路橋工程設(shè)計中存在的問題及優(yōu)化措施分析

苗成濤

（山東智行咨詢勘察設(shè)計院，山東德州 253078）

1 引言

在城市飛速發(fā)展的背景之下，為解決交通堵塞問題，道路橋梁工程數(shù)量不斷增多，路橋設(shè)計也得到了更多的重視。因此，加強對路橋工程設(shè)計的研究和探討是十分有必要的?；诋?dāng)前城市化建設(shè)實際情況，城市構(gòu)筑物數(shù)量不斷增多，地下管線復(fù)雜程度逐漸提高，這也對路橋工程設(shè)計提出了更高的要求。本文以實際路橋工程項目為例，從路橋設(shè)計重點問題入手，明確了路橋工程設(shè)計難點，并提出有效優(yōu)化對策，為類似工程設(shè)計提供了可靠參考。

2 項目概況

本文以某路橋新建工程項目為例，路橋全長為1.8 km，橋梁長度為268.9 m，道路部分為城市主干道，斷面形式為雙向4 車道，立交匝道為單向兩車道或者單車道，道路設(shè)計速度為60 km/h，立交匝道為40 km/h。車道寬度為3.75 m。橋梁主體結(jié)構(gòu)安全等級為一級，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載為BZZ-100 型標(biāo)準(zhǔn)車，抗震設(shè)防烈度為7 度，抗震措施按8 度設(shè)計。

3 路橋工程設(shè)計中存在的重點問題

第一，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計難點問題。由于案例工程實際情況相對較為復(fù)雜，為城市主干道和橋梁工程，而且上跨主干路、鐵路等，周邊構(gòu)筑物較多，施工區(qū)域范圍內(nèi)城市管道分布較為復(fù)雜，使得橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計難度相對較大[1]。

第二，路橋線形設(shè)計難點問題。在安全性方面，應(yīng)避免路橋線形對駕駛員視線等造成不良影響；在協(xié)調(diào)性方面，應(yīng)確保道橋設(shè)計能夠與周圍整體環(huán)境、地形以及地物之間保持和諧，并保障路橋線形的美感。因此，路橋線形設(shè)計過程中，需要考量的因素相對較多，包括駕駛路線、駕駛習(xí)慣、排水需求，以及與周圍構(gòu)筑物之間的協(xié)調(diào)性和道路的美觀性等。

第三，路橋連接設(shè)計難點問題。路橋連接位置的設(shè)計難點主要體現(xiàn)在沉降控制方面。在實際進行路橋過渡段設(shè)計的過程中，若橋頭引道軟基處理不當(dāng)、橋臺臺背路堤壓實度不足、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，或者材料配比不合適等，都會引發(fā)路橋過渡段沉降，給道路橋梁工程質(zhì)量以及運行安全帶來極大隱患。

4 優(yōu)化路橋工程設(shè)計的有效對策

4.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對策

根據(jù)案例工程實際情況，其橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計要點主要包括主線結(jié)構(gòu)、匝道結(jié)構(gòu)、跨鐵結(jié)構(gòu)以及上跨主路結(jié)構(gòu)。

4.1.1 主線結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合案例工程實際情況和結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，此次橋梁設(shè)計選用分幅布置方式，結(jié)構(gòu)斷面圖如圖1 所示。

圖1 主線分幅結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：cm）

案例工程中主線跨徑為30 m，分幅橋梁單幅橋?qū)捪鄬^小，梁高主要為1.8 m，為5 箱結(jié)構(gòu)，斜腹板與頂?shù)装暹x用大半徑圓弧順接方式，以此保障橋梁外觀形態(tài)的美觀性。腹板厚度為0.45～0.65 m，頂?shù)装搴穸葹?.22 m?？v向為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，在主梁兩端設(shè)置預(yù)應(yīng)力張拉槽口。由于橋梁橫向支點間的距離偏小，因此，選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為橫梁。

