浅谈山区高速公路桥梁设计
2010-12-01
1、山区高速公路的主要特点
山区高速公路的主要特点是地形地质复杂。地形复杂，表现为地面高差大，变化频繁，横坡陡；地质复杂表现为岩溶、滑坡、不稳定斜坡、崩塌、陡崖、煤气地层等不良地质。受此影响，路线布设时平纵横三个方面都受到约束，一般就是平曲线多，平面半径小，纵坡大，桥梁比例高，横坡陡，半边桥和高挡墙多。山区高速公路桥梁也相应具有上述特点，弯坡桥多，高墩大跨多，墩台形式多，设计中必须协调解决好桥梁各细部构造与地形地质之间的关系。
2、桥梁与路基的关系
2.1桥梁跨越方案与高填方路基方案的比较山区高速公路桥梁很多不受水文控制而只受地形控制，因不宜采用路基方案而设置为高架桥，路桥设置界限问题，一直是难以把握的关键问题，也是影响公路造价的问题。路基规范强调，“路基中心填方高度超过20m时，宜和桥梁做方案比选。”，项目实际运作中，往往由于工期紧，或认为桥梁跨越方案安全省事，就直接考虑桥梁方案。实际上，对于地质情况较好，虽然填方中心高度为30m，但收敛较快的v型峡谷，且桥隧相连地段，为消化隧道废方，考虑路基方案可能比桥梁方案更安全更经济，因为这样的地形架桥，场地局促，难度大，横纵坡陡，极易引发边坡不稳；而对于宽而平缓地段，虽然填方高度只是20m左右，但如果需跨标段借方，且运距远，填方基底还需花大量资金处理的路段，反而考虑桥梁方案可能更安全更经济。所以笔者认为，山区高速公路路桥界限，不能一概而论，对于填土高度超过20m的路段，应根据地形、地质、前后构造物、前后路段的废方量、工程造价等进行综合比选后决定是否设置桥梁。不能图快图省事，直接考虑桥梁方案。
2.2半边桥与挡墙的关系山区高速公路地形横坡陡峭，虽然可以通过设计为左右幅路基不一样高的错台路基来处理，但有时由于左右幅路基横向交通要求，需要设置转向车道，错台式路基方案不易实现，这时就不可避免地会出现半边桥。当最低一侧填土高度15m左右时，应综合地形、地质将加筋挡墙，锚杆挡墙、弃土方案与半边桥做综合比较后决定是否设置桥梁。
3、结构体系特性
为了保证行车舒适，结构耐久适用，山区高速公路标准跨径大中桥一般均采用先简支后结构连续或墩梁固结的连续一刚构混合体系。全刚构体系由于一座桥梁墩高相差较大，需通过调整桥墩的线刚度来改善桥墩受力，这样一来，桥墩尺寸种类就比较多，美观性降低，施工相对麻烦一些。全连续结构联长不能太长，舒适性差，墩台水平位移较大，墩柱尺寸需设计的相对大一些，材料较费。根据地形，将中间墩高较高，刚度相差不大的相邻几个桥墩固结起来，利用其柔性适应桥墩所受的水平力，较矮的边墩设置滑板支座或橡胶支座，形成连续梁。这样的刚构一连续体系，高墩、矮墩的受力性能都得到了改善，且适应地形特点。
山区高速公路桥梁多为弯、坡桥，曲线梁桥在弯扭耦合作用下，具有沿某一不动点变形的趋势，单向行驶的大纵坡长桥在长期反复的汽车制动力作用下，梁体具有沿汽车行驶方向滑移的趋势，如果采用全连续结构，即上下构之间为橡胶支座连接时，这种滑移趋势往往造成梁体受力不平衡，支座脱空甚至破坏，从而导致梁体开裂。因此山区高速公路桥梁宜采用先简支后结构连续或墩梁固结的连续一刚构混合体系，既适应平面线形，又适应桥梁受力特点。
4、桥梁上部构造设计
4.1一般设计原则山区高速公路，桥梁所占比重大，但一般来讲，大跨径桥梁方案毕竟是少数，绝大部分还是采用施工方便、造价经济的标准化、预制装配化结构。大跨径桥梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有较强的个性特征，而标准跨径桥则更多的是具有共性特征，所以本文重点探讨标准化、装配化桥梁的设计。
