山區(qū)高速公路梁式橋結(jié)構(gòu)體系的選擇

張先忠 趙進(jìn)鋒

（1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州450015；2.中交一公局公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，北京100024）

［欄目責(zé)任編輯 宋先鋒 郵箱cxxf321@sina.com］

橋梁結(jié)構(gòu)作為供公路、城市道路、鐵路、渠道、管線等跨越水體、山谷或彼此間相互跨越的工程構(gòu)筑物，是交通運(yùn)輸中重要的組成部分。工程中常見的橋梁結(jié)構(gòu)體系類型主要有梁式橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋及組合橋梁，每種橋梁類型具有不同的受力形態(tài)，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞方式及其平衡時(shí)的內(nèi)力狀態(tài)等，它是結(jié)構(gòu)體系的內(nèi)核，而相同類型的橋梁結(jié)構(gòu)受力形態(tài)也不盡相同，其影響因素可主要?dú)w納為三個(gè)方面：外部對結(jié)構(gòu)體系的約束，如結(jié)構(gòu)體系是否靜定將決定溫度、支座沉降等對結(jié)構(gòu)體系的影響；結(jié)構(gòu)內(nèi)部主要受力構(gòu)件間的連接（傳力）形式，如梁式橋主梁和橋墩的連接形式將影響結(jié)構(gòu)體系內(nèi)部荷載的傳遞；主要構(gòu)件間的受力分配，如多跨梁式橋中橋墩剛度的不同將影響各墩水平力的分配［1］。

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略實(shí)施以來，新建的高速公路逐漸由東部發(fā)達(dá)地區(qū)向中西部欠發(fā)達(dá)地區(qū)延伸。由于我國地形總體西高東低，西部多山地丘陵，因此在山區(qū)修建的高速公路越來越多，地形、地質(zhì)相應(yīng)也越來越復(fù)雜，隨之而來的是橋梁所占比例越來越大。山區(qū)高速公路橋梁所占比重大，結(jié)構(gòu)體系的選擇對于結(jié)構(gòu)物的安全、經(jīng)濟(jì)、耐久均有較大的影響。

1 山區(qū)高速公路橋梁的特點(diǎn)［2］

1.1 地面高差大，地形、地質(zhì)、水文條件復(fù)雜

山區(qū)公路所經(jīng)地段大多地面高差達(dá)，橫坡陡；巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣層等不良地質(zhì)均有不同程度表現(xiàn)，巖性、巖層風(fēng)化程度差別較大；水系眾多，暴雨、洪水等千差萬別。受此影響，路線布設(shè)時(shí)造成平曲線多，平面半徑小，縱坡較大。由于地形地質(zhì)水文等條件復(fù)雜，導(dǎo)致墩臺形式復(fù)雜多樣。

1.2 橋梁比例高，高墩橋梁較多

由于山區(qū)地形多變，地面線橫坡陡，路線跨越眾多溝壑，如果采用路基方案，除了工程量較大外，其后期的路基沉降及穩(wěn)定性帶來的安全隱患也較大，因此多采用高墩橋梁。山區(qū)高速公路往往在地質(zhì)條件及地形比較復(fù)雜的區(qū)域采用橋梁和隧道結(jié)構(gòu)，其總長占路線長度的比例較大，而在有的區(qū)域橋梁隧道結(jié)構(gòu)占絕大部分。

1.3 橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要性突出

山嶺地區(qū)由于地形比較復(fù)雜，運(yùn)輸條件較差，不便于大型施工設(shè)備的使用，施工條件非常惡劣，加之山區(qū)高速公路，橋梁所占比重較大。因此除了一些特殊區(qū)域受地形條件限制需要采用大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外，一般采用結(jié)構(gòu)形式簡單、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的預(yù)制梁裝配施工。因此，下部結(jié)構(gòu)的安全性、合理性對橋梁的經(jīng)濟(jì)安全起著至關(guān)重要的作用。下部構(gòu)造設(shè)計(jì)主要指橋梁墩臺的設(shè)計(jì)，其中橋墩的設(shè)計(jì)是重中之重。許多工程實(shí)例表明：橋梁下部結(jié)構(gòu)是關(guān)系整座橋梁運(yùn)營質(zhì)量的關(guān)鍵所在，眾多橋梁事故的發(fā)生是由于橋梁墩臺受到損害所致。

2 山區(qū)高速公路橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)［3］

2.1 墩高與跨徑的關(guān)系

橋梁上下部經(jīng)濟(jì)美觀的原則，墩高與跨徑比值一般應(yīng)選擇為0.618～1m之間。因此，對于墩高為12～20m的橋梁，跨徑一般采用20m；墩高18～30m適應(yīng)的橋梁跨徑為30m；40m跨徑的橋梁適應(yīng)的墩高一般為24～40m。由于地形條件的影響使得橋梁墩柱結(jié)構(gòu)高度發(fā)生較大變化時(shí)，可以根據(jù)以上原則采用兩種跨徑組合布跨。

2.2 墩高與墩型的關(guān)系

矮橋墩的設(shè)計(jì)由強(qiáng)度控制，高橋墩由穩(wěn)定控制，墩高不同，應(yīng)采用不同的墩型，以便使橋墩的受力及經(jīng)濟(jì)性達(dá)到最優(yōu)。一般而言，墩高小于45m的橋墩多采用柱式墩，45～55m墩高多采用矩形墩，墩高大于55m，多采用空心薄壁墩。

