山區(qū)高速公路橋梁結(jié)構(gòu)型式選擇研究

宮玉明，徐百成，唐興哲

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710068）

1 工程概況

神木至府谷高速公路（以下簡(jiǎn)稱“神府高速”）位于毛烏素沙漠至黃土高原過(guò)渡地帶的東南部，采用雙向六車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為80km/h，路基寬度為32m，采用公路－Ⅰ級(jí)荷載。路線總長(zhǎng)為56.036km，共設(shè)橋梁78座，橋梁總長(zhǎng)為20.1km。

神府高速大部分路段位于黃土梁峁溝壑區(qū)，地面起伏大，河谷梁窄溝深，地形破碎，沖溝發(fā)育，形態(tài)多呈樹(shù)枝狀。地表以黃土為主，厚度大、承載力較低。下伏基巖的強(qiáng)風(fēng)化層厚度薄，承載力較低，中風(fēng)化砂巖、泥質(zhì)砂巖厚度大，分布較均勻，承載力較高。泥巖、砂質(zhì)泥巖厚度不大，分布不均勻，呈薄層或夾層分布，承載力較低，遇水易軟化。

2 橋梁上部結(jié)構(gòu)型式選擇

根據(jù)沿線地形、地質(zhì)、水文等情況，結(jié)合以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，神府高速常規(guī)橋梁上部結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)。

目前國(guó)內(nèi)山嶺重丘區(qū)高速公路上廣泛采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、先簡(jiǎn)支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁、先簡(jiǎn)支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板和簡(jiǎn)支橋面連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板四種預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)。本文針對(duì)上述結(jié)構(gòu)型式，從主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)性能、施工工藝等方面進(jìn)行比較分析。

2.1 上部主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較

標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)制拼裝橋梁上部結(jié)構(gòu)主要材料指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 橋梁上部結(jié)構(gòu)主要材料指標(biāo)對(duì)比表

分析表中數(shù)據(jù)，結(jié)論如下：

b）相同跨徑的預(yù)制箱梁基價(jià)較預(yù)制T梁低20%～27.9%；

c）單片預(yù)制T梁施工吊裝重量均較相同跨徑預(yù)制箱梁輕12%～15%。

2.2 上部結(jié)構(gòu)性能和施工工藝比較

比較上部結(jié)構(gòu)的性能和施工工藝，結(jié)論如下：

a）先張法空心板施工工藝成熟、施工快捷，但需要制作張拉平臺(tái)且結(jié)構(gòu)非連續(xù)，影響行車(chē)的舒適性，高速公路的大橋不宜采用非連續(xù)結(jié)構(gòu)的橋型方案；

b）后張法空心板具有施工便捷、建筑高度小、外形美觀、結(jié)構(gòu)連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，但受結(jié)構(gòu)尺寸限制，張拉工藝要求較高；

c）預(yù)制箱梁具有施工工藝成熟、外型美觀、結(jié)構(gòu)整體剛度大、施工穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，并且梁片數(shù)少，安裝便捷；

（四）強(qiáng)化生態(tài)環(huán)境保護(hù)能力保障體系。增強(qiáng)科技支撐，開(kāi)展大氣污染成因與治理、水體污染控制與治理、土壤污染防治等重點(diǎn)領(lǐng)域科技攻關(guān)，

d）預(yù)制T梁施工工藝成熟、簡(jiǎn)單，吊裝重量輕，安裝便捷，對(duì)小半徑平曲線適應(yīng)能力強(qiáng)。

2.3 上部結(jié)構(gòu)型式選用原則

根據(jù)橋址處的地形特點(diǎn)，結(jié)合上述結(jié)構(gòu)的基價(jià)比較結(jié)果以及施工階段的實(shí)際吊裝能力、施工預(yù)制場(chǎng)地和運(yùn)輸條件等，確定橋梁上部結(jié)構(gòu)型式選用原則如下：

a）20～40m跨徑橋梁采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁；

b）40m跨徑以上橋梁采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁。

3 橋梁下部結(jié)構(gòu)型式選擇

橋梁下部結(jié)構(gòu)的型式結(jié)合地形、地質(zhì)、施工工藝、施工工期、造價(jià)、結(jié)構(gòu)安全等因素綜合確定。

3.1 墩臺(tái)型式選擇

神府高速橋址處地形起伏較大，橋臺(tái)的填土高度一般控制在8m以內(nèi)，根據(jù)橋臺(tái)處實(shí)際地形、地質(zhì)情況，選用重力式U臺(tái)、柱式橋臺(tái)和肋板式橋臺(tái)三種型式。若橋梁伸入挖方段內(nèi)，且橋臺(tái)處地基整體性較好（承載力大于600kPa）時(shí)，可設(shè)置簡(jiǎn)易橋臺(tái)。