山区高速公路桥梁常用标准化、装配化跨径有16、20、25、30、40、50m，横断面形式有空心板、t梁、小箱梁等。对于跨径小于30m的，有空心板、小箱梁、t梁等三种结构可以选择，对于40、50m跨径，根据梁的受力特点，宜采用t梁。30m以下，同一种跨径，究竟应当采用哪一种横断面形式，通过表1，就可以作出选择。
一孔上部构造主要材料指标表表1梁高跨径横断面形式桥宽（cm）工作面积（㎡）混凝土（m3/㎡）纲绞线（kg/㎡）普通钢筋（kg/㎡）数据来源90c㎡0空心板122400.54712.8484.49（赣粤高速）
100c㎡0小箱梁122400.3809.08267.85（京珠北）
120c㎡0t梁122400.3698.11285.24（三福线）
从表1可以看出，小箱梁是介于空心板和t梁之间的一种横断面形式。20米跨径时，t梁较为经济。30m跨径以下，三种横断面比较，基本也是上述规律。当然，这是山区的情况，平原地区则另当别论。平原地区受净空和桥台填土高度的限制，桥梁上构要求尽可能降低建筑高度，这样可以减小纵坡，降低路基填土高度，减少占地及降低路基处理难度，对土源缺乏，软基较多的平原地区有显著的经济性。20m空心板建筑高度最低，与路基综合起来比较具有优势，平原地区路网发达，分离式立交较多，空心板在美观方面优于另外两种断面，所以平原地区较多采用空心板。山区高速公路桥梁一般净空无严格限制，另外，山区高速公路平面半径较小，超高缓和路段不可避免会出现在桥上，如果选用空心板和小箱梁，架梁时一片梁四个支点不易调平，易造成支座脱空，受力不均匀的情况，所以山区高速公路桥梁标准横断面宜优先采用t梁。对于50m跨径t梁，在小半径平曲线上，由于内外梁梁长差较大，跨中矢高较大，对路线的适应性要差一些。另外山区高速公路，交通运输、场地预制条件均较差，大型机具进入困难，50mt梁单片重150多吨，架设设备要求较高，运输及安装过程中变形不易控制，因此一般情况下不选用50m跨径t梁，所以山区高速公路桥梁，宜采用的常用标准跨径为20、25、30、40m.t梁之间的横向连接有铰结和刚接两种形式，采用铰联结时，铰只传递剪力，车辆荷载作用在铰缝处时，弯矩主要由现浇桥面来承受，这样一来，现浇桥面的厚度就必须加厚，否则，铰缝处桥面板易出现通长的纵向裂缝。现浇桥面板厚度增加，意味着恒载增加，t梁配筋和钢索必须增加，经济性下降，所以t梁横向连接采用刚接较好。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（jtgd62—2004）9.3.16条也有相应规定：“预制t形截面梁的横隔梁连接，宜采用现浇混凝土整体连接”，当然在斜交桥及异形桥中需要横向弱联结时，铰结也是很好的选择形式。
4.2具体桥梁设计具体到一座桥设计时，上部构造设计要处理好两个关系。
第一，处理好跨径与墩高的关系。跨径与墩高的关系按桥梁美学原则，一般应选择比值为0.618-1之间，通过经济比较，往往又是经济的，也就是说20m跨径t梁适应的墩高一般为12—20m，30m跨径适应的墩高一般为18-30m，40m跨径适应的墩高一般为24m-40m。山区高速公路地形起伏变化频繁，通常应根据地形选择一种跨径，不宜根据墩高频繁变化跨径，墩柱高度变化很大时，可以采用20m与30m或者30m与40m的组合跨径。当一座桥梁，有几种跨径方案可选择时，应结合上下构做造价分析比较再做选择。
