山区高速公路桥梁设计方案比选分析

杨长诺

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

0 引言

山区公路桥梁工程建设中,由于地势险峻,地质条件差,导致设计工作难度较大。有些山区公路桥梁需要穿越复杂地形,为了满足车辆行驶需求,通常采用增加高墩及纵坡设计的方案。但这种设计方案与普通公路桥梁相比,受力情况存在较大差异,不仅增加了现场施工难度,还可能影响工程的使用质量及寿命。

以某山区公路桥梁工程项目为例,分析了此类工程设计要点。此桥梁设计洪水频率为特大桥1/300,大、中桥1/100,安全等级为一级。桥梁采用整体式路基桥梁横断面布置,路基标准宽度25.5 m,桥梁分幅设置,横断面为0.525 m(防撞护栏)+11.475 m(行车道)+0.525 m(防撞护栏)+0.45 m(分隔带)+0.525 m (防撞护栏)+11.475 m(行车道)+0.525 m(防撞护栏)=25.5 m。

1 方案选择

选择桥型方案时,以“安全、耐久、适用、环保、经济及美观”为原则。项目地形呈黄土丘陵沟壑地貌,地表起伏较大,需跨越沟谷及河流。但该区域沟谷多为季节性冲沟,汇水面积较小,大部分时间内无水流,只在暴雨时才会有洪水且河流无通航要求。一般路段采用标准跨径桥梁设计,确定跨径时,结合线位地形及地质条件进行比选。如果跨径过小,将导致桥墩过多,桩基无法充分利用较好的中下层土层,造成下部结构浪费。如果跨径过大,将增加上部结构的工程量,下部桥墩承受过大力,要增加桩长,导致下部总工程量与中等跨径相比失去造价上的优势。经综合比选得出,中小跨径桥梁更为经济有效。当墩高不超过40 m时,选择30 m跨径更为经济。当墩高超过40 m时,则选用40 m跨径更为经济。

1.1 上部结构选型

我国公路常用的标准跨径预制结构形式包括预应力混凝土T梁、预应力混凝土小箱梁及预应力混凝土空心板等,特殊节点处可采用现浇混凝土箱梁或钢结构箱梁等上部结构形式。

1.1.1 预制混凝土梁

预应力混凝土T梁是一种广泛使用的预制结构形式,具有成熟的设计及施工经验,适用于较大跨度的桥梁,最大跨径可达50 m左右,可在工厂及施工现场进行预制。该结构形式具有综合造价经济、施工方便、工艺成熟等优点。单片梁体重量轻,便于吊装,对施工及吊装设备的要求较低,对桥梁变宽段的适应性较强。但预应力混凝土T梁的桥梁建筑高度较高,横向整体性稍差,梁之间的布置比较密集,景观性较差。预应力混凝土T梁在桥梁工程中具有诸多优点,如跨度范围广、施工方便及造价经济等,但在横向整体性及景观性方面存在一些限制。要选择适合的上部结构形式,需综合考虑工程要求、技术条件及景观效果等因素,确保选择最合适的方案[1]。

预应力混凝土小箱梁是一种结构简单、设计及施工经验成熟的预制结构形式,具有低经济指标、较大的结构刚度及良好的抗扭性能。该梁的高度适中,可以在工厂或施工现场进行预制。斜腹板形式的截面设计令其线形美观、协调,通常适用于跨度为25～40 m、高跨比约为1/15～1/20的工程中。安装时,待梁体吊装就位后再进行湿接头混凝土浇注,以形成整体结构。这种结构形式具有适中的经济指标,但小箱梁在变宽段的适应性较差,相同跨度下单片梁的吊装重量增加较多,对运输及吊装设备要求较高。

1.1.2 现浇混凝土梁

现浇混凝土梁常采用单箱单宽或单箱多室结构,具有线形简捷、美观等特点。该梁结构受力合理,刚度大,连续箱梁一联长度可达100 m,行车舒适性良好。对桥面变宽有较强的适应能力,能够实现丰富的断面外形,故对于异型段或位于小半径曲线段上的桥梁,适用能力较强。中小跨连续梁通常采用满堂支架浇筑,对施工设备的要求较低,设计及施工技术成熟。但现场浇筑需要较长的施工周期,会对地面交通造成一定的影响。对于曲线半径较小的匝道桥且桥下没有重要道路或交通流量较低时,可采用现浇混凝土箱梁作为合适的结构形式[2]。

