山區公路中小跨橋梁設計關鍵問題研究

收稿日期：2023-10-24

作者簡介：郝旭飛（1991—），男，本科，工程師，從事道路設計工作。

摘要 為了提高山區公路橋梁設計水平，文章首先總結了中小跨徑橋梁的設計原則和設計目標，隨后從上部結構（跨徑選擇、梁體選擇、跨徑和梁高組合等）、下部結構（橋墩臺選型、樁基礎優化等）兩方面闡述了中小跨徑橋梁的設計要點，研究成果能為橋梁工程設計提供理論指導。

關鍵詞 山區公路；中小跨徑；上部結構；樁基礎；橋面鋪裝

中圖分類號 U442.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0098-03

0 引言

中小跨徑橋梁跨徑一般不超過40 m，在山區公路中的應用較廣泛，其設計質量取決于上部結構、下部結構、橋面鋪裝層等。如果相關設計參數不合理，可能導致橋梁在建設或運營期間出現坍塌。目前，設計人員在開展中小跨徑橋梁設計時，大多是在標準跨徑圖的基礎上進行修改，對橋梁的整體設計思路理解不透徹，導致設計方案適用性差或經濟性差[1]。因此，進一步研究山區公路中小跨橋梁設計關鍵問題意義重大。

1 山區公路中小跨徑橋梁設計理論

在山區公路項目中，只有個別橋梁屬于大橋或特大橋，大部分橋梁都使用標準化程度高、造價低、施工速度快的中小跨徑橋梁。

1.1 橋梁設計原則

山區公路中小跨徑橋梁設計應結合路線線形、地形地貌、工程地質、水文地質等條件，并堅持以下原則[2]：一是安全性。安全是橋梁結構設計首先要考慮的因素，設計時要準確計算結構受力，確保橋梁在運營期間的承載力滿足行車要求。二是耐久性。橋梁結構所處外界環境復雜，在運營期間可能存在混凝土碳化、鋼筋銹蝕、氯離子侵蝕等問題，導致橋梁失效。設計結果必須充分考慮可能影響橋梁結構耐久性的各種外在因素。三是經濟性。橋梁的上部結構、下部結構、鋪裝層等在設計時，要對多種方案進行綜合對比，要在滿足規范要求前提下，盡可能地控制工程造價。四是環保性。橋梁設計時要與周邊環境相適應，減少土石方開挖，減小對周邊環境的破壞，實現工程與環境協調發展。

1.2 橋梁設計目標

山區公路中小跨徑橋梁的設計目標就是以最低的工程造價，使橋梁結構能承受各種荷載，充分發揮使用性能。為了實現這一目標，設計人員要充分理解荷載組合和結構抗力的關系，選擇合理的上部結構、下部結構、鋪裝層等，準確計算其應力、變形等，并考慮一定的安全富余。需注意，安全富余系數取值要適當，不宜過大或過小。

2 山區公路中小跨徑橋梁上部結構設計

2.1 上部結構選型

2.1.1 跨徑選擇

山區中小跨徑橋梁的跨徑一般不會超過40 m，也不會小于10 m，可結合橋墩高度來選擇，具體可見表1[3]。

2.1.2 上部結構形式

山區公路中小跨徑橋梁有板橋和梁橋兩大類。當橋梁跨徑在5～20 m時，板橋是常用的橋型，空心板和實心板均可作為橋面板。板橋的構造簡單，施工技術成熟，上部結構建筑高度小，能夠縮短引道長度。對于有通航要求的橋梁，板橋適用性更好。同時，混凝土梁橋的造型較美觀，受力條件好，且能適應各種不同的地形環境。但混凝土材料抗拉強度低，結構在車輛荷載作用下容易開裂。為了控制橋梁結構裂縫、提高梁橋的跨越能力，需采用預應力技術。當橋梁跨徑在20～35 m，預應力混凝土小箱梁應用較多。當跨徑在35～50 m，多采用預應力混凝土T梁。

