山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)及優(yōu)化措施分析

摘""要：在山區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者要貫徹因地制宜的原則，考慮山區(qū)高速公路橋梁的耐久性要求，選擇科學(xué)合適的設(shè)計(jì)方案，保障施工質(zhì)量。通過(guò)從橋型選擇、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、排水設(shè)計(jì)等方面，系統(tǒng)性分析了橋梁結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)方法，并提出山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化措施，包括減隔震設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)、特殊路段設(shè)計(jì)。旨在不斷健全山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)體系，發(fā)揮工程設(shè)計(jì)方案的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：山區(qū)""高速公路""橋梁設(shè)計(jì)""優(yōu)化措施""橋型選擇

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.5

Key"Points"and"Optimization"Measures"for"Bridge"Design"of"Mountainous"Highways

XU"Yunfei

Huaxin"Design"Group"Co.，"Ltd.，"Wuxi，"Jiangsu"Province，"214072"China

Abstract：In"the"design"process"of"mountainous"highway"bridges，"designers"should"implement"the"principle"of"adapting"to"local"conditions，"consider"the"durability"requirements"of"mountainous"highway"bridges，"select"scientifically"suitable"design"schemes，"and"ensure"construction"quality."By"systematically"analyzing"the"design"methods"of"bridge"structural"systems"from"the"aspects"of"bridge"type"selection，"upper"structure"design，"lower"structure"design，"foundation"design，"drainage"design，"etc."Optimization"measures"for"bridge"design"schemes"of"mountainous"highways"are"proposed，"including"seismic"isolation"design，"wind"resistance"design，"and"special"section"design."It"aims"to"continuously"improve"the"bridge"design"system"of"mountainous"highways"and"give"full"play"to"the"guiding"role"of"engineering"design"schemes.

Key"Words："Mountainous"areas;"Expressway;"Bridge"design;"Optimization"measures;"Bridge"type"selection

山區(qū)高速公路橋梁存在水文地質(zhì)條件復(fù)雜、平曲線較多、結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜的主要問(wèn)題，對(duì)設(shè)計(jì)成果質(zhì)量提出嚴(yán)格要求，常規(guī)設(shè)計(jì)體系缺乏適用性，橋梁結(jié)構(gòu)使用性能與交通行車(chē)安全充滿(mǎn)不確定性。結(jié)合山區(qū)特殊環(huán)境條件，要進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，整合相應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將耐久性和安全性設(shè)計(jì)原則融合到不同的設(shè)計(jì)階段，使設(shè)計(jì)方案更加科學(xué)可靠，為后續(xù)山區(qū)高速公路橋梁的建設(shè)、人民群眾出行安全系數(shù)的提高提供重要指導(dǎo)。

1""山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1""橋型選擇

橋型選擇環(huán)節(jié)，提前收集巖土勘察報(bào)告，將其作為橋梁類(lèi)型選擇的重要依據(jù)，根據(jù)工程場(chǎng)地水文地質(zhì)條件、地形地貌特征選擇最佳橋型。例如：對(duì)于地處高地震烈度的山區(qū)高速公路中小跨徑橋梁，可選擇預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁3種橋型。其中，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板梁選擇板墩固結(jié)連續(xù)剛構(gòu)方式，使用薄壁實(shí)心板墩當(dāng)作下部結(jié)構(gòu)，于橋臺(tái)位置留設(shè)伸縮縫。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采取單箱單室截面型式，連續(xù)布置箱梁，并于橋臺(tái)部位留設(shè)伸縮縫。而預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁同樣采取連續(xù)梁體系與一聯(lián)連續(xù)設(shè)計(jì)方式，并于橋臺(tái)位置留設(shè)伸縮縫"[1]。相比之下，預(yù)應(yīng)力連續(xù)板梁采取連續(xù)剛構(gòu)體系，有著自重輕、施工難易程度適中、抗震性能好、造價(jià)低廉、養(yǎng)護(hù)成本低廉的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)技術(shù)水平要求嚴(yán)格。預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁采取連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，有著橋梁自重大、現(xiàn)場(chǎng)施工難度系數(shù)高、抗震性能差、造價(jià)高與支座數(shù)量多的特點(diǎn)。預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁采取連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，有著橋梁結(jié)構(gòu)重量相對(duì)較小、易于施工、抗震性能差、支座數(shù)量多與造價(jià)成本高昂的局限性，但設(shè)計(jì)技術(shù)水平要求寬泛。通常情況下，優(yōu)先采取預(yù)應(yīng)力連續(xù)板梁類(lèi)型，這類(lèi)形式具有良好的抗震和抗風(fēng)優(yōu)勢(shì)，在山區(qū)地區(qū)應(yīng)用廣泛。

