對山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討
摘要：隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，我國高速公路建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，橋梁作為高速公路建設(shè)的重要組成部分，橋梁設(shè)計方案是否合理，直接影響著整個工程的總造價及使用性能。因此本文作者結(jié)合多年的工作實踐，闡述山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干關(guān)鍵問題的處理方法，可為以后的橋梁設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞：橋梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計；橋墩；橋臺
1概述
傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計中，通常以橋位處的水文地質(zhì)條件、河床的流量與沖刷為依據(jù)來確定橋長和橋高。而對于山區(qū)高速公路的橋梁設(shè)計，只要滿足規(guī)范要求．就可以根據(jù)地形條件、路線高度確定橋型方案。目前經(jīng)常采用的高墩大跨、斜彎坡橋、造型美觀、經(jīng)濟合理的新型結(jié)構(gòu)，拓寬了橋梁設(shè)計的發(fā)展空間。但山區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及地形、地貌的多變性也給橋梁設(shè)計帶來了諸多技術(shù)難題。橋梁作為山區(qū)高速公路的重要組成部分，其設(shè)計的合理與否對整個工程的造價和使用性能有著直接的影響．因此．對山區(qū)橋梁設(shè)計的研究具有重要的現(xiàn)實意義。
2橋梁結(jié)構(gòu)體系的選擇
山區(qū)高速公路大中橋通常采用先簡支后連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)-剛構(gòu)混合體系，這是為了保證行車舒適，結(jié)構(gòu)耐久適用。如某高速公路高架橋，橋位區(qū)屬低山丘陵地貌，地形起伏大、切割深，路線與河谷高差在100m以上的區(qū)域達180m．最大墩高為91m。若采用全剛構(gòu)體系，墩高相差較大，需通過調(diào)整橋墩的線剛度來改善橋墩受力，這樣會導(dǎo)致橋墩尺寸較多．美觀性降低，施工相對麻煩。而全連續(xù)結(jié)構(gòu)聯(lián)長太長。舒適性差，墩臺所受水平力較大，墩柱尺寸相對較浪費材料。而根據(jù)地形，將中間墩高較高、剛度相差不大的相鄰幾個橋墩固結(jié)起來，利用其柔性適應(yīng)橋墩所受的溫度收縮、徐變、制動力等水平力，對較矮的邊墩設(shè)置滑板支座或橡膠支座，形成剛構(gòu)一連續(xù)體系，使高墩、矮墩的受力性能都能得到改善，且符合地形特點。因此，山區(qū)高速公路橋梁宜采用先簡支后連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系，該體系既適應(yīng)平面線形，又適應(yīng)橋梁的受力特點。
3橋梁方案的設(shè)計
橋型的選擇上，一般是根據(jù)適應(yīng)、經(jīng)濟、美觀、安全以及設(shè)計施工的難易程度等因素進行綜合分析，并最終確定橋梁實施方案。對于山區(qū)高速公路而言，還應(yīng)著重考慮施工難易程度、山區(qū)地質(zhì)病害及環(huán)境保護等影響因素。
3．1中小型橋梁設(shè)計
中小型橋梁應(yīng)采用造價相對較低的空心板簡支體系，降低工程造價。從施工角度考慮，應(yīng)避免在同一合同段出現(xiàn)多種跨徑。否則不利于預(yù)制模板的周轉(zhuǎn)使用。
3．2高架橋的設(shè)計
山區(qū)地形復(fù)雜．公路線位穿越崇山峻嶺、跨越深溝、峽谷、河流的特大橋較多，施工運輸條件差。且橋位處地形條件不盡相同。在進行橋梁總體布置時，應(yīng)注意高跨比的匹配，使橋梁跨徑稍大于橋墩高度，同時也應(yīng)考慮選用制作簡單、施工方便的橋型方案。特大橋、大橋應(yīng)對連續(xù)梁或剛構(gòu)體系、拱橋、鋼桁梁懸索橋等多種方案進行比較。
對于跨越“V”型深谷(如圖1所示)、特寬、特深溝谷的橋梁，可考慮采用大跨連續(xù)剛構(gòu)方案，以減少橋墩個數(shù)、減小施工難度。也可選取懸索橋進行比較。如某特大懸索橋橋位處為峽谷懸崖地貌，地形起伏極大，相對高差達500m，谷底寬約60m，峽谷總體呈“U”字型．溝內(nèi)河水自東向西流，特大橋沿北西向橫跨峽谷，兩岸主塔均位于懸崖體上部。此橋全長1058．57m，主纜的孔跨布置為：252m+1146m+126m，主梁全長986rn．索塔中心距離為1146m。
