山區公路中小跨橋梁設計關鍵問題研究

何志偉

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056）

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，也帶動了公路的建設規模。我國東部地區地處平原地帶，相應的公路及路網建設已基本完成，然而我國西部地區山脈眾多，地形地貌復雜，導致路網建設較為困難。當前，為保障公路的貫通，西部地區的路網建設常采用中小跨、零散不均等特點的橋梁作為連接山區公路的樞紐。為保證西部山區路網建設的順利開展，有必要對山區公路中小跨橋梁設計進行深入分析，從而更好地服務于工程建設。鑒于此，本文針對當前常規中小跨橋梁設計中存在的問題提出相應的優化改進措施，以期為設計提供參考。

2 中小跨橋梁設計的特點及存在問題

受地形地貌影響，西部山區公路橋梁建設與東部平原地區橋梁建設存在顯著差異。其具體體現在以下4個方面[1-4]：

1）地質勘探具有一定的難度。山區公路橋梁建設地形起伏大，地質以硬巖居多，在地勘過程中，測量山體、路線、周邊地形等均存在極大的困難。此外，由于山區水系復雜，在外部因素作用下山體常發生泥石流、滑坡等一系列工程災害，這也進一步加大了地勘難度。

2）橋墩高墩多。受山區地形起伏、高差大的影響，橋梁結構多采用高墩結構，高墩屬于柔性結構，地震作用對其安全性能有一定的不利影響。

3）橋隧比高。受山區高低起伏構造的影響，公路建設常常以橋梁和隧道居多，同時，頻繁交替的路橋隧工程在交替位置處的安全性存在一定的隱患。

4）施工難度極大。由于地理位置、周邊環境以及地形條件的限制，施工中的原材料運輸、加工、混凝土澆筑以及相應的施工所需輔助作業均存在極大的困難。

針對上述提及的中小跨橋梁設計的特點，對橋梁設計方面所存在問題進行綜合論述，其主要體現在承載力、耐久性以及設計方面3個方面，具體如下：

1）橋梁規范標準指出，混凝土結構的承載力取決于其所處狀態。當橋梁承載力不足時，會使構件逐漸產生變形，進而導致橋梁結構變形乃至破壞。也就是說，橋梁結構仍具備一定的承載力，但其所能承載的極限承載力已無法達到正常標準，從而嚴重制約了橋梁的安全和壽命。目前的橋梁設計中以考慮橋梁的極限承載力為主，而對于制約橋梁正常使用的極限程度影響因素以及承載力下降機理缺乏分析和研究。

2）耐久性是制約橋梁使用壽命的決定性因素，橋梁的施工、運行以及維護階段均對其有顯著影響。隨著近年來橋梁事故頻發，橋梁耐久性問題逐漸被業內所重視。先前的研究多不考慮橋梁的耐久性問題，或僅停留在理論層面，并未應用于施工中。隨著橋梁建設技術的日益成熟，橋梁耐久性設計是當前亟待解決的關鍵技術問題之一。

3）設計中過分重視某一構件或主體的受力和變形特征，而忽略了其他部位或其他結構對此構件受力及變形的影響，導致計算內力與實際存在較大偏差。因此，不僅要考慮橋梁結構的局部受力，還要以整體作為研究對象，才能更為合理地保障橋梁結構的安全。

3 中小跨橋梁設計原則及優化措施

3.1 橋梁結構形式選擇

山區多為河谷、山嶺等地貌，橋梁一般具有大橋數量大、分布廣、中小橋數量少的特點，橋梁除跨越沿線分布較廣的V形沖溝谷外，受地形限制，陡坡段亦需設置一定數量的縱向高架橋，橋梁平均墩高較大，橋址處基巖埋深較淺，墩、臺樁長一般不超過40 m，大部分介于15～30 m，且嵌巖樁居多，墩臺樁基長度受跨徑影響不大。

上部構造盡可能做到設計標準化、施工機械化，便于分段統一集中預制安裝，便于運輸方便、縮短工期、節省造價。跨徑為20～40 m的裝配式梁（板）是最經濟、最合理的橋跨，上部結構主梁主要有預應力混凝土空心板、小箱梁、T梁。

3.2 橋梁上部結構選型

預應力混凝土空心板梁高最小，上部構造輕盈美觀，吊裝重量最輕，在一定高度的中小跨橋梁中，空心板結構具有較廣的適用范圍。當前橋梁設計中，空心板結構是設計者較為常用的橋梁結構，然而從使用上看，空心板結構橫向整體性較差，易出現鉸縫不密實而引起縱向裂縫等病害，施工運營階段容易出現支座脫空現象，不利于結構及行車安全。

預應力混凝土小箱梁以造價低、抗扭性能好、梁高適中等特點被廣泛用于工程中，但小箱梁為斜腹板，預制工藝稍復雜，吊裝重量大，并且預制小箱梁先簡支后墩梁固結的設置及施工較T梁困難。

預應力混凝土T梁跨越能力較強，最大跨徑一般可達50 m，具有施工方便、吊重適中等優點，其缺點是梁高尺寸較大，經濟性相對一般。山區一般為河谷、丘陵等地貌，橋梁平均墩高較高，T梁的建筑高度較高，其與高墩橋梁的視覺感觀較預制小箱梁協調，且隨著墩高的增加，橋梁剛構情況的越來越多，T梁設置墩梁固結的構造處理難度較組合小箱梁簡單。