1.2""上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在山區(qū)高速公路橋梁工程，橋梁以常見(jiàn)跨徑為主，中型與小型橋梁跨徑在6～16"m不等，大型橋梁跨徑在16～50"m不等，結(jié)構(gòu)形式包括空心板、預(yù)制小箱梁、預(yù)制T梁等。正常情況下，橋梁跨徑不足20"m時(shí)，推薦選擇預(yù)制矮T梁作為結(jié)構(gòu)形式，空心板橋梁容易出現(xiàn)各類(lèi)質(zhì)量病害，如單塊板過(guò)度受力而在板底部位形成裂縫。橋梁跨徑處于25～35"m區(qū)間時(shí)，推薦選取小箱梁的結(jié)構(gòu)形式，有著易于施工、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。橋梁跨徑為40"m和50"m時(shí)，則選用T梁截面，用于改善橋梁受力特性。部分山區(qū)高速公路橋梁的橋墩高度在70"m以?xún)?nèi)，可以選擇預(yù)制T梁和小箱梁兩種形式。其中，T梁是常用的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)特點(diǎn)是上部結(jié)構(gòu)高度較高；小箱梁有著剛性與扭轉(zhuǎn)性能好的特點(diǎn)，如果橋梁寬度大于30"m，推薦采取T梁，以此改善現(xiàn)場(chǎng)施工條件，解決構(gòu)件不易運(yùn)輸?shù)跹b的施工難題[2]。

1.3""下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，重點(diǎn)掌握橋墩、橋臺(tái)兩部分的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于橋墩部分，多數(shù)橋梁工程的橋墩高度不超過(guò)40"m主要采取柱式墩和薄壁墩，柱式墩細(xì)分為圓柱、方柱兩種類(lèi)型，前者有著質(zhì)量可控性強(qiáng)、樁基連接效果好的優(yōu)點(diǎn)，有著棱角分明、抗彎剛度大與調(diào)整墩柱受力狀況的優(yōu)點(diǎn)。如果橋墩高度大于40"m，重點(diǎn)分析橋墩穩(wěn)定性，以偏心受壓柱為例，橋墩構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比控制在30以?xún)?nèi)，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比和剛度呈反比關(guān)系。正常情況下，采取圓柱墩的墩柱形式，墩高超過(guò)15"m時(shí)必須設(shè)置間距為12～15"m的柱間系梁，墩高不足7"m時(shí)選擇性設(shè)置柱間系梁。對(duì)于橋臺(tái)部分，主要分為重力式U型臺(tái)、樁柱式橋臺(tái)、肋式臺(tái)等形式，合理設(shè)定臺(tái)后填土范圍等設(shè)計(jì)參數(shù)。例如：重力式U型橋臺(tái)適用于地質(zhì)條件穩(wěn)定的橋梁工程，把填土高度控制在8"m以?xún)?nèi)，填土范圍控制為4～10"m，橋臺(tái)高度盡量保持在10"m以?xún)?nèi)，合理分配臺(tái)階。樁柱式橋臺(tái)適用于跨徑較小的橋梁工程，有著抗推剛度小的特征，要求橋頭填土高度不超過(guò)5.0"m，聯(lián)長(zhǎng)控制在150"m以?xún)?nèi)。

