山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計要點及優(yōu)化措施分析

摘""要：在山區(qū)高速公路橋梁的設(shè)計過程中，設(shè)計者要貫徹因地制宜的原則，考慮山區(qū)高速公路橋梁的耐久性要求，選擇科學合適的設(shè)計方案，保障施工質(zhì)量。通過從橋型選擇、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計、下部結(jié)構(gòu)設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計、排水設(shè)計等方面，系統(tǒng)性分析了橋梁結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計方法，并提出山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計方案的優(yōu)化措施，包括減隔震設(shè)計、抗風設(shè)計、特殊路段設(shè)計。旨在不斷健全山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計體系，發(fā)揮工程設(shè)計方案的指導作用。

關(guān)鍵詞：山區(qū)""高速公路""橋梁設(shè)計""優(yōu)化措施""橋型選擇

中圖分類號：U442.5

Key"Points"and"Optimization"Measures"for"Bridge"Design"of"Mountainous"Highways

XU"Yunfei

Huaxin"Design"Group"Co.，"Ltd.，"Wuxi，"Jiangsu"Province，"214072"China

Abstract：In"the"design"process"of"mountainous"highway"bridges，"designers"should"implement"the"principle"of"adapting"to"local"conditions，"consider"the"durability"requirements"of"mountainous"highway"bridges，"select"scientifically"suitable"design"schemes，"and"ensure"construction"quality."By"systematically"analyzing"the"design"methods"of"bridge"structural"systems"from"the"aspects"of"bridge"type"selection，"upper"structure"design，"lower"structure"design，"foundation"design，"drainage"design，"etc."Optimization"measures"for"bridge"design"schemes"of"mountainous"highways"are"proposed，"including"seismic"isolation"design，"wind"resistance"design，"and"special"section"design."It"aims"to"continuously"improve"the"bridge"design"system"of"mountainous"highways"and"give"full"play"to"the"guiding"role"of"engineering"design"schemes.

Key"Words："Mountainous"areas;"Expressway;"Bridge"design;"Optimization"measures;"Bridge"type"selection

山區(qū)高速公路橋梁存在水文地質(zhì)條件復雜、平曲線較多、結(jié)構(gòu)體系復雜的主要問題，對設(shè)計成果質(zhì)量提出嚴格要求，常規(guī)設(shè)計體系缺乏適用性，橋梁結(jié)構(gòu)使用性能與交通行車安全充滿不確定性。結(jié)合山區(qū)特殊環(huán)境條件，要進行科學規(guī)劃，整合相應的設(shè)計數(shù)據(jù)，將耐久性和安全性設(shè)計原則融合到不同的設(shè)計階段，使設(shè)計方案更加科學可靠，為后續(xù)山區(qū)高速公路橋梁的建設(shè)、人民群眾出行安全系數(shù)的提高提供重要指導。

1""山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計要點

1.1""橋型選擇

橋型選擇環(huán)節(jié)，提前收集巖土勘察報告，將其作為橋梁類型選擇的重要依據(jù)，根據(jù)工程場地水文地質(zhì)條件、地形地貌特征選擇最佳橋型。例如：對于地處高地震烈度的山區(qū)高速公路中小跨徑橋梁，可選擇預應力混凝土連續(xù)板梁、預應力混凝土連續(xù)箱梁、預應力混凝土連續(xù)T梁3種橋型。其中，預應力混凝土連續(xù)板梁選擇板墩固結(jié)連續(xù)剛構(gòu)方式，使用薄壁實心板墩當作下部結(jié)構(gòu)，于橋臺位置留設(shè)伸縮縫。預應力混凝土連續(xù)箱梁采取單箱單室截面型式，連續(xù)布置箱梁，并于橋臺部位留設(shè)伸縮縫。而預應力混凝土連續(xù)T梁同樣采取連續(xù)梁體系與一聯(lián)連續(xù)設(shè)計方式，并于橋臺位置留設(shè)伸縮縫"[1]。相比之下，預應力連續(xù)板梁采取連續(xù)剛構(gòu)體系，有著自重輕、施工難易程度適中、抗震性能好、造價低廉、養(yǎng)護成本低廉的優(yōu)勢，設(shè)計技術(shù)水平要求嚴格。預應力連續(xù)箱梁采取連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，有著橋梁自重大、現(xiàn)場施工難度系數(shù)高、抗震性能差、造價高與支座數(shù)量多的特點。預應力連續(xù)T梁采取連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，有著橋梁結(jié)構(gòu)重量相對較小、易于施工、抗震性能差、支座數(shù)量多與造價成本高昂的局限性，但設(shè)計技術(shù)水平要求寬泛。通常情況下，優(yōu)先采取預應力連續(xù)板梁類型，這類形式具有良好的抗震和抗風優(yōu)勢，在山區(qū)地區(qū)應用廣泛。

