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第 1 页 谈山区高速公路桥梁设计 特征码 gTWwWFbkVGrrBQiRgswV 摘要结合山区高速公路特点，介绍山区桥梁设计中跨径 选择原则，墩、台、基础和结构体系宜采用的形式以及桥梁和 路基之间的关系。 主题词山区高速公路标准跨径横断面曲线半径桥墩桥台基 础路基 随着我国经济建设的发展，特别是西部大开发战略的实施， 我国在山区修建的高速公路越来越多，山区高速公路地形地质 复杂，构造物多，桥梁隧道总长占路线长度的比例大，有的山 区高速公路，桥隧比例高达 70%80%。所以要设计成功一条山 区高速公路，设计好其中的桥梁部分就显得十分重要。 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、 第 2 页 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 第 3 页 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 第 4 页 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 第 5 页 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(m2)混凝土 (m3/m2)纲绞线 第 6 页 (kg/m2)普通钢筋(kg/m2)数据 90cm20 空心板 122400.54712.8484.49(赣粤高速) 100cm20 小箱梁 122400.3809.08267.85(京珠北) 120cm20T 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， 第 7 页 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 （JTGD6220XX）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 0.6181 之间，通过经济比较， 第 8 页 往往又是经济的，也就是说 20m 跨径 T 梁适应的墩高一般为 1220m，30m 跨径适应的墩高一般为 1830m，40m 跨径适应 的墩高一般为 24m40m。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 第 9 页 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（h40m）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 第 10 页 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。 第 11 页 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 （JTGD6220XX）关于偏心受压柱条文说明 5.3.10 条指出， “当 l0/h30 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 0.52 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=1.21.43l，l 为墩柱高度，当 l=40m 且采用矩形截面时， h1.21.43×40/30=1.61.907m，h=50m 时 h22.383m，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 第 12 页 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 410m，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 第 13 页 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。 第 14 页 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。