3 結(jié)構(gòu)體系選擇［4］

梁式橋按上下部結(jié)構(gòu)相互作用的形式分為兩種結(jié)構(gòu)體系：墩梁固結(jié)和墩頂設(shè)支座。

墩梁固結(jié)體系是將主梁與橋墩固結(jié)起來，利用橋墩自身的柔性適應(yīng)上部梁體結(jié)構(gòu)的變形，利用墩梁鋼構(gòu)抵抗車輛沖擊力與制動(dòng)力。

與墩梁固結(jié)體系不同的是，墩頂設(shè)支座的墩身僅承受上構(gòu)傳遞來的軸力、剪力，不承受彎矩。墩梁固結(jié)可以使高墩在豎向偏心壓力的作用下，由一端固結(jié)（基礎(chǔ)端）、另一端自由或鉸接（墩頂端）的構(gòu)件，變?yōu)橐欢斯探Y(jié)、另一端彈性固結(jié)的構(gòu)件，墩梁固結(jié)體系可有效提高墩身的穩(wěn)定性，從而改善整橋的穩(wěn)定性與抗震性能（見表1）。

現(xiàn)行公路橋梁規(guī)范對受壓構(gòu)件的計(jì)算采用極限狀態(tài)法，分別通過引入軸壓穩(wěn)定系數(shù)及偏心距增大系數(shù)來考慮穩(wěn)定性問題。這兩個(gè)系數(shù)均與構(gòu)件的計(jì)算長度有很大的關(guān)系。上表為筆者計(jì)算的常用墩型計(jì)算長度系數(shù)。從中可以看出，由于采用墩梁固結(jié)，橋墩計(jì)算長度系數(shù)可以大大減小。

山區(qū)公路橋梁多為彎、坡、斜橋，受力一般存在彎扭耦合現(xiàn)象，如果采用全連續(xù)結(jié)構(gòu)，即上部梁體通過橡膠支座支撐在下部結(jié)構(gòu)上時(shí)，容易造成梁體受力不平衡，導(dǎo)致支座脫空甚至破壞，使上部梁體受力不利，降低支座的使用壽命。為了克服以上不利因素，將較高的柔性橋墩與主梁固結(jié)起來，利用橋墩的柔性承受主梁傳遞來的水平推力，在剛度較大的橋臺或受力不利的邊墩設(shè)置縱向滑動(dòng)支座，這樣的剛構(gòu)-連續(xù)組合體系使高墩、矮墩的受力性能都得到了改善。

4 工程實(shí)例

冉家壩大橋?yàn)橹貞c萬州至湖北利川高速公路（重慶段）WL05合同段的一座橋梁，該橋位于重慶市萬州區(qū)長灘鎮(zhèn)長灘村，大橋跨越磨刀溪和二道河，橋位區(qū)最低點(diǎn)磨刀溪河床底部，地面高程233.16m，橋位區(qū)最高點(diǎn)位于萬州岸橋臺318國道邊坡頂部，高程為326.24m，相對高差93.08m。橋位區(qū)河谷平面形態(tài)呈“U”形，河床寬63.5m左右，水面寬度約18～42m，水深約0.5～2m。溝谷兩側(cè)斜坡有基巖出露，溝底上層為卵石土，下層為基巖。基巖主要為中風(fēng)化砂巖，巖體較完整。結(jié)合本橋地形地質(zhì)條件及橋梁高度，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用30m、35m、40m預(yù)應(yīng)力砼（后張）T梁，下部結(jié)構(gòu)根據(jù)墩高不同分別采用柱式墩、矩形墩及空心薄壁墩。

表1 常用墩型的計(jì)算長度系數(shù)

圖1 冉家壩大橋右幅第三聯(lián)橋型布置圖（單位：cm）

表2 方案一墩底計(jì)算結(jié)果

表3 方案二墩底計(jì)算結(jié)果

橋梁的結(jié)構(gòu)體系選擇對下部結(jié)構(gòu)的剛度分配、穩(wěn)定性等都有較大的影響。以最有代表性的右幅第三聯(lián)為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系分析。該聯(lián)橋墩高差較大，柱式墩、矩形墩及空心薄壁墩均有出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)體系有兩種備選方案：

方案一：采用剛構(gòu)-連續(xù)體系，即8、9、10號墩采用墩梁固結(jié)，7、11號墩采用支座。

方案二：全橋墩頂設(shè)支座。

該聯(lián)下部結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如下：

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，由于方案一8～10號墩采用墩梁固結(jié)，橋墩的計(jì)算長度有較大幅度的降低，因此與方案二采用支座方式相比，各墩的安全儲備均有較大幅度的提高。

5 結(jié)語

與普通連續(xù)梁相比，主墩無支座，施工方便，連續(xù)鋼構(gòu)一般采用懸臂施工，合攏時(shí)不需體系轉(zhuǎn)換，由于墩梁固結(jié)，墩柱的計(jì)算長度減小，可以有效增大結(jié)構(gòu)的安全儲備；或者可以減小墩身截面，降低配筋率，達(dá)到節(jié)約材料而不降低結(jié)構(gòu)安全儲備的目的。墩梁固結(jié)體系能有效減小主梁跨中正彎矩，對于柔性墩順橋向抗推剛度小，能有效減小溫度、混凝土收縮徐變等次內(nèi)力的影響，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能同時(shí)，墩梁固結(jié)減少了支座，也避免了運(yùn)營階段支座更換的工作量。

［1］項(xiàng)海帆，等.橋梁概念設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］許璐.山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［3］蘇榮耀，華少良.山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)［J］.建材與裝飾，2010（2）：168-169.

［4］李凌夏，林杰，覃芳銘.墩梁固結(jié)法在山區(qū)橋梁的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2008（5）：64-67，71.

［5］廖朝華，等.墩臺與基礎(chǔ)（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2013.