以跨徑20 m的山區公路橋梁為例，對其不同的上部結構從多方面進行對比，見表2[4]。

2.2 跨徑與梁高的組合設計

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）要求，山區公路橋梁的梁高和跨徑要協調，以改善結構承載性能，提高梁體的美觀性。以簡支T梁橋為例，該文統計了其常用的跨徑和梁高，并擬合了兩者之間的函數關系，擬合相關系數為0.998，滿足工程建設需求，如圖1所示。

隨著橋梁跨徑增大，其所需的梁高也增加，且兩者之間基本滿足線性正相關關系，擬合函數為y=0.56x+0.08（y為梁高，x為跨徑）。出現上述現象的原因在于：一方面，跨徑增大后，梁體受力增加，需要更大的梁高來保證橋梁安全；另一方面，為了改善橋梁的整體美觀性。大量工程實踐表明，T梁高跨比在1/8～1/10時，其安全性和美觀性達到最佳狀態。

2.3 不同跨徑含鋼量計算

結合相關研究成果，山區公路中小跨徑橋梁的含鋼量ε與其構件尺寸、配筋率、荷載等參數密切相關，可用來評價橋梁設計的合理性和經濟性。一般情況下，橋梁跨徑越大，結構中的含鋼量越大，具體可按式（1）計算[5]：

（1）

式中，Gs——橋梁構件鋼筋用量（kg）；V——橋梁構件混凝土體積（m3）。

3 山區公路中小跨徑橋梁下部結構設計

3.1 橋墩橋臺設計

3.1.1 橋墩選型

由于山區地形復雜，地勢起伏大，設計人員在選擇橋墩截面形式時要考慮墩高。

墩高：中小跨徑橋梁墩高設計要注意高跨比，使橋梁的上、下部結構造價最小。相關研究表明，當橋梁高跨比小于1或接近1時，工程費用較為經濟。因此，山區公路橋梁跨徑取20 m、30 m、40 m時，對應的橋墩高度范圍為10～20 m、20～30 m、30～40 m。

橋墩截面：山區公路中小跨徑橋梁常用的橋墩截面形式有圓形、矩形、十字形、空心薄壁等。當墩高＜40 m時，圓柱式橋墩應用最多，能很好地適應橫橋向地形變化，且與樁基礎能很好地銜接。假設橋梁采用雙柱墩，墩與墩之間的距離L可按式（2）計算。如果L＞8.5 m，應采用三柱墩。

（2）

式中，B——橋梁寬度（m）；α——橋梁傾斜角度（°）；k——墩柱間距系數，與上部結構形式有關，板橋可取0.55～0.65，T梁橋0.53～0.57，小箱梁橋0.50～0.55。

3.1.2 橋臺選型

公路橋梁常用的橋臺形式有重力式U形橋臺、肋板臺、柱式臺等，其中重力式U形橋臺多用于傾角較大的斜坡，高度不宜超過8 m；當橋臺所處區域地勢平坦，可采用肋板式或柱式橋臺，高度宜分別控制在8 m、5 m。在實際項目中，要盡可能地選擇無填土高度或挖方的橋臺，避免設置橋臺后造成大面積山體開挖，不利于臺前錐坡的穩定性。

3.1.3 墩臺受力計算

橋墩豎向受力計算簡單，關鍵是水平力計算。橋墩水平力包括汽車制動力、混凝土收縮或徐變產生的水平力等，可用集成剛度法計算，即先把多種水平力在全聯墩臺上分配，再計算橋墩彎矩、截面內力等。橋臺與橋墩受力相似，主要區別在于橋臺受力還包括土壓力、搭板自重等。

3.2 基礎設計

3.2.1 樁基礎選型

山區公路中小跨徑橋梁應用最廣的基礎為樁基礎，按承載機理不同，樁基礎可劃分端承型（端承樁、端承摩擦樁）和摩擦型（摩擦樁、摩擦端承樁）兩類。對于端承型樁基礎，豎向荷載是通過樁體傳遞至樁端性能良好的持力層，其工作形狀與單樁接近，可忽略“群樁效應”。此時，群樁承載力約等于單樁豎向承載力乘以樁基數量。而摩擦型樁基礎的樁側阻力會向樁周巖土體擴散，使荷載傳遞機理更加復雜，必須考慮“群樁效應”。由《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363—2019）可知，摩擦型群樁的承載力Pu可用式（3）計算：

