山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)與質(zhì)量控制的研究

李寶銀 于向前 史淑蘭

（陜西飛虹橋梁勘測設(shè)計(jì)研究有限公司，陜西 西安710054）

1 陜西地形特征

陜西地勢的總特點(diǎn)是南北高，中部低。同時，地勢由西向東傾斜。北山和秦嶺把陜西分為三大自然區(qū)域：北部是陜北高原，中部是關(guān)中平原，南部是秦巴山地。陜北黃土高原海拔800～1300米，約占全省總面積45%。其北部為風(fēng)沙區(qū)，南部是陵溝壑區(qū)。關(guān)中平原西起寶雞，東至潼關(guān)，平均海拔520米。陜南秦巴山地包括秦嶺、巴山和漢江谷地，約占全省土地總面積的36%。秦嶺在省境內(nèi)東西長400～500公里，南北寬約300公里，海拔1500～2000米。

2 橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 一般設(shè)計(jì)原則

山區(qū)高速公路橋梁常用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化設(shè)計(jì)，其跨徑有16m，20m，25m，30m，35m，40m，50m，橫斷面形式有空心板、T梁、小箱梁等。對于跨徑小于35m的，盡可能使用小箱梁。與空心板比較，箱梁具有跨越能力強(qiáng)，橫向整體性好，行車舒適，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少；與T梁相比，其上部材料工程數(shù)量較小，工程造價(jià)低。以上特點(diǎn)決定了小箱梁在20m～35m跨徑范圍內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢。對于40m，50m跨徑，因T型梁的吊裝質(zhì)量比小箱梁小，宜采用T梁。對于50m跨徑T梁，在小半徑平曲線上，由于內(nèi)外梁梁長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應(yīng)性要差一些。另外，山區(qū)高速公路交通運(yùn)輸、場地預(yù)制條件均較差，大型機(jī)具進(jìn)入困難，因此一般情況下不選用50m跨徑T梁。T梁之間的橫向連接有鉸接和剛接兩種形式，采用鉸接時，鉸只傳遞剪力，車輛荷載作用在鉸接縫處時，彎矩主要由現(xiàn)澆橋面板來承受，這樣現(xiàn)澆橋面板的厚度就必須加厚，否則，鉸接縫處橋面板易出現(xiàn)通長的縱向裂縫?，F(xiàn)澆橋面板厚度增加，意味著恒載增加，T梁配筋和鋼索必須增加，經(jīng)濟(jì)性下降，所以T梁橫向連接采用剛接較好。對于超過50m的連續(xù)梁，施工條件許可的情況下，大跨徑連續(xù)梁盡可能采用現(xiàn)澆箱梁，能夠容易地滿足路線的平縱變化的要求，整體性能和抗震性能優(yōu)越。

2.2 處理好橋梁上部設(shè)計(jì)中的兩個關(guān)系

2.2.1 跨徑與墩高的關(guān)系

跨徑與墩高的關(guān)系按橋梁美學(xué)原則，一般應(yīng)選擇比值0.618～1比較經(jīng)濟(jì)，即20m跨徑梁適應(yīng)的墩高一般為12m～20m，40m跨徑適應(yīng)的墩高一般為24m～40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁，通常應(yīng)根據(jù)地形選擇一種跨徑，不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑，墩柱高度變化很大時，可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當(dāng)一座橋梁有幾種跨徑方案可選擇時，應(yīng)結(jié)合上下構(gòu)造進(jìn)行造價(jià)分析比較再做選擇。

2.2.2 上部構(gòu)造(板或梁)與平面曲線半徑的關(guān)系

橋位處平面曲線半徑對橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大，主要表現(xiàn)為兩個方面：1)內(nèi)外弧差；2)中矢高。墩臺徑向布置時，由于曲率半徑的影響，內(nèi)外梁梁長不等，半徑越小，內(nèi)外梁梁長差越大。解決此問題一般有兩種途徑:1)根據(jù)平面半徑變化梁長；2)不變梁長，通過加大帽梁、加大封錨端或加長現(xiàn)澆連續(xù)段處理。對于中矢高問題，中矢高在10cm以內(nèi)時，可以通過調(diào)整護(hù)墻內(nèi)緣使之適應(yīng)平面線形；半徑較小，中矢高大于10cm時，可采用預(yù)制梁外緣按實(shí)際曲線預(yù)制，或預(yù)制T梁邊梁時，將邊梁多預(yù)制一段長度，讓現(xiàn)澆橋面板和護(hù)墻來適應(yīng)平面線形。第二種辦法雖然材料有浪費(fèi)、美觀性稍差，但仍優(yōu)于前一種。

3 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 矮墩設(shè)計(jì)

對于較矮的橋墩(h<30m)，多采用柱式墩、Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱，圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制，且與樁基銜接方便。從受力上看，截面積相等的方柱和圓柱，方柱抗彎剛度大于圓柱，受力也優(yōu)于圓柱，當(dāng)體系為連續(xù)剛構(gòu)時，方柱可以方便地通過調(diào)整兩個方向的尺寸來調(diào)整墩柱的剛度，從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性，調(diào)整起來效果差一些。方柱的缺點(diǎn)是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接，增加了工程量，并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡，增加柱帽構(gòu)造還會增加挖方工程量，引起邊坡不穩(wěn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形、上構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、墩高綜合考慮選用方柱或圓柱。

