公路橋梁設計要點及方案對比分析

侯青

（上饒市宏優公路勘察設計院有限公司，江西 上饒 334000）

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，我國公路建設規模不斷擴大。為節約土地資源及充分利用施工區域地勢，橋梁在公路交通建設中被廣泛應用。橋梁設計是公路橋梁建設中的關鍵環節，直接關系著公路橋梁的建設質量及安全通行。要想整體提高公路橋橋梁建設的質量，保證其使用的安全性，就必須加強橋梁設計。以下結合具體的工程實例，對公路橋梁設計的相關問題進行分析。

1 工程概況

該項目起于弋陽縣西橋徐家附近，路線往北沿信江西側布線，在白馬洲現信江大橋附近跨信江，經沙子嶺徐家，在竹棚陳家附近利用現有東站跨線橋跨滬昆高速和浙贛鐵路，途經華亭、灣里鄉、周店，終止于陳谷音村附近。路線全長13.86039km。項目推薦線改造范圍共有現狀橋梁5 座，分別為：信江大橋、葛河大橋、余家中橋、周店中橋、廟前中橋。

2 公路橋梁設計原則

2.1 新建橋涵設計原則

根據前期基礎勘察，結合該項目大、中橋具體特點，橋位以服從路線走向為指導思想，依照安全、舒適、經濟、美觀的原則進行橋梁設計，同時綜合考慮地區的自然條件、材料供應、施工要求等情況。為了確保項目的技術先進、安全可靠、經濟合理、實用耐久，以標準化、機械化開展施工作業。具體的橋涵設計原則為：

2.1.1 橋孔、橋跨、橋型、橋梁布設

在橋孔布設時，需綜合考慮該地區的自然條件、材料供應、使用要求及便于施工養護等因素，做到與環境、人文景觀協調發展。橋跨組合設計需綜合考慮橋位的地形、地質、水文等條件，選用實用性和經濟性強的橋型。特大橋及墩高超過30m 的大橋，需進行橋型方案比較，至少要提供兩個或兩個以上的橋型方案，方案需明確工程量與造價[1]。

橋梁原則上盡量采用正交，不采用或少采用斜交橋梁。地形及環境條件容許時，左右幅橋梁可分別設正交橋跨，分幅錯孔布置。對于在平曲線上的橋梁，若曲線半徑較小，可作曲線橋；若曲線半徑較大，可布設折線橋，同時上部結構必須包絡橋面凈空和護欄。對于處于不良地段的橋梁，需綜合考慮結構安全性、施工效果、運營效果等因素。

2.1.2 橋梁結構選型

依照安全、舒適、經濟、美觀的原則進行橋梁結構選型，并綜合考慮地質地形、路線、材料來源、材料運輸、周圍環境等因素。橋梁上部結構，選用預應力混凝土梁式連續結構，保證橋面平整度和行車的舒適性。盡量采用統一預制的結構形式，以便進行機械化、標準化生產，提高施工的便利性，進而縮短工期和降低工程造價。

2.1.3 橋梁跨越

橋梁需跨越山谷或深溝時，需綜合考慮填土高度、溝底縱坡、地質等因素。若填土高度較高，地質條件較差，由于路基放坡侵占山谷側道路或主河道而路基擋土墻又設置困難時，采用橋梁跨越[2]。