橋梁上部結構比較見表1。

3.3 橋梁下部結構選型

橋梁結構的選型應除應重視上部跨徑和下部墩高的高跨比的協調，最經濟的跨徑是橋梁上、下結構總造價最低。

山區公路一般橋址處地形起伏較大，以殘坡積和基巖全風化為主的覆蓋表層厚度較薄，其下的基巖埋深較淺，主要為花崗巖、砂巖、灰巖等。橋臺的填土高度一般控制在8 m以內，橋臺選型要根據地基承載力情況，并結合橋臺處具體地形情況，常規考慮分別選用重力式U臺（配擴大基礎或樁基礎）、柱式橋臺（配樁基礎）、肋板式橋臺或承臺分離式橋臺（配樁基礎）3種結構形式。

在橋墩的類型選擇上，根據山區橋梁設計的經驗和要求，結合橋墩墩高（H）確定采用原則一般如下：

H＜40 m時，下部選用雙圓柱式橋墩，配樁基礎；

40 m≤H＜50 m時，下部選用等截面矩形實心薄壁墩，配樁基礎；

H≥50 m時，下部選用等截面空心薄壁墩，配樁基礎。

柱式橋墩是墩高在40 m內最經濟最實用的橋墩形式，它具有外形整潔美觀、與地形適應性強、施工工藝簡單、與樁基礎銜接好的優點。由于薄壁空心墩施工復雜，施工模板較多，施工工期長，為了施工方便、加快工期，一般墩高超過40 m但小于50 m時，可采用等截面的矩形實心薄壁墩。

3.4 抗震設計

山區往往是地震多發地帶，橋梁結構設計中必須進行一定的抗震設計[5]。對于山區公路中小跨度橋梁，其抗震性能的提升主要體現在細部構造設計方案。首先，支座必須選擇具有良好抗隔震性能的材料；其次，橋墩設計應選擇延性較好的結構，優化配筋設計并調整結構厚度，最后通過在梁和橋臺（梁）之間加設緩沖材料，進而減小結構的橫向位移。上述抗震措施的使用能有效提升結構的抗震性能，為公路橋梁的安全運營提供一定保障。

3.5 中小跨橋梁設計優化措施

上述提及的橋梁設計原則是指導山區橋梁設計的基本準則，然而不同地區的橋梁建設具有顯著的獨特性，設計中必須充分考慮當前的工程背景、施工條件等一系列問題，在滿足規范標準的基礎上，確保方案最優。由于國家或行業頒布的設計規范及標準具有普適性，無法真正與實際工程緊密結合，因此，在具體的橋梁設計中，設計人員應結合自身的專業能力以及工程背景對橋梁設計方案進行相應的調整改進。同時，應根據實際工程進行相應的改進或優化山區橋梁荷載標準，綜合考慮公路用途、行車荷載以及未來載重趨勢等一系列因素，進而使設計荷載標準更為合理、準確。此外，設計過程中必須考慮后續施工條件、措施、工期等一系列后續工作，僅從設計角度出發，未充分結合施工因素提出的橋梁設計方案無法真正落實到工程實踐中。因此，以設計和施工作為整體考慮，立足于中小跨橋梁工程建設、運營以及維護的全壽命周期，加強對施工過程的管理和監督，針對施工人員開展技術指導，進而真正使橋梁設計貫徹于工程實踐。

4 工程實例

4.1 工程概況

某山區高速公路穿越深溝谷地段，為保證道路貫通，在此處采用架設橋梁的設計方案，該區域交通較為便利，地質條件良好，但地面高差大，最大可達40 m，且該地區偶有地震作用，因此，橋梁設計中必須綜合考慮上述工程及環境因素。

4.2 橋梁選型

考慮到該區域跨越溝谷的特點，結合路線設計縱斷面，橋梁長度約300 m，因此，橋梁上部結構可采用小箱梁或T梁結構。基于二者的優缺點，綜合考慮各種因素的影響，最終確定T梁結構作為橋梁的上部結構，跨徑設計為8 m×40 m，高墩連續梁采用墩梁固結，橫橋向左、右幅分幅設置。根據地質鉆孔揭示，持力層為中風化花崗巖，覆蓋層較薄，地質條件好，樁基均按嵌巖樁設置，且樁長基本在20 m以內，綜合分析后確定橋墩采用圓柱墩接樁基礎，橋臺采用U形橋臺加擴大基礎。

4.3 橋梁抗震設計

在抗震措施方面，主要采用減隔振效果好的支座，同時，在梁與橋臺間添加緩沖材料減少橋臺結構位移對主梁結構的影響，此外，塑性交接部位對箍筋及鋼筋進行加密布設，從而盡可能地提高中小跨橋梁結構的抗震性能。

5 結語

在山區公路中小跨度橋梁設計方面，最需要的是因地制宜，結合設計者多年的工程經驗，并充分考慮各種制約因素進而綜合分析后，得出最佳的橋梁設計方案。本文通過分析中小跨橋梁的設計特點及存在問題，提出了相應的設計原則和改進措施。為最大限度地滿足施工要求，橋梁設計人員必須轉變理念，深入理解橋梁設計的核心問題，進而通過計算乃至多方位比選確定最合理方案，最終實現延長山區公路橋梁使用壽命，為公路橋梁建設貢獻自己的一份綿薄之力！