3.2 高墩設(shè)計(jì)

對于橋墩一聯(lián)中最高為40m(不含40m)時，30m(含30m)以上橋墩做成等截面空心薄壁墩。最高墩不小于40m時，30m(含30m)以上橋墩為變截面空心薄壁墩，變截面薄壁空心墩順橋向坡比為45∶1。當(dāng)墩高不小于50m以上時，應(yīng)加大空心薄壁墩的斷面尺寸。橋墩的布置應(yīng)該結(jié)合橋址范圍內(nèi)地形地貌的特點(diǎn)、地質(zhì)狀況及地面上的建筑物等綜合考慮、優(yōu)化選擇。有些河流河床主槽不明顯，斜橋雙柱或三柱中必有一兩橋墩處于主槽中，嚴(yán)重阻水，局部沖刷增大。這種情況下，可以考慮按獨(dú)柱正橋布孔，以減少橋墩的阻水面積。

3.3 橋臺設(shè)計(jì)

山區(qū)高速公路橋梁橋臺一般采用重力式U型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式U型臺最常用，根據(jù)《墩臺與基礎(chǔ)》規(guī)定，U型臺適應(yīng)的填土范圍為4m～10m，所以U型臺的高度最好以10m控制。橋臺是路橋的銜接點(diǎn)，在橋梁總體設(shè)計(jì)時應(yīng)認(rèn)真考慮以下幾個問題：

1)山區(qū)河谷橫坡一般較陡峭，上部結(jié)構(gòu)長一些或短一些對橋臺高度影響很大。設(shè)計(jì)時，宜盡可能使橋臺高度小些，雖然橋長會長一些，但可以方便施工并減少工程質(zhì)量隱患。

2)橋臺位于山坡橫向坡較陡峭處時，當(dāng)采用U型橋臺，橫橋向根據(jù)基礎(chǔ)內(nèi)外側(cè)高差設(shè)置臺階，由于臺階式基礎(chǔ)施工工序的需要，會造成高一級的基底處于低一級基礎(chǔ)的級坑開挖面中，該部分基底土非原狀土，設(shè)計(jì)時應(yīng)采用換填碎石或片石混凝土處理，防止產(chǎn)生臺身剪切破壞和豎向開裂。

4 加強(qiáng)橋梁設(shè)計(jì)中的安全性和耐久性：

4.1 應(yīng)重視結(jié)構(gòu)的耐久性問題

橋梁在建造和使用過程中，一定會受到環(huán)境、有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，并要承受車輛、風(fēng)、地震、疲勞、超載、人為因素等外來作用，同時橋梁所采用材料的自身性能也會不斷退化，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)各部分不同程度的損傷和劣化。在大跨橋梁領(lǐng)域，國內(nèi)從20世紀(jì)80年代以來，修建了大量的斜拉橋；雖然迄今為止出現(xiàn)倒塌或嚴(yán)重?fù)p害的例子很少，但已經(jīng)有多座橋梁因?yàn)槔鞯哪途眯詥栴}而不得不提前換索，既影響了使用又增大了經(jīng)濟(jì)損失。

4.2 重視對疲勞損傷的研究

橋梁結(jié)構(gòu)所承受的車輛荷載和風(fēng)荷載都是動荷載，會在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生循環(huán)變化的應(yīng)力，不但會引起結(jié)構(gòu)的振動，還會引起結(jié)構(gòu)的累積疲勞損傷。由于橋梁所采用的材料并非是均勻和連續(xù)的，實(shí)際上存在許多微小的缺陷，在循環(huán)荷載作用下，這些微缺陷會逐漸發(fā)展、合并形成損傷，并逐步在材料中形成宏觀裂紋。如果宏觀裂紋不得到有效控制，極有可能會引起材料、結(jié)構(gòu)的脆性斷裂。早期疲勞損傷往往不易被檢測到，但其帶來的后果往往是災(zāi)難性的。

4.3 充分重視橋梁的超載問題

汽車超載主要有三種情況；其一是早期修建的老橋超齡負(fù)載運(yùn)營；其二是橋梁通行的車流量超過原設(shè)計(jì)；另一種是車輛違規(guī)超載。前兩種產(chǎn)生的原因主要是設(shè)計(jì)荷載的變化和交通量的增加；后者是車輛使用者違法超載營運(yùn)，后兩種超載現(xiàn)象在我國公路運(yùn)輸中較為普遍。橋梁的超載一方面可能引發(fā)疲勞問題。超載會使橋梁疲勞應(yīng)力幅度加大、損傷加劇，甚至?xí)霈F(xiàn)一些超載引發(fā)的結(jié)構(gòu)破壞事故。

5 結(jié)束語

在山區(qū)公路設(shè)計(jì)時，一定要從實(shí)際出發(fā)，因地制宜的靈活采用各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，確保線型的勻衡性、連續(xù)性及與周圍環(huán)境的協(xié)調(diào)性。加強(qiáng)施工質(zhì)量管理外，要從橋梁設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)造的角度做好耐久性的設(shè)計(jì)，同時需要研究疲勞和超載對于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響。

[1]許璐.山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究[D].長安大學(xué)，2009.

[2]陳四德，李章喜.山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)探討[J].中外公路，2006，(01).