山區(qū)公路中小跨橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究

何志偉

（中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430056）

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了公路的建設(shè)規(guī)模。我國(guó)東部地區(qū)地處平原地帶，相應(yīng)的公路及路網(wǎng)建設(shè)已基本完成，然而我國(guó)西部地區(qū)山脈眾多，地形地貌復(fù)雜，導(dǎo)致路網(wǎng)建設(shè)較為困難。當(dāng)前，為保障公路的貫通，西部地區(qū)的路網(wǎng)建設(shè)常采用中小跨、零散不均等特點(diǎn)的橋梁作為連接山區(qū)公路的樞紐。為保證西部山區(qū)路網(wǎng)建設(shè)的順利開(kāi)展，有必要對(duì)山區(qū)公路中小跨橋梁設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析，從而更好地服務(wù)于工程建設(shè)。鑒于此，本文針對(duì)當(dāng)前常規(guī)中小跨橋梁設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題提出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)措施，以期為設(shè)計(jì)提供參考。

2 中小跨橋梁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及存在問(wèn)題

受地形地貌影響，西部山區(qū)公路橋梁建設(shè)與東部平原地區(qū)橋梁建設(shè)存在顯著差異。其具體體現(xiàn)在以下4個(gè)方面[1-4]：

1）地質(zhì)勘探具有一定的難度。山區(qū)公路橋梁建設(shè)地形起伏大，地質(zhì)以硬巖居多，在地勘過(guò)程中，測(cè)量山體、路線、周邊地形等均存在極大的困難。此外，由于山區(qū)水系復(fù)雜，在外部因素作用下山體常發(fā)生泥石流、滑坡等一系列工程災(zāi)害，這也進(jìn)一步加大了地勘難度。

2）橋墩高墩多。受山區(qū)地形起伏、高差大的影響，橋梁結(jié)構(gòu)多采用高墩結(jié)構(gòu)，高墩屬于柔性結(jié)構(gòu)，地震作用對(duì)其安全性能有一定的不利影響。

3）橋隧比高。受山區(qū)高低起伏構(gòu)造的影響，公路建設(shè)常常以橋梁和隧道居多，同時(shí)，頻繁交替的路橋隧工程在交替位置處的安全性存在一定的隱患。

4）施工難度極大。由于地理位置、周邊環(huán)境以及地形條件的限制，施工中的原材料運(yùn)輸、加工、混凝土澆筑以及相應(yīng)的施工所需輔助作業(yè)均存在極大的困難。

針對(duì)上述提及的中小跨橋梁設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方面所存在問(wèn)題進(jìn)行綜合論述，其主要體現(xiàn)在承載力、耐久性以及設(shè)計(jì)方面3個(gè)方面，具體如下：

1）橋梁規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)指出，混凝土結(jié)構(gòu)的承載力取決于其所處狀態(tài)。當(dāng)橋梁承載力不足時(shí)，會(huì)使構(gòu)件逐漸產(chǎn)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形乃至破壞。也就是說(shuō)，橋梁結(jié)構(gòu)仍具備一定的承載力，但其所能承載的極限承載力已無(wú)法達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn)，從而嚴(yán)重制約了橋梁的安全和壽命。目前的橋梁設(shè)計(jì)中以考慮橋梁的極限承載力為主，而對(duì)于制約橋梁正常使用的極限程度影響因素以及承載力下降機(jī)理缺乏分析和研究。

2）耐久性是制約橋梁使用壽命的決定性因素，橋梁的施工、運(yùn)行以及維護(hù)階段均對(duì)其有顯著影響。隨著近年來(lái)橋梁事故頻發(fā)，橋梁耐久性問(wèn)題逐漸被業(yè)內(nèi)所重視。先前的研究多不考慮橋梁的耐久性問(wèn)題，或僅停留在理論層面，并未應(yīng)用于施工中。隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的日益成熟，橋梁耐久性設(shè)計(jì)是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。

3）設(shè)計(jì)中過(guò)分重視某一構(gòu)件或主體的受力和變形特征，而忽略了其他部位或其他結(jié)構(gòu)對(duì)此構(gòu)件受力及變形的影響，導(dǎo)致計(jì)算內(nèi)力與實(shí)際存在較大偏差。因此，不僅要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的局部受力，還要以整體作為研究對(duì)象，才能更為合理地保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

