談山區高速公路橋樑設計的調研報告

摘要結合山區高速公路特點，介紹山區橋樑設計中跨徑選擇原則，墩、臺、基礎和結構體系宜採用的形式以及橋樑和路基之間的關係。

主題詞山區高速公路標準跨徑橫斷面曲線半徑橋墩橋臺基礎路基

隨着我國經濟建設的發展，特別是西部大開發戰略的實施，我國在山區修建的高速公路越來越多，山區高速公路地形地質複雜，構造物多，橋樑隧道總長佔路線長度的比例大，有的山區高速公路，橋隧比例高達70%—80%。所以要設計成功一條山區高速公路，設計好其中的橋樑部分就顯得十分重要。

　　1、山區高速公路的主要特點

山區高速公路的主要特點是地形地質複雜。地形複雜，表現爲地面高差大，變化頻繁，橫坡陡；地質複雜表現爲岩溶、滑坡、不穩定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣地層等不良地質。受此影響，路線佈設時平縱橫三個方面都受到約束，一般就是平曲線多，平面半徑小，縱坡大，橋樑比例高，橫坡陡，半邊橋和高擋牆多。山區高速公路橋樑也相應具有上述特點，彎坡橋多，高墩大跨多，墩臺形式多，設計中必須協調解決好橋樑各細部構造與地形地質之間的關係。

　　2、橋樑與路基的關係

　　2.1橋樑跨越方案與高填方路基方案的比較

山區高速公路橋樑很多不受水文控制而只受地形控制，因不宜採用路基方案而設置爲高架橋，路橋設置界限問題，一直是難以把握的關鍵問題，也是影響公路造價的問題。路基規範強調，“路基中心填方高度超過20m時，宜和橋樑做方案比選。”，項目實際運作中，往往由於工期緊，或認爲橋樑跨越方案安全省事，就直接考慮橋樑方案。實際上，對於地質情況較好，雖然填方中心高度爲30m，但收斂較快的V型峽谷，且橋隧相連地段，爲消化隧道廢方，考慮路基方案可能比橋樑方案更安全更經濟，因爲這樣的地形架橋，場地侷促，難度大，橫縱坡陡，極易引發邊坡不穩；而對於寬而平緩地段，雖然填方高度只是20m左右，但如果需跨標段借方，且運距遠，填方基底還需花大量資金處理的路段，反而考慮橋樑方案可能更安全更經濟。所以筆者認爲，山區高速公路路橋界限，不能一概而論，對於填土高度超過20m的路段，應根據地形、地質、前後構造物、前後路段的廢方量、工程造價等進行綜合比選後決定是否設置橋樑。不能圖快圖省事，直接考慮橋樑方案。

　　2.2半邊橋與擋牆的關係

山區高速公路地形橫坡陡峭，雖然可以通過設計爲左右幅路基不一樣高的錯臺路基來處理，但有時由於左右幅路基橫向交通要求，需要設置轉向車道，錯臺式路基方案不易實現，這時就不可避免地會出現半邊橋。當最低一側填土高度15m左右時，應綜合地形、地質將加筋擋牆，錨杆擋牆、棄土方案與半邊橋做綜合比較後決定是否設置橋樑。

　　3、結構體系特性

爲了保證行車舒適，結構耐久適用，山區高速公路標準跨徑大中橋一般均採用先簡支後結構連續或墩樑固結的連續一剛構混合體系。全剛構體系由於一座橋樑墩高相差較大，需通過調整橋墩的線剛度來改善橋墩受力，這樣一來，橋墩尺寸種類就比較多，美觀性降低，施工相對麻煩一些。全連續結構聯長不能太長，舒適性差，墩臺水平位移較大，墩柱尺寸需設計的相對大一些，材料較費。根據地形，將中間墩高較高，剛度相差不大的相鄰幾個橋墩固結起來，利用其柔性適應橋墩所受的水平力，較矮的邊墩設置滑板支座或橡膠支座，形成連續樑。這樣的剛構一連續體系，高墩、矮墩的受力性能都得到了改善，且適應地形特點。

