山區高速公路橋梁設計方案比選分析

楊長諾

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

0 引言

山區公路橋梁工程建設中,由于地勢險峻,地質條件差,導致設計工作難度較大。有些山區公路橋梁需要穿越復雜地形,為了滿足車輛行駛需求,通常采用增加高墩及縱坡設計的方案。但這種設計方案與普通公路橋梁相比,受力情況存在較大差異,不僅增加了現場施工難度,還可能影響工程的使用質量及壽命。

以某山區公路橋梁工程項目為例,分析了此類工程設計要點。此橋梁設計洪水頻率為特大橋1/300,大、中橋1/100,安全等級為一級。橋梁采用整體式路基橋梁橫斷面布置,路基標準寬度25.5 m,橋梁分幅設置,橫斷面為0.525 m(防撞護欄)+11.475 m(行車道)+0.525 m(防撞護欄)+0.45 m(分隔帶)+0.525 m (防撞護欄)+11.475 m(行車道)+0.525 m(防撞護欄)=25.5 m。

1 方案選擇

選擇橋型方案時,以“安全、耐久、適用、環保、經濟及美觀”為原則。項目地形呈黃土丘陵溝壑地貌,地表起伏較大,需跨越溝谷及河流。但該區域溝谷多為季節性沖溝,匯水面積較小,大部分時間內無水流,只在暴雨時才會有洪水且河流無通航要求。一般路段采用標準跨徑橋梁設計,確定跨徑時,結合線位地形及地質條件進行比選。如果跨徑過小,將導致橋墩過多,樁基無法充分利用較好的中下層土層,造成下部結構浪費。如果跨徑過大,將增加上部結構的工程量,下部橋墩承受過大力,要增加樁長,導致下部總工程量與中等跨徑相比失去造價上的優勢。經綜合比選得出,中小跨徑橋梁更為經濟有效。當墩高不超過40 m時,選擇30 m跨徑更為經濟。當墩高超過40 m時,則選用40 m跨徑更為經濟。

1.1 上部結構選型

我國公路常用的標準跨徑預制結構形式包括預應力混凝土T梁、預應力混凝土小箱梁及預應力混凝土空心板等,特殊節點處可采用現澆混凝土箱梁或鋼結構箱梁等上部結構形式。

1.1.1 預制混凝土梁

預應力混凝土T梁是一種廣泛使用的預制結構形式,具有成熟的設計及施工經驗,適用于較大跨度的橋梁,最大跨徑可達50 m左右,可在工廠及施工現場進行預制。該結構形式具有綜合造價經濟、施工方便、工藝成熟等優點。單片梁體重量輕,便于吊裝,對施工及吊裝設備的要求較低,對橋梁變寬段的適應性較強。但預應力混凝土T梁的橋梁建筑高度較高,橫向整體性稍差,梁之間的布置比較密集,景觀性較差。預應力混凝土T梁在橋梁工程中具有諸多優點,如跨度范圍廣、施工方便及造價經濟等,但在橫向整體性及景觀性方面存在一些限制。要選擇適合的上部結構形式,需綜合考慮工程要求、技術條件及景觀效果等因素,確保選擇最合適的方案[1]。

預應力混凝土小箱梁是一種結構簡單、設計及施工經驗成熟的預制結構形式,具有低經濟指標、較大的結構剛度及良好的抗扭性能。該梁的高度適中,可以在工廠或施工現場進行預制。斜腹板形式的截面設計令其線形美觀、協調,通常適用于跨度為25～40 m、高跨比約為1/15～1/20的工程中。安裝時,待梁體吊裝就位后再進行濕接頭混凝土澆注,以形成整體結構。這種結構形式具有適中的經濟指標,但小箱梁在變寬段的適應性較差,相同跨度下單片梁的吊裝重量增加較多,對運輸及吊裝設備要求較高。

1.1.2 現澆混凝土梁

現澆混凝土梁常采用單箱單寬或單箱多室結構,具有線形簡捷、美觀等特點。該梁結構受力合理,剛度大,連續箱梁一聯長度可達100 m,行車舒適性良好。對橋面變寬有較強的適應能力,能夠實現豐富的斷面外形,故對于異型段或位于小半徑曲線段上的橋梁,適用能力較強。中小跨連續梁通常采用滿堂支架澆筑,對施工設備的要求較低,設計及施工技術成熟。但現場澆筑需要較長的施工周期,會對地面交通造成一定的影響。對于曲線半徑較小的匝道橋且橋下沒有重要道路或交通流量較低時,可采用現澆混凝土箱梁作為合適的結構形式[2]。

