沿河山區重載道路橋梁設計探討

鄒雨亭,張 鄒,牛晉濤

(廣西交通設計集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

天峨縣云林大道舊路沿著紅水河東岸布設,原為1997年修建砂石縣道,2000—2001年改建為國道G243二級公路,路基寬為8.5 m。途經區域為城鎮居民住宅地、學校等,是天峨縣峨里片區、工業集中區、城南新區的主要連接通道,同時承擔著境內龍灘水電站機組大件設備運輸的功能。隨著示范新城的逐步形成以及未來天巴高速公路、南天高速公路的建成通車,云林大道作為天峨縣最重要的南北向交通通道之一,現有道路狀況已不能滿足人們的交通出行需求,亟須對現狀舊路進行提質改造。云林大道改擴建工程路線全長3.2 km,道路等級按城市主干路設計,設計時速為40 km/h。道路西側傍河,東側臨山及商鋪,受紅水河河道管理線及拆遷因素限制,該項目改擴建空間狹小,線位只能沿著舊路展開,沿線避讓住宅、紅水河河道管理線及現有構筑物,設計中必須綜合考慮地形、地質情況,確定橋梁結構體系,布置橋跨及橋跨布置,同時處理好與舊構筑物的關系。

1 橋梁布孔及橋型方案

云林大道橋梁布孔項目充分考慮所在地依山傍水的特點,以安全、經濟、適用、美觀和環境保護為原則,在確保安全的前提下,降低造價。結合地形地貌、材料來源、施工難易程度及運營養護成本,該項目上部構造采用施工快、整體造價低的裝配式先簡支后連續預應力混凝土小箱梁進行設計。橋梁布孔時,不追求大跨徑,應注意跨高比的選擇,避免出現下部結構過多造成結構比例的失調及造價的增加;同時應注意避讓現有構筑物,避免沒有必要的改遷。云林大道為單向陡坡地形[1],靠近紅水河一側的橫向坡度較大,且為松散的堆填土,流水侵蝕嚴重,臨街一側為現狀舊路,若采用橋梁方案進行加寬的話,勢必形成“半路半橋”,因此,利用老路路基,在其外側采用橋梁進行加寬,同時在路橋結合部新建擋土墻以完成路與橋的銜接。該做法在目前山區道路的設計當中也經常被采用,所不同的是,該項目無中央分隔帶,只能將分隔縫設置于路線中心線處或行車道中心附近。

2 橋梁與路基方案比選

該項目橋高受龍灘水電站五十年一遇水位影響,但不控制設計,橋面高程結合路線需要設計,對于單向陡坡地形采用何種方式加寬路基是本項目的一個技術難點。目前,國內道路加寬的主要方式概括起來主要包括以下幾種方式[2-3]:(1)常規挖填方式拓寬;(2)支擋結構方式拓寬;(3)半路半橋方式拓寬;(4)懸挑結構拓寬。

為此,綜合地形、地質、施工難易程度及安全性等因素,對半路半橋方案與路基支擋結構方案進行了對比分析。

2.1 方案一:路基支擋結構方案

樁板式擋土墻是由錨固樁發展而來的,其錨固段必須設置在穩定的地層中。受力機理是利用樁基深度范圍內的被動土壓力平衡滑坡形態時的滑坡下滑力(邊坡預加固時,為樁后主動土壓力),保證路基的穩定。

在樁板式擋土墻方案中,為方便施工,樁截面選用圓形截面,樁徑為2 m,樁間距為5 m,樁間設置鋼筋混凝土預制擋土板,樁身及擋土板均采用C30混凝土。其典型斷面如圖1所示。

圖1 樁板式擋土墻方案斷面圖(cm)

2.2 方案二:半路半橋方案

對于陡坡路段的路基加寬,采用半路半橋路基拼寬方式也是一種較為常見的處理手段。其在施工橋梁時基本不影響老路交通,對老路邊坡的擾動很小。需要特別注意的是,新建橋梁與老路路基之間的縱縫位置及處理是本項目需要關注的一個重要問題。

半路板橋方案中,上部結構采用20 m跨裝配式預應力混凝土小箱梁,下部結構采用柱式臺、肋板臺及U臺,采用獨柱墩還是雙柱墩視加寬寬度而定,在路基與橋梁銜接處設置衡重式擋土墻,為避免車輪的反復碾壓,分隔縫設置于路線中心線處或行車道中心附近。其典型斷面如圖2所示。

圖2 半路半橋方案斷面圖(cm)