山區高速公路橋樑多爲彎、坡橋，曲線樑橋在彎扭耦合作用下，具有沿某一不動點變形的趨勢，單向行駛的大縱坡長橋在長期反覆的汽車制動力作用下，樑體具有沿汽車行駛方向滑移的趨勢，如果採用全連續結構，即上下構之間爲橡膠支座連接時，這種滑移趨勢往往造成樑體受力不平衡，支座脫空甚至破壞，從而導致樑體開裂。因此山區高速公路橋樑宜採用先簡支後結構連續或墩樑固結的連續一剛構混合體系，既適應平面線形，又適應橋樑受力特點。

　　4、橋樑上部構造設計

　　4.1一般設計原則

山區高速公路,橋樑所佔比重大，但一般來講,大跨徑橋樑方案畢竟是少數,絕大部分還是採用施工方便、造價經濟的標準化、預製裝配化結構。大跨徑橋樑一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有較強的個性特徵，而標準跨徑橋則更多的是具有共性特徵，所以本文重點探討標準化、裝配化橋樑的設計。

山區高速公路橋樑常用標準化、裝配化跨徑有16、20、25、30、40、50m，橫斷面形式有空心板、T樑、小箱梁等。對於跨徑小於30m的，有空心板、小箱梁、T樑等三種結構可以選擇，對於40、50m跨徑，根據樑的受力特點，宜採用T樑。30m以下，同一種跨徑，究竟應當採用哪一種橫斷面形式，通過表1，就可以作出選擇。

一孔上部構造主要材料指標表表1

樑高跨徑橫斷面形式橋寬

(cm)工作面積(m2)混凝土

(m3/m2)綱絞線

(kg/m2)普通鋼筋(kg/m2)數據來源

90cm20空心板122400.54712.8484.49(贛粵高速)

100cm20小箱梁122400.3809.08267.85(京珠北)

120cm20T樑122400.3698.11285.24(三福線)

從表1可以看出，小箱梁是介於空心板和T樑之間的一種橫斷面形式。20米跨徑時，T樑較爲經濟。30m跨徑以下，三種橫斷面比較，基本也是上述規律。當然，這是山區的情況，平原地區則另當別論。平原地區受淨空和橋臺填土高度的限制，橋樑上構要求儘可能降低建築高度，這樣可以減小縱坡，降低路基填土高度，減少佔地及降低路基處理難度，對土源缺乏，軟基較多的平原地區有顯著的經濟性。20m空心板建築高度最低，與路基綜合起來比較具有優勢，平原地區路網發達，分離式立交較多，空心板在美觀方面優於另外兩種斷面，所以平原地區較多采用空心板。山區高速公路橋樑一般淨空無嚴格限制，另外，山區高速公路平面半徑較小，超高緩和路段不可避免會出現在橋上，如果選用空心板和小箱梁，架樑時一片樑四個支點不易調平，易造成支座脫空，受力不均勻的情況，所以山區高速公路橋樑標準橫斷面宜優先採用T樑。對於50m跨徑T樑，在小半徑平曲線上，由於內外樑樑長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應性要差一些。另外山區高速公路，交通運輸、場地預製條件均較差，大型機具進入困難，50mT樑單片重150多噸，架設設備要求較高，運輸及安裝過程中變形不易控制，因此一般情況下不選用50m跨徑T樑，所以山區高速公路橋樑，宜採用的常用標準跨徑爲20、25、30、40m。T樑之間的橫向連接有鉸結和剛接兩種形式，採用鉸聯結時，鉸只傳遞剪力，車輛荷載作用在鉸縫處時，彎矩主要由現澆橋面來承受，這樣一來，現澆橋面的厚度就必須加厚，否則，鉸縫處橋面板易出現通長的'縱向裂縫。現澆橋面板厚度增加，意味着恆載增加，T樑配筋和鋼索必須增加，經濟性下降，所以T樑橫向連接採用剛接較好。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》（JTGD62—2004）9.3.16條也有相應規定：“預製T形截面樑的橫隔樑連接，宜採用現澆混凝土整體連接”，當然在斜交橋及異形橋中需要橫向弱聯結時，鉸結也是很好的選擇形式。