3．3跨河橋梁
跨河橋梁主要根據(jù)水文狀況確定橋梁方案。對于無通航的河流，可選用結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、造價低的橋型。橋墩應(yīng)避開水渠、道路等人工構(gòu)造物。河中橋墩應(yīng)盡量少且與水流方向正交，以利于排洪。對于通航的河流，需要預(yù)先確定設(shè)計水位和通航等級。設(shè)計時要兼顧排洪與通航的要求，對于通航等級高的河流可采用大跨剛構(gòu)箱梁；對于通航等級低的河流可采用跨徑較大的T型梁方案。設(shè)計這類橋梁，要根據(jù)主航道的位置及主流流向布設(shè)橋孔。
4橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計
4．1上部結(jié)構(gòu)
由于山區(qū)地形和高速公路線形標準的制約，山區(qū)高速公路橋梁具有曲線、大縱坡、高墩等特點，其結(jié)構(gòu)型式必須適應(yīng)這些特征，以便于結(jié)構(gòu)設(shè)計更合理，耐久性更好。位于曲線上的橋梁，梁體存在彎扭耦合作用，并具有在這種作用下沿某一不動點變形的趨勢：大縱坡橋梁在長期的單向汽車制動力作用下，梁體具有沿汽車前進方向滑移的趨勢，如果橋梁上下部之間設(shè)支座，上述兩種趨勢會使橋梁上下部形成相對錯動，往往造成梁體相對下部的移動及支座的不平衡受力；而對于高墩橋，高墩的穩(wěn)定性及變位是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。同時，曲線、大縱坡上的橋墩承受著更大的水平力和附加彎矩。
為解決以上問題。橋梁結(jié)構(gòu)型式宜采用墩梁固結(jié)或剛構(gòu)的型式。以加強結(jié)構(gòu)的縱橫向穩(wěn)定，提高行車的安全性、耐久性和舒適性，降低后期運營的維修養(yǎng)護成本。預(yù)制架設(shè)、先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)的裝配式T梁，經(jīng)濟性好，是中等跨徑橋梁的常用橋型，它有以下優(yōu)勢：通過調(diào)整現(xiàn)澆橋面板的懸臂長度和墩頂連續(xù)段長度．可以很好地適應(yīng)山區(qū)高速公路彎道多、半徑小的特點；當其用于曲線上時，為簡化施工。腹板仍可采用直線形，以現(xiàn)澆橋面板的懸臂長度順應(yīng)平面線形，減少曲梁的彎扭作用，部分地彌補T梁抗扭及平衡受力能力的不足；同時，可通過加強橫向聯(lián)系，來提高T梁結(jié)構(gòu)的整體性能。裝配式結(jié)構(gòu)墩梁固結(jié)后受力體系發(fā)生變化。成為連續(xù)剛構(gòu)體系，這時應(yīng)注意固結(jié)墩兩邊的主梁剛度不宜突變或變化太大．主梁梁高與跨徑應(yīng)盡量相等。曲線上的橋梁，在自重、預(yù)應(yīng)力、偏心布置的汽車荷載及其離心力的作用下，會產(chǎn)生較大的扭矩．結(jié)構(gòu)型式以抗扭能力強的整體式閉合箱梁為首選：同時，整體式上部結(jié)構(gòu)的抗扭及平衡外力能力比多梁式上部結(jié)構(gòu)強．對橋梁下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的曲梁附加力小對高墩橋更為有利。因此，跨徑較大的曲線橋．宜選擇懸臂澆筑的預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)一連續(xù)箱形梁，其具有結(jié)構(gòu)整體性好、受力明確、抗彎、抗扭剛度大等特點。
跨越寬深山谷常用的一種橋型為拱橋。拱橋的跨越能力大，結(jié)構(gòu)受力合理，由于避免了設(shè)置高墩。大大降低了施工難度，對于山區(qū)典型的“V”形溝谷。尤為適用。其拱圈結(jié)構(gòu)常用勁性骨架混凝土箱形或鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，既可有支架施工也可無支架施工．特別是大跨徑上承式拱橋，利用兩邊強大的立柱。可采用纜索吊機懸臂拼裝預(yù)制的拱圈構(gòu)件，或先合攏勁性骨架，再在勁性骨架上立�，F(xiàn)澆混凝土拱圈，均能方便地實現(xiàn)無支架施工。當拱橋位于曲線上時，在條件允許的情況下，可采用直拱肋，通過拱上建筑順應(yīng)平面線形。為了提高結(jié)構(gòu)的整體性，拱上建筑宜采用連續(xù)剛構(gòu)體系。
4．2下部結(jié)構(gòu)
4．2．1橋墩的設(shè)計