1.4""基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1.4.1""基礎(chǔ)擴(kuò)大

根據(jù)表層地質(zhì)天然地基的承載能力，選擇性擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸，基礎(chǔ)尺寸越大，承載能力越強(qiáng)，擴(kuò)大后的基底應(yīng)力還應(yīng)預(yù)留一定程度的安全冗余，負(fù)責(zé)應(yīng)對(duì)橋梁改擴(kuò)建、上部交通荷載增加等問(wèn)題，要求基底應(yīng)力富余量保持在5%～10%區(qū)間。還應(yīng)重點(diǎn)考慮墩臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)埋深問(wèn)題，既要滿(mǎn)足非巖石河床墩臺(tái)基底部埋深安全值，也要滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)分布特殊地基時(shí)的基底埋置深度要求。例如：橋梁墩臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)地處縱橫橋向地形陡峭區(qū)域時(shí)，必須滿(mǎn)足H≥3dtanβ公式要求，H是擴(kuò)大基礎(chǔ)埋設(shè)深度，d是擴(kuò)大基礎(chǔ)直徑或是寬度，β是坡度[3]。

1.4.2""樁基類(lèi)型選擇

樁基類(lèi)型包括摩擦樁、端承樁等，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件進(jìn)行選擇。例如：山區(qū)高速公路橋梁基礎(chǔ)覆蓋土層厚度較大，或是基巖深度較大的情況下，推薦采取摩擦樁，綜合分析樁端截面面積、樁側(cè)摩阻力、樁身長(zhǎng)度等信息，確定單樁軸向受壓承載力特征值。還應(yīng)額外分析濕陷性黃土、地下水位變動(dòng)所引起的負(fù)摩阻力問(wèn)題，確定樁基失效覆蓋層厚度。

1.5""排水設(shè)計(jì)

為長(zhǎng)期保持橋面干燥狀態(tài)，避免因橋面匯聚積水而導(dǎo)致過(guò)往車(chē)輛失控打滑、形成交通安全隱患，須在橋梁設(shè)計(jì)方案內(nèi)采取專(zhuān)項(xiàng)排水措施。一方面，橋梁沿途布設(shè)多處排水孔，橋面積水經(jīng)由排水孔向外排除，如圖1所示，可以加密布置排水管來(lái)增強(qiáng)橋面排水效果，如果橋梁處于凹曲線，則在曲線低凹點(diǎn)設(shè)置排水孔，利用重力作用來(lái)加快排水速度。另一方面，部分山區(qū)高速公路橋梁需要穿越敏感水源保護(hù)區(qū)域，必須采取橋面集中排水方式，把橋面積水引導(dǎo)排放到周邊邊溝，禁止直接向外排放而造成污染問(wèn)題，如圖2所示。

2""山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化措施

2.1""減隔震設(shè)計(jì)

部分山區(qū)高速公路橋梁工程位于高地震烈度區(qū)域，常出現(xiàn)地震災(zāi)害，在地震能量沖擊下，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的位移變形現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致橋梁斷裂坍塌。因此，設(shè)計(jì)人員必須重點(diǎn)增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，采取到減隔震技術(shù)，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)額外部署減隔震裝置，負(fù)責(zé)分離結(jié)構(gòu)、地面運(yùn)動(dòng)，抵消一部分地震能量，起到降低地震力、限制結(jié)構(gòu)位移、分散水平地震力的作用。設(shè)計(jì)人員必須遵循E1地震作用下橋墩保持彈性狀態(tài)、殘余位移不危及橋梁使用功能，E2地震作用下橋墩有限損傷的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。推薦使用鉛芯隔震橡膠支座作為減隔震裝置，支座承載力保持在1"000～15"500"kN水準(zhǔn)，根據(jù)橋梁抗震要求來(lái)選擇支座規(guī)格，要求支座豎向承載力保持在3倍橋梁恒載于活載總和以上[4]。此外，也可選擇調(diào)整高速公路線形方案，在滿(mǎn)足交通行車(chē)需求與保證工程量、造價(jià)成本不超限的前提下，優(yōu)先把橋梁部署在抗震有利地段，多為堅(jiān)硬土、開(kāi)闊平坦、密實(shí)均勻的中硬土地段，盡量避開(kāi)孤突山梁、高差較大臺(tái)地邊緣等不利地段，必須避開(kāi)發(fā)震斷層等危險(xiǎn)地段。