3 中小跨橋梁設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化措施

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇

山區(qū)多為河谷、山嶺等地貌，橋梁一般具有大橋數(shù)量大、分布廣、中小橋數(shù)量少的特點(diǎn)，橋梁除跨越沿線分布較廣的V形沖溝谷外，受地形限制，陡坡段亦需設(shè)置一定數(shù)量的縱向高架橋，橋梁平均墩高較大，橋址處基巖埋深較淺，墩、臺(tái)樁長(zhǎng)一般不超過(guò)40 m，大部分介于15～30 m，且嵌巖樁居多，墩臺(tái)樁基長(zhǎng)度受跨徑影響不大。

上部構(gòu)造盡可能做到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、施工機(jī)械化，便于分段統(tǒng)一集中預(yù)制安裝，便于運(yùn)輸方便、縮短工期、節(jié)省造價(jià)?？鐝綖?0～40 m的裝配式梁（板）是最經(jīng)濟(jì)、最合理的橋跨，上部結(jié)構(gòu)主梁主要有預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、小箱梁、T梁。

3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)選型

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁高最小，上部構(gòu)造輕盈美觀，吊裝重量最輕，在一定高度的中小跨橋梁中，空心板結(jié)構(gòu)具有較廣的適用范圍。當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)中，空心板結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)者較為常用的橋梁結(jié)構(gòu)，然而從使用上看，空心板結(jié)構(gòu)橫向整體性較差，易出現(xiàn)鉸縫不密實(shí)而引起縱向裂縫等病害，施工運(yùn)營(yíng)階段容易出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，不利于結(jié)構(gòu)及行車安全。

預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁以造價(jià)低、抗扭性能好、梁高適中等特點(diǎn)被廣泛用于工程中，但小箱梁為斜腹板，預(yù)制工藝稍復(fù)雜，吊裝重量大，并且預(yù)制小箱梁先簡(jiǎn)支后墩梁固結(jié)的設(shè)置及施工較T梁困難。

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁跨越能力較強(qiáng)，最大跨徑一般可達(dá)50 m，具有施工方便、吊重適中等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是梁高尺寸較大，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)一般。山區(qū)一般為河谷、丘陵等地貌，橋梁平均墩高較高，T梁的建筑高度較高，其與高墩橋梁的視覺(jué)感觀較預(yù)制小箱梁協(xié)調(diào)，且隨著墩高的增加，橋梁剛構(gòu)情況的越來(lái)越多，T梁設(shè)置墩梁固結(jié)的構(gòu)造處理難度較組合小箱梁簡(jiǎn)單。

橋梁上部結(jié)構(gòu)比較見(jiàn)表1。

3.3 橋梁下部結(jié)構(gòu)選型

橋梁結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)除應(yīng)重視上部跨徑和下部墩高的高跨比的協(xié)調(diào)，最經(jīng)濟(jì)的跨徑是橋梁上、下結(jié)構(gòu)總造價(jià)最低。

山區(qū)公路一般橋址處地形起伏較大，以殘坡積和基巖全風(fēng)化為主的覆蓋表層厚度較薄，其下的基巖埋深較淺，主要為花崗巖、砂巖、灰?guī)r等。橋臺(tái)的填土高度一般控制在8 m以內(nèi)，橋臺(tái)選型要根據(jù)地基承載力情況，并結(jié)合橋臺(tái)處具體地形情況，常規(guī)考慮分別選用重力式U臺(tái)（配擴(kuò)大基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)）、柱式橋臺(tái)（配樁基礎(chǔ)）、肋板式橋臺(tái)或承臺(tái)分離式橋臺(tái)（配樁基礎(chǔ)）3種結(jié)構(gòu)形式。

在橋墩的類型選擇上，根據(jù)山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和要求，結(jié)合橋墩墩高（H）確定采用原則一般如下：

H＜40 m時(shí)，下部選用雙圓柱式橋墩，配樁基礎(chǔ)；

40 m≤H＜50 m時(shí)，下部選用等截面矩形實(shí)心薄壁墩，配樁基礎(chǔ)；

H≥50 m時(shí)，下部選用等截面空心薄壁墩，配樁基礎(chǔ)。

柱式橋墩是墩高在40 m內(nèi)最經(jīng)濟(jì)最實(shí)用的橋墩形式，它具有外形整潔美觀、與地形適應(yīng)性強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單、與樁基礎(chǔ)銜接好的優(yōu)點(diǎn)。由于薄壁空心墩施工復(fù)雜，施工模板較多，施工工期長(zhǎng)，為了施工方便、加快工期，一般墩高超過(guò)40 m但小于50 m時(shí)，可采用等截面的矩形實(shí)心薄壁墩。

3.4 抗震設(shè)計(jì)

