山区高速公路中等跨径桥梁设计要点分析

摘要:针对山区高速公路的地形及施工条件,提出20m～50m中等跨径桥梁设计时需考虑桥位、孔跨布置、桥型方案、基础形式及施工等因素的设计要点,使桥梁满足结构安全、舒适、经济、耐久、可维护的要求。

关键词:山区高速公路 中等跨径桥梁 设计 要点

山区高速公路中等跨径桥梁结合地形、施工等条件多采用20m～50m跨径的梁桥,如何考虑地形、地质、安全、施工、环保等多种因素,选择较优的桥型方案、孔跨布置、基础形式,使桥梁满足结构、舒适、经济、耐久的要求,是每一个道路工程设计人员需认真思考的问题。

1 山区高速公路桥梁设计特点 (1)地质条件多变,地形起伏大。

(2)施工场地受限,施工条件较差,施工吊装安全问题突出。 (3)弯、坡桥比例大,需考虑如何减少结构类型,以节省施工投入。 (4)高墩桥梁众多,各墩高差较大,需进行稳定性的分析。 2 山区高速公路等跨径桥梁设计要点

(1)路桥配合适宜,选择施工期间对环境破坏少的方案。山区高速

公路一般沿陡坡定线,应尽量减少基础开挖及桥墩个数,以避免破坏生态平衡,保持其稳定性及沿线景观。

(2)考虑到行车的舒适性以及山区高墩桥梁养护的难度,采用连续结构及少养护的墩梁固结的结构形式,高墩固结,矮边墩设支座,形成连续刚构混合体系。

(3)从经济、安全、适用和方便施工等方面出发,桥型选择应尽可能采用标准化、系列化、经验成熟、造价经济的预制装配施工方法。综合考虑施工预制简单、安装方便、吊装安全、重量轻、竖向刚度和侧向刚度大等各种因素,推荐采用T梁,主梁可在高架桥桥头现场预制。

(4)下部结构一般会采用分幅双柱墩,在地面横坡较大处(大于25度)采用矩形墩或薄壁墩,大直径桩基础。斜坡上的桩基础,桩基入土深度计算需留有安全余地。如为嵌岩桩,其嵌岩起算面需根据地质情况以保证桩中心距岩层斜坡面的水平距离,以保证有足够嵌岩深度。对设计中能否采用挖孔桩,除了考虑桩径大于1.2m及桩长小于15m的情况外还应结合地质情况进行分析,如遇到地下水位高、地层含有煤气或流沙及卵石等易造成塌孔的地质情况时不应设计为挖孔桩。25m～40m跨T梁桩柱径尺寸选取与墩高关系建议值见表1～3。

常用墩柱形式主要分为分离式双柱墩、整体式双柱墩、整体式三柱墩等三种。其中分离式双柱墩受力明确且平曲线适应性强。盖梁横

坡设置较易,一般情况下盖梁不需加宽且施工简单。

整体三柱式墩受力复杂,桩基受力不均、盖梁受力较大,盖梁为了降低梁高,一般应设置预应力钢束,进行二次张拉,施工时间长。如果地表纵横坡较大,特别是同一横断面存在较大地面落差时极易造成墩柱高度差较大,易使墩柱受力不均匀。分析表明最矮的墩柱及桩基分配的剪力可达到平均值的1.0～2.0倍,造成弯矩分配极不均匀。因此,设计时须准确掌握地面实际变化情况。

如果整体双柱式墩设置在地面横坡较陡处时,其受力与整体三柱式墩类似。

因此在相同的地形条件下,分离式双柱墩的双柱之间高差大大减少,受力均匀明确。盖梁一般不需加宽和施加预应力,便于施工。

分离式双柱墩可以减少桩基的自由长度,优化了桩基直径和配筋,但存在对山体开挖较大的可能性,易造成边坡不稳定且不利环保。各种常见横坡陡峭时的基础形式见图1。为减少山体开挖,可考虑独柱配承台桩基方案。当横坡较大时(横坡25度以上),可选择独柱矩形墩或薄壁墩。