2.2""抗風(fēng)設(shè)計(jì)

目前，部分山區(qū)高速公路橋梁工程穿越橫斷山脈和深大峽谷，橫斷山脈嶺谷高差在1"000～3"000"m不等，普遍為典型的V字型與U字型峽谷，面臨橋址區(qū)風(fēng)速過(guò)高、風(fēng)力過(guò)強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)難題，對(duì)橋梁體系抗風(fēng)性能提出嚴(yán)格要求。對(duì)此，設(shè)計(jì)人員需要提前收集工程資料信息，模擬風(fēng)洞試驗(yàn)，確定橋址區(qū)風(fēng)特性，包括風(fēng)速輸出狀況、風(fēng)荷載空間分布均勻程度、主導(dǎo)風(fēng)向、脈動(dòng)風(fēng)特性等，將其作為抗風(fēng)設(shè)計(jì)依據(jù)。結(jié)合實(shí)際情況，采取恰當(dāng)抗風(fēng)措施，包括結(jié)構(gòu)制振、空氣動(dòng)力制振、機(jī)械構(gòu)造制振，最大限度減輕橋梁結(jié)構(gòu)體系顫振幅度。以基于橋梁結(jié)構(gòu)的制振措施為例，把增強(qiáng)橋梁扭轉(zhuǎn)剛度、控制發(fā)散振動(dòng)極限風(fēng)速為設(shè)計(jì)思路，加勁桁架上設(shè)置無(wú)鋼筋網(wǎng)絡(luò)相互連接的橋面結(jié)構(gòu)，按照上下橫梁形式形成準(zhǔn)閉合斷面，懸索橋主梁和主纜間增設(shè)中央扣，或在纜索支撐橋梁體系上部署輔助裝置。

2.3""特殊路段設(shè)計(jì)

山區(qū)高速公路橋梁往往存在諸多特殊路段，包括跨越泥石流溝路段、隧道間路段、高陡斜坡路段，常規(guī)路段設(shè)計(jì)方案缺乏適用性，必須結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況，著手制定專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)方案。例如：對(duì)于跨越泥石流溝路段的橋梁體系，按照河道現(xiàn)狀情況來(lái)擬定橋梁孔跨布設(shè)方案，合理把控橋梁跨徑，采取一孔跨越方式，重點(diǎn)對(duì)泥石流溝進(jìn)行渠化改造，在中間位置增設(shè)橋墩，合理控制橋墩的尺寸，并采取鋼護(hù)筒來(lái)提高橋墩的抗沖擊力。在跨越二級(jí)支溝時(shí)，由于這部分泥石流活躍度較高，需設(shè)置攔擋壩，降低泥石流對(duì)墩柱的沖擊力度[5]。

3""結(jié)語(yǔ)

綜上所述，山區(qū)高速公路橋梁作為交通運(yùn)輸體系的重要組成部分，設(shè)計(jì)方案直接決定工程建設(shè)質(zhì)量與投運(yùn)使用效益。設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)考慮橋梁設(shè)計(jì)問(wèn)題，全面掌握橋型選擇、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與排水體系的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，嚴(yán)格落實(shí)減隔震設(shè)計(jì)、抗風(fēng)設(shè)計(jì)、特殊路段設(shè)計(jì)三項(xiàng)優(yōu)化措施，促進(jìn)交通行業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。

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