1.1.3 钢箱梁

钢箱梁的结构设计独特,外观简洁美观,常采用单箱单室或多箱多室结构,具有自重轻、承载能力强、建筑高度低及对净空影响小等特点。钢箱梁的截面形式采用空心闭合结构,在相同材料及数量情况下能够提供较大的抗弯及抗扭刚度,适用于曲线桥及承受较大偏心荷载的直线桥。

钢箱梁常采用正交异性钢桥面板及薄钢板作梁肋的结构形式,能够有效发挥钢板的承载能力。梁构件通常在工厂预制成大型安装单元,可有效减少现场连接螺栓或焊接数量。安装时可以采用吊装、纵向拖拉或顶推法,安装速度较快。但钢箱梁整体结构需要较大的钢材用量,养护费用较高,钢桥面板的疲劳问题仍需进一步研究。

当跨径较大或要求不影响交通且桥梁所处交通等级较高时,钢箱梁结构是一种适宜的选择,能够满足高标准的桥梁结构性能及安全要求,施工过程对交通干扰较小。

1.2 下部结构选型

桥墩的选择应基于强度及稳定性要求,考虑梁部形式、占地情况、河流沟渠、道路通视及周围环境等因素。通过精心设计协调实现上下部结构的一致性,令桥梁轻盈、美观,与周围环境相融合[3]。

1.2.1 墩高40 m 以下的墩柱比选

本项目桥址区地层情况较好,主要为中风化砂岩,埋深约为20 m。在这种情况下,单桩设计在高度40 m以内的桥墩更加省材料,具备较强的承载能力及稳定性,桥墩设计更纤细,可高效利用材料,提供良好的桥下通透性,充分利用空间。对于整幅路基桥梁宽度为25.5 m的设计要求,桥梁设置可选择整幅或分幅。根据横向宽度考虑采用分离式双柱墩、整体式三柱墩或整体式双柱墩等墩型。具体的墩型选择需综合考虑地形条件、结构受力情况、经济性等因素,以确定最合适的墩型方案。在施工方便性及经济性方面,采用桩接柱形式的下部结构具有明显的优势,通过充分考虑地层情况及结构需求,设计出稳定、高效、经济的桥梁结构。

1)地形条件。在相同条件下,分幅双柱墩的双柱之间的高差会明显减少。相比整体三柱墩及整体双柱墩,分幅双柱墩具有受力均匀明确的特点。通常情况下,分幅双柱墩的盖梁不需要加宽或施加预应力,可简化施工流程,令施工更加便捷、迅速。此外,分幅双柱墩的施工难度也大大降低,具有较好的经济性。故推荐采用分离式双柱墩作为设计方案,在局部受到既有道路、河道边坡、构筑物等限制的位置,可以考虑采用多柱框架墩。这种墩型可根据具体情况灵活调整柱的数量及布置,以适应限制条件并确保结构的稳定性。

2)结构受力。分离式盖梁框架双圆柱墩适用于本项目,其柱距较小,采用钢筋混凝土结构,受力明确,能更好地适应平曲线等情况。盖梁的横坡设置相对简单,一般情况下不需要加宽,施工操作简便[4]。相比之下,整体三柱式墩的受力较为复杂,盖梁承受的力较大,桩基受力不均,在一般平曲线半径下需要加宽。而整体双柱式墩由于柱距较大,需要设置预应力钢束并进行二次张拉,施工周期较长且施工难度大。此外,在地面横坡较陡地方,整体式墩柱之间的高差较大,适应性较差。

从经济性的角度考虑,分离式盖梁框架双圆柱墩采用钢筋混凝土结构,在公路建设中具有一定的优势。考虑到本桥项目的特点及要求,当桥墩高度小于40 m时,推荐采用分离式盖梁框架双圆柱墩作为下部结构。