1.2""上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

在山區(qū)高速公路橋梁工程，橋梁以常見跨徑為主，中型與小型橋梁跨徑在6～16"m不等，大型橋梁跨徑在16～50"m不等，結(jié)構(gòu)形式包括空心板、預制小箱梁、預制T梁等。正常情況下，橋梁跨徑不足20"m時，推薦選擇預制矮T梁作為結(jié)構(gòu)形式，空心板橋梁容易出現(xiàn)各類質(zhì)量病害，如單塊板過度受力而在板底部位形成裂縫。橋梁跨徑處于25～35"m區(qū)間時，推薦選取小箱梁的結(jié)構(gòu)形式，有著易于施工、成本低廉的優(yōu)勢。橋梁跨徑為40"m和50"m時，則選用T梁截面，用于改善橋梁受力特性。部分山區(qū)高速公路橋梁的橋墩高度在70"m以內(nèi)，可以選擇預制T梁和小箱梁兩種形式。其中，T梁是常用的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計特點是上部結(jié)構(gòu)高度較高；小箱梁有著剛性與扭轉(zhuǎn)性能好的特點，如果橋梁寬度大于30"m，推薦采取T梁，以此改善現(xiàn)場施工條件，解決構(gòu)件不易運輸?shù)跹b的施工難題[2]。

1.3""下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

下部結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)，重點掌握橋墩、橋臺兩部分的設(shè)計方法。對于橋墩部分，多數(shù)橋梁工程的橋墩高度不超過40"m主要采取柱式墩和薄壁墩，柱式墩細分為圓柱、方柱兩種類型，前者有著質(zhì)量可控性強、樁基連接效果好的優(yōu)點，有著棱角分明、抗彎剛度大與調(diào)整墩柱受力狀況的優(yōu)點。如果橋墩高度大于40"m，重點分析橋墩穩(wěn)定性，以偏心受壓柱為例，橋墩構(gòu)件長細比控制在30以內(nèi)，構(gòu)件長細比和剛度呈反比關(guān)系。正常情況下，采取圓柱墩的墩柱形式，墩高超過15"m時必須設(shè)置間距為12～15"m的柱間系梁，墩高不足7"m時選擇性設(shè)置柱間系梁。對于橋臺部分，主要分為重力式U型臺、樁柱式橋臺、肋式臺等形式，合理設(shè)定臺后填土范圍等設(shè)計參數(shù)。例如：重力式U型橋臺適用于地質(zhì)條件穩(wěn)定的橋梁工程，把填土高度控制在8"m以內(nèi)，填土范圍控制為4～10"m，橋臺高度盡量保持在10"m以內(nèi)，合理分配臺階。樁柱式橋臺適用于跨徑較小的橋梁工程，有著抗推剛度小的特征，要求橋頭填土高度不超過5.0"m，聯(lián)長控制在150"m以內(nèi)。

1.4""基礎(chǔ)設(shè)計

1.4.1""基礎(chǔ)擴大

根據(jù)表層地質(zhì)天然地基的承載能力，選擇性擴大基礎(chǔ)尺寸，基礎(chǔ)尺寸越大，承載能力越強，擴大后的基底應力還應預留一定程度的安全冗余，負責應對橋梁改擴建、上部交通荷載增加等問題，要求基底應力富余量保持在5%～10%區(qū)間。還應重點考慮墩臺擴大基礎(chǔ)埋深問題，既要滿足非巖石河床墩臺基底部埋深安全值，也要滿足現(xiàn)場分布特殊地基時的基底埋置深度要求。例如：橋梁墩臺擴大基礎(chǔ)地處縱橫橋向地形陡峭區(qū)域時，必須滿足H≥3dtanβ公式要求，H是擴大基礎(chǔ)埋設(shè)深度，d是擴大基礎(chǔ)直徑或是寬度，β是坡度[3]。

1.4.2""樁基類型選擇

樁基類型包括摩擦樁、端承樁等，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件進行選擇。例如：山區(qū)高速公路橋梁基礎(chǔ)覆蓋土層厚度較大，或是基巖深度較大的情況下，推薦采取摩擦樁，綜合分析樁端截面面積、樁側(cè)摩阻力、樁身長度等信息，確定單樁軸向受壓承載力特征值。還應額外分析濕陷性黃土、地下水位變動所引起的負摩阻力問題，確定樁基失效覆蓋層厚度。

1.5""排水設(shè)計

為長期保持橋面干燥狀態(tài)，避免因橋面匯聚積水而導致過往車輛失控打滑、形成交通安全隱患，須在橋梁設(shè)計方案內(nèi)采取專項排水措施。一方面，橋梁沿途布設(shè)多處排水孔，橋面積水經(jīng)由排水孔向外排除，如圖1所示，可以加密布置排水管來增強橋面排水效果，如果橋梁處于凹曲線，則在曲線低凹點設(shè)置排水孔，利用重力作用來加快排水速度。另一方面，部分山區(qū)高速公路橋梁需要穿越敏感水源保護區(qū)域，必須采取橋面集中排水方式，把橋面積水引導排放到周邊邊溝，禁止直接向外排放而造成污染問題，如圖2所示。