2.1.4 橋梁墩臺布設

當橋梁墩臺處于陡坡位置時，基坑開挖對山體面積造成較大破壞或易引發地質病害時，基礎形式優先選用樁式基礎。

2.1.5 橋頭布設

在橋頭有較多的高路堤、占用農田且需要大量運送填料時，應適當延長橋孔。

2.1.6 小橋涵布設

當小橋涵跨越人工溝渠時，應在原有溝渠基礎上，依照不影響現有排灌系統的原則合理合并；若跨越非人工溝渠，布設小橋涵時需綜合考慮地形、排水、匯水面積等因素。

2.1.7 涵洞形式的選擇

涵洞型式的選擇，需綜合考慮使用性質、泄洪流量、路基填土高度、地質條件等因素，優先選用圓管涵、蓋板涵等型式。

2.2 改擴建橋涵設計原則

針對需要拓寬的沿線橋梁、涵洞，設置時需遵循如下原則。

2.2.1 擴建橋梁

為使新舊橋梁順利銜接，擴建橋梁時，原則上應采用與原橋相同孔徑，同時上部結構類型也應一致。

2.2.2 通航凈空

為保證原線所跨河道及道路通航凈空不變，應根據拓寬部分上部結構的結構類型及橋址位置實際情況，考慮局部降低地方道路高程的措施予以解決。

2.2.3 橋梁結構

本著結構安全、經濟合理的原則，在保證橋梁安全、耐久的前提下，盡量利用原結構；若出現嚴重損害、威脅安全、不適合加寬改造等的結構才予以更換。

2.2.4 橋梁施工

橋梁施工盡量減少對現有道路的干擾，保持地方道路的正常通行。

2.2.5 下部結構設置

增大加寬部分的下部結構設置，應減少新結構沉降，縮小新老沉降差，降低各種結構的附加力。

3 公路橋梁設計方案比選

目前橋梁結構中主要有以下五大體系：梁式橋、拱橋、連續剛構橋、懸索橋、斜拉橋。結合該項目現場橋位建設條件和周邊環境，考慮到該工程橋梁均為跨河橋梁，且僅信江有通航需求要設置大跨徑橋梁，其他橋梁跨徑一般采用中等跨徑即能滿足要求。此外由于道路線形復雜，在此修建懸索橋、斜拉橋或拱橋并不適宜，一來因為體積龐大不夠靈活；二來施工工藝復雜，造價高，工期長，與周邊的地形地貌及建筑物也不協調。故以梁式橋作為該工程橋型方案進行設計，以信江大橋為例，設計了以下兩個方案：

3.1 方案一：（63+110+110+63）m 變截面預應力混凝土連續箱梁

上部構造采用跨徑(63+110+110+63)m 變截面預應力混凝土連續箱梁方案。下部結構采用板式墩，橋臺采用柱式臺，墩臺基礎均采用樁基礎。橋梁總長度為346m。

110m 跨徑變截面預應力混凝土連續箱梁設計和施工經驗較成熟、受力性能較好、線形較美觀。采用掛籃施工能較好地適應大江大河的情況。因為是現澆工藝，適應變寬能力較強。主梁受力明確，結構剛度大，抗扭性能好，在車輛荷載作用下主梁變形小，行車舒適；施工穩定性好，易于維護；在相同跨徑的結構中具有一定的經濟優勢。但懸澆箱梁對施工工藝要求高，當管理與施工控制不到位時，易出現施工過程中的掛籃失穩及線形無法控制，適用于橋下凈空較大、不適合搭設支架的橋梁[3]。

3.2 方 案 二：（90+170+90）m 變 截 面 預 應 力混凝土連續箱梁

上部構造采用跨徑（90+170+90）m 變截面預應力混凝土連續箱梁方案。下部結構采用板式墩，橋臺采用柱式臺，墩臺基礎均采用樁基礎。橋梁總長度為350m。

170m 跨徑變截面預應力混凝土連續箱梁受力性能較好，采用掛籃施工能較好地適應大江大河的情況。因為是現澆工藝，故適應變寬能力較強。主梁受力明確，結構剛度大，抗扭性能好，在車輛荷載作用下主梁變形小，行車舒適；施工穩定性好，易于維護；在相同跨徑的結構中具有一定的經濟優勢。但懸澆箱梁對施工工藝要求高，當管理與施工控制不到位時，易出現施工過程中的掛籃失穩及線形無法控制。170m 跨徑參考國內類似橋梁可知病害發生較多，且對于矮墩情況由于支點處梁高較高故整體景觀效果較差，適用于橋下凈空較大、不適合搭設支架的橋梁。

根據表1 綜合考慮景觀效果、通航安全、后期病害及造價，信江大橋主橋推薦采用方案一，即（63+110+110+63）m 變截面預應力混凝土連續箱梁。

表1 信江大橋主橋橋型方案綜合比選表

4 公路橋梁設計要點

4.1 橋梁結構設計

以信江大橋為例，該橋有通航要求。勘察期間河面高程38.5m，河面寬度約200m，水深8m 左右。橋梁設計高程除了要滿足設計水洪水位的要求外，主要受通航凈空控制。 在總體布置方面，橋上縱坡2.155%、-0.45%，橋梁全長563.28m。在上部結構設計中，上部第一、二聯采用單孔跨徑30m 的先簡支后連續小箱梁。單片中梁寬2.4m，邊梁寬2.85m，各片梁體間采用后澆濕接縫連接，梁中心距2.9m，Lp=30m，小箱梁梁高1.6m，施工方案為預制架設。第三聯采用（63+110+110+63）m 變截面預應力混凝土連續箱梁，支點處梁高6.2m，跨中梁高2.6m，施工方案為掛籃澆筑。在下部結構設計中，小里程橋臺采用肋板式，樁基采用φ1.5m 鉆孔灌注樁。大里程橋臺采用柱式臺，樁基單幅采用φ1.8m 鉆孔灌注樁[4]。

