山區高速公路橋梁設計要點及方案比選

孟永旺

(河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

我國山地較多，且地形復雜，很多高速公路都建設在一些山區中，在施工設計中采用了大量的公路橋梁來跨越這些復雜的地形。另外，受到地形和設計規范的限制，在很多山區高速公路橋梁設計方案中都添加了很多大縱坡、曲線、高墩和超長度的設計方案，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很大的區別，施工難度更大[1]。因此，在對山區高速公路橋梁設計時要進行多種方案的比選，關注設計要點，提高山區高速公路橋梁設計的質量。

1 山區高速公路橋梁設計方案比選

1.1 工程案例情況

該工程項目選擇的是某山區高速公路橋梁設計方案。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計進行了2種方案設計。

1.2 高速公路橋梁建設方案設計

方案一：此方案設計中，全橋共5聯，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。主橋上端的結構使用的是(45+80+45)m，并運用了預應力混凝土連續鋼結構；橋梁下端的結構基礎預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預應力混凝土簡支T梁、40 m預應力混凝土連續T梁來對引橋進行施工，下端的結構位置用柱式墩或是鉆孔灌注樁基礎和空心薄壁樁3種。其中一種來進行施工；在進行橋臺施工時選擇鉆孔灌注樁基礎，或是柱式臺。其中最大墩的高度設計約為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：此方案設計中，全橋也是5聯，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。橋梁上端的主要結構采用的是(50+90+50)m的預應力混凝土連續鋼結構，橋梁下端的結構設計選用雙肢實心墩、空心薄壁墩、鉆孔灌注樁基礎3種方案；引橋使用的是40 m的預應力混凝土連續T梁和40 m的預應力混凝土簡支T梁，下端的結構用柱式墩、薄壁墩或者是鉆孔灌注樁樁基礎進行施工；橋臺設計方面，選擇鉆孔灌注樁基礎和柱式臺，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中可以發現，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和監控度增加了很大的難度。所以，在對其進行高速公路橋梁設計時，設計方案的選擇非常重要，不僅需要從橋梁的上部構造和下部構造方面進行考慮，同時還要對橋梁跨徑和墩高的關系角度進行合理的處理，此外，還要對橋梁的上部構造和平面的曲線半徑關系進行分析處理。

1.3 高速公路橋梁設計方案對比分析

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

在以上2種施工設計方案中，方案一的主跨為(45+80+45)m的連續型鋼結構；方案二中主跨采用的是(50+90+50)m的連續性鋼結構。連續性鋼結構的選擇具有很大的優勢，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的要求，有著非常成熟的施工技術，可以更好地提高工程的施工質量。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。設計方案一有著非常充分的施工優勢，但是，方案設計一對于地基的要求要比連續梁更高。因為本工程中橋梁是一種大跨徑的橋梁，跨過了溝谷，要進行綜合考慮，不僅要減少橋梁墩施工對周圍環境產生的影響，還要考慮施工困難，在滿足節約經濟的基礎上選擇更加合適的方案。在滿足地基要求的基礎上，設計方案一更加合適。

另外，在選擇使用設計方案一時，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68 m；在選擇使用設計方案二時，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種設計方案都避免了主跨和主墩在溝底中間會出現的一些不良因素，因此，2種方案的受力影響和設計難度都比較相似，可以選擇經濟造價更加合適的。由此，設計方案一的經濟性更高，設計方案一更加合適。

2)橋梁下端結構形式設計的選擇。橋梁為連續性的鋼結構+T梁組合形式，橋墩的高度有所不同，處在10～68 m，這樣下端的構造形式要按照上端結構形式和橋墩的高度來進行設計。使用頻率比較高的下端構造有實心薄壁墩、空心薄壁墩、柱式墩、雙薄壁墩等。其中柱式墩的優勢是可以更好地減輕橋墩的自身重量，更加節省材料，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；橋墩的高度也不能太高，要控制在40 m以內，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。薄壁墩的優勢有:施工材料更加節省，橋墩的自重可以得到很大地減輕，并且雙壁墩還可以增強橋墩的剛度，這樣可以減少主梁支點的負彎矩，提升橋梁的美觀性，在一些大跨度的橋梁施工中應用率更高，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，也可以減少經濟投入，還可以保障橋梁的美觀性。

綜上所述，在該工程2種橋梁設計方案中，方案一是更為合適的施工方案。

2 山區高速公路橋梁設計要點

2.1 上端結構設計要點

在對橋梁上端的結構進行設計時，設計人員要先對施工現場的實際情況進行考察，在了解實際情況的基礎上，按照高速公路的路況，采用預制裝配結構的方式來進行方案設計，此過程中，設計人員要對設計方案的經濟性進行綜合考慮，對高速公路橋梁設計中可能存在的問題進行提前規劃，同時還要對橋梁跨徑和各個不同高度橋墩之間的關系進行分析。高速公路橋梁設計中受到多種因素的影響，設計復雜性非常高，所以，設計人員需要對橋梁的美觀性、實用性、安全性、經濟性進行綜合性的分析[4]。通常情況下，山區高速公路橋梁常用的標準化跨徑有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以內的小跨徑可以選擇的結構有T梁、小箱梁、空心板。因此，在設計中要綜合考慮梁的受力特點，在實際的設計過程中，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。跨徑的設置要按照墩高來進行設計，如果有特殊的需求，要參考橋梁的功能需求進行跨徑的選擇，以確保橋梁整體的性能和施工質量。

2.2 基礎設計要點

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

2.3 高墩墩臺設計要點

較多山區高速公路橋梁結構都采用的大跨橋式和高墩式，其中高墩式的應用率更高，主要是因為高墩式的結構穩定性更強，安全性更高。在進行設計的過程中，要從高墩地質和結構形式2個方面出發，對其進行綜合性分析，從而提升設計的科學性和合理性。在設計過程中要重點對墩臺角度進行把控[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制梁的長度來進行調整。此外，在進行設計的過程中，還要重視兩端伸縮縫的平行，墩臺的角度要選擇直角設計，這樣對于較長的橋梁更加合適，并且對墩臺的質量更好把控，從而奠定橋梁結構的安全性和穩定性。

3 結語

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