大坡度橋梁設(shè)計特殊性解析與要點梳理

趙洋

（廣州市設(shè)計院，廣東 廣州 510620）

大坡度橋梁設(shè)計特殊性解析與要點梳理

趙洋

（廣州市設(shè)計院，廣東 廣州 510620）

在城市或山區(qū)，因受場地自然條件及規(guī)劃條件限制，各等級道路經(jīng)常需要在橋位處設(shè)置較大縱坡，有時甚至需適當突破規(guī)范中有關(guān)縱坡的非強制條款。設(shè)計此類橋梁過程中，有很多與常規(guī)橋梁不同的關(guān)鍵節(jié)點需要進行特殊設(shè)計，以保證結(jié)構(gòu)安全、行車安全和舒適性。從實用角度出發(fā)，通過梳理典型案例的設(shè)計過程，對該類問題逐一進行了歸納總結(jié)，提出了可行的解決辦法，為同類項目的設(shè)計工作提供參考。

橋梁；大縱坡；制動力；調(diào)平塊；排水設(shè)施；舒適性

0 引言

為了保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、行車安全和使用舒適性，現(xiàn)行橋梁及道路規(guī)范對橋面最大縱坡均有相關(guān)規(guī)定，歸納整理后詳見表1。

表1 國內(nèi)各規(guī)范關(guān)于橋梁最大縱坡的規(guī)定

然而，隨著城市化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迅速發(fā)展，城市中的工程用地條件愈發(fā)緊張，道路交通網(wǎng)絡(luò)也偏離平坦開闊地區(qū)，更多地向偏遠山地快速延伸。新建的路橋設(shè)施越來越受到諸如地形標高、控制接口標高、用地范圍、地下管線等客觀條件的限制，設(shè)計師常常不得不在橋位處設(shè)置較大的縱坡，甚至適當突破規(guī)范條款以實現(xiàn)預(yù)設(shè)的設(shè)計目標。

對于較大縱坡的橋梁，其在活載、溫度等作用的常年反復(fù)作用下，表現(xiàn)出與普通平坡橋不同的工作狀態(tài)。其在構(gòu)造、支座放置、橋面系等方面存在特別的設(shè)計要點，在行車安全、舒適性等方面需要特別關(guān)注。本文嘗試通過梳理典型案例的設(shè)計過程，對該類要點進行分析及歸納總結(jié)。

1 規(guī)范條文與設(shè)計思路梳理

在進行道路縱斷面設(shè)計，布設(shè)路橋縱坡之前，應(yīng)首先根據(jù)表1所列規(guī)范條文，對橋梁的所屬地域、通行功能、未來使用狀況、控制條件等進行篩分歸納。

（1）針對城鎮(zhèn)交通繁忙的橋梁，為方便非機動車通行，橋面縱坡宜小于2.5%，且應(yīng)小于3%。大于等于2.5%時，應(yīng)滿足《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ 37-2012）6.3.5條關(guān)于最大坡長的規(guī)定。無非機動車道或要求非機動車下車推行的可不受此限。

（2）地處易結(jié)冰、積雪區(qū)域的橋梁，由于橋面比路面更容易結(jié)冰積雪，且難以消融，為保證行車安全及橋梁使用安全，橋上縱坡以不大于3%為宜，剩余高差可通過增大前后銜接道路的縱坡來消化，其縱坡限制可參照《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》（CJJ 37-2012）6.3.1條第三款之規(guī)定。

（3）一般情況下，橋上機動車道縱坡不宜大于4%，橋頭引道機動車道不宜大于5%。若設(shè)計規(guī)劃條件受限，考慮到規(guī)范此處對橋梁最大縱坡的規(guī)定均非強制性條款，措辭為“不宜”，故而溫?zé)岬貐^(qū)、交通量不大、較低等級道路上的橋梁縱坡可作適當突破[1]，因此而造成諸多關(guān)鍵節(jié)點需作特殊設(shè)計。

2 設(shè)計要點分析總結(jié)

以具體工程為例，廣東韶關(guān)地區(qū)一處高檔酒店的配套橋梁工程，標準段橋?qū)?1 m，雙向兩車道，全橋長387.8 m，跨徑16～20 m不等，采用單箱多室現(xiàn)澆混凝土連續(xù)箱梁。因景觀效果需求，斷面采用坦腹式邊腹板，橋墩采用Y型墩。橋梁沿線分別連接酒店主出入口、住宅區(qū)、酒店大堂、地下車庫等，兼做消防車道。橋梁被迫采用較大縱坡以適應(yīng)各處接口的平面位置及控制標高。圖1為橋梁平面圖，圖2為橋梁橫斷面圖。

圖1 橋梁平面圖

圖2 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

考慮到橋位處極少出現(xiàn)結(jié)冰積雪天氣，橋梁車流量較少且不考慮非機動車騎行，因而將橋上多處縱坡放大至10%，每處坡長約80 m，其間在小半徑彎道處及銜接口處設(shè)置兩段縱坡緩和段，連續(xù)坡降長度共約250 m。與常規(guī)橋梁相同的設(shè)計要點在此不再贅述，僅著重討論考慮了橋面較大縱坡的各設(shè)計細節(jié)。