2""山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計方案的優(yōu)化措施

2.1""減隔震設(shè)計

部分山區(qū)高速公路橋梁工程位于高地震烈度區(qū)域，常出現(xiàn)地震災害，在地震能量沖擊下，橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的位移變形現(xiàn)象，嚴重時導致橋梁斷裂坍塌。因此，設(shè)計人員必須重點增強橋梁結(jié)構(gòu)體系的抗震性能，采取到減隔震技術(shù)，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)額外部署減隔震裝置，負責分離結(jié)構(gòu)、地面運動，抵消一部分地震能量，起到降低地震力、限制結(jié)構(gòu)位移、分散水平地震力的作用。設(shè)計人員必須遵循E1地震作用下橋墩保持彈性狀態(tài)、殘余位移不危及橋梁使用功能，E2地震作用下橋墩有限損傷的設(shè)計準則。推薦使用鉛芯隔震橡膠支座作為減隔震裝置，支座承載力保持在1"000～15"500"kN水準，根據(jù)橋梁抗震要求來選擇支座規(guī)格，要求支座豎向承載力保持在3倍橋梁恒載于活載總和以上[4]。此外，也可選擇調(diào)整高速公路線形方案，在滿足交通行車需求與保證工程量、造價成本不超限的前提下，優(yōu)先把橋梁部署在抗震有利地段，多為堅硬土、開闊平坦、密實均勻的中硬土地段，盡量避開孤突山梁、高差較大臺地邊緣等不利地段，必須避開發(fā)震斷層等危險地段。

2.2""抗風設(shè)計

目前，部分山區(qū)高速公路橋梁工程穿越橫斷山脈和深大峽谷，橫斷山脈嶺谷高差在1"000～3"000"m不等，普遍為典型的V字型與U字型峽谷，面臨橋址區(qū)風速過高、風力過強的現(xiàn)實難題，對橋梁體系抗風性能提出嚴格要求。對此，設(shè)計人員需要提前收集工程資料信息，模擬風洞試驗，確定橋址區(qū)風特性，包括風速輸出狀況、風荷載空間分布均勻程度、主導風向、脈動風特性等，將其作為抗風設(shè)計依據(jù)。結(jié)合實際情況，采取恰當抗風措施，包括結(jié)構(gòu)制振、空氣動力制振、機械構(gòu)造制振，最大限度減輕橋梁結(jié)構(gòu)體系顫振幅度。以基于橋梁結(jié)構(gòu)的制振措施為例，把增強橋梁扭轉(zhuǎn)剛度、控制發(fā)散振動極限風速為設(shè)計思路，加勁桁架上設(shè)置無鋼筋網(wǎng)絡相互連接的橋面結(jié)構(gòu)，按照上下橫梁形式形成準閉合斷面，懸索橋主梁和主纜間增設(shè)中央扣，或在纜索支撐橋梁體系上部署輔助裝置。

2.3""特殊路段設(shè)計

山區(qū)高速公路橋梁往往存在諸多特殊路段，包括跨越泥石流溝路段、隧道間路段、高陡斜坡路段，常規(guī)路段設(shè)計方案缺乏適用性，必須結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境狀況，著手制定專項設(shè)計方案。例如：對于跨越泥石流溝路段的橋梁體系，按照河道現(xiàn)狀情況來擬定橋梁孔跨布設(shè)方案，合理把控橋梁跨徑，采取一孔跨越方式，重點對泥石流溝進行渠化改造，在中間位置增設(shè)橋墩，合理控制橋墩的尺寸，并采取鋼護筒來提高橋墩的抗沖擊力。在跨越二級支溝時，由于這部分泥石流活躍度較高，需設(shè)置攔擋壩，降低泥石流對墩柱的沖擊力度[5]。

3""結(jié)語

綜上所述，山區(qū)高速公路橋梁作為交通運輸體系的重要組成部分，設(shè)計方案直接決定工程建設(shè)質(zhì)量與投運使用效益。設(shè)計人員應重點考慮橋梁設(shè)計問題，全面掌握橋型選擇、上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與排水體系的設(shè)計要點，嚴格落實減隔震設(shè)計、抗風設(shè)計、特殊路段設(shè)計三項優(yōu)化措施，促進交通行業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。

參考文獻

• 李海泉.東津黃河大橋主橋總體設(shè)計[J].世界橋梁，2024，52（4）：1-7.

[2]劉容，劉瑞.山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計關(guān)鍵問題分析[J].交通世界，2022（19）：71-73.

[3]張儉.山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計要點及優(yōu)化措施[J].運輸經(jīng)理世界，2024（11）：101-103.

[4]李永樂，喻濟昇，張明金，等.山區(qū)橋梁橋址區(qū)風特性及抗風關(guān)鍵技術(shù)[J].中國科學：技術(shù)科學，2021，51（5）：530-542.

[5]劉族遷.標準化設(shè)計在農(nóng)村公路橋梁改造工程的應用[J].廣東土木與建筑，2024，31（5）：52-54，80.