1.1.3 鋼箱梁

鋼箱梁的結構設計獨特,外觀簡潔美觀,常采用單箱單室或多箱多室結構,具有自重輕、承載能力強、建筑高度低及對凈空影響小等特點。鋼箱梁的截面形式采用空心閉合結構,在相同材料及數量情況下能夠提供較大的抗彎及抗扭剛度,適用于曲線橋及承受較大偏心荷載的直線橋。

鋼箱梁常采用正交異性鋼橋面板及薄鋼板作梁肋的結構形式,能夠有效發揮鋼板的承載能力。梁構件通常在工廠預制成大型安裝單元,可有效減少現場連接螺栓或焊接數量。安裝時可以采用吊裝、縱向拖拉或頂推法,安裝速度較快。但鋼箱梁整體結構需要較大的鋼材用量,養護費用較高,鋼橋面板的疲勞問題仍需進一步研究。

當跨徑較大或要求不影響交通且橋梁所處交通等級較高時,鋼箱梁結構是一種適宜的選擇,能夠滿足高標準的橋梁結構性能及安全要求,施工過程對交通干擾較小。

1.2 下部結構選型

橋墩的選擇應基于強度及穩定性要求,考慮梁部形式、占地情況、河流溝渠、道路通視及周圍環境等因素。通過精心設計協調實現上下部結構的一致性,令橋梁輕盈、美觀,與周圍環境相融合[3]。

1.2.1 墩高40 m 以下的墩柱比選

本項目橋址區地層情況較好,主要為中風化砂巖,埋深約為20 m。在這種情況下,單樁設計在高度40 m以內的橋墩更加省材料,具備較強的承載能力及穩定性,橋墩設計更纖細,可高效利用材料,提供良好的橋下通透性,充分利用空間。對于整幅路基橋梁寬度為25.5 m的設計要求,橋梁設置可選擇整幅或分幅。根據橫向寬度考慮采用分離式雙柱墩、整體式三柱墩或整體式雙柱墩等墩型。具體的墩型選擇需綜合考慮地形條件、結構受力情況、經濟性等因素,以確定最合適的墩型方案。在施工方便性及經濟性方面,采用樁接柱形式的下部結構具有明顯的優勢,通過充分考慮地層情況及結構需求,設計出穩定、高效、經濟的橋梁結構。

1)地形條件。在相同條件下,分幅雙柱墩的雙柱之間的高差會明顯減少。相比整體三柱墩及整體雙柱墩,分幅雙柱墩具有受力均勻明確的特點。通常情況下,分幅雙柱墩的蓋梁不需要加寬或施加預應力,可簡化施工流程,令施工更加便捷、迅速。此外,分幅雙柱墩的施工難度也大大降低,具有較好的經濟性。故推薦采用分離式雙柱墩作為設計方案,在局部受到既有道路、河道邊坡、構筑物等限制的位置,可以考慮采用多柱框架墩。這種墩型可根據具體情況靈活調整柱的數量及布置,以適應限制條件并確保結構的穩定性。

2)結構受力。分離式蓋梁框架雙圓柱墩適用于本項目,其柱距較小,采用鋼筋混凝土結構,受力明確,能更好地適應平曲線等情況。蓋梁的橫坡設置相對簡單,一般情況下不需要加寬,施工操作簡便[4]。相比之下,整體三柱式墩的受力較為復雜,蓋梁承受的力較大,樁基受力不均,在一般平曲線半徑下需要加寬。而整體雙柱式墩由于柱距較大,需要設置預應力鋼束并進行二次張拉,施工周期較長且施工難度大。此外,在地面橫坡較陡地方,整體式墩柱之間的高差較大,適應性較差。

從經濟性的角度考慮,分離式蓋梁框架雙圓柱墩采用鋼筋混凝土結構,在公路建設中具有一定的優勢?？紤]到本橋項目的特點及要求,當橋墩高度小于40 m時,推薦采用分離式蓋梁框架雙圓柱墩作為下部結構。

