山區高速公路橋梁結構型式選擇研究

宮玉明，徐百成，唐興哲

（中交第一公路勘察設計研究院，陜西 西安 710068）

1 工程概況

神木至府谷高速公路（以下簡稱“神府高速”）位于毛烏素沙漠至黃土高原過渡地帶的東南部，采用雙向六車道高速公路標準，設計速度為80km/h，路基寬度為32m，采用公路－Ⅰ級荷載。路線總長為56.036km，共設橋梁78座，橋梁總長為20.1km。

神府高速大部分路段位于黃土梁峁溝壑區，地面起伏大，河谷梁窄溝深，地形破碎，沖溝發育，形態多呈樹枝狀。地表以黃土為主，厚度大、承載力較低。下伏基巖的強風化層厚度薄，承載力較低，中風化砂巖、泥質砂巖厚度大，分布較均勻，承載力較高。泥巖、砂質泥巖厚度不大，分布不均勻，呈薄層或夾層分布，承載力較低，遇水易軟化。

2 橋梁上部結構型式選擇

根據沿線地形、地質、水文等情況，結合以往的設計經驗，神府高速常規橋梁上部結構采用標準跨徑的預制拼裝結構。

目前國內山嶺重丘區高速公路上廣泛采用先簡支后連續裝配式預應力混凝土箱梁、先簡支后連續裝配式預應力混凝土T梁、先簡支后連續裝配式預應力混凝土空心板和簡支橋面連續裝配式預應力混凝土空心板四種預制拼裝結構。本文針對上述結構型式，從主要經濟指標、結構性能、施工工藝等方面進行比較分析。

2.1 上部主要經濟指標比較

標準跨徑預制拼裝橋梁上部結構主要材料指標見表1。

表1 橋梁上部結構主要材料指標對比表

分析表中數據，結論如下：

b）相同跨徑的預制箱梁基價較預制T梁低20%～27.9%；

c）單片預制T梁施工吊裝重量均較相同跨徑預制箱梁輕12%～15%。

2.2 上部結構性能和施工工藝比較

比較上部結構的性能和施工工藝，結論如下：

a）先張法空心板施工工藝成熟、施工快捷，但需要制作張拉平臺且結構非連續，影響行車的舒適性，高速公路的大橋不宜采用非連續結構的橋型方案；

b）后張法空心板具有施工便捷、建筑高度小、外形美觀、結構連續的優點，但受結構尺寸限制，張拉工藝要求較高；

c）預制箱梁具有施工工藝成熟、外型美觀、結構整體剛度大、施工穩定性好的優點，并且梁片數少，安裝便捷；

（四）強化生態環境保護能力保障體系。增強科技支撐，開展大氣污染成因與治理、水體污染控制與治理、土壤污染防治等重點領域科技攻關，

d）預制T梁施工工藝成熟、簡單，吊裝重量輕，安裝便捷，對小半徑平曲線適應能力強。

2.3 上部結構型式選用原則

根據橋址處的地形特點，結合上述結構的基價比較結果以及施工階段的實際吊裝能力、施工預制場地和運輸條件等，確定橋梁上部結構型式選用原則如下：

a）20～40m跨徑橋梁采用先簡支后連續裝配式預應力混凝土連續箱梁；

b）40m跨徑以上橋梁采用先簡支后連續裝配式預應力混凝土連續T梁。

3 橋梁下部結構型式選擇

橋梁下部結構的型式結合地形、地質、施工工藝、施工工期、造價、結構安全等因素綜合確定。

3.1 墩臺型式選擇

神府高速橋址處地形起伏較大，橋臺的填土高度一般控制在8m以內，根據橋臺處實際地形、地質情況，選用重力式U臺、柱式橋臺和肋板式橋臺三種型式。若橋梁伸入挖方段內，且橋臺處地基整體性較好（承載力大于600kPa）時，可設置簡易橋臺。