（3）

式中，η——群樁效應系數，可取當地經驗值；n——樁基礎根數；Qu——單樁豎向承載力極限值（kN）。

3.2.2 樁基礎尺寸優化實例

研究對象為某公路連續箱梁橋，其設計速度為80 km/h，設計荷載為公路-I級，設計使用年限100年，橋梁跨徑為1×20 m，共三跨，跨徑組合為60 m+120 m+60 m。上部結構為等截面小箱梁，單箱雙室下部結構為柱式墩，橋臺為肋板臺，基礎為鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5 m。由勘察報告可知，橋梁所在區域的地基土以粉質黏土（厚1 m）、強風化粉砂巖（厚7 m）、中風化砂巖（未完全揭露）。因此，樁基礎宜采用端承摩擦型，以中風化砂巖為持力層，樁端插入持力層深度不小于1 m。

為了提高計算效率，該文利用有限元軟件建立計算模型，其中樁基礎采用樁單元模擬，樁周巖土體采用實體單元模擬，屈服準則分別選用線彈性模型、Mohr-Coulomb模型。為了使計算結果與實際更相符，對模型底部約束X、Y、Z方向位移，側面僅約束X方向位移，頂面為自由邊界不約束。

在其他參數不變的條件下，利用有限元軟件計算了樁長為9 m、10 m、11 m、12 m、13 m時，樁基的極限承載力，如圖2所示。

圖2計算結果表明：隨著樁長的增加，樁基的極限承載力也增大。以樁長9 m所對應的承載力為基準

（65 250 kN），當樁長從9 m增加至13 m，樁基承載力分別增加了6 930 kN、12 410 kN、13 750 kN、148 00 kN，

增加幅度分別為10.6%、19.1%、21.1%、22.7%。當樁長

＜11 m，樁基承載力增加迅速，反之，樁基承載力變化不明顯。在實際項目中，不宜為了提高樁基承載力而盲目增加樁基長度。對于此橋梁，建議樁基長度不超過11 m。

同理，利用有限元軟件計算了樁基礎的樁徑分別為0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m時的承載力，計算結果見圖3。

由圖3可知：樁基礎的直徑越大，樁基承載力越大，且變化速率比較均勻。當樁徑從0.8 m增加至1.8 m，樁基承載力增加了25 600 kN，即樁徑每增加0.1 m，樁基承載力平均增加2 560 kN。但是，樁徑對樁基礎混凝土影響較大，從而影響工程造價。因此，在橋梁受力或變形滿足現行設計規范的前提下，樁基礎直徑要盡量選小值。

4 結語

該文總結了山區公路中小跨徑橋梁的設計原則、設計目標，從上部結構、下部結構兩方面分析了設計要點，得到了以下幾個結論：

（1）山區公路中小跨徑橋梁設計應堅持“安全性、耐久性、經濟性、環保性”的原則，使橋梁結構充分發揮使用性能。

（2）中小跨徑橋梁上部結構形式有板式、T梁、小箱梁等，應合理組合跨徑、梁高，選擇承載性和美觀性強的高跨比。

（3）中小跨徑橋梁的橋墩截面形式有圓形、矩形、十字形、空心薄壁等，橋臺有重力式U形橋臺、肋板臺、柱式臺等。

參考文獻

[1]邵國杰. 山區公路中小跨橋梁設計關鍵問題研究[J]. 交通世界， 2023（27）： 161-163.

[2]胡斌. 橋梁樁基礎豎向承載力特性研究[J]. 遼寧省交通高等專科學校學報， 2023（1）： 1-5.

[3]蘇文瑞. 山區中小跨徑橋梁設計要點研究[J]. 黑龍江交通科技， 2022（8）： 112-114.

[4]金濤. 密肋式T梁在城市中小跨徑橋梁設計中的應用[J]. 山西建筑， 2021（11）： 116-118.

[5]宋彥平， 王廣志， 宋希光. 基于增加樁長的樁基礎沉降控制技術研究[J]. 交通節能與環保， 2019（4）： 98-100.