2.1 汽車制動力

車輛在大坡度路段行駛時通常會頻繁制動以控制車速，相對于平坡橋梁，下行車輛制動力將更加頻繁地作用于橋體，且力值及作用時程會隨車速的增加而迅速增大。20世紀80年代曾有研究人員針對陡坡汽車制動力大小進行過實驗研究，根據(jù)屈慶琭所介紹的實驗結(jié)果[2]，以汽-20加重車為實驗車輛，7%縱坡、40 km時速條件下，測得的平均制動力達到實驗車輛荷載的31%，已大于舊版《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ 021-89）有關(guān)“汽車制動力不得小于一輛重車重力的30%”的規(guī)定（該條款對應(yīng)于現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）中的“公路-II級汽車制動力標準值不得小于90 kN”）。所以，進行大縱坡橋梁設(shè)計時，有必要根據(jù)具體坡度、設(shè)計車速等對規(guī)范規(guī)定的制動力最小值適當放大，具體放大系數(shù)有待進一步研究。

本工程汽車荷載按城-B級設(shè)計，由于聯(lián)長較短，按照“車道荷載總重力10%”計算的制動力不起控制作用?？紤]到橋面縱坡達10%，在設(shè)計中偏安全地按照公路-I級制動力最小標準值165 kN取用[3]。

2.2 拱效應(yīng)

由于縱坡過大，在陡坡與緩坡以及反向坡間的變坡點處，梁截面中性軸豎向標高變化劇烈，梁體表現(xiàn)出了類似拱軸的受力特性（見圖3）。對于采用盆式橡膠支座的梁橋，在平面方向上多設(shè)置為靜定體系，即僅設(shè)置一處固定支座，其余支座釋放縱橋向或橫橋向的水平約束，此情況下拱效應(yīng)將產(chǎn)生較大的順橋向位移；對于固定支座未設(shè)置于梁長中段[2]，或采用板式橡膠支座，或多處墩梁固結(jié)的梁橋，拱效應(yīng)勢必對附近的橋墩產(chǎn)生較大的水平推力。同時，支承不均勻沉降以及系統(tǒng)溫差對拱形梁內(nèi)力的影響也與平坡、緩坡梁多有不同。

圖3 凸曲線拱效應(yīng)橋型示意圖（單位：m）

常規(guī)的建模計算方法多不計梁體縱坡，無法真實體現(xiàn)上述效應(yīng)。在計算陡坡橋梁豎曲線處梁段時，有必要真實模擬豎向線形，對于放置固定支座或墩梁固結(jié)的橋墩，尚應(yīng)考慮支座與墩身抗推剛度，以準確計算梁體及墩身內(nèi)力和順橋向位移。

另外，考慮在變坡點處設(shè)置橋墩（見圖3），并在其附近加密墩位布置，減小跨徑，可有效降低拱效應(yīng)。針對凹型豎曲線，該措施也能減小汽車沖擊對梁體的影響[5]。

2.3 系統(tǒng)慣性力

結(jié)構(gòu)動力學(xué)認為，當車輛在橋上帶加速度行駛時，系統(tǒng)由于具有慣性而受到虛擬的慣性力的作用，以維持體系原有的運動狀態(tài)。當體系水平方向受約束時，虛擬的慣性力便在約束處產(chǎn)生附加動反力，利用廣義坐標和拉格朗日方程可推導(dǎo)出動反力的大小[2]。設(shè)梁體自重為G，活載為P，梁體與水平面夾角為θ，則水平動反力：

根據(jù)上式可知，由于G+P往往明顯大于P值，則當θ介于0°～45°之間時，附加水平動反力隨θ的增大而增大，且活載P占總荷載的比例越大，動反力越大。若活載P按550 kN計，則當縱坡大于5%時，估算f已達約20 kN，與汽車制動力基本屬于同一數(shù)量級。因而，對于大坡度橋梁，系統(tǒng)慣性力引起的附加水平動反力應(yīng)引起設(shè)計人員的重視。

2.4 梁底調(diào)平楔塊與梁體爬移

為了改善支座的受力狀態(tài)，常在梁底支座處設(shè)置調(diào)平楔塊，在實現(xiàn)梁體縱橫坡的同時保證支座上方傳力面水平。此舉使得支座僅在系統(tǒng)自重作用下不會出現(xiàn)水平反力（上述拱效應(yīng)梁段除外），其他如汽車制動力、離心力、動反力、溫度、混凝土收縮等作用則會產(chǎn)生水平力，在各約束處按下部結(jié)構(gòu)剛度比、位移量等進行分配，并通過調(diào)平楔塊傳至支座及下部墩臺。

在各類效應(yīng)的常年反復(fù)作用下，梁體及橋墩會因之發(fā)生平面變位。尤其對于高墩、大坡度、小半徑彎梁等情形，如若調(diào)平楔塊未能正確支模，支座頂?shù)酌嫖茨芩桨惭b，或是未設(shè)置梁體限位措施，則梁體極易出現(xiàn)朝向上坡方向或平曲線外側(cè)的水平爬移，橋墩也隨之產(chǎn)生墩頂位移，且均難以自行恢復(fù)。近年已有多個項目出現(xiàn)類似情形[2]。