第二，处理好上部构造（板或梁）与平面曲线半径的关系。桥位处平面曲线半径对桥梁跨径的选择及平面布置影响较大，主要表现为两个方面，第一是内外弧差，第二是中矢高。墩台径向布置时，由于曲率半径的影响，内外梁梁长不等，半径越小，内外梁梁长差越大。解决此问题一般两种途径，一种是根据平面半径变化梁长，另一种是不变梁长通过加大帽梁，加大封锚端或加长现浇连续段处理。第一种方法变化梁长，设计简单，帽梁尺寸较小、规格统一，但一个标段，如果有几座桥处于不同的曲线半径上时，预制梁长度种类就较多，频繁调整模板虽不算很难，但每片梁都需要编号，堆放预制梁需要很大场地，这对“地无百米平”的山区确实是难以解决的问题，因此一般不采用变梁长方案。采用等梁长方案时，如果半径较大，内外梁梁长差不大，可以采用内弧长等于标准跨径布置，如果半径较小，可以采用半幅桥中线弧长等于标准跨径布置，这样连续段长度一端比标准长度增加，一端减小。内外弧差的问题解决后，还有中矢高的问题，一般中矢高10cm以内，可以通过调整护墙内缘使之适应平面线形；半径较小，中矢高大于10cm时，由于护墙一般为50cm宽，护墙调整太大外观不美，护墙功能亦削减。此时亦有两种解决办法，一种是预制梁外缘按实际曲线预制，另一种是预制t梁边梁时，将边梁多预制一段长度，让现浇桥面板和护墙来适应平面线形。边梁按实际曲线预制时，边梁翼缘板由于两侧不等宽，刚度不等，施加预应力时可能出现侧向翘曲，且不同半径外边梁形状不一样，种类多施工较麻烦。第二种办法虽然材料稍有浪费，美观性稍差，仍优于前一种。
5、桥梁下部构造设计
5.1桥墩高度较矮的桥墩（h＜40m）多采用柱式墩，y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圆柱和方柱。圆柱施工中外观质量易控制，且与桩基衔接方便，平原地区用的较多。但从美观上来说，方柱有棱有角，与上构梁体协调，有一定的视线诱导性，较美观。从受力上看，截面积相等的方柱和圆柱，方柱抗弯刚度大于圆柱，受力优于圆柱，当体系为连续刚构时，方柱可以方便地通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。圆柱为各向同性，调整起来效果差一些。方柱的缺点是墩柱与桩基之间需通过桩帽连接，增加了工程数量，并且山区桥梁地面横坡都较陡，增加柱帽构造还会增加挖方工程量，引起边坡不稳，设计中应根据地形、上构结构形式、墩高综合考虑选用方柱或是圆柱。
y型墩薄壁是独柱双支座的一种墩型，美观性较好，但施工稍显复杂。墩高较矮时，其施工既复杂又不美观所以少采用。当墩高较高时y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一个支架，对于地面横坡较陡，搭支架困难，模板需求量大的山区桥梁，y型薄壁墩具有显著的优势。从预算定额中也可以看出，同高度的柱式墩与y型薄壁墩相比，y型薄壁墩的基价低。另外采用双柱墩时，由于地面横坡较陡，两个墩柱高度经常相差较大，由于线刚度ei/l差距大，导致一个墩两个墩柱受力差异较大，采用y型薄壁墩，只一个墩柱，就避免了上述缺陷。也有人认为，上部的y型承托节约材料并不多，却施工麻烦，宜设计为实体，权衡施工进度和质量、安全和节省材料及美观之间的关系，也未尝不可。不管外形如何，墩高较高时，采用独柱双支座外部形状y型的薄壁墩较为适宜。