4.1.2 匝道結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)案例工程實際需求，橋梁匝道設(shè)計選用單向單車道，橋?qū)? m，匝道結(jié)構(gòu)斷面圖如圖2 所示。

圖2 匝道結(jié)構(gòu)斷面圖（單位：cm）

其中，匝道跨徑設(shè)計根據(jù)平面半徑進行，當(dāng)平面半徑在120 m 以下時，匝道跨徑設(shè)計為20 m，梁高設(shè)計為1.6 m；當(dāng)平面半徑在120 m 以上時，匝道跨徑設(shè)計為30 m，梁高設(shè)計為1.8 m。匝道橋梁的布置形式為單墩雙支座。若匝道跨徑在20 m 以上，應(yīng)選用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，跨徑在20 m 以下時，則選用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

4.1.3 跨鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于案例工程中，部分橋梁主線路以及匝道部分需要橫跨鐵路，為保障橋梁的安全性以及穩(wěn)定性，需要針對跨鐵部分進行詳細設(shè)計和分析。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，決定跨線橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。詳細跨線情況以及斷面形式如表1 所示。

表1 案例橋梁跨鐵情況

主線跨鐵橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，由于該部分與橋梁主線相連接，斷面形式與主線相同。此外，基于實際施工需求，斜腹板截面變更難度較大，對此選用了等高梁設(shè)計措施。對于匝道部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于匝道橋本身跨徑相對較大，等高梁的適用性較弱，但是若選用變梁高斜截面，在支點位置的底板會相對較窄，會增加后續(xù)支座布置難度，而且支座的穩(wěn)定性也會相對較差，最終決定選用直腹板斷面形式。上部結(jié)構(gòu)選用支架現(xiàn)澆施工法，并在跨鐵部分搭設(shè)門式支架，要求支架臨時支墩內(nèi)側(cè)與鐵路中線凈距離在3.5 m 以上，支架縱梁底部與鐵軌垂直距離應(yīng)在6 m 以上。

4.1.4 上跨主路結(jié)構(gòu)設(shè)計

在上跨主路的部分，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了簡支鋼箱梁結(jié)構(gòu)，上跨路凈空在5 m 以上。在實際進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，要求鋼箱梁梁高需要盡量與主線其他跨梁高度相接，對于跨徑較大的主路，在保障該部分橋梁梁高與主線其他路段相同的情況下，受力難以滿足橋梁安全運輸要求，對此，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，對該路段跨橋橋梁采取了加高處理對策[2]。

4.2 路橋線形設(shè)計優(yōu)化對策

4.2.1 平面線形設(shè)計

路橋線形設(shè)計需要根據(jù)城市道路規(guī)劃要求展開，應(yīng)符合城市交通規(guī)劃總體目標(biāo)。線路的位置以及線形對于周圍環(huán)境以及城市整體布局有著直接影響，因此，在展開路橋平面線形設(shè)計的過程中，應(yīng)充分結(jié)合周圍環(huán)境、地形以及地物特點。平面線形設(shè)計的要點包括曲線半徑、超高點以及加寬點，應(yīng)確保整體線形設(shè)計不影響汽車運行視線要求以及運輸安全需求。曲線半徑設(shè)計主要是為解決長時間直線線形行駛下駕駛員產(chǎn)生視覺疲勞，引發(fā)交通事故風(fēng)險問題，因此，在進行路橋線形設(shè)計的過程中，通常會避開各種障礙物，使用曲線將兩個控制點連接起來，這條曲線成為平曲線。平曲線各參數(shù)的計算如式（1）～式（3）：

