公路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)及方案對(duì)比分析

侯青

（上饒市宏優(yōu)公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，江西 上饒 334000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。為節(jié)約土地資源及充分利用施工區(qū)域地勢(shì)，橋梁在公路交通建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。橋梁設(shè)計(jì)是公路橋梁建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系著公路橋梁的建設(shè)質(zhì)量及安全通行。要想整體提高公路橋橋梁建設(shè)的質(zhì)量，保證其使用的安全性，就必須加強(qiáng)橋梁設(shè)計(jì)。以下結(jié)合具體的工程實(shí)例，對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 工程概況

該項(xiàng)目起于弋陽(yáng)縣西橋徐家附近，路線(xiàn)往北沿信江西側(cè)布線(xiàn)，在白馬洲現(xiàn)信江大橋附近跨信江，經(jīng)沙子嶺徐家，在竹棚陳家附近利用現(xiàn)有東站跨線(xiàn)橋跨滬昆高速和浙贛鐵路，途經(jīng)華亭、灣里鄉(xiāng)、周店，終止于陳谷音村附近。路線(xiàn)全長(zhǎng)13.86039km。項(xiàng)目推薦線(xiàn)改造范圍共有現(xiàn)狀橋梁5 座，分別為：信江大橋、葛河大橋、余家中橋、周店中橋、廟前中橋。

2 公路橋梁設(shè)計(jì)原則

2.1 新建橋涵設(shè)計(jì)原則

根據(jù)前期基礎(chǔ)勘察，結(jié)合該項(xiàng)目大、中橋具體特點(diǎn)，橋位以服從路線(xiàn)走向?yàn)橹笇?dǎo)思想，依照安全、舒適、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，同時(shí)綜合考慮地區(qū)的自然條件、材料供應(yīng)、施工要求等情況。為了確保項(xiàng)目的技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、實(shí)用耐久，以標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化開(kāi)展施工作業(yè)。具體的橋涵設(shè)計(jì)原則為：

2.1.1 橋孔、橋跨、橋型、橋梁布設(shè)

在橋孔布設(shè)時(shí)，需綜合考慮該地區(qū)的自然條件、材料供應(yīng)、使用要求及便于施工養(yǎng)護(hù)等因素，做到與環(huán)境、人文景觀協(xié)調(diào)發(fā)展。橋跨組合設(shè)計(jì)需綜合考慮橋位的地形、地質(zhì)、水文等條件，選用實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)的橋型。特大橋及墩高超過(guò)30m 的大橋，需進(jìn)行橋型方案比較，至少要提供兩個(gè)或兩個(gè)以上的橋型方案，方案需明確工程量與造價(jià)[1]。

橋梁原則上盡量采用正交，不采用或少采用斜交橋梁。地形及環(huán)境條件容許時(shí)，左右幅橋梁可分別設(shè)正交橋跨，分幅錯(cuò)孔布置。對(duì)于在平曲線(xiàn)上的橋梁，若曲線(xiàn)半徑較小，可作曲線(xiàn)橋；若曲線(xiàn)半徑較大，可布設(shè)折線(xiàn)橋，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)必須包絡(luò)橋面凈空和護(hù)欄。對(duì)于處于不良地段的橋梁，需綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、施工效果、運(yùn)營(yíng)效果等因素。

2.1.2 橋梁結(jié)構(gòu)選型

依照安全、舒適、經(jīng)濟(jì)、美觀的原則進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)選型，并綜合考慮地質(zhì)地形、路線(xiàn)、材料來(lái)源、材料運(yùn)輸、周?chē)h(huán)境等因素。橋梁上部結(jié)構(gòu)，選用預(yù)應(yīng)力混凝土梁式連續(xù)結(jié)構(gòu)，保證橋面平整度和行車(chē)的舒適性。盡量采用統(tǒng)一預(yù)制的結(jié)構(gòu)形式，以便進(jìn)行機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提高施工的便利性，進(jìn)而縮短工期和降低工程造價(jià)。

2.1.3 橋梁跨越

橋梁需跨越山谷或深溝時(shí)，需綜合考慮填土高度、溝底縱坡、地質(zhì)等因素。若填土高度較高，地質(zhì)條件較差，由于路基放坡侵占山谷側(cè)道路或主河道而路基擋土墻又設(shè)置困難時(shí)，采用橋梁跨越[2]。