考慮到本項(xiàng)目最大墩高為56m，橋墩采用了圓柱墩和空心薄壁墩兩種型式。圓柱墩具有外形整潔美觀、與地形適應(yīng)性強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單快捷、與樁基礎(chǔ)銜接好的優(yōu)點(diǎn)；空心薄壁墩具有剛度較大，施工穩(wěn)定性好，適應(yīng)高度能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。神府高速橋墩型式的選取采用如下原則：

a）墩高H≤35m，選用圓柱式橋墩；

b）墩高H＞35m，選用空心薄壁墩。

3.2 基礎(chǔ)型式選擇

根據(jù)橋址處地形、地質(zhì)情況，對(duì)橋墩采用擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)進(jìn)行工程量比較（見(jiàn)表2）。由于地形復(fù)雜，坡面陡峭，除考慮基礎(chǔ)的工程量外，還應(yīng)考慮基坑開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的破壞以及開(kāi)挖和坡面防護(hù)工程量。針對(duì)原地面的不同坡度，列舉擴(kuò)基基坑開(kāi)挖和防護(hù)工程量（見(jiàn)表3）。

表2 擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)工程數(shù)量對(duì)比表

表3 擴(kuò)基基坑開(kāi)挖和防護(hù)工程數(shù)量表

從表3可以看出，當(dāng)橋址處地面橫坡較陡時(shí)，基坑開(kāi)挖方量和坡面防護(hù)工程量較大，不利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。綜上所述，確定墩臺(tái)基礎(chǔ)型式的原則如下：

a）對(duì)于地勢(shì)平坦路段的橋梁，若橋墩計(jì)算樁長(zhǎng)小于擴(kuò)基換算樁長(zhǎng)，采用樁基礎(chǔ)，反之采用擴(kuò)大基礎(chǔ)；

b）對(duì)于陡坡路段橋梁，當(dāng)橋址處地面橫坡陡于1∶1.5時(shí)，采用樁基礎(chǔ)，當(dāng)橋址處地面橫坡緩于1∶1.5時(shí)，若橋墩計(jì)算樁長(zhǎng)大于擴(kuò)基換算樁長(zhǎng)，采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，反之采用樁基礎(chǔ)；

c）對(duì)于河道內(nèi)的橋梁，由于項(xiàng)目區(qū)內(nèi)河流具有比降大、流速大、沖刷深的特點(diǎn)，從基礎(chǔ)安全方面考慮，采用樁基礎(chǔ)；

d）符合上述采用擴(kuò)基的條件，但基坑開(kāi)挖對(duì)自然環(huán)境、地表植被造成較大破壞的情況，所以采用樁基礎(chǔ)。

4 跨徑組合比選

橋梁結(jié)構(gòu)型式選擇應(yīng)高跨比協(xié)調(diào)，使得橋梁上、下部結(jié)構(gòu)整體造價(jià)最低。神府高速設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)常規(guī)橋梁，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，對(duì)具有典型樣本特征的方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，達(dá)到優(yōu)選跨徑組合的目的。比選時(shí)，上部主要采用20～40m標(biāo)準(zhǔn)跨徑預(yù)制箱梁，根據(jù)橋址處工程地質(zhì)特點(diǎn)分區(qū)，并以平均墩高H為基礎(chǔ)，劃分典型橋梁樣本進(jìn)行比較。本文僅以部分樣本舉例說(shuō)明。

橋梁樣本Ⅰ（10m＜H≤15m）和橋梁樣本Ⅱ（15m＜H≤20m）上部分別采用10m×20m和8m×25m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部采用柱式墩臺(tái)和樁基礎(chǔ)。橋梁樣本Ⅲ（15m＜H≤20m）上部分別采用6m×25m和5m×30m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部采用柱式墩臺(tái)和樁基礎(chǔ)。上述樣本主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別見(jiàn)表4、表5和表6。

表4 橋梁樣本Ⅰ主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

表5 橋梁樣本Ⅱ主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

表6 橋梁樣本Ⅲ主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表

在同等施工條件下，由表4可知，當(dāng)10m＜H≤15m時(shí)，20m和25m跨徑箱梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)接近；由表5可知，當(dāng)15m＜H≤20m時(shí)，25m跨徑較20m跨徑箱梁經(jīng)濟(jì)性好；由表6可知，當(dāng)15m＜H≤20m時(shí)，25m跨徑較30m跨徑箱梁經(jīng)濟(jì)性好。綜上所述，得出橋梁跨徑組合方案比選結(jié)論如下：

a）當(dāng)10m＜H≤15m時(shí)，20m和25m跨徑箱梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)接近，應(yīng)結(jié)合平曲線半徑、實(shí)際橋長(zhǎng)、地形條件、施工條件和前后相鄰橋梁的跨徑組合方案等情況綜合比選，確定跨徑組合；

b）當(dāng)15m＜H≤20m時(shí)，25m跨徑較20m和30m跨徑箱梁經(jīng)濟(jì)性好，應(yīng)優(yōu)先選用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程的地形、地質(zhì)和水文等建設(shè)條件，對(duì)山區(qū)高速公路橋梁的上部結(jié)構(gòu)型式、下部墩臺(tái)型式、基礎(chǔ)型式和跨徑組合方面進(jìn)行分析研究，確定選用原則，并提出基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理的跨徑組合比選方法。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，上述原則和方法在山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中，對(duì)優(yōu)選橋梁方案有積極作用，取得了良好的效果，可供同類工程項(xiàng)目借鑒參考。

[1]JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2]JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JTG TF50—2011，公路橋涵施工設(shè)計(jì)規(guī)范[S].