山区高速公路桥梁方案设计与研究

万丽红

（中铁六局集团有限公司工程设计院，北京 100036）

1 工程概况

静乐丰润至兴县黑峪口高速公路是晋陕煤运一条主干道，里程长93.691 km，设计速度采用80 km/h，双向四车道高速公路，路基宽度25.5 m，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级。全线共设置桥梁：24 590.5/60座，其中特大桥2 335 m/2座、大中桥22 255.5 m/58座；隧道：10 863 m/2座，其中特长隧道10 435 m/1座、短隧道428 m/1座；桥隧比例为37.84%。整个项目地形、地质复杂，桥梁数量多、里程长，除需对桥梁方案设计进行技术经济比选外，还要更深入研究桥梁抗震与耐久性，研究内容可为今后项目提供指导和借鉴。

全线地貌景观主要为中山侵蚀黄土地貌、宽谷堆积地貌、中山侵蚀基岩地貌，微地貌主要表现为黄土冲沟、黄土陡崖、基岩中缓坡、河床、漫滩、阶地等。区域内地质构造复杂，历经了多次地质运动和构造变动，进而形成极为复杂的褶皱和断裂构造。区域内水系属黄河水系，与路线有关的河流为汾河、岚城河、交楼申河、蔚汾河、岚河。本项目结构所处环境类别按Ⅱ类考虑。地震动峰值加速度系数：0.05g（岚县、兴县）、0.1g（静乐）。

2 桥梁总体方案设计

2.1 总体布设原则

遵循“安全、耐久、适用、环保、经济和美观”的原则进行公路桥涵设计。综合考虑项目区的自然环境、使用要求、材料来源、便于施工和养护等因素。更加重视抗震和耐久性设计，注重细节，始终贯彻品质工程理念；重视与周围环境、人文景观相协调[1]。

对溶洞路段的桥梁，应充分结合地质条件，可适当增大桥梁跨径，尽量减少桩基础数量；对采空区路段的桥梁，应查明采空区的类型、范围、大小、形态等，同时对场地适宜性、稳定性做出评价，并提出工程处理建议措施。

2.2 上部结构设计

本项目桥梁规模较大，主要是跨越山谷、农田、河沟和道路，跨径以中小跨径为主，全线桥梁最大桥高普遍在55 m以下，为节约工程造价、节省工期，上部结构主要采用装配式预应力混凝土连续小箱梁或T梁；对于桥高大于80 m以及跨越汾河、黄河等个别有特殊跨越要求，需采用较大跨径满足跨越需求的，采用现浇预应力混凝土连续梁或连续刚构；对于互通区桥梁，优先采用装配式小箱梁、T梁，分流鼻处桥梁、小半径匝道桥、以及墩高较高的桥梁，装配式箱梁、T梁结构无法满足设计要求时，分别采用普通钢筋混凝土连续箱梁、现浇预应力混凝土连续箱梁、钢箱梁等结构型式。表1为装配式上部结构方案综合比较表。

综合以上比较表，可以看出20 m以下跨径适合采用空心板；20～30 m中小跨径箱梁与T梁相比虽然吊装重量相对较大，但是对吊装设备来说要求并不高，结构具有施工预制安装方便，横向稳定性好，经济性好的特点；40 m跨径中T梁与小箱梁经济性相差不大，但吊装重量相对较小，明显降低了对吊装设备的要求，适于在山区中应用。所以结合本项目特点，全线20～30 m跨径的桥梁采用预应力混凝土组合小箱梁，40～50 m跨径的桥梁采用预应力混凝土T梁。

表1 装配式上部结构方案综合比较表

2.3 下部结构设计

下部结构视具体情况及是否有景观要求而定，总体上应尽可能减少结构类型，尽量统一，减少环境破坏，方便快速、标准化施工。下部结构类型一般应综合结合地形地质情况、跨径、上部结构型式、墩台高度等情况选定，与周边环境相协调。

桥墩采用钢筋混凝土结构，根据墩高情况截面形式主要为柱式墩、矩形墩或空心墩，连续刚构采用空心双薄壁墩，桩基础，根据基岩埋深分为用摩擦桩、端承桩等；桥台根据地质状况及填土高度采用肋板式台、柱式台、扶壁台。特殊桥位（如立交区内桥梁、跨线桥梁、跨越航道桥梁）的桥墩形式选择时，除满足基本桥墩的使用功能外，应注意桥梁设计的景观性。可采用小柱距大挑臂双柱桥墩，预应力混凝土隐式盖梁，或采用其他形式美观的桥墩。