1.2.2 墩高40 m 以上的墩柱比選

當橋墩高度超過40 m時,結構尺寸變得較大,墩柱與基礎受力也增加。常規的單樁結構往往不能滿足受力要求,通常需要使用群樁基礎來提供足夠的承載力。但使用階梯形的圓柱墩的做法較為少見,雖然可以節約材料,但在同一橋位需要不同類型的模板,導致施工成本增加,降低施工效率[5]。相比之下,采用在高度方向統一截面的大直徑圓柱形橋墩與矩形空心墩相比,截面利用率較低。故在高度超過40 m以上的橋墩設計中使用矩形截面可以降低成本。

本橋的單幅橋寬只有12.75 m,當墩高達到40 m以上時,可以考慮采用整體的矩形單柱墩或分離的雙柱墩作為設計方案。相較而言,雙柱墩雖然在與整體單柱墩相比能稍微節省混凝土材料,但由于高墩本身結構尺寸較大,這種優勢并不是非常明顯,且雙柱墩的配筋率較高,需要使用大量的施工模板,施工速度相對較慢。故針對這種寬度較窄的單幅橋(僅12.75 m)設置整體矩形單柱墩更具技術及經濟優勢。當墩高達到40 m以上時,墩柱結構形式比選參考表1、表2。

表1 墩高40～75 m的墩柱結構形式比較

表2 墩高40～75 m的墩柱雙柱與整體單柱墩比較

對于單幅橋寬為12.75 m的情況,可根據橋墩高度范圍來選擇合適的橋墩形式。當橋墩高度在40 m以下時,推薦采用雙柱等截面的圓柱形橋墩;當橋墩高度在40～75 m時,建議采用整體等截面的單柱矩形墩。為了減輕自重并合理利用截面,矩形墩可以采用空心薄壁墩的形式。

1.3 橋臺設計

在橋臺設計中需綜合考慮地形及地質條件,通常采用以下幾種類型:樁柱式臺、肋板式橋臺及重力式U型橋臺等。具體選擇取決于地質條件及填土高度等因素[2]。當地質條件較差或基巖埋深較深時,如果橋臺的填土高度為5 m且地質情況允許,可以采用柱式臺或U型臺。當填土高度在5～8 m時,可根據地質情況使用U型臺或肋板式臺設計。當填土高度超過8 m時,一般采用肋板式臺,但填土高度不宜超過12 m。這樣的設計考慮了地質情況及填土高度的影響,在保證結構穩定性的前提下選擇了適合的橋臺類型。

2 綜合比選

對于30 m跨徑,采用預制裝配式預應力小箱梁橋設計方案。利用預應力技術,在制造階段將構件預制好并進行裝配,在施工現場進行安裝,提高施工效率,減少對現場施工的影響。對于40 m跨徑,選擇預制裝配式預應力T梁橋設計方案。利用預應力技術,通過預制裝配及現場安裝來完成橋梁建造。此方案適用于墩高較高的情況,可提供更好的結構性能及強度。

對于30 m跨徑的橋梁,根據橋墩高度的不同采用不同的橋墩類型。當橋墩高度低于25 m時,采用柱式橋墩?？赏ㄟ^單排樁的形式支撐橋墩,柱徑選擇1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m,基礎直徑一般選擇1.6 m、1.8 m、2.0 m。對于40m跨度的橋梁,根據橋墩高度的不同考慮以下設計方案:當橋墩高度低于20 m時,采用柱式橋墩,其高度適用于較低的橋墩要求。當橋墩高度大于20 m且小于40 m時,采用橋墩接承臺的 結構形式,通過雙排樁來支撐。柱式橋墩的上部連接承臺,承臺則通過兩排樁與地面相連,形成更穩定的支撐結構。當橋墩高度在40～75 m時,采用矩形薄壁空心墩。矩形薄壁空心墩在橋墩高度較高的情況下可以提供足夠的強度及穩定性。墩的主要直徑可根據具體需求選擇1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m,樁基直徑一般采用1.6 m、1.8 m、2.0 m。

3 結束語

橋梁總體設計中,橋型方案比選是關鍵步驟。需綜合考慮工程方案的技術可行性及經濟合理性,掌握橋梁建設理論,積累實踐經驗,深入分析,制定出合理的橋梁設計方案,滿足山區高速公路建設的發展要求。