1、浅谈山区公路常规桥梁设计【摘要】桥梁是山区公路建设的重要内容，其设计直接关系到山区公路的综合性能，所以桥梁工程师一定从本质上掌握好山区高速公路桥梁的特性，并参考实际的条件设计出科学的、合理的和适合的方案。以上情况是山区桥梁设计的常遇情况，还有很多情况这里就不一一列举，每座桥的情况均不相同，每座桥要根据现场实际情况有针对性地进行设计。公路桥梁结构设计基准期为 100 年，所以对桥梁设计的要求比较高，我们的宗旨是使桥梁设计技术先进、安全可靠、使用耐久、经济合理。在山区公路设计时，一定要从实际出发，因地制宜的灵活采用各项技术指标，确保线型的匀衡性、连续性及与周围环境的协调性。加强施工质量管理外，要从
2、桥梁设计理念、结构体系和构造的角度做好耐久性的设计，同时需要研究疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响。山区公路桥梁具有弯坡桥多，高墩大跨多，墩台形式多，设计和施工中必须协调解决好桥梁各细部构造与地形地质之间的关系。本文阐述了山区桥梁施工过程中各部位施工方案的选择，并重点介绍山沟高墩施工控制的要点。 【关键词】山区公路 桥梁设计 中图分类号：U448.14 文献标识码： A 文章编号： 近年来，由于国家实施“西部大开发”战略计划，高速公路建设已逐步进入西部山区。但因为山区地形起伏变化大、水文地质条件复杂，因此仅凭早期积累的平原微丘高速公路施工管理经验和技术水平是难以适应的。所以，对山区高速公路施工
3、管理进行探讨是有必要的随着公路交通事业的发展，山区高等级公路建设也随之加快，同时要求也就越来越高。西南地区以山区为主，山区公路桥隧比例大，一般超过 50%，山区桥梁多以常规桥梁（单跨不超过 150m）为主，桥梁设计尤为重要。但是由于山区的地质和地形比较复杂，比平原的复杂得多，给山区公路的设计和施工都带来了不少麻烦。桥梁设计要根据现场实际情况有针对性地设计，且桥梁设计与施工相结合，才能做到安全、实用、经济、美观、环保。 山区公路和桥梁建设的特点 曲线、大纵坡、高墩、长桥是山区高速公路桥梁的一大特点。山区地形山高谷深，自然坡度陡，地质构造复杂，滑坡、崩塌、湿陷性黄土等不良现象普遍存在。山区高速公路
4、桥梁不仅受地形地质等外部条件影响，而且受路线技术指标的影响更大。 山区高速公路频繁避让、跨越和穿越障碍物，路线平面设计时须克服复杂地形与较高的线形标准两者之间的矛盾，弯桥、斜桥分布广泛，以合理实现路线长度短、桥隧少、造价低的综合控制目标。由于地质运动及水流冲蚀等作用, U 形、V 形沟谷发育，悬崖峭壁分布广泛，桥墩高度大且变化快，且受限于路线纵坡或者是顺沿河谷需要，桥梁蜿蜒绵长，长、大纵坡桥梁较为常见。 二、山区桥梁施工方案的选择 1、桥型方案的总体原则：坚持安全、适用、经济、美观原则，符合总体设计要求，综合考虑地质、水文等控制因素，桥型结构尽量形式统一，根据桥位处特点，择优选择技术成熟、施工
5、便利、经济适用的常规结构型式，采用标准化设计，便于工厂化生产，应充分考虑施工方案的难易程度和可实施性，满足施工场地布置，征地拆迁和材料运输等方面的需求，重视生态保护，注意桥梁造型与周边环境相协调，与自然景观融为一体。 2、桥址选择：一般桥梁服从路线，所以在道路选线时桥址应避开河汊、沙洲、古河道、急弯、汇合口、港口作业区及易形成流冰、流木阻塞的河段以及断层、岩溶、滑坡、泥石流等不良地质河段，应选择河道顺直、河床良好、河槽能通过大部分设计水流的河段，桥梁轴线尽量与洪水主流方向正交。桥位区应避开断裂、危岩、崩塌、岩堆、积雪、雪崩、风沙、采空区、水库坍岸等不良地质地带，桥位区应避开黄土、冻土、膨胀土、
