山区高速公路桥梁桥型比选设计方法

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摘 要: 结合山区高速公路特点，介绍山区桥梁设计中跨径选择原则，墩、台和结构体系宜采用的形式。

关键词: 山区高速公路

标准跨径 横断面 曲线半径 桥墩 桥台

随着我国经济建设的快速发展，特别是近几年国家加大基础设施建设投资力度，我国在西部山区修建的高速公路越来越多。而山区高速公路一般地形、地质复杂，桥梁构造物多，桥梁总长度占路线总长度的比例大。所以要成功设计一条山区高速公路，就必须选用最适合山区地形特点的桥型结构，并遵照”安全、适用、经济、美观”的设计原则设计好桥梁构造物。

1.山区公路桥梁的主要特点

山区高速公路的主要特点是地形地质复杂。地形复杂，表现为地面高差大，变化频繁，横坡陡；地质复杂表现为路线沿线岩溶、滑坡、不稳定斜坡、崩塌、陡崖等不良地质现象较多。受此影响，路线布设时平纵横三个方面都受到约束，一般就是平曲线多，平面半径小，纵坡大。而沿线桥梁则服从道路走向布置，也就同时具有了如下的几个特点：

1.1 路线基本沿山腰展布，平曲线多，因此，曲线桥梁也就多，并且很多桥梁的平曲线半径都比较小，桥面超高变化复杂。

1.2 路线所经地段大多为地形起伏较大丘陵斜坡和丘陵间沟谷的重丘和多呈U形或V型或W地形地貌的峭壁深谷，相对于线位高度，许多沟谷深度达几十米，最大沟深可超过百米。桥隧连续交替相连，桥高、桥长不受水文条件控制，主要决定于两岸地形。从沿线地形、地貌、地质等自然条件反映，多数桥梁工点施工场地狭窄，高空作业地势险峻，运输较困难。同时，由于许多地段桥隧交替，紧密相连，施工干扰较大。这些影响因素在桥型方案设计中均需作重点考虑。

1.3 许多桥梁横桥向地形陡，地形变化复杂，设计时需因地制宜的选用合适的墩台形式，这就导致了墩台的结构形式比较多。

1.4山区高速公路桥梁最常用的基础仍为扩大基础与桩基础。但需根据实际情况采用，避免施工过程中因实际资料与设计采用资料不符合而变更墩台基础设计，从而影响整个工程的施工工期。

2.山区桥梁的结构体系特征

为了保证行车舒适，结构耐久适用，山区高速公路标准跨径大中桥一般均采用先简支后结构连续或部分墩梁固结的连续一刚构混合体系。一座桥全部桥墩均采用固结结构的刚构体系由于墩高相差较大，需通过调整桥墩的线刚度来改善桥墩受力，这样一来，桥墩尺寸种类就比较多，美观性降低，施工相对麻烦一些。而全连续结构联长不能太长，舒适性差，墩台水平位移较大，墩柱尺寸就需设计的相对大一些，材料较费。根据地形，将中间墩高较高，刚度相差不大的相邻几个桥墩固结起来，利用其柔性适应桥墩所受的水平力，较矮的边墩设置滑板支座或橡胶支座，形成连续梁。这样的刚构一连续体系，高墩、矮墩的受力性能都得到了改善，且适应地形特点。

山区高速公路桥梁多为弯、坡桥，曲线梁桥在弯扭耦合作用下，具有沿某一不动点变形的趋势，单向行驶的大纵坡长桥在长期反复的汽车制动力作用下，梁体具有沿汽车行驶方向滑移的趋势，如果采用全连续结构，即上下构之间为橡胶支座连接时，这种滑移趋势往往造成梁体受力不平衡，支座脱空甚至破坏，从而导致梁体开裂。因此山区高速公路桥梁宜采用先简支后结构连续或墩梁固结的连续一刚构混合体系，既适应平面线形，又适应桥梁受力特点。

3.常规桥梁结构类型的选择

3.1 选用设计施工技术成熟、标准化程度高的桥型，确保桥梁质量。山区高速公路多数大中桥梁以跨越深沟、峡谷，或不良地质路段为主，且量广面大，设计的合理直接对工程的可靠性、运营养护的可实施性、结构的耐久性甚至整个项目的投资效益产生重大影响，因此，尽可能选取技术成熟、标准化程度高、养护要求低的预应力混凝土梁式桥作为首选桥型。