山區(qū)往往是地震多發(fā)地帶，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行一定的抗震設(shè)計(jì)[5]。對(duì)于山區(qū)公路中小跨度橋梁，其抗震性能的提升主要體現(xiàn)在細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)方案。首先，支座必須選擇具有良好抗隔震性能的材料；其次，橋墩設(shè)計(jì)應(yīng)選擇延性較好的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化配筋設(shè)計(jì)并調(diào)整結(jié)構(gòu)厚度，最后通過(guò)在梁和橋臺(tái)（梁）之間加設(shè)緩沖材料，進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)的橫向位移。上述抗震措施的使用能有效提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，為公路橋梁的安全運(yùn)營(yíng)提供一定保障。

3.5 中小跨橋梁設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

上述提及的橋梁設(shè)計(jì)原則是指導(dǎo)山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則，然而不同地區(qū)的橋梁建設(shè)具有顯著的獨(dú)特性，設(shè)計(jì)中必須充分考慮當(dāng)前的工程背景、施工條件等一系列問(wèn)題，在滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確保方案最優(yōu)。由于國(guó)家或行業(yè)頒布的設(shè)計(jì)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)具有普適性，無(wú)法真正與實(shí)際工程緊密結(jié)合，因此，在具體的橋梁設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合自身的專業(yè)能力以及工程背景對(duì)橋梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整改進(jìn)。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)或優(yōu)化山區(qū)橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮公路用途、行車荷載以及未來(lái)載重趨勢(shì)等一系列因素，進(jìn)而使設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)更為合理、準(zhǔn)確。此外，設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮后續(xù)施工條件、措施、工期等一系列后續(xù)工作，僅從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，未充分結(jié)合施工因素提出的橋梁設(shè)計(jì)方案無(wú)法真正落實(shí)到工程實(shí)踐中。因此，以設(shè)計(jì)和施工作為整體考慮，立足于中小跨橋梁工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)以及維護(hù)的全壽命周期，加強(qiáng)對(duì)施工過(guò)程的管理和監(jiān)督，針對(duì)施工人員開(kāi)展技術(shù)指導(dǎo)，進(jìn)而真正使橋梁設(shè)計(jì)貫徹于工程實(shí)踐。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某山區(qū)高速公路穿越深溝谷地段，為保證道路貫通，在此處采用架設(shè)橋梁的設(shè)計(jì)方案，該區(qū)域交通較為便利，地質(zhì)條件良好，但地面高差大，最大可達(dá)40 m，且該地區(qū)偶有地震作用，因此，橋梁設(shè)計(jì)中必須綜合考慮上述工程及環(huán)境因素。

4.2 橋梁選型

考慮到該區(qū)域跨越溝谷的特點(diǎn)，結(jié)合路線設(shè)計(jì)縱斷面，橋梁長(zhǎng)度約300 m，因此，橋梁上部結(jié)構(gòu)可采用小箱梁或T梁結(jié)構(gòu)。基于二者的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合考慮各種因素的影響，最終確定T梁結(jié)構(gòu)作為橋梁的上部結(jié)構(gòu)，跨徑設(shè)計(jì)為8 m×40 m，高墩連續(xù)梁采用墩梁固結(jié)，橫橋向左、右幅分幅設(shè)置。根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示，持力層為中風(fēng)化花崗巖，覆蓋層較薄，地質(zhì)條件好，樁基均按嵌巖樁設(shè)置，且樁長(zhǎng)基本在20 m以內(nèi)，綜合分析后確定橋墩采用圓柱墩接樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)采用U形橋臺(tái)加擴(kuò)大基礎(chǔ)。

4.3 橋梁抗震設(shè)計(jì)

在抗震措施方面，主要采用減隔振效果好的支座，同時(shí)，在梁與橋臺(tái)間添加緩沖材料減少橋臺(tái)結(jié)構(gòu)位移對(duì)主梁結(jié)構(gòu)的影響，此外，塑性交接部位對(duì)箍筋及鋼筋進(jìn)行加密布設(shè)，從而盡可能地提高中小跨橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5 結(jié)語(yǔ)

在山區(qū)公路中小跨度橋梁設(shè)計(jì)方面，最需要的是因地制宜，結(jié)合設(shè)計(jì)者多年的工程經(jīng)驗(yàn)，并充分考慮各種制約因素進(jìn)而綜合分析后，得出最佳的橋梁設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)分析中小跨橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及存在問(wèn)題，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則和改進(jìn)措施。為最大限度地滿足施工要求，橋梁設(shè)計(jì)人員必須轉(zhuǎn)變理念，深入理解橋梁設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算乃至多方位比選確定最合理方案，最終實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)山區(qū)公路橋梁使用壽命，為公路橋梁建設(shè)貢獻(xiàn)自己的一份綿薄之力！