2.4 墩台基础设计

在保证安全，注重环保要求前提下，墩台基础应根据地质、地形条件，合理选择基础形式，一般选用桩基础，地质条件很好时可适当选用扩大基础。为减少对自然地貌的破坏，需避免大面积基坑开挖，造成边坡失稳，较陡边坡上不适宜采用扩大基础和承台群桩基础。当为水下基础时，应根据水文地质状况，结合施工工艺、技术设备等因素，综合考虑选取经济合理的基础形式。当桥址处地质条件复杂时，桩基的承载力宜通过试桩确定。

3 桥梁专项研究

3.1 抗震与稳定性研究

抗震设计依照《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01—2008）的具体要求进行。桥梁选址时尽量避开可能发生大规模滑坡、崩塌等不良地质段以及地层严重不均一地段、可液化土层、软弱土层等，同时也要尽可能避开岩石松散、地形陡峭、孤突、破碎的地段。桥梁上部结构形式尽量采用整体性好、结构形式简单、抗扭刚度大的结构形式。为防止落梁，对抗震等级要求高的地区，尽可能加强上部结构和下部结构的连接，做好防挡措施。根据抗震数据统计，长大桥梁损坏率明显较中、小桥要高，严重损害率和全桥失效率统计结果表现出“大桥＞中桥＞小桥”的规律。图1为不同规模桥梁抗震损坏率统计。

图1 不同规模桥梁抗震损坏率统计

结构稳定性是桥梁设计很重要的方面，在某种程度上与强度有着同等一个重要的作用。结构失稳是指受一定荷载作用下结构处于平衡状态，当荷载达到某一个值时，若增加一个微小增量，结构的平衡位移将发生很大变化，达到不平衡状态，最后遭到破坏。失稳可以分为两大类：第一类失稳是分支点失稳，理论上存在两种平衡状态；第二类失稳是极值点失稳，结构只存在一个平衡状态，在此平衡状态下，外力增大会使应力集中部位出现塑性破坏。这与结构自身特性、约束形式，以至于受力方式有关。当荷载达到一定的数值时（临界荷载），结构变形会迅速增大，超过限值，引起结构破坏。

实际结构都不是理想的完善结构，失稳大多数属第二类失稳。分析第二类稳定性，就是考虑材料和几何非线性，求解平衡方程。混凝土应力-应变关系是非线性关系，截面刚度为非定值，其稳定分析基本方程为：

式中：[k0]为小位移弹塑性刚度矩阵；[δ]为位移列阵；｛P｝为节点荷载列阵。

3.1.1 结合抗震设计，采用的具体措施

结合本项目特点，重点针对桥梁高墩柱稳定性分析研究，保证有足够的安全系数，并结合抗震设计，采用的具体措施如下：

a）对全线所有桥梁均进行E1和E2地震作用下的抗震设计。

b）桥梁分联时尽量使一联内的桥墩高度比较接近，使地震水平力由各墩共同承担，避免地震力分配不均。

c）充分考虑桥墩的延性设计，应对抗震的薄弱、能力不足的部位，在构造上予以加强，提高抗剪能力。在墩柱范围内使用螺旋形箍筋，以加强约束。

d）增加主梁的支承长度和墩台帽梁宽度，为提高上部结构的整体性和稳定性，加强主梁之间的横向连接。在墩台上设置横向挡块，挡块外侧与盖梁端部错开15 cm距离，尽量避免上部结构在地震中落梁[2]。

e）在梁与桥台背墙之间和梁与挡块之间设置防震橡胶垫块，起到缓冲和限制主梁位移的作用。

f）加强黄土冲沟陡坡地区桥梁的墩柱设计，合理布置孔径，尽量避开陡坡陡坎及冲沟地区。墩台基础尽可能减少开挖范围和高度，同时适当延长桩基长度。

3.1.2 地震烈度区较高的路段需加强的抗震措施

a）适当加强墩台身与盖梁、承台、桩基础的连接，加大墩身顶、底截面的配筋率，加强塑性铰区域的抗剪能力。

b）对较高的柱式墩适当加大截面尺寸，设置不大于7 m间距的墩身横系梁。

c）对台高较大的肋式桥台加强横向刚度，适当加大肋宽和肋身侧面钢筋配筋率。

3.2 耐久性研究

混凝土桥梁结构的耐久性取决于组成材料的自身特性、配合比以及结构所处的环境，且与设计、施工及养护管理紧密相关[3]。本项目桥梁基本上采用预应力混凝土结构，耐久性问题还与预应力保护效率有关。调查发现，预应力结构会出现的耐久性问题主要有管道泌水、灌浆不饱满，锚头附近没有水泥浆,或者孔道内有残留水,钢铰线被孔道内的空气和水分包裹。