1.2.2 墩高40 m 以上的墩柱比选

当桥墩高度超过40 m时,结构尺寸变得较大,墩柱与基础受力也增加。常规的单桩结构往往不能满足受力要求,通常需要使用群桩基础来提供足够的承载力。但使用阶梯形的圆柱墩的做法较为少见,虽然可以节约材料,但在同一桥位需要不同类型的模板,导致施工成本增加,降低施工效率[5]。相比之下,采用在高度方向统一截面的大直径圆柱形桥墩与矩形空心墩相比,截面利用率较低。故在高度超过40 m以上的桥墩设计中使用矩形截面可以降低成本。

本桥的单幅桥宽只有12.75 m,当墩高达到40 m以上时,可以考虑采用整体的矩形单柱墩或分离的双柱墩作为设计方案。相较而言,双柱墩虽然在与整体单柱墩相比能稍微节省混凝土材料,但由于高墩本身结构尺寸较大,这种优势并不是非常明显,且双柱墩的配筋率较高,需要使用大量的施工模板,施工速度相对较慢。故针对这种宽度较窄的单幅桥(仅12.75 m)设置整体矩形单柱墩更具技术及经济优势。当墩高达到40 m以上时,墩柱结构形式比选参考表1、表2。

表1 墩高40～75 m的墩柱结构形式比较

表2 墩高40～75 m的墩柱双柱与整体单柱墩比较

对于单幅桥宽为12.75 m的情况,可根据桥墩高度范围来选择合适的桥墩形式。当桥墩高度在40 m以下时,推荐采用双柱等截面的圆柱形桥墩;当桥墩高度在40～75 m时,建议采用整体等截面的单柱矩形墩。为了减轻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 桥台设计

在桥台设计中需综合考虑地形及地质条件,通常采用以下几种类型:桩柱式台、肋板式桥台及重力式U型桥台等。具体选择取决于地质条件及填土高度等因素[2]。当地质条件较差或基岩埋深较深时,如果桥台的填土高度为5 m且地质情况允许,可以采用柱式台或U型台。当填土高度在5～8 m时,可根据地质情况使用U型台或肋板式台设计。当填土高度超过8 m时,一般采用肋板式台,但填土高度不宜超过12 m。这样的设计考虑了地质情况及填土高度的影响,在保证结构稳定性的前提下选择了适合的桥台类型。

2 综合比选

对于30 m跨径,采用预制装配式预应力小箱梁桥设计方案。利用预应力技术,在制造阶段将构件预制好并进行装配,在施工现场进行安装,提高施工效率,减少对现场施工的影响。对于40 m跨径,选择预制装配式预应力T梁桥设计方案。利用预应力技术,通过预制装配及现场安装来完成桥梁建造。此方案适用于墩高较高的情况,可提供更好的结构性能及强度。

对于30 m跨径的桥梁,根据桥墩高度的不同采用不同的桥墩类型。当桥墩高度低于25 m时,采用柱式桥墩。可通过单排桩的形式支撑桥墩,柱径选择1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m,基础直径一般选择1.6 m、1.8 m、2.0 m。对于40m跨度的桥梁,根据桥墩高度的不同考虑以下设计方案:当桥墩高度低于20 m时,采用柱式桥墩,其高度适用于较低的桥墩要求。当桥墩高度大于20 m且小于40 m时,采用桥墩接承台的 结构形式,通过双排桩来支撑。柱式桥墩的上部连接承台,承台则通过两排桩与地面相连,形成更稳定的支撑结构。当桥墩高度在40～75 m时,采用矩形薄壁空心墩。矩形薄壁空心墩在桥墩高度较高的情况下可以提供足够的强度及稳定性。墩的主要直径可根据具体需求选择1.6 m、1.8 m、2.0 m、2.2 m,桩基直径一般采用1.6 m、1.8 m、2.0 m。

3 结束语

桥梁总体设计中,桥型方案比选是关键步骤。需综合考虑工程方案的技术可行性及经济合理性,掌握桥梁建设理论,积累实践经验,深入分析,制定出合理的桥梁设计方案,满足山区高速公路建设的发展要求。