2.1.4 橋梁墩臺(tái)布設(shè)

當(dāng)橋梁墩臺(tái)處于陡坡位置時(shí)，基坑開(kāi)挖對(duì)山體面積造成較大破壞或易引發(fā)地質(zhì)病害時(shí)，基礎(chǔ)形式優(yōu)先選用樁式基礎(chǔ)。

2.1.5 橋頭布設(shè)

在橋頭有較多的高路堤、占用農(nóng)田且需要大量運(yùn)送填料時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)橋孔。

2.1.6 小橋涵布設(shè)

當(dāng)小橋涵跨越人工溝渠時(shí)，應(yīng)在原有溝渠基礎(chǔ)上，依照不影響現(xiàn)有排灌系統(tǒng)的原則合理合并；若跨越非人工溝渠，布設(shè)小橋涵時(shí)需綜合考慮地形、排水、匯水面積等因素。

2.1.7 涵洞形式的選擇

涵洞型式的選擇，需綜合考慮使用性質(zhì)、泄洪流量、路基填土高度、地質(zhì)條件等因素，優(yōu)先選用圓管涵、蓋板涵等型式。

2.2 改擴(kuò)建橋涵設(shè)計(jì)原則

針對(duì)需要拓寬的沿線(xiàn)橋梁、涵洞，設(shè)置時(shí)需遵循如下原則。

2.2.1 擴(kuò)建橋梁

為使新舊橋梁順利銜接，擴(kuò)建橋梁時(shí)，原則上應(yīng)采用與原橋相同孔徑，同時(shí)上部結(jié)構(gòu)類(lèi)型也應(yīng)一致。

2.2.2 通航凈空

為保證原線(xiàn)所跨河道及道路通航凈空不變，應(yīng)根據(jù)拓寬部分上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型及橋址位置實(shí)際情況，考慮局部降低地方道路高程的措施予以解決。

2.2.3 橋梁結(jié)構(gòu)

本著結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)合理的原則，在保證橋梁安全、耐久的前提下，盡量利用原結(jié)構(gòu)；若出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害、威脅安全、不適合加寬改造等的結(jié)構(gòu)才予以更換。

2.2.4 橋梁施工

橋梁施工盡量減少對(duì)現(xiàn)有道路的干擾，保持地方道路的正常通行。

2.2.5 下部結(jié)構(gòu)設(shè)置

增大加寬部分的下部結(jié)構(gòu)設(shè)置，應(yīng)減少新結(jié)構(gòu)沉降，縮小新老沉降差，降低各種結(jié)構(gòu)的附加力。

3 公路橋梁設(shè)計(jì)方案比選

目前橋梁結(jié)構(gòu)中主要有以下五大體系：梁式橋、拱橋、連續(xù)剛構(gòu)橋、懸索橋、斜拉橋。結(jié)合該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)橋位建設(shè)條件和周邊環(huán)境，考慮到該工程橋梁均為跨河橋梁，且僅信江有通航需求要設(shè)置大跨徑橋梁，其他橋梁跨徑一般采用中等跨徑即能滿(mǎn)足要求。此外由于道路線(xiàn)形復(fù)雜，在此修建懸索橋、斜拉橋或拱橋并不適宜，一來(lái)因?yàn)轶w積龐大不夠靈活；二來(lái)施工工藝復(fù)雜，造價(jià)高，工期長(zhǎng)，與周邊的地形地貌及建筑物也不協(xié)調(diào)。故以梁式橋作為該工程橋型方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，以信江大橋?yàn)槔?，設(shè)計(jì)了以下兩個(gè)方案：

3.1 方案一：（63+110+110+63）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁

上部構(gòu)造采用跨徑(63+110+110+63)m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁方案。下部結(jié)構(gòu)采用板式墩，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。橋梁總長(zhǎng)度為346m。

110m 跨徑變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)較成熟、受力性能較好、線(xiàn)形較美觀。采用掛籃施工能較好地適應(yīng)大江大河的情況。因?yàn)槭乾F(xiàn)澆工藝，適應(yīng)變寬能力較強(qiáng)。主梁受力明確，結(jié)構(gòu)剛度大，抗扭性能好，在車(chē)輛荷載作用下主梁變形小，行車(chē)舒適；施工穩(wěn)定性好，易于維護(hù)；在相同跨徑的結(jié)構(gòu)中具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。但懸澆箱梁對(duì)施工工藝要求高，當(dāng)管理與施工控制不到位時(shí)，易出現(xiàn)施工過(guò)程中的掛籃失穩(wěn)及線(xiàn)形無(wú)法控制，適用于橋下凈空較大、不適合搭設(shè)支架的橋梁[3]。