6、盐渍土、软土、花岗岩残积土、填土、红粘土等特殊性岩土发育的地带。 3、桥梁方案选取：公路桥梁设计面对的首要问题是路基方案与桥梁方案的比选。山区公路桥梁一般是为跨越河流、沟谷以及道路而设置，其中因地形起伏而设置的旱桥占据较大比重。因此，确定适合设桥的填方路基高度的限值就成为核心问题，这也直接影响桥梁建设规模和投资。路基中心填方高度超过 20 m 时，宜结合路线方案与桥梁等构造物做方案比选。在实际设计中设计单位基本参照此执行，笔者个人认同在某些地区( 如居民集中区、耕地紧张区等) 即使路基填高不大也尽量设桥的观点，这可大大降低高速公路的屏障效应、保护耕地。但在多数山区路段，考虑土石方的调配和减少弃
7、方，填高 30m 乃至以上时采取路基方案，可大大提高社会效益和经济效益。 4、桥梁孔位布置：桥梁总体方案布置是设计中最基本、最复杂的问题，各式各样的条件和需求总是矛盾地交织在一起。其中起控制性作用的是经济因素，但经济性不是多一跨少一跨的问题。树立桥梁全寿命周期成本的设计理念已逐渐为公路行业所接受。一座桥梁首先应确定其规模，或者说确定桥长。对于山区常规桥梁，确定其规模的一个重要尺度就是桥台高度。一般情况下桥台高度以不大 8 m 为宜，条件受限的台位最大高度建议不大于 12m。确定桥梁全长之后需拟定一个经济跨径并分孔。一般的做法，使跨度与高度大致协调，单跨孔径值取桥梁最大高度值的0.751.25
8、倍，然后通过试布，调整各墩台位置，从而拟定出经济合理的方案。桥梁布孔及方案设计，还应密切结合施工，需要指出的是，为考虑施工标准化和进度，一般桥梁的布孔宜尽量采用标准跨径等跨布置。在同一合同段中的桥梁尽量采用相同跨径，并且在满足结构性能的前提下尽量统一下部结构形式。 桥梁上部和下部结构设计 1、一般设计原则：山区高速公路桥梁常用标准化、装配化设计， 其跨径有 16m、20m、25m、30m、35m、40m、50m，横断面形式有空心板、T 梁、小箱梁等。对于跨径小于 35m 的，尽可能使用小箱梁。与空心板比较，箱梁具有跨越能力强，横向整体性好，行车舒适，后期养护费用少；与 T 梁相比，其上部材料工
9、程数量较小，工程造价低。以上特点决定了小箱梁在 20m35m 跨径范围内的应用优势。对于 40m、50m 跨径，因 T型梁的吊装质量比小箱梁小，宜采用 T 梁。对于 50m 跨径 T 梁，在小半径平曲线上，由于内外梁梁长差较大，跨中矢高较大，对路线的适应性要差一些。另外，山区高速公路交通运输、场地预制条件均较差，大型机具进入困难，因此一般情况下不选用 50m 跨径 T 梁。T 梁之间的横向连接有铰接和刚接两种形式，采用铰接时，铰只传递剪力，车辆荷载作用在铰接缝处时，弯矩主要由现浇桥面板来承受，这样现浇桥面板的厚度就必须加厚。否则，铰接缝处桥面板易出现通长的纵向裂缝。现浇桥面板厚度增加，意味着恒