考慮到本項目最大墩高為56m，橋墩采用了圓柱墩和空心薄壁墩兩種型式。圓柱墩具有外形整潔美觀、與地形適應性強、施工工藝簡單快捷、與樁基礎銜接好的優點；空心薄壁墩具有剛度較大，施工穩定性好，適應高度能力強等優點。神府高速橋墩型式的選取采用如下原則：

a）墩高H≤35m，選用圓柱式橋墩；

b）墩高H＞35m，選用空心薄壁墩。

3.2 基礎型式選擇

根據橋址處地形、地質情況，對橋墩采用擴大基礎和樁基礎進行工程量比較（見表2）。由于地形復雜，坡面陡峭，除考慮基礎的工程量外，還應考慮基坑開挖對環境的破壞以及開挖和坡面防護工程量。針對原地面的不同坡度，列舉擴基基坑開挖和防護工程量（見表3）。

表2 擴大基礎與樁基礎工程數量對比表

表3 擴基基坑開挖和防護工程數量表

從表3可以看出，當橋址處地面橫坡較陡時，基坑開挖方量和坡面防護工程量較大，不利于生態環境保護。綜上所述，確定墩臺基礎型式的原則如下：

a）對于地勢平坦路段的橋梁，若橋墩計算樁長小于擴基換算樁長，采用樁基礎，反之采用擴大基礎；

b）對于陡坡路段橋梁，當橋址處地面橫坡陡于1∶1.5時，采用樁基礎，當橋址處地面橫坡緩于1∶1.5時，若橋墩計算樁長大于擴基換算樁長，采用擴大基礎，反之采用樁基礎；

c）對于河道內的橋梁，由于項目區內河流具有比降大、流速大、沖刷深的特點，從基礎安全方面考慮，采用樁基礎；

d）符合上述采用擴基的條件，但基坑開挖對自然環境、地表植被造成較大破壞的情況，所以采用樁基礎。

4 跨徑組合比選

橋梁結構型式選擇應高跨比協調，使得橋梁上、下部結構整體造價最低。神府高速設計過程中，針對常規橋梁，應用數理統計原理，對具有典型樣本特征的方案進行經濟比選，達到優選跨徑組合的目的。比選時，上部主要采用20～40m標準跨徑預制箱梁，根據橋址處工程地質特點分區，并以平均墩高H為基礎，劃分典型橋梁樣本進行比較。本文僅以部分樣本舉例說明。

橋梁樣本Ⅰ（10m＜H≤15m）和橋梁樣本Ⅱ（15m＜H≤20m）上部分別采用10m×20m和8m×25m裝配式預應力混凝土連續箱梁，下部采用柱式墩臺和樁基礎。橋梁樣本Ⅲ（15m＜H≤20m）上部分別采用6m×25m和5m×30m裝配式預應力混凝土連續箱梁，下部采用柱式墩臺和樁基礎。上述樣本主要經濟指標分別見表4、表5和表6。

表4 橋梁樣本Ⅰ主要經濟指標比較表

表5 橋梁樣本Ⅱ主要經濟指標比較表

表6 橋梁樣本Ⅲ主要經濟指標比較表

在同等施工條件下，由表4可知，當10m＜H≤15m時，20m和25m跨徑箱梁經濟指標接近；由表5可知，當15m＜H≤20m時，25m跨徑較20m跨徑箱梁經濟性好；由表6可知，當15m＜H≤20m時，25m跨徑較30m跨徑箱梁經濟性好。綜上所述，得出橋梁跨徑組合方案比選結論如下：

a）當10m＜H≤15m時，20m和25m跨徑箱梁經濟指標接近，應結合平曲線半徑、實際橋長、地形條件、施工條件和前后相鄰橋梁的跨徑組合方案等情況綜合比選，確定跨徑組合；

b）當15m＜H≤20m時，25m跨徑較20m和30m跨徑箱梁經濟性好，應優先選用。

5 結語

本文結合實際工程的地形、地質和水文等建設條件，對山區高速公路橋梁的上部結構型式、下部墩臺型式、基礎型式和跨徑組合方面進行分析研究，確定選用原則，并提出基于數理統計原理的跨徑組合比選方法。經過實踐證明，上述原則和方法在山區高速公路設計中，對優選橋梁方案有積極作用，取得了良好的效果，可供同類工程項目借鑒參考。

[1]JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[2]JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].

[3]JTG TF50—2011，公路橋涵施工設計規范[S].