40m跨径高墩柱理论上可采用以上四种截面(见图2),空心薄壁墩刚度最好,混凝土材料也最少,双柱墩刚度最小。计算分析表明,由于刚度小,双柱墩在制动力作用下梁端纵向位移最大,空心薄壁墩最小,因此双柱墩墩顶在施工状态下较易产生过大位移,影响施工安全。综合

优先选择独柱薄壁墩。

桩基础经济比较:当25m≤墩高<35m及墩高35m<墩高≤45m时,群桩概算金额分别大约为大直径桩的1.4和1.2倍,大直径桩的较经济。群桩基础(图3)施工时需开挖基坑,极易加大山体的开挖,不利于环保;大直径桩施工时开挖量较小且利于环保。可采用大直径桩基础方案。

以上两种圆柱与方柱截面(图4)的抗弯惯矩比为1∶0.993,圆柱略大,圆柱截面混凝土材料数量比方柱少。但截面积相等的方柱和圆柱,方柱受力优于圆柱。当体系为连续刚构时,方柱可以通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度来达到调整墩柱受力的目的。圆柱为各向同性,调整起来效果略差。采用方柱时,桩基与墩柱之间需设置一个转换承台,施工时需要开挖基坑后方可进行承台和桩基的施工,加大了对山体的开挖;圆柱则可避免因施工承台而增加对山体的开挖利于环保。

因此,当墩高h≤30m时,可优先选用圆柱墩;当30m＜h＜45m时,

优先采用圆柱墩或矩形墩,考虑稳定性增设柱间横系梁:当h≥45m时,优先采用空心薄壁墩。

(5)按桥梁美学原则考虑跨径与墩高的关系,一般选择比值在0.618～1之间。其最佳经济组合方式为:当墩高15m以下时,优先选用20mT梁;当墩高15m～20m时,优先选用25mT梁;当墩高20m～30m,优先选用30mT梁;墩高30m～45m,优先选用40mT梁;墩高大于45m时,选用50mT梁高,但考虑到实际施工情况,除有特殊要求,原则上在山区不采用,应采用40mT梁。墩高50m～60m左右时,一般情况下也采用40mT梁方案。

(6)桥跨分联结合伸缩缝的选型。30m跨径以下的分联长度一般控制在120m以内,伸缩缝选择80型;40m跨径的分联长度一般控制在200m以内,最大伸缩缝的选择控制在160型。T梁支座适宜采用圆形板式支座。

(7)桥台位置可根据锥坡能否设置和半路半桥时挡土墙能否设置的原则来确定。桥台尽量设置在填挖交界处。若纵向地形陡峭,不能设置锥坡,也常出现桥台与挡土墙结合的组合式桥台。

(8)曲线桥梁采用弯梁支座,各跨、各幅、同幅各片预制梁长级差控制在10cm以内,不足的部分通过在结构连续或刚构处墩顶的现浇连续段进行实际梁长的调整,或者在墩顶伸缩缝处通过封锚段长度进行实际梁长调整,在桥台处可将桥台的台口线旋转一个微小的角度进

行调整,以保证桥台孔各片预制梁长可以采用同一尺寸。超高路段预制梁可通过翼缘板倾斜与超高同值来实现。

(9)耐久性设计要求上部结构尽量采用全预应力混凝土构件并采用真空压浆工艺。采用连续结构后,支点上缘负弯矩束采用扁锚体系,其波纹管较易锈蚀和变形,施工中应增设衬管和控制养护工艺予以预防,且现浇段砼内应添加膨胀剂,以此来补偿混凝土收缩和徐变产生的应力损失。桩基要求钻头直径不得小于设计桩径。所有混凝土构件,严格控制裂缝宽度并设足够厚度的保护层。当纵坡≥3%时桥面铺装应采用10cm厚水泥混凝土进行铺装,桥面铺装层下设置防水层。

3 结语

山区高速公路桥梁影响因素众多,中等跨径的桥型虽然较为常规,但仍需贯彻遵从总体、重视细节以及精心设计的理念,才能做到安全、适用、耐久、经济、美观和环保。

参考文献

[1] 霍明.山区高速公路勘察设计指南[M].北京:人民交通出版社,2003．