4.2 涵洞設計

全線共設有涵洞35 道，共長1864.49m，平均每公里涵洞2.53 道。涵洞結構類型的選用在滿足流量需要的情況下，還應考慮到當地的特殊地質地形等實際情況，合理地擬定涵洞結構類型及孔徑。由于項目所在地土質松散，如涵洞孔徑矮小容易造成堵塞，同時考慮到路線設計高普遍較高，部分路段對周邊群眾的生產生活影響較大，涵洞孔徑適當做大，既能防止堵塞，又可以兼做簡易人行通道，為方便群眾，依據設計流量用1～4m 鋼筋混凝土蓋板涵。蓋板可預制或現澆，下部具體結合地質情況選用整體式基礎或分離式基礎。處于軟土區域的涵洞，還需具體結合軟基處理情況來選擇基礎形式。孔徑較大、填土高度較高的涵洞，需設置較高承載能力的拱涵。結合地形或水流情況設置涵洞的洞口形式，主要有八字洞口、一字洞口、跌水井洞口機制，若與擋墻銜接，應選用擋墻洞口，高填方路段還采用一字墻接急流槽洞口。路基為半填半挖形式時，涵洞縱坡普遍較陡，懸空部分（基礎未落入原地面）應充分壓實以保證路基承載力，以減少運營期間的不均勻沉降，延長涵洞的使用壽命。

4.3 橋梁耐久性設計

該項目環境類別為I 類（一般環境）。樁基、承臺所處環境作用等級為I-C 級；橋墩所處環境作用等級為I-B，其余部分為I-A 級。根據該項目環境分類及作用等級進行耐久性設計。該項目橋梁工程的設計基準期是100 年，主體結構的設計使用年限為100 年，橋面鋪裝、排水系統、欄桿、伸縮裝置、支座等的設計使用年限不低于15 年。

4.4 混凝土結構耐久性設計

耐久性會受材料性能與品質的影響，因此在混凝土結構耐久性設計中，對于梁、墩、臺、蓋梁等重要構件，選用了高品質的混凝土，確保混凝土的強度、密實性、抗滲性、防腐蝕性等性能優越；為減少裂縫問題及減小裂縫寬度，設置增強防裂鋼筋；在關鍵部位增加鋼筋保護層的厚度，延緩鋼筋被腐蝕時間，對氯離子含量、水泥含堿量等進行控制。

原材料、混凝土及水泥基灌漿料應符合《公路工程混凝土結構耐久性設計規范》（JTG/T 3310—2019）的要求，水泥強度等級應與混凝土設計強度等級相適應。大體積混凝土宜采用硅酸二鈣含量相對較高的水泥；主體結構應使用無堿活性反應的集料，非主體結構宜避免采用有堿活性反應的集料；綜合考慮使用目的和混凝土性能、原材料性能、施工條件、配合比等因素，選擇適宜的外加劑，并通過試驗及技術經濟比較確定用量；應限制每立方米混凝土中凝膠材料的最低和最高用量，在保證強度的前提下宜減少凝膠材料中的硅酸鹽水泥用量；所有泵送混凝土除了滿足上述混凝土配合比要求外，其坍落度還應滿足《混凝土泵送施工技術規程》（JGJ/T 10—2011）；選用質量穩定并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥和集料等原材料，不得采用有堿活性反應的骨料；提供足夠的鋼筋和合理的布置，保證受拉和受彎裂縫很好地分布；樁基、承臺最小保護層厚度為45mm；橋墩最小保護層厚度為30mm，其余部分最小保護層厚度為20mm。

5 結語

在公路橋梁設計過程中，應遵循安全、舒適、經濟、美觀、便于施工養護的原則進行，同時綜合考慮地質地形、周圍環境、材料來源、材料運輸等因素，從而提升公路橋梁方案設計的科學化水平。文章結合具體的項目，對公路橋梁設計過程中具體應遵循的原則進行分析，并提供兩種設計方案進行比選，綜合考慮景觀效果、通航安全、后期病害及造價等因素，最終選定方案一，即（63+110+110+63）m 變截面預應力混凝土連續箱梁。在選定方案的基礎上，指出在公路橋梁設計過程需要注意的問題，包括橋梁結構設計、涵洞設計、橋梁耐久設計、混凝土結構設計等。希望通過此次研究，能為類似工程提供一定的參考借鑒。