3.2 常规桥梁以中小跨径为主。

预制装配式桥梁跨径的拟定，不仅要考虑经济性，还要看桥梁所在位置的施工场地条件、运输条件等。由于很多桥梁工点的预制、存放场地狭小，因而以场地占用少、运输、起吊、安装较易的中小跨径为宜。另一方面，山区基岩埋深较浅甚至出露，基础通常为干处开挖、现场浇注施工，基础费用相对较少，桥梁综合最优跨径相对一般平原区，亦趋于以较多下部构造换取较小跨径为宜。

3.3 不同墩高与跨径做综合比较确定桥型。

总结以往的设计经验，山区高速公路的大中桥梁，桥墩高度一般墩高25m≤H＜35m桥梁技术经济指标比较表多介于20～50m之间，少数桥梁墩高达50～70m，除少部分相对高差大于80m以上而采用特殊桥梁外，其余大部分桥梁采用中小跨径装配式梁（板）式结构是相对较经济的桥型。下表是笔者根据多条山区高速公路设计经验总结的不同墩高对应不同跨径桥型结构的比较结果：

①方案比较Ⅰ：墩高15m＜H＜25m

② 方案比较Ⅱ：桥墩高度25m≤H＜35m

③方案比较Ⅲ：桥墩高度35m≤H＜45m

④方案比较Ⅳ：桥墩高度H≥45m

综合以上比较结果，可以得出如下几点结论：

3.3.1 山区高速公路桥梁基岩埋深较浅，无论采用桩基础或是采用扩大基础，因基础工程量占全桥比重不大，故对桥梁造价的影响较小。3.3.2 当墩高H＜25m时，在20m跨径空心板、20m跨径组合箱梁、20m跨径T梁、30m跨径T梁及30m跨径组合箱梁的比较中，五种结构形式造价相当，差价幅度不大。其中20m空心板最低，20m组合箱、T梁居中，30mT梁和组合箱梁稍高，但幅度均在8%以内。考虑到一条线路桥梁结构形式尽量简洁，故为了减少桥梁结构型式种类，综合以上因上素，当墩高H＜25m时，应采用20m跨径T梁，少数情况为了兼顾跨径、结构形式可采用30mT梁。3.3.3 当墩高25m≤H＜35m时，在30m跨径T梁、30m跨径组合箱梁、40m跨径T梁及40m跨径组合箱梁的比较中，30m组合箱梁和30mT梁造价相当，40m组合箱梁居中，而40mT梁较高，但组合箱梁运输及安装设备要求较高，且兼顾全线尽量统一装配式结构型式，故当墩高25m≤H＜35m时，应采用30m跨径装配式预应力混凝土先简支后连续T梁。3.3.4 当墩高35m≤H＜45m时，在30m跨径T梁、30m跨径组合箱梁、40m跨径T梁及40m跨径组合箱梁的比较中，30mT梁、组合箱造价相当，而40mT梁、组合箱梁较高，但高低幅度较小，故当墩高35m≤H＜45m时，应根据每座桥梁的实际地形地质情况采用30m或40m跨径T梁方案。3.3.5 当墩高H≥45m时，在30m跨径T梁、30m跨径组合箱梁、40m跨径T梁及40m跨径组合箱梁的比较中，40mT梁、组合箱梁造价较低，而30mT梁、组合箱梁造价较高，从桥梁高跨比比例协调性及全线桥梁结构形式协调统一性等角度考虑，当墩高H≥45m时，应采用40m跨径T墩高H 45m桥梁技术经济指标比较表梁。