2.3 經濟效益比較

以K0+200～K0+580段為例,現狀道路在該段落右幅設置有人行框架結構,路線左幅為商鋪,右幅為紅水河,采用方案一的概算為976萬元;而方案二的概算為864萬元,故方案二半路半橋方案優勢更大。

3 上部結構的設計

為保證行車舒適性,橋梁上部結構體系一般均采用連續體系,結合地形地貌、材料來源、施工難易程度及運營養護成本,該項目上部構造采用施工快、整體造價低的裝配式先簡支后連續預應力混凝土小箱梁進行設計[4-5]。考慮到云林大道路線圓曲線最小半徑為350 m,為將內、外邊梁梁長差控制在<1 m,橋梁跨徑選用20 m跨,一聯長度控制在<100 m,以控制車輛單向行駛在主梁梁端產生的累積位移。因該項目承擔著境內龍灘水電站機組大件設備運輸的功能,舊路橋梁汽車荷載采用龍灘水電站提供的汽-40汽車車隊,并以平板掛車-400進行驗算。本次設計驗算采用《城市橋梁設計規范(2019年版)》(CJJ11-2011)[6]附錄A“特種平板掛車-420”,其縱、橫向布置如圖3所示。

圖3 特種平板掛車-420縱向排列及橫向布置示意圖(m)

為此,采用Midas 軟件建立4×20 m跨全橋模型,在主梁結構的定位點、支撐點、截面構造尺寸變化處以及控制截面處設置節點,并建立施工階段模擬橋梁架設及橋面系施工過程。主梁采用梁單元模擬,支座采用一般支撐,橋梁離散后共計94個單元,95個節點,永久作用僅計箱梁自重、橋面系恒載及混凝土收縮、徐變,可變作用僅考慮汽車荷載,不考慮溫度作用,采用程序內自定義的車輛荷載模擬掛車-420縱向排列。施工階段劃分如表1所示,模型如圖4所示。

表1 施工階段劃分表

圖4 計算模型圖

需要說明的是,本次計算僅取單片邊梁為研究對象,中梁計算類似。因此,建模前需先計算橋梁橫向分布系數,然后手動輸入到Midas軟件程序中。橫向分布系數首先采用剛接板梁法得到梁片處的影響線,然后再在影響線上按下頁圖5最不利布載方式加載,從而得到橫向分布系數。計算過程采用橋梁博士V4軟件進行,橫向分布系數計算結果如表2所示。

表2 橫向分布系數計算結果表

圖5 掛車-420橫向布置圖(cm)

3.1 持久狀況承載能力極限狀態驗算

根據《城市橋梁設計規范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,“基本組合中結構重要性系數應為γ0=1”及“當采用特種荷載驗算時,不計沖擊、不同時計入人群和非機動車荷載”,對荷載組合中的系數進行手動調整以后,得到截面抗彎及抗剪能力驗算結果如圖6、圖7所示。計算結果表明:作用組合效應值均小于結構抗力,滿足規范要求。

圖6 正截面抗彎承載能力驗算結果曲線圖

圖7 斜截面抗剪承載能力驗算結果曲線圖

3.2 持久狀況正常使用極限狀態驗算

根據《城市橋梁設計規范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,如圖8所示,結構斜截面主拉應力σtp=2.1 MPa≤上限值0.9ftk=2.385 MPa,滿足規范要求。

圖8 結構斜截面主拉應力驗算結果曲線圖

根據《城市橋梁設計規范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,如圖9所示,結構斜截面主壓應力σcp=15.33 MPa≤上限值0.65fck=21.06 MPa,滿足規范要求。

圖9 結構斜截面主壓應力驗算結果曲線圖

根據《城市橋梁設計規范(2019年版)》(CJJ11-2011)附錄A中第A.0.3條,如圖10所示,結構正截面最大壓應力σpt+σkc=15.35 MPa≤上限值0.6fck=19.44 MPa,滿足規范要求。

圖10 結構正截面法向壓應力驗算結果曲線圖

綜上所述,該項目所采用的上部構造可承載掛車-420的行駛。需要注意的是,本計算汽車荷載為偏載,得到的計算結果偏保守,實際運輸過程中應該要求車輛居中行駛,對結構更有利。