3.2 方 案 二：（90+170+90）m 變 截 面 預(yù) 應(yīng) 力混凝土連續(xù)箱梁

上部構(gòu)造采用跨徑（90+170+90）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁方案。下部結(jié)構(gòu)采用板式墩，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。橋梁總長(zhǎng)度為350m。

170m 跨徑變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁受力性能較好，采用掛籃施工能較好地適應(yīng)大江大河的情況。因?yàn)槭乾F(xiàn)澆工藝，故適應(yīng)變寬能力較強(qiáng)。主梁受力明確，結(jié)構(gòu)剛度大，抗扭性能好，在車(chē)輛荷載作用下主梁變形小，行車(chē)舒適；施工穩(wěn)定性好，易于維護(hù)；在相同跨徑的結(jié)構(gòu)中具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。但懸澆箱梁對(duì)施工工藝要求高，當(dāng)管理與施工控制不到位時(shí)，易出現(xiàn)施工過(guò)程中的掛籃失穩(wěn)及線(xiàn)形無(wú)法控制。170m 跨徑參考國(guó)內(nèi)類(lèi)似橋梁可知病害發(fā)生較多，且對(duì)于矮墩情況由于支點(diǎn)處梁高較高故整體景觀效果較差，適用于橋下凈空較大、不適合搭設(shè)支架的橋梁。

根據(jù)表1 綜合考慮景觀效果、通航安全、后期病害及造價(jià)，信江大橋主橋推薦采用方案一，即（63+110+110+63）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。

表1 信江大橋主橋橋型方案綜合比選表

4 公路橋梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以信江大橋?yàn)槔?，該橋有通航要求?？辈炱陂g河面高程38.5m，河面寬度約200m，水深8m 左右。橋梁設(shè)計(jì)高程除了要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)水洪水位的要求外，主要受通航凈空控制。 在總體布置方面，橋上縱坡2.155%、-0.45%，橋梁全長(zhǎng)563.28m。在上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，上部第一、二聯(lián)采用單孔跨徑30m 的先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁。單片中梁寬2.4m，邊梁寬2.85m，各片梁體間采用后澆濕接縫連接，梁中心距2.9m，Lp=30m，小箱梁梁高1.6m，施工方案為預(yù)制架設(shè)。第三聯(lián)采用（63+110+110+63）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，支點(diǎn)處梁高6.2m，跨中梁高2.6m，施工方案為掛籃澆筑。在下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，小里程橋臺(tái)采用肋板式，樁基采用φ1.5m 鉆孔灌注樁。大里程橋臺(tái)采用柱式臺(tái)，樁基單幅采用φ1.8m 鉆孔灌注樁[4]。

4.2 涵洞設(shè)計(jì)

全線(xiàn)共設(shè)有涵洞35 道，共長(zhǎng)1864.49m，平均每公里涵洞2.53 道。涵洞結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選用在滿(mǎn)足流量需要的情況下，還應(yīng)考慮到當(dāng)?shù)氐奶厥獾刭|(zhì)地形等實(shí)際情況，合理地?cái)M定涵洞結(jié)構(gòu)類(lèi)型及孔徑。由于項(xiàng)目所在地土質(zhì)松散，如涵洞孔徑矮小容易造成堵塞，同時(shí)考慮到路線(xiàn)設(shè)計(jì)高普遍較高，部分路段對(duì)周邊群眾的生產(chǎn)生活影響較大，涵洞孔徑適當(dāng)做大，既能防止堵塞，又可以兼做簡(jiǎn)易人行通道，為方便群眾，依據(jù)設(shè)計(jì)流量用1～4m 鋼筋混凝土蓋板涵。蓋板可預(yù)制或現(xiàn)澆，下部具體結(jié)合地質(zhì)情況選用整體式基礎(chǔ)或分離式基礎(chǔ)。處于軟土區(qū)域的涵洞，還需具體結(jié)合軟基處理情況來(lái)選擇基礎(chǔ)形式?？讖捷^大、填土高度較高的涵洞，需設(shè)置較高承載能力的拱涵。結(jié)合地形或水流情況設(shè)置涵洞的洞口形式，主要有八字洞口、一字洞口、跌水井洞口機(jī)制，若與擋墻銜接，應(yīng)選用擋墻洞口，高填方路段還采用一字墻接急流槽洞口。路基為半填半挖形式時(shí)，涵洞縱坡普遍較陡，懸空部分（基礎(chǔ)未落入原地面）應(yīng)充分壓實(shí)以保證路基承載力，以減少運(yùn)營(yíng)期間的不均勻沉降，延長(zhǎng)涵洞的使用壽命。