橋梁下部結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)情況和跨徑、墩高來選擇，橋墩的一般選擇原則如表1所示。橋高50m以內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)為先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)的裝配式T形梁．橋墩可采用雙柱式墩、十字墩或矩形薄壁墩等，以單幅雙柱式墩較常用。在巖溶特別發(fā)育、樁基施工困難的地段，應(yīng)盡量減少樁基的數(shù)量，此時可考慮設(shè)單柱單樁；當橋墩位于河谷、受滾石威脅時，考慮增強其抗撞擊能力，也可設(shè)置較剛性的單柱墩。對高墩長橋，為減少汽車單向行駛產(chǎn)生的累積變位，可考慮采用雙幅兩柱整體下部構(gòu)造。
橋墩視上部構(gòu)造型式及橋墩高度采用柱式墩、空心薄壁墩或雙薄壁墩等多種型式。通過對以往類似工程的橋型統(tǒng)計分析表明，當墩高小于30m時，柱式墩、Y形墩是最實用、最經(jīng)濟的橋墩型式，柱式墩其自重輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，外觀輕盈美觀,工藝成熟，提升滑模施工快，與樁基礎(chǔ)銜接性好；Y形墩外觀俊美，但施工相對復(fù)雜，施工支架較多，工期長，需要設(shè)大體積承臺，基坑開挖對自然環(huán)境破壞較大。因此，為盡可能地實現(xiàn)標準化和統(tǒng)一化無景觀要求時，墩高50m以下推薦采用柱式墩(包括雙圓柱、獨柱等)。墩高大于50m時，橋墩的施工穩(wěn)定問題突出，對橋墩的剛度要求較高，設(shè)計將根據(jù)具體環(huán)境及有無通行交角限制等，推薦采用空心薄壁墩。對于高墩，除了要進行承載能力與正常使用極限狀態(tài)驗算外．還要著重進行穩(wěn)定性分析。對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)或連續(xù)剛構(gòu)橋，各墩的穩(wěn)定性會受到相鄰橋墩的制約，應(yīng)取全橋或者至少取一聯(lián)作為分析對象。
同時，在外業(yè)過程中，要注意調(diào)查水文、水質(zhì)、地質(zhì)情況，了解河流是否有較大漂流物、水質(zhì)是否有腐蝕性等，以便在設(shè)計時采取措施。位于陡橫坡上的橋墩，同一路幅同一墩位上兩墩柱的無支高差較大，墩柱剛度差會造成下部結(jié)構(gòu)受力不均勻甚至相差很大，設(shè)計中必須給予充分重視．具體可采取在矮墩的地表下設(shè)置一定長度的套筒(結(jié)合相對高墩的高度)，通過增加矮墩無支高度的措施，來減少同一墩位上兩墩柱的剛度差(見右圖3)。
4．2．2橋臺的設(shè)計
山區(qū)高速公路的橋臺，根據(jù)地形、地質(zhì)條件及臺高，可選擇采用“U”型臺、肋板臺或樁柱式臺，框架式組合臺等，以“U”型臺采用較多。根據(jù)有關(guān)規(guī)定，“U”型臺適應(yīng)的填土范圍為4m～lOm，所以“U”型臺的高度最好以lOm控制。地形橫坡較陡時，常會出現(xiàn)外側(cè)設(shè)“U”型臺、內(nèi)側(cè)設(shè)樁柱式臺的現(xiàn)象；地質(zhì)情況較差時，常會出現(xiàn)“U”型臺設(shè)樁基的情況。橋臺是路橋的銜接點，在橋梁總體設(shè)計時應(yīng)認真考慮以下幾個問題：
a)山區(qū)河谷橫坡一般較陡峭，上部結(jié)構(gòu)長一些或短一些對橋臺高度的影響很大，設(shè)計時，宜盡可能使橋臺高度小些，這樣雖然橋梁會長一些，但可方便施工，并減少工程質(zhì)量隱患；b)橋臺位于山坡橫向坡較陡峭處時，若采用“U”型橋臺。橫橋向應(yīng)根據(jù)基礎(chǔ)內(nèi)外側(cè)高差設(shè)置臺階，由于臺階式基礎(chǔ)施工工序的需要，會造成高一級的基底處于低一級基礎(chǔ)的級坑開挖面中，該部分基底土非原狀土．設(shè)計時應(yīng)采用換填碎石或片石混凝土進行處理，以防止產(chǎn)生臺身剪切破壞和豎向開裂：當采用肋板式橋臺時，橫橋向應(yīng)根據(jù)內(nèi)外承臺處的地面高程合理確定承臺位置，盡可能避免高側(cè)承臺埋置過深造成挖方量的增加�！�
5結(jié)語
總之，從事山區(qū)橋梁設(shè)計的技術(shù)人員，不僅要熟悉和精通橋梁設(shè)計的基本理念，還應(yīng)盡量多地掌握一些基本的地質(zhì)知識，與地質(zhì)技術(shù)人員多溝通，搞好協(xié)作。設(shè)計中應(yīng)充分了解當?shù)氐牡匦巍⒐こ痰刭|(zhì)條件等，綜合所有可利用的技術(shù)資料和科學理論，以便科學、經(jīng)濟、可靠地進行山區(qū)橋梁的工程設(shè)計。
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