4 下部結構的設計

云林大道地面縱向起伏較小,主要是橫坡較陡,橋臺盡可能伸入挖方,以防止橋臺溜坡困難[7],必要時可采取加大跨徑的措施,雖然在經濟上有所浪費,但是提升了安全性。本項目橋臺設計采用了U型橋臺、樁柱臺、肋板式橋臺等,樁基礎或擴大基礎。對于U臺接樁基的橋臺形式,可適當將承臺抬高,既可以降低橋臺的高度,降低側墻開裂的風險,也可以減少對原地面的開挖,盡量少擾動原狀土,確保地基的穩定,特別是在山區,應該引起足夠的重視。文獻[8]指出,U臺適應填土高度為4～10 m,對于U臺擴大基礎的橋臺形式,將基礎劃分為若干段臺階型以順應地形的變化,減少開挖和圬工量。另外,當縱、橫向地形較陡,放坡困難時,采用U型橋臺的一個優點是可以與臺后擋墻自然銜接。對于肋板式橋臺,肋板臺身高度控制在<6 m,臺后填土控制在<12 m,承臺置于壓實填土之上。對于樁柱臺,由于抗推剛度小,臺后填土高度控制在<6 m。該項目橋墩因墩高較矮(H<25 m),設計采用了構件簡單的圓柱式墩,位于陡坡上的橋墩,將墩柱與樁基合二為一,便于施工。

位于陡坡路段的樁基,需要特別注意,文獻[1]指出應該考慮陡坡坡率及潛在滑動體對樁身豎向承載力的影響。同時,相關研究[9]指出,樁身距坡面水平距離小于2倍樁徑時,不應考慮摩阻力;距離小于4.5倍樁徑時,應折減摩阻力。該項目樁基既有塹巖樁又有摩擦樁,根據地勘報告,沿線地層為第四系人工堆積層(Q4ml)素填土、沖洪積層(Q4al+pl)粉質黏土、殘積層(Q4el)粉質黏土,下伏基巖為三疊系中統(T2)泥質粉砂巖。中風化完整基巖飽和單軸抗壓強度frk達到了20 MPa,采用塹巖樁設計時考慮摩阻力對計算結果影響較小,而對于摩擦樁樁長計算時應考慮潛在滑動面以上土體的影響。

5 路橋結合部的設計

對于半路半橋處路基與橋梁搭接處分隔縫的處理,國內橋梁經常是將縱縫置于中央分隔帶或側分帶中來處理[10],但本項目并未設置類似分隔設施。文獻[7]提出了一種在國外應用較廣的Britflex系列縱向伸縮縫構造,但造價太高,在國內未推廣。基于此,本文提出以下處理思路,供今后類似項目參考:

(1)路基與橋梁之間設置衡重式擋土墻,并留2 cm的結構縫。

(2)橋面10 cm厚C50混凝土調平層延伸至道路設計中心線,跨越路基與擋墻之間的結構縫,在分縫處增設附加鋼筋進行補強,同時在瀝青上、中面層分別設置一道玻纖格柵。

(3)右半幅路面結構層采用剛性路面,即在10 cm厚C50混凝土調平層下設40 cm厚C35鋼筋混凝土板,一側擱置于擋墻頂,以消除路基沉降造成的瀝青路面反射裂縫。

(4)左半幅路面結構層同正常路段,同時在道路中心線處瀝青上、中面層再分別設置一道玻纖格柵。

路基與橋梁縱縫處理如圖11所示。

圖11 路基與橋梁縱縫處理典型橫斷面圖(cm)

經計算,主梁在城-A級車道荷載作用下,最大的豎向撓曲變形僅為7 mm,如圖12所示。而老路已運行20余年,其沉降已趨于穩定,因此,路基與橋梁之間7 mm的相對變形可忽略不計。在分縫處通過構造措施,如在調平層內增設補強鋼筋、增設玻纖格柵以避免路面出現反射裂縫。施工時,應先施工擋墻,為避免放坡開挖,減少對老路路基的擾動,考慮在老路外邊緣插打鋼板樁進行臨時防護,然后再采用旋挖鉆施工樁基。設計時注意考慮擋墻與樁基之間的安全距離,必要時適當調整樁基的位置,最后再施工蓋梁、上部結構及橋面系,通過合理的施工順序確保項目的正常運轉。

圖12 城-A級車道荷載作用下主梁豎向位移云圖

6 結語

本文探討了山區道路路基加寬方式,介紹了橋梁上、下部構造設計需要注意的問題,提出了重載作用下橋梁上部構造驗算的內容和方法,并提出了一種新的路基與橋梁縱縫的處理思路,為今后類似項目的設計提供技術參考。