10、载增加，T 梁配筋和钢索必须增加，经济性下降，所以 T 梁横向连接采用刚接较好。对于超过 50m 的连续梁，施工条件许可的情况下，大跨径连续梁尽可能采用现浇箱梁，能够容易地满足路线的平纵变化的要求，整体性能和抗震性能优越。 2、上部结构形式选取：山区高速公路桥梁上部结构大多采用标准化、装配化的形式。当标准设计或新建桥梁的跨径在 50 m 及以下时，宜采用标准化跨径。标准跨径主要包括10m、13m、16m、20m、25m、30m、35m、40m 等。其中主要包括 2 类结构体系：简支桥面连续体系，以板式截面为主，先简支后连续体系，以 T梁、小箱梁为主。先简支后连续梁桥因其具备预制施工的便利性和连
11、续结构的舒适性，在公路桥梁中取代简支梁桥得到极为广泛的应用，其截面形式涵盖了空心板、T 梁、小箱梁乃至大箱梁等。然而这种体系在国内虽得到大规模迅猛应用却缺乏系统研究，如二次浇筑段的分析及设计处理都还有值得探讨之处，并且由于应用时间不长，可靠性和耐久性还需时间检验。目前，重庆地区经过研究论证逐渐达成如下共识：单孔跨径20 m(含 20m)以下的桥梁推荐采用简支桥面连续结构，单孔跨径 20m 以上优先采用先简支后连续(刚构)的结构形式，单孔最大跨径不宜超过 40m。现浇结构具备曲线桥梁的性能优势和较强的可塑性，应用也较为普遍。此外，山区中由于预制场地缺乏和运输条件不便利，适当加大现场浇筑结构的应用
12、，从综合效益以及环境保护的角度看大有裨益。 3、下部结构：矮墩设计，对于较矮的桥墩(h30m)，多采用柱式墩、Y 型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圆柱和方柱，圆柱施工中外观质量易控制，且与桩基衔接方便。从受力上看，截面积相等的方柱和圆柱，方柱抗弯刚度大于圆柱，受力也优于圆柱，当体系为连续刚构时，方柱可以方便地通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。圆柱为各向同性，调整起来效果差一些。方柱的缺点是墩柱与桩基之间需通过桩帽连接，增加了工程量，并且山区桥梁地面横坡都较陡，增加柱帽构造还会增加挖方工程量，引起边坡不稳，设计中应根据地形、上构结构形式、墩高综合考虑选用
13、方柱或圆柱。 高墩设计对于桥墩一联中最高为 40m(不含 40m)时， 30m(含 30m)以上桥墩做成等截面空心薄壁墩。最高墩不小于 40m 时，30m(含 30m)以上桥墩为变截面空心薄壁墩，变截面薄壁空心墩顺桥向坡比为 451。当墩高不小于 50m 以上时，应加大空心薄壁墩的断面尺寸。桥墩的布置应该结合桥址范围内地形地貌的特点、地质状况及地面上的建筑物等综合考虑、优化选择。有些河流河床主槽不明显，斜桥双柱或三柱中必有一两桥墩处于主槽中，严重阻水，局部冲刷增大。这种情况下，可以考虑按独柱正桥布孔，以减少桥墩的阻水面积。桥墩墩高小于 30m 一般设计为双柱式或者三柱式桥墩，墩高不小于 30m
14、 时宜设计为矩形空心薄壁墩。墩柱直径种类应尽量的少，最好是一种或者两种直径，这样便于施工，节约造价。墩高大于 7m 的双柱式或者三柱式桥墩应设置横系梁，间距每7m 设置一道，桩顶应设置地系梁。由于矮墩的刚度较大，不宜设置固定支座或者墩梁固结，宜设置活动支座或板式橡胶支座。桩基应嵌入基岩3 倍桩径，在左右横坡较陡的地方桩长应加长，且左右桩长相差不宜太大。在横坡较陡高差较大的位置，宜加大桩径来增加桥墩横向刚度，当出现覆盖层较厚偏压严重时，可以在桩位上坡方向设置抗滑桩来抵抗偏压。灰岩地区，应检测桩底以下 3 倍桩径不少于 5m 范围内是否有空洞、溶腔、软弱层等不良地质情况，根据实际情况确定是否加长桩