因此，梁底調(diào)平塊也成為本項目一個關(guān)鍵的設(shè)計施工節(jié)點。首先，常規(guī)調(diào)平塊中心外露高度5 cm難以滿足大縱坡調(diào)平需求，設(shè)計中將其中心高度加高至8 cm；其次，考慮到梁底與調(diào)平塊交界面處存在支反力的斜向分量，其與水平反力相疊加而出現(xiàn)較大的集中剪力，設(shè)計時對該截面抗剪承載力進行了驗算，并相應(yīng)地加強配筋。再次，設(shè)計圖中給定各調(diào)平塊四角外露高度及相應(yīng)計算公式以方便支設(shè)模板，在局部加設(shè)梁體限位錨栓，并反復(fù)提醒施工單位注意現(xiàn)場復(fù)算及監(jiān)測，保證墩頂截面及調(diào)平塊底面水平。

2.5 橋面排水與防水

本項目縱坡坡度較大，連續(xù)坡降長度相對較長，多處坡度變化劇烈且涉及小半徑彎道，橋面徑流流速快，集水排水壓力較大。如若采用車道兩側(cè)明溝、盲溝排水，高速水流在溝槽內(nèi)急轉(zhuǎn)向時會導(dǎo)致水面外高內(nèi)低，需要將溝深設(shè)置足夠的超高以防止水流外濺，而過深的溝槽在橋面上難以實現(xiàn)；如若設(shè)置橫橋向的截水溝，除溝深難以滿足外，更會不利于行車安全與舒適性，且影響美觀。綜合考慮后，本項目依然采用管線組織排水，沿車行道兩側(cè)設(shè)置豎向泄水管及橫向排水管，適當加高路緣石高度以利彎道集水，并在彎道曲線外側(cè)以及坡底車道兩側(cè)加密布設(shè)泄水管口。

另外，橋面鋪裝下的防水黏結(jié)層起著保護橋面板免受雨水侵蝕及粘結(jié)混凝土與橋面鋪裝層的作用。有材料顯示[7]，10%縱坡路段坡底剎車產(chǎn)生的水平剪切力是平坡路段的兩倍以上。防水黏結(jié)層受剪破壞成為鋪裝層破壞的重要因素之一。設(shè)計中可采用適當加厚鋪裝層厚度、采用乳化改性瀝青等方法來改善防水層的使用狀況。

2.6 行車安全及駕駛員觀感

一般情況下，普通轎車的最大爬坡角度在20°左右（對應(yīng)坡度約36%），部分越野車爬坡極限達30°（對應(yīng)坡度約58%），而車庫最大設(shè)計坡度為15%。室外道路雖也有一些極端案例（見圖4、圖5），但都僅限于道路工程。為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，避免橋上交通事故引發(fā)二次事故，橋上縱坡一般都較為保守（見圖6）。

圖4 鮑德溫街（Baldwin Street新西蘭）坡度35%

圖5 西盤營正街（香港）坡度25%

圖6 江島大橋（日本）坡度6%

本項目由于兼做消防車道，取用了消防車通行最大坡度10%，并且在坡降過程中的小半徑彎道處設(shè)置了兩處縱坡緩和段，在保證與關(guān)鍵出入口平順接駁的同時，使得陡坡坡長控制在80 m，避免了車輛連續(xù)極限爬坡。另外，豎曲線最小半徑、最小坡長、最小豎曲線長度等線形指標也需滿足現(xiàn)行城市道路設(shè)計規(guī)范相關(guān)規(guī)定，保證停車、會車視距滿足行車需求，并通過加高路緣石高度、加強防撞護欄設(shè)計、完善標志標線等途徑，保障行人車輛通行安全。

在長直線的大坡度路段行車，容易給駕駛員造成路面垂直爬升的視覺錯覺和心理壓力，使用體驗較差。本橋梁彎道較多，控制坡長較短，避免了出現(xiàn)上述情況。同時，通過選用合適的鋪裝材料及顏色，路中加設(shè)地埋燈，防撞護欄埋設(shè)燈帶，完善橋體景觀照明等措施，營造舒適的行駛環(huán)境，改善駕駛員觀感，使其與本項目服務(wù)的高檔酒店定位相匹配。

大坡度橋梁的施工與監(jiān)測相對于緩坡橋也較為復(fù)雜，近年來多有工程人員進行了研究總結(jié)，在此不再贅述。

3 結(jié)語

大坡度橋梁有其獨特的受力特性及設(shè)計要點，本文以典型工程為例，從受力、構(gòu)造、行車安全與舒適性等方面對相關(guān)要點進行了梳理總結(jié)，可為廣大設(shè)計人員在進行同類項目的設(shè)計工作時提供參考。其他如陡坡路段汽車制動力標準值取值，防水黏結(jié)層材料及厚度設(shè)計等問題，有待進一步實驗研究。

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U442.5

B

1009-7716（2017）04-0074-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.022

2017-02-14

趙洋（1984-），男，河南周口人，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。