　　4.2具體橋樑設計

具體到一座橋設計時，上部構造設計要處理好兩個關係。

第一，處理好跨徑與墩高的關係。跨徑與墩高的關係按橋樑美學原則，一般應選擇比值爲0.618—1之間，通過經濟比較，往往又是經濟的，也就是說20m跨徑T樑適應的墩高一般爲12—20m，30m跨徑適應的墩高一般爲18—30m，40m跨徑適應的墩高一般爲24m—40m。山區高速公路地形起伏變化頻繁，通常應根據地形選擇一種跨徑，不宜根據墩高頻繁變化跨徑，墩柱高度變化很大時，可以採用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當一座橋樑，有幾種跨徑方案可選擇時，應結合上下構做造價分析比較再做選擇。

第二，處理好上部構造（板或樑）與平面曲線半徑的關係。橋位處平面曲線半徑對橋樑跨徑的選擇及平面佈置影響較大，主要表現爲兩個方面，第一是內外弧差，第二是中矢高。墩臺徑向佈置時，由於曲率半徑的影響，內外樑樑長不等，半徑越小，內外樑樑長差越大。解決此問題一般兩種途徑，一種是根據平面半徑變化樑長，另一種是不變樑長通過加大帽樑，加大封錨端或加長現澆連續段處理。第一種方法變化樑長，設計簡單，帽樑尺寸較小、規格統一，但一個標段，如果有幾座橋處於不同的曲線半徑上時，預製樑長度種類就較多，頻繁調整模板雖不算很難，但每片樑都需要編號，堆放預製樑需要很大場地，這對“地無百米平”的山區確實是難以解決的問題，因此一般不採用變樑長方案。採用等樑長方案時，如果半徑較大，內外樑樑長差不大，可以採用內弧長等於標準跨徑佈置，如果半徑較小，可以採用半幅橋中線弧長等於標準跨徑佈置，這樣連續段長度一端比標準長度增加，一端減小。內外弧差的問題解決後，還有中矢高的問題，一般中矢高10cm以內，可以通過調整護牆內緣使之適應平面線形；半徑較小，中矢高大於10cm時，由於護牆一般爲50cm寬，護牆調整太大外觀不美，護牆功能亦削減。此時亦有兩種解決辦法，一種是預製樑外緣按實際曲線預製，另一種是預製T樑邊樑時，將邊樑多預製一段長度，讓現澆橋面板和護牆來適應平面線形。邊樑按實際曲線預製時，邊樑翼緣板由於兩側不等寬，剛度不等，施加預應力時可能出現側向翹曲，且不同半徑外邊樑形狀不一樣，種類多施工較麻煩。第二種辦法雖然材料稍有浪費，美觀性稍差，仍優於前一種。

　　5、橋樑下部構造設計

　　5.1橋墩

高度較矮的橋墩（h＜40m）多采用柱式墩，Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質量易控制，且與樁基銜接方便，平原地區用的較多。但從美觀上來說，方柱有棱有角，與上構樑體協調，有一定的視線誘導性，較美觀。從受力上看，截面積相等的方柱和圓柱，方柱抗彎剛度大於圓柱，受力優於圓柱，當體系爲連續剛構時，方柱可以方便地通過調整兩個方向的尺寸來調整墩柱的剛度，從而達到調整墩柱受力的目的。圓柱爲各向同性，調整起來效果差一些。方柱的缺點是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接，增加了工程數量，並且山區橋樑地面橫坡都較陡，增加柱帽構造還會增加挖方工程量，引起邊坡不穩，設計中應根據地形、上構結構形式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。

Y型墩薄壁是獨柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯複雜。墩高較矮時，其施工既複雜又不美觀所以少採用。當墩高較高時Y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一個支架，對於地面橫坡較陡，搭支架困難，模板需求量大的山區橋樑，Y型薄壁墩具有顯著的優勢。從預算定額中也可以看出，同高度的柱式墩與Y型薄壁墩相比，Y型薄壁墩的基價低。另外採用雙柱墩時，由於地面橫坡較陡，兩個墩柱高度經常相差較大，由於線剛度EI/L差距大，導致一個墩兩個墩柱受力差異較大，採用Y型薄壁墩，只一個墩柱，就避免了上述缺陷。也有人認爲，上部的Y型承託節約材料並不多，卻施工麻煩，宜設計爲實體，權衡施工進度和質量、安全和節省材料及美觀之間的關係，也未嘗不可。不管外形如何，墩高較高時，採用獨柱雙支座外部形狀Y型的薄壁墩較爲適宜。