15、长。桩位应避开水流直接冲刷，当不能避开时，应采取导流或者增加防护措施来保护桩柱。 4、处理好桥梁上部设计中的两个关系：跨径与墩高的关系跨径与墩高的关系按桥梁美学原则，一般应选择比值 0.6181 比较经济，即 20m跨径梁适应的墩高一般为 12m20m，40m 跨径适应的墩高一般为24m40m。山区高速公路地形起伏变化频繁，通常应根据地形选择一种跨径，不宜根据墩高频繁变化跨径，墩柱高度变化很大时，可以采用 20m与 30m 或者 30m 与 40m 的组合跨径。当一座桥梁有几种跨径方案可选择时，应结合上下构造进行造价分析比较再做选择。上部构造(板或梁)与平面曲线半径的关系：桥位处平面曲线半径对
16、桥梁跨径的选择及平面布置影响较大，主要表现为两个方面：内外弧差、中矢高。墩台径向布置时，由于曲率半径的影响，内外梁梁长不等，半径越小，内外梁梁长差越大。解决此问题一般有两种途径：根据平面半径变化梁长；不变梁长，通过加大帽梁、加大封锚端或加长现浇连续段处理。对于中矢高问题，中矢高在 10cm 以内时，可以通过调整护墙内缘使之适应平面线形；半径较小，中矢高大于 10cm 时，可采用预制梁外缘按实际曲线预制，或预制T 梁边梁时，将边梁多预制一段长度，让现浇桥面板和护墙来适应平面线形。第二种办法虽然材料有浪费、美观性稍差，但仍优于前一种。 四、桥型方案的选择 1、跨河流路段的桥型选择：山区河流多为河谷
17、深切，河床狭窄，坡岸陡峭，落差大，枯水期流量较小，汛期洪水急涨急跌、流速大、水流夹带大量泥砂，对基础冲刷影响大。跨越河流的桥梁、桥长及桥孔布置须满足水文和通航净空的要求， 尽量避免在河沟中布墩，当难以避免时，应充分考虑冲刷、滚石等对基础和墩柱的影响。跨越河堤的桥孔，还须满足相关河道管理部门的对孔跨、墩位和墩顶防汛通道净空的要求。 2、不良地质路段的桥型选择：山区不良地质对桥型方案影响较大，在岩溶发育地段，桥梁宜选用较大跨径，减少桥墩数量，并尽量减少墩台桩基的数量。桥址位于断裂带时，桥梁尽量采用大跨跨越，同一基础不置于断裂线两侧，桥梁位于泥石流地段，应适当加大跨径跨越。当桥梁经过滑坡地段，根据先
18、治理滑坡再建桥的原则，尽量少在滑坡体中设墩，或将墩置于滑坡推力较小处，采用少墩大跨或多墩小跨的结构形式。3、跨公路、铁路的桥型选择：根据被交路等级和发展规划，预留足够净空和宽度。同时，应充分考虑桥梁施工对既有公路、铁路运营的影响，尽量选择施工简便，对被交路运营干扰最小的桥型方案。 五、结束语 在山区公路设计时，一定要从实际出发，因地制宜的灵活采用各项技术指标，确保线型的匀衡性、连续性及与周围环境的协调性。加强施工质量管理外，要从桥梁设计理念、结构体系和构造的角度做好耐久性的设计，同时需要研究疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响。 参考文献 1杨文渊 . 桥梁施工工程师手册 M . 北京: 人民交通出版社, 2003. 2交通部第一公路勘察设计院. JTJ 017- 96，公路软土地基路堤设计与施工技术规范 S ，北京：人民交通出版社，1997. 3地基处理手册，编写委员会. 地基处理手册 M . 北京: 中国建筑工业出版社, 2002. 4交通部第一公路工程总公司. JTJ 041- 2000。公路桥涵施工技术规范 S 北京：人民交通出版社，2000.