5.2高墩一般矮桥墩的设计由强度控制，但当墩高较高时，就必须得考虑桥墩的稳定问题。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（jtgd62—2004）关于偏心受压柱条文说明5.3.10条指出，“当l0/h＞30时，构件已由材料破坏变为失稳破坏。”l0为受压柱的有效长度，在0.5～2倍墩高之间变化，究竟取值多少，与施工状态、上构重量、上构和墩柱的连接方式即墩柱的支承刚度有关。大量的计算实验表明对于先简支后刚构（墩顶与上构为钢板焊接）和先简支后连续（墩顶与上构为橡胶支座连接）的多跨t梁桥来说，墩柱的有效长度l0=1.2～1.43l，l为墩柱高度，当l=40m且采用矩形截面时，h≥1.2~1.43×40/30=1.6～1.907m，h=50m时h≥2～2.383m，当墩厚大于2m时，实心矩形截面经济性降低，所以可以得出一个结论：墩柱为材料破坏时，采用实心矩形截面，其高度不宜超过50m.当墩高大于50m时，宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩，墩高超过65m左右时顺桥向应考虑放坡，因为采用等宽尺寸时施工虽然方便，但为了保证桥墩的稳定，墩柱和帽梁必将尺寸加大很多，这样材料会浪费较大。
5.3桥墩与路幅的关系山区高速公路有整体式路基，也有分离式路基。目前路线选线越来越强调减少占地，环保、与景观协调的理念，除了中长隧道等设置分离式路基外，越来越多的采用整体式路基。整体式路基的双幅桥，一般情况下下构按分幅单独设计，即双幅四柱。对于高墩长桥，为了减少开挖，增强边坡稳定性，节约材料，降低造价，整体式下构即双幅两柱不失为一种较好的选择。与双幅四柱相比，在桥墩截面积及横向宽度相当的情况下，整体式下构横向和纵向刚度是分幅设置的两倍以上，除了可以减少开挖，节约材料、施工面少外，还能减少墩顶变位。当然整体式下构帽梁跨度较大，还须考虑车辆双向行驶时扭矩影响，帽梁需设置的强大一些。一座桥究竟是采用整体式下构还是分幅下构，需结合桥位处地形、地质、水文、墩高等多方面因素综合考虑。
5.4桥台山区高速公路桥梁桥台一般采用重力式u型台、肋板台、桩柱式台。其中以重力式u台最常用，根据《墩台与基础》规定，u台适应的填土范围为4-10m，所以u台的高度最好以10m控制。山区桥梁u台一个显著特征就是横向，纵向横坡陡，为了适应地形，减小开挖，节约圬工方量，u台设计时必须根据地形合理分台阶。桩柱式桥台由于抗推刚度小，当联长较长，台后填土高度较高时不宜使用，一般台后填土高度宜控制在5m以下，联长宜控制在150米以内。埋置式肋板台适应范围广一些，但也不宜太高，不宜超过12m。山区高速公路桥梁纵向地形陡峭，往往不能设置锥坡，这时采用桩柱式或肋板台会受到较大限制。当地质情况较差时，常常会出现u台下设置桩基的情况。
5.5基础山区高速公路桥梁最常用的基础仍为为扩大基础与桩基础。山区一般地质情况较好，采用扩大基础的情况相对较多，且宜采用分离式扩基础。因为分离式扩基础适应地形横坡，承载力亦能满足要求。斜坡上的扩大基础与桩基础必须考虑基础扩散角和覆盖层厚度以及施工时的相互影响。桩基础多为嵌岩桩和柱桩，地质情况较差地段采用摩擦桩。桩基础不管受力形式如何，施工方法上多是挖孔桩和钻孔桩。挖孔桩造价较节省，但设计中能否采用挖孔桩，应结合地质情况具体分析，当桩长较长；遇到流沙、软弱夹层多，卵石、漂石等容易造成塌孔的地质情况；地下水位较高、地层含有煤气、瓦斯等有害气体时不宜设计为挖孔桩。
6、结束语
山区高速公路桥梁设计有很多区别于平原桥梁的地方，也更有很多方面需要探讨，本文只是抛砖引玉，结合设计中遇到的实际问题，提出一些解决方法，不正确之处，敬请同行批评指正。
