山区公路桥梁设计与质量控制的研究

李宝银 于向前 史淑兰

（陕西飞虹桥梁勘测设计研究有限公司，陕西 西安710054）

1 陕西地形特征

陕西地势的总特点是南北高，中部低。同时，地势由西向东倾斜。北山和秦岭把陕西分为三大自然区域：北部是陕北高原，中部是关中平原，南部是秦巴山地。陕北黄土高原海拔800～1300米，约占全省总面积45%。其北部为风沙区，南部是陵沟壑区。关中平原西起宝鸡，东至潼关，平均海拔520米。陕南秦巴山地包括秦岭、巴山和汉江谷地，约占全省土地总面积的36%。秦岭在省境内东西长400～500公里，南北宽约300公里，海拔1500～2000米。

2 桥梁上部结构设计

2.1 一般设计原则

山区高速公路桥梁常用标准化、装配化设计，其跨径有16m，20m，25m，30m，35m，40m，50m，横断面形式有空心板、T梁、小箱梁等。对于跨径小于35m的，尽可能使用小箱梁。与空心板比较，箱梁具有跨越能力强，横向整体性好，行车舒适，后期养护费用少；与T梁相比，其上部材料工程数量较小，工程造价低。以上特点决定了小箱梁在20m～35m跨径范围内的应用优势。对于40m，50m跨径，因T型梁的吊装质量比小箱梁小，宜采用T梁。对于50m跨径T梁，在小半径平曲线上，由于内外梁梁长差较大，跨中矢高较大，对路线的适应性要差一些。另外，山区高速公路交通运输、场地预制条件均较差，大型机具进入困难，因此一般情况下不选用50m跨径T梁。T梁之间的横向连接有铰接和刚接两种形式，采用铰接时，铰只传递剪力，车辆荷载作用在铰接缝处时，弯矩主要由现浇桥面板来承受，这样现浇桥面板的厚度就必须加厚，否则，铰接缝处桥面板易出现通长的纵向裂缝。现浇桥面板厚度增加，意味着恒载增加，T梁配筋和钢索必须增加，经济性下降，所以T梁横向连接采用刚接较好。对于超过50m的连续梁，施工条件许可的情况下，大跨径连续梁尽可能采用现浇箱梁，能够容易地满足路线的平纵变化的要求，整体性能和抗震性能优越。

2.2 处理好桥梁上部设计中的两个关系

2.2.1 跨径与墩高的关系

跨径与墩高的关系按桥梁美学原则，一般应选择比值0.618～1比较经济，即20m跨径梁适应的墩高一般为12m～20m，40m跨径适应的墩高一般为24m～40m。山区高速公路地形起伏变化频繁，通常应根据地形选择一种跨径，不宜根据墩高频繁变化跨径，墩柱高度变化很大时，可以采用20m与30m或者30m与40m的组合跨径。当一座桥梁有几种跨径方案可选择时，应结合上下构造进行造价分析比较再做选择。

2.2.2 上部构造(板或梁)与平面曲线半径的关系

桥位处平面曲线半径对桥梁跨径的选择及平面布置影响较大，主要表现为两个方面：1)内外弧差；2)中矢高。墩台径向布置时，由于曲率半径的影响，内外梁梁长不等，半径越小，内外梁梁长差越大。解决此问题一般有两种途径:1)根据平面半径变化梁长；2)不变梁长，通过加大帽梁、加大封锚端或加长现浇连续段处理。对于中矢高问题，中矢高在10cm以内时，可以通过调整护墙内缘使之适应平面线形；半径较小，中矢高大于10cm时，可采用预制梁外缘按实际曲线预制，或预制T梁边梁时，将边梁多预制一段长度，让现浇桥面板和护墙来适应平面线形。第二种办法虽然材料有浪费、美观性稍差，但仍优于前一种。

3 桥梁下部结构设计

3.1 矮墩设计

对于较矮的桥墩(h<30m)，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。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，受力也优于圆柱，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圆柱。

3.2 高墩设计

对于桥墩一联中最高为40m(不含40m)时，30m(含30m)以上桥墩做成等截面空心薄壁墩。最高墩不小于40m时，30m(含30m)以上桥墩为变截面空心薄壁墩，变截面薄壁空心墩顺桥向坡比为45∶1。当墩高不小于50m以上时，应加大空心薄壁墩的断面尺寸。桥墩的布置应该结合桥址范围内地形地貌的特点、地质状况及地面上的建筑物等综合考虑、优化选择。有些河流河床主槽不明显，斜桥双柱或三柱中必有一两桥墩处于主槽中，严重阻水，局部冲刷增大。这种情况下，可以考虑按独柱正桥布孔，以减少桥墩的阻水面积。

3.3 桥台设计

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型台最常用，根据《墩台与基础》规定，U型台适应的填土范围为4m～10m，所以U型台的高度最好以10m控制。桥台是路桥的衔接点，在桥梁总体设计时应认真考虑以下几个问题：

1)山区河谷横坡一般较陡峭，上部结构长一些或短一些对桥台高度影响很大。设计时，宜尽可能使桥台高度小些，虽然桥长会长一些，但可以方便施工并减少工程质量隐患。

2)桥台位于山坡横向坡较陡峭处时，当采用U型桥台，横桥向根据基础内外侧高差设置台阶，由于台阶式基础施工工序的需要，会造成高一级的基底处于低一级基础的级坑开挖面中，该部分基底土非原状土，设计时应采用换填碎石或片石混凝土处理，防止产生台身剪切破坏和竖向开裂。

4 加强桥梁设计中的安全性和耐久性：

4.1 应重视结构的耐久性问题

桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀，并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域，国内从20世纪80年代以来，修建了大量的斜拉桥；虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少，但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索，既影响了使用又增大了经济损失。

4.2 重视对疲劳损伤的研究

桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。

4.3 充分重视桥梁的超载问题

汽车超载主要有三种情况；其一是早期修建的老桥超龄负载运营；其二是桥梁通行的车流量超过原设计；另一种是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量的增加；后者是车辆使用者违法超载营运，后两种超载现象在我国公路运输中较为普遍。桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧，甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。

5 结束语

在山区公路设计时，一定要从实际出发，因地制宜的灵活采用各项技术指标，确保线型的匀衡性、连续性及与周围环境的协调性。加强施工质量管理外，要从桥梁设计理念、结构体系和构造的角度做好耐久性的设计，同时需要研究疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响。

[1]许璐.山区高速公路桥梁设计关键问题研究[D].长安大学，2009.

[2]陈四德，李章喜.山区高速公路桥梁设计探讨[J].中外公路，2006，(01).