4. 常规桥梁下部构造设计

4.1高度较矮的桥墩（h＜40m）多采用柱式墩，Y型薄壁墩，其中又

以柱式墩最常用。柱式墩分圆柱和方柱。圆柱施工中外观质量易控制，且与桩基衔接方便，故设计中采用的较多。但从美观上来说，方柱有棱有角，与上构梁体协调，有一定的视线诱导性，较美观。从受力上看，截面积相等的方柱和圆柱，方柱抗弯刚度大于圆柱，受力优于圆柱，当体系为连续--刚构时，方柱可以方便地通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。圆柱为各向同性，调整起来效果差一些。方柱的缺点是墩柱与桩基之间需通过桩帽连接，增加了工程数量，并且山区桥梁地面横坡都较陡，增加柱帽构造还会增加挖方工程量，引起边坡不稳，设计中应根据地形、上构结构形式、墩高综合考虑选用方柱或是圆柱。

4.2 Y型墩薄壁是独柱双支座的一种墩型，美观性较好，但施工稍显复杂。墩高较矮时，其施工既复杂又不美观所以少采用。当墩高较高时Y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一个支架，对于地面横坡较陡，搭支架困难，模板需求量大的山区桥梁，Y型薄壁墩具有显著的优势。从预算定额中也可以看出，同高度的柱式墩与Y型薄壁墩相比，Y型薄壁墩的基价低。另外采用双柱墩时，由于地面横坡较陡，两个墩柱高度经常相差较大，由于线刚度EI/L差距大，导致一个墩两个墩柱受力差异较大，采用Y型薄壁墩，只一个墩柱，就避免了上述缺陷。也有人认为，上部的Y型承托节约材料并不多，却施工麻烦，宜设计为实体，权衡施工进度和质量、安全和节省材料及美观之间的关系，也未尝不可。不管外形如何，墩高较高时，采用独柱双支座外部形状Y型的薄壁墩较为适宜。

4.3 山区高速公路桥梁桥台一般采用重力式U型台、肋板台、桩柱式台。其中以重力式U台最常用，根据《墩台与基础》规定，U台适应的填土范围为4―10m，所以U台的高度最好以10m控制。山区桥梁U台一个显著特征就是横向、纵向横坡陡，为了适应地形，减小开挖，节约圬工方量，U台设计时必须根据地形合理分台阶。桩柱式桥台由于抗推刚度小，当联长较长，台后填土高度较高时不宜使用，一般台后填土高度宜控制在5m以下，联长宜控制在150米以内。埋置式肋板台适应范围广一些，但也不宜太高，不宜超过12m。山区高速公路桥梁纵向地形陡峭，往往不能设置锥坡，这时采用桩柱式台或肋板台会受到较大限制。当地质情况较差，覆盖层较厚时，则采用U台下设置桩基承台的结构形式就比较合理。

5.特殊桥梁桥型设计

当桥墩墩高大于80米时，若仍采用常规的装配式预制结构桥型方案就显得不太合理，因为预制结构主梁跨径较小，一般不超过40米，这样就会造成桥梁下部结构工程量大大增加，从而增加工程造价，且桥梁外形亦不美观，不符合经济、美观的设计原则。故设计时应根据不同地形特点采用不同的桥型结构。

5.1 当桥位区为较深的U型沟谷时，受地形限制施工场地布置困难，可考虑采用大跨连续刚构方案，以减少桥墩个数，减小施工难度。

5.2当桥位区为较深的V型沟谷，在桥型方案选择时，应优先考虑拱式构。大跨跨越，拱式结构的工程造价相对优于其他相同跨径不结构桥型。当然，拱式结构对地基要求高，需要桥位处有良好的地质情况。

6. 结束语

一般地讲，平原区、城镇人口密集区、旅游专线、立交区的桥梁在选型时应注重其经济性、美观性和安全性；山岭重丘区的桥梁在选型时应注重其经济性、施工难易程度和安全性。有很多方面需要探讨，本文只是抛砖引玉，结合设计中遇到的实际问题，提出一些解决方法，不正确之处，敬请同行批评指正。

参考文献:

[1]王福敏. 西南山区高速公路桥梁建设现状与设计思考. 中国科协第十一届年会暨山区高速公路建设技术研讨会. 2009.09.

[2]陈四德等. 山区高速公路桥梁设计探讨. 中外公路. 2006.02

[3]谢茂林. 山区高速公路桥梁设计. 广东建材. 2005年第4期.作者简介：张来福（1978-），男，重庆市，工程师，工学学士