式中，T 為切線的長度，m；L 為曲線的長度，m；E 為曲線外矢距，m；α 為路線轉(zhuǎn)折角，（°）；R 為曲線半徑，m。

在實際選擇平曲線半徑的過程中，需要充分結(jié)合道路標(biāo)準(zhǔn)等級、地形以及地物情況等。為提高道路使用率，降低事故發(fā)生概率，平曲線設(shè)計過程中，應(yīng)盡量選擇大的半徑。根據(jù)案例路橋設(shè)計項目實際情況，主干道行車速度為60 km/h，不設(shè)超高的平曲線半徑為550～1 000 m，最小平曲線半徑應(yīng)控制在150～250 m；道橋連接匝道行車速度為40 km/h，不設(shè)超高的平曲線半徑在150～250 m，最小平曲線半徑在40～60 m。

平曲線設(shè)計過程中，為保障行車安全，還需要合理確定超高點與加寬點。前者是為了使運行車輛自身重力的分力能夠有效對抗離心力，因此，需要將曲線道路外側(cè)進行抬高設(shè)計。此外，當(dāng)車輛行駛在平曲線區(qū)段時，為避免內(nèi)側(cè)車輪侵占相鄰車道，還需要適當(dāng)對曲線路段進行加寬設(shè)計，主要通過縮小內(nèi)側(cè)路肩寬度實現(xiàn)。

4.2.2 縱向線形設(shè)計

縱向線形設(shè)計的主要目的是起到緩和縱斷面的兩個坡度，以此保障行車安全和車速。進行縱向線形設(shè)計的過程中，應(yīng)著重關(guān)注最大縱坡和豎曲線設(shè)計兩點。在確定道路最大縱坡的過程中，應(yīng)充分考量路橋行駛車輛的動力性能，為保障車輛能夠按照設(shè)計車速行駛，需要對其進行限制。同時，也應(yīng)充分考慮路橋所在區(qū)域的地形地勢以及自然條件，例如，寒冷天氣下路面存在結(jié)冰情況等，并考量兩側(cè)建筑物、道路以及行人等，確保最大縱坡設(shè)計合理。在進行豎曲線設(shè)計的過程中，為避免駕駛員視線受阻，車輛過度顛簸，需要合理設(shè)置豎曲線。豎曲線中各要素的幾何關(guān)系如式（4）～式（6）：

式中，ω 為坡度差，（°）。

在實際進行路橋線形設(shè)計的過程中，需要充分考量多方面因素，合理進行平面線形和縱向線形設(shè)計，還可以展開組合線形設(shè)計，確保各線形之間相互協(xié)調(diào)，促使各線形的優(yōu)點都能夠得到充分體現(xiàn)[3]。

4.3 路橋連接設(shè)計優(yōu)化對策

根據(jù)案例工程實際情況，在進行路橋過渡段設(shè)計的過程中，為強化沉降控制，采取了改良材料配比的優(yōu)化設(shè)計對策。對此，在實際進行材料配比設(shè)計的過程中，展開了大量實驗，針對不同配比下混凝土路基的回彈模量、加州承載比、孔隙率以及路基軟化系數(shù)等數(shù)值進行逐一測定。最終確定路橋過渡段粉煤灰與水泥之比為3∶2。并通過有限元計算模型，對路基過渡段沉降控制效果進行模擬，有限元計算模型如圖3 所示。經(jīng)分析可知，在應(yīng)用新型材料后，過渡段路基沉降小于原材料填筑情況，尤其是靠近橋臺一側(cè)，差異更為明顯，這表明新填料的應(yīng)用，實現(xiàn)了對于路橋過渡段沉降量的有效控制。

圖3 有限元計算模型

5 結(jié)語

路橋工程設(shè)計中，橋梁結(jié)構(gòu)、路橋線形以及路橋過渡段設(shè)計難度較大，存在諸多問題，對此，在實際進行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中應(yīng)充分考慮施工區(qū)實際環(huán)境情況以及地形地勢特點，保障跨鐵、跨路橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保行車安全，滿足實際通車需求，并在線性設(shè)計的過程中，合理確定平面和縱向線性相關(guān)參數(shù)，加強對于路橋銜接位置路基沉降的設(shè)計和控制，以此全面保障路橋設(shè)計質(zhì)量。