4.3 橋梁耐久性設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目環(huán)境類(lèi)別為I 類(lèi)（一般環(huán)境）。樁基、承臺(tái)所處環(huán)境作用等級(jí)為I-C 級(jí)；橋墩所處環(huán)境作用等級(jí)為I-B，其余部分為I-A 級(jí)。根據(jù)該項(xiàng)目環(huán)境分類(lèi)及作用等級(jí)進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目橋梁工程的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是100 年，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100 年，橋面鋪裝、排水系統(tǒng)、欄桿、伸縮裝置、支座等的設(shè)計(jì)使用年限不低于15 年。

4.4 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)

耐久性會(huì)受材料性能與品質(zhì)的影響，因此在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)中，對(duì)于梁、墩、臺(tái)、蓋梁等重要構(gòu)件，選用了高品質(zhì)的混凝土，確?；炷恋膹?qiáng)度、密實(shí)性、抗?jié)B性、防腐蝕性等性能優(yōu)越；為減少裂縫問(wèn)題及減小裂縫寬度，設(shè)置增強(qiáng)防裂鋼筋；在關(guān)鍵部位增加鋼筋保護(hù)層的厚度，延緩鋼筋被腐蝕時(shí)間，對(duì)氯離子含量、水泥含堿量等進(jìn)行控制。

原材料、混凝土及水泥基灌漿料應(yīng)符合《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3310—2019）的要求，水泥強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)與混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)相適應(yīng)。大體積混凝土宜采用硅酸二鈣含量相對(duì)較高的水泥；主體結(jié)構(gòu)應(yīng)使用無(wú)堿活性反應(yīng)的集料，非主體結(jié)構(gòu)宜避免采用有堿活性反應(yīng)的集料；綜合考慮使用目的和混凝土性能、原材料性能、施工條件、配合比等因素，選擇適宜的外加劑，并通過(guò)試驗(yàn)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定用量；應(yīng)限制每立方米混凝土中凝膠材料的最低和最高用量，在保證強(qiáng)度的前提下宜減少凝膠材料中的硅酸鹽水泥用量；所有泵送混凝土除了滿(mǎn)足上述混凝土配合比要求外，其坍落度還應(yīng)滿(mǎn)足《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 10—2011）；選用質(zhì)量穩(wěn)定并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥和集料等原材料，不得采用有堿活性反應(yīng)的骨料；提供足夠的鋼筋和合理的布置，保證受拉和受彎裂縫很好地分布；樁基、承臺(tái)最小保護(hù)層厚度為45mm；橋墩最小保護(hù)層厚度為30mm，其余部分最小保護(hù)層厚度為20mm。

5 結(jié)語(yǔ)

在公路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)遵循安全、舒適、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工養(yǎng)護(hù)的原則進(jìn)行，同時(shí)綜合考慮地質(zhì)地形、周?chē)h(huán)境、材料來(lái)源、材料運(yùn)輸?shù)纫蛩兀瑥亩嵘窐蛄悍桨冈O(shè)計(jì)的科學(xué)化水平。文章結(jié)合具體的項(xiàng)目，對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中具體應(yīng)遵循的原則進(jìn)行分析，并提供兩種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，綜合考慮景觀效果、通航安全、后期病害及造價(jià)等因素，最終選定方案一，即（63+110+110+63）m 變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。在選定方案的基礎(chǔ)上，指出在公路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程需要注意的問(wèn)題，包括橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涵洞設(shè)計(jì)、橋梁耐久設(shè)計(jì)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。希望通過(guò)此次研究，能為類(lèi)似工程提供一定的參考借鑒。