　　5.2高墩

一般矮橋墩的設計由強度控制，但當墩高較高時，就必須得考慮橋墩的穩定問題。《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規範》（JTGD62—2004）關於偏心受壓柱條文說明5.3.10條指出，“當l0/h＞30時，構件已由材料破壞變爲失穩破壞。”l0爲受壓柱的有效長度，在0.5~2倍墩高之間變化，究竟取值多少，與施工狀態、上構重量、上構和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關。大量的計算實驗表明對於先簡支後剛構（墩頂與上構爲鋼板焊接）和先簡支後連續（墩頂與上構爲橡膠支座連接）的多跨T樑橋來說，墩柱的有效長度l0=1.2~1.43l，l爲墩柱高度，當l=40m且採用矩形截面時，h≥1.2~1.43×40/30=1.6~1.907m，h=50m時h≥2~2.383m，當墩厚大於2m時，實心矩形截面經濟性降低，所以可以得出一個結論：墩柱爲材料破壞時，採用實心矩形截面，其高度不宜超過50m。當墩高大於50m時，宜採用空心薄壁墩截面。採用空心薄壁墩，墩高超過65m左右時順橋嚮應考慮放坡，因爲採用等寬尺寸時施工雖然方便，但爲了保證橋墩的穩定，墩柱和帽樑必將尺寸加大很多，這樣材料會浪費較大。

　　5.3橋墩與路幅的關係

山區高速公路有整體式路基，也有分離式路基。目前路線選線越來越強調減少佔地，環保、與景觀協調的理念，除了中長隧道等設置分離式路基外，越來越多的採用整體式路基。整體式路基的雙幅橋，一般情況下下構按分幅單獨設計，即雙幅四柱。對於高墩長橋，爲了減少開挖，增強邊坡穩定性，節約材料，降低造價，整體式下構即雙幅兩柱不失爲一種較好的選擇。與雙幅四柱相比，在橋墩截面積及橫向寬度相當的情況下，整體式下構橫向和縱向剛度是分幅設置的兩倍以上，除了可以減少開挖，節約材料、施工面少外，還能減少墩頂變位。當然整體式下構帽樑跨度較大，還須考慮車輛雙向行駛時扭矩影響，帽樑需設置的強大一些。一座橋究竟是採用整體式下構還是分幅下構，需結合橋位處地形、地質、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。

　　5.4橋臺

山區高速公路橋樑橋臺一般採用重力式U型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式U臺最常用，根據《墩臺與基礎》規定，U臺適應的填土範圍爲4—10m，所以U臺的高度最好以10m控制。山區橋樑U臺一個顯著特徵就是橫向，縱向橫坡陡，爲了適應地形，減小開挖，節約圬工方量，U臺設計時必須根據地形合理分臺階。樁柱式橋臺由於抗推剛度小，當聯長較長，臺後填土高度較高時不宜使用，一般臺後填土高度宜控制在5m以下，聯長宜控制在150米以內。埋置式肋板臺適應範圍廣一些，但也不宜太高，不宜超過12m。山區高速公路橋樑縱向地形陡峭，往往不能設置錐坡，這時採用樁柱式或肋板臺會受到較大限制。當地質情況較差時，常常會出現U臺下設置樁基的情況。

　　5.5基礎

山區高速公路橋樑最常用的基礎仍爲爲擴大基礎與樁基礎。山區一般地質情況較好，採用擴大基礎的情況相對較多，且宜採用分離式擴基礎。因爲分離式擴基礎適應地形橫坡，承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴大基礎與樁基礎必須考慮基礎擴散角和覆蓋層厚度以及施工時的相互影響。樁基礎多爲嵌巖樁和柱樁，地質情況較差地段採用摩擦樁。樁基礎不管受力形式如何，施工方法上多是挖孔樁和鑽孔樁。挖孔樁造價較節省，但設計中能否採用挖孔樁，應結合地質情況具體分析，當樁長較長；遇到流沙、軟弱夾層多，卵石、漂石等容易造成塌孔的地質情況；地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時不宜設計爲挖孔樁。

　　6、結束語

山區高速公路橋樑設計有很多區別於平原橋樑的地方，也更有很多方面需要探討，本文只是拋磚引玉，結合設計中遇到的實際問題，提出一些解決方法，不正確之處，敬請同行批評指正。