，跨度不能太大，要控制在13 m以內(nèi)；橋墩的高度也不能太高，要控制在40 m以內(nèi)，并且在有漂流物和流速比較大的河流中，這種方案并不適合。薄壁墩的優(yōu)勢有:施工材料更加節(jié)省，橋墩的自重可以得到很大地減輕，并且雙壁墩還可以增強(qiáng)橋墩的剛度，這樣可以減少主梁支點的負(fù)彎矩，提升橋梁的美觀性，在一些大跨度的橋梁施工中應(yīng)用率更高，且這種方案造價比較高。因此，在本工程中，橋梁在主跨位置使用雙肢空心墩，其他位置的高墩使用空心薄壁墩，35 m以下的橋墩使用的是柱式墩，這樣就可以承載受力，也可以減少經(jīng)濟(jì)投入，還可以保障橋梁的美觀性。

綜上所述，在該工程2種橋梁設(shè)計方案中，方案一是更為合適的施工方案。

2 山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計要點

2.1 上端結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

在對橋梁上端的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計時，設(shè)計人員要先對施工現(xiàn)場的實際情況進(jìn)行考察，在了解實際情況的基礎(chǔ)上，按照高速公路的路況，采用預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的方式來進(jìn)行方案設(shè)計，此過程中，設(shè)計人員要對設(shè)計方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮，對高速公路橋梁設(shè)計中可能存在的問題進(jìn)行提前規(guī)劃，同時還要對橋梁跨徑和各個不同高度橋墩之間的關(guān)系進(jìn)行分析。高速公路橋梁設(shè)計中受到多種因素的影響，設(shè)計復(fù)雜性非常高，所以，設(shè)計人員需要對橋梁的美觀性、實用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合性的分析[4]。通常情況下，山區(qū)高速公路橋梁常用的標(biāo)準(zhǔn)化跨徑有16 m、20 m、30 m，橫斷面的形式也非常多，有T梁、小箱梁、空心板等，30 m以內(nèi)的小跨徑可以選擇的結(jié)構(gòu)有T梁、小箱梁、空心板。因此，在設(shè)計中要綜合考慮梁的受力特點，在實際的設(shè)計過程中，小箱梁板寬240 cm，梁高度100 cm，混凝土單位面積用量為0.380 m3/m2，普通的鋼筋選擇9.082 kg/m2。跨徑的設(shè)置要按照墩高來進(jìn)行設(shè)計，如果有特殊的需求，要參考橋梁的功能需求進(jìn)行跨徑的選擇，以確保橋梁整體的性能和施工質(zhì)量。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計要點

在對山區(qū)高速公路橋梁進(jìn)行設(shè)計的過程中，橋梁基礎(chǔ)設(shè)計是非常重要的一部分，基礎(chǔ)設(shè)計的合理性才能更好地保障整體橋梁的施工質(zhì)量。在進(jìn)行設(shè)計時要選擇合適的樁基礎(chǔ)，并盡量擴(kuò)大基礎(chǔ)，要綜合考慮山區(qū)的地形和地址結(jié)構(gòu)，遵循具體問題來執(zhí)行科學(xué)設(shè)計方案。設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計前要先進(jìn)行實際考察，對施工現(xiàn)場的情況進(jìn)行綜合性考察，搜集各種資料，同時還要把地質(zhì)、水文環(huán)境情況進(jìn)行詳細(xì)的勘察，針對不同的實際情況選擇科學(xué)合理的施工技術(shù)和施工工藝，確保橋梁基礎(chǔ)設(shè)計的質(zhì)量。

2.3 高墩墩臺設(shè)計要點

較多山區(qū)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)都采用的大跨橋式和高墩式，其中高墩式的應(yīng)用率更高，主要是因為高墩式的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強(qiáng)，安全性更高。在進(jìn)行設(shè)計的過程中，要從高墩地質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式2個方面出發(fā)，對其進(jìn)行綜合性分析，從而提升設(shè)計的科學(xué)性和合理性。在設(shè)計過程中要重點對墩臺角度進(jìn)行把控[5]。橋墩中心線和交點處切線形成角度相同，橋臺中心線和橋墩之間不平衡，橋墩蓋梁長度相同，曲線造成的每片梁長變化要參考預(yù)制梁的長度來進(jìn)行調(diào)整。此外，在進(jìn)行設(shè)計的過程中，還要重視兩端伸縮縫的平行，墩臺的角度要選擇直角設(shè)計，這樣對于較長的橋梁更加合適，并且對墩臺的質(zhì)量更好把控，從而奠定橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

在對山區(qū)高速公路橋梁進(jìn)行設(shè)計的過程中，要從橋梁的功能保障方面和橋梁工程的安全方面來進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計人員在進(jìn)行方案設(shè)計的過程中要重視山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計的要點，并對設(shè)計方案進(jìn)行詳細(xì)的比選，從中選擇工程造價低，但施工便捷、施工質(zhì)量有保障、施工更加安全的設(shè)計方案，結(jié)合橋梁施工山區(qū)地形和地質(zhì)的實際情況開展針對性的設(shè)計，把控好設(shè)計要點，實現(xiàn)山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計的美觀性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、耐久性、安全性和實用性，將高速公路橋梁建設(shè)和周圍的自然環(huán)境進(jìn)行充分融合，為人們出行提供更多的便利。