山区高速公路桥梁设计关键问题探究

胡 辉 , 方 艳

（1.南昌市公路桥梁工程处，江西南昌 330000；2.江西省高速公路投资集团有限责任公司，泰和管理中心，井冈山机场所，江西吉安 343700）

1 山区高速公路桥梁的特点

山区高速公路的特点首先是山区地形复杂，表现为地表高差大、变化频繁、横坡陡等；其次是山区地质复杂，山区除了平原区的软土、盐渍土、液化土、岩溶、采空区等不良地质外，还有崩塌、滑坡、泥石流等灾害地质，且分布范围广；此外，山区水系众多，水文条件复杂；最后，山区高速公路的修建，还需着重考虑山区的自然环境，正确的处理技术标准与自然环境的关系，以最大限度的保护区域自然环境。山区地质条件复杂恶劣，导致桥梁基础设计繁杂。桥梁结构的选取也至关重要，常见的结构为钢筋混泥土结构。

2 山区曲线预制梁桥梁、板布设问题

预制结构桥梁就是将桥梁的梁、板等上部结构先行预制好后，直接架设到桥梁的下部结构上。预制结构设计简单，施工方便快捷，可以从设计到施工上批量生产，是一种造价较低而又高效的设计方案，因而成为了西部欠发达地区山区高速公路桥梁设计的首选方案。然而，预制结构桥梁在其省钱而又高效的同时，也有一定的局限性。预制结构桥梁的上部结构理论上来说必须是标准长度跨径；预制结构梁、板全都为直线结构，然而，山区高速公路桥梁中直线结构桥梁很少，大部分均为弯桥。因此，如何把直线预制的梁、板布设到平曲线上成为了预制结构在山区高速公路桥梁架设中的又一重要问题，主要有墩台等角度布置和各墩台平行布置两种方式。

2.1 墩台等角度布置

墩台等角度布置结构的桥墩中心线与桥台中心线交点处的切线所成角度均相同，桥墩与桥台的中心线互不平行，各桥墩盖梁长度全部相同。墩台等角度布置通常为等90°布置即径向布孔。

墩台等角度布置时，内外梁梁长不相等，一般通过等梁长法和变梁长法来解决。等梁长法适用于曲线半径较大的情况，将预制梁预制成标准跨径等梁长，而梁长的变化则通过现浇梁端长度或连续梁现浇中横梁的宽度来调整。当曲线半径较小时，内外弧差较大，导致内外梁长度差别较大，此时采用变化预制梁长度的方法来适应曲线引起的梁长变化，也即变梁长法。变梁长法虽然设计简单，但施工难度较大，因此，设计时应尽量采用等梁长法。

2.2 各墩台平行布置

各墩台平行布置时，各孔预制板长度相等，但由于板端角度不同，墩、台长度不一致，使得设计和施工相对复杂。

墩台平行布置通常有按直线布板和按折线布板两种方式。按直线布板时，桥墩中心线与桥梁中心线所成角度相同，各桥墩中心线互相平行，直线布板设计和布板方便简单，但采用这种方法需要牺牲平面线形的曲线协调性，因而只是用于长度较短且曲线矢高不超过20cm的中、小桥。按折线布板时，桥墩中心线与桥梁中心线所成角度各不相同，各桥墩盖梁长度各不相同，上部结构板长相同，每孔内预制板角度相同但各孔板角度均不同。折线布板适用于曲线矢高大于20cm的情况。

3 山区高墩桥梁下部柔性高墩设计问题

受山区复杂地形及公路线形的影响和制约，山区公路桥梁大部分为高墩、大跨桥的结构，然而，随着桥梁跨度的增大，桥墩的截面尺寸也需相应增加，这必然使得桥梁下部结构的工程量增大，工程造价增高。为了减少工程材料，降低工程造价，近年来提出了柔性桥墩的设计方法，柔性桥墩在实现桥梁下部构造轻型化的同时，还能减少水平外力对桥梁上部结构的影响。

柔性高墩结构的计算方法为集成刚度法。集成刚度法把单层连跨结构逐跨浓缩为两端具有抗推(拉)的弹性支承的单跨结构，从而使得计算量大大减少。结构抗推（拉）的刚度可用弹簧表示，刚度的集合，可用若干串、并联在一起的弹簧模型模拟。连续梁桥的桥墩与其支座的集成刚度可认为是串联关系，而各个桥墩之间的集成刚度是并联关系。

4 山区桥梁基础设计问题

桥梁基础的设计对整个桥梁的质量和正常使用起着决定性的作用。山区公路桥梁的墩台基础形式主要有钻孔桩基础和明挖扩大基础两类。一般来说，对于地质条件较好，岩层埋藏位置较浅、基岩稳定、山体平缓等的桥位处，优先选择明挖扩大基础。对于小型构造物如涵洞、通道等，一般也设计为浅基础。对于载荷较大，地基上部土层较软，适宜的地基持力层位置较深时，可考虑采用桩基础。桩基础的设计核心是在满足单桩承载力的前提下，以摩擦桩桩长作为控制指标；嵌岩桩一般取用双控指标：基岩强度和嵌岩深度。此外，山区桥梁地形、地质、生态条件复杂，实际设计中应在综合考虑地形、地质条件的同时，还需慎重考虑对生态环境的影响。

5 钢筋混凝土的耐久性问题

在钢筋混凝土结构中，混凝土对钢筋起保护作用并提供结构抗压强度，而钢筋提供结构的抗拉强度，因此，钢筋混凝土的材料性能衰退主要有混凝土中钢筋的锈蚀和混凝土本身性能衰退这两个方面。混凝土中钢筋的锈蚀主要由电化学过程而引起，不仅受本身的晶格结构差异、化学组成不同、受力程度不同、钝化膜不连续等不均匀性因素，还受混凝土性能的好坏、外界环境介质、破坏情况等因素的影响。混凝土本身的性能衰退主要指混凝土受周围环境的生物、化学、物理作用，导致混凝土内的一些成分产生反应，使得混泥土发生溶解析出、变性、基体开裂及结晶膨胀等，最终降低了混凝土的性能，更严重的会加速混凝土中钢筋的腐蚀。目前的保护措施有采用环氧涂层钢筋、高性能混凝土、混凝土外涂层、电化学保护、钢筋阻锈剂等几种方式。

6 结语

本文对山区高速公路桥梁设计中的常见的几个关键问题进行了分析研究，主要结论如下：由于山区公路桥梁线形的特殊性，预制结构桥梁设计中预制梁、板布置是否合理将会严重影响桥梁的施工进度和造价；在山区公路桥梁设计中，高墩结构的计算设计是桥梁下部结构设计的一大难题，柔性高墩的设计更是桥梁下部结构设计的重中之重；山区的地形、地质、环境条件复杂，在山区桥梁基础设计中，应综合考虑各方面的因素。