图2 锚具腐蚀

结构的防腐蚀耐久性设计是一个系统工程，它涉及到设计方案、施工质量、监理监控及养护部门后期维修养护等全过程。通过调查研究，耐久性问题很大程度上取决于施工质量、措施以及养护维修，因此，需要项目参与方和建设、设计、施工及监理单位密切协作，相互配合，共同解决结构耐久性存在的问题。

综合类似工程经验和国内外研究成果，本项目主要从以下几个方面应对混凝土桥梁结构的耐久性问题：

a）完善桥梁构造设计，混凝土保护层厚度适当加大，配置构造钢筋，防止控制裂缝发展。

混凝土结构保护层厚度适当加大，配置构造钢筋，减少混凝土保护层碳化的几率，从而防止钢筋钝化膜破坏。混凝土结构的损伤与破坏，通常都是从混凝土结构中出现裂缝开始，而后病害逐步发展、恶化[4]。同时，裂缝又会引起、加剧混凝土结构的其他病害，比如裂缝会加大混凝土结构的渗透性，雨水或腐蚀水流入会使侵蚀破坏升级，耐久性不断下降。裂缝的出现，会加大、加快侵蚀速度，形成混凝土结构耐久性一步一步退化的恶性循环。要提高混凝土结构的耐久性，保证正常使用性能，延长使用寿命，重中之重是控制混凝土结构的裂缝，除按相关设计规范控制裂缝外，主要还是采取构造措施，消除可能出现的隐患，严格控制非工作裂缝的出现。

b）预应力混凝土应加强对钢绞线和锚头的保护，预应力管道应充填密实，分散预应力体系，提高结构的防水性能，进而强化结构的延性。

c）桥面排水和防水层进一步加强，防止桥面积水。

为做好桥梁自身的防排水设计，应重视防水层作用，在桥面铺装层顶面设置防水层，减少主梁与水的接触。铺装层应采用抗渗性能好的混凝土，铺装层内设置抗裂钢筋网，以防止混凝土开裂，影响耐久性能。此外，优化桥梁泄水管及伸缩缝处的排水设计，使桥面积水能快速排出，不至于渗入主梁内[5]。

d）控制混凝土的材料组成，提高混凝土的耐久性以及自身抗破损能力。

混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成及配合比例，为保证混凝土强度和密实度，最小水泥用量、最大水灰比、最低强度等级、最大碱含量和氯离子含量要严格控制，从本质上提高耐久性。

e）桥梁运营过程中，支座的耐久性也相当重要，满足结构的使用要求时可延长结构使用寿命。墩梁之间要留有足够的距离，定时检查，在维修养护过程中，必要时更换支座，保证结构安全。

f）在管理运营阶段，养护部门要定期进行养护、维修、检测以及相应的监控，并做好详细的记录，确保结构的正常使用。

3.3 环保景观设计

在桥位桥址选择和桥孔布置时，要与周围环境景观相协调，跨越河流时，尽量不压缩河道，以保证洪水及地面水的排出。同时还应特别重视路基纵横向排水设计。桥面或路面汇水设置独立的排水系统将污水排出水库或水塘范围以外。对于环境敏感区，比如距离村镇较近的桥梁，噪声将会较大影响沿线居民的生活，出于环保要求，在噪声影响较大的路段设置声屏障。

本项目起点部分段落位于汾河国家湿地公园边缘，路线跨越汾河、蔚汾河、岚尾河、岚城河、黄河等主要河流，设计中不在跨越河流的桥面设置垂直泄水孔，桥面径流初期污水统一收集后排入公路桥头的污水处理池，不直接进入河流，同时在桥面两侧设置防抛网；在汾河国家湿地公园范围内不设置施工营地、施工场地、取弃土场和建筑材料堆放场地；在施工过程中产生的生活及施工污水不得直接向河流排放；路基的零星弃土不侵占河道，以保护水环境。为防止万一发生危险品运输事故的污染风险，设计中加强风景区范围内的安全设施。

4 总结

由于本项目以山岭、微丘地形为主，沿线地质比较复杂、运输条件较差，上部梁板综合考虑采用分段预制。全线跨径在20～30 m的桥梁采用预应力混凝土组合小箱梁；跨径40～50 m的桥梁采用预应力混凝土T梁。同时还应该加强地质勘察工作，施工中动态设计，加密钻孔布置并辅以物探，查明桥址处地质情况，并结合试桩成果，为桥梁基础设计提供可靠依据。

山区高速公路桥梁方案除满足基本的技术、经济条件外，更应该针对具体项目的水文地质、气候等条件，加强抗震设计、稳定性及耐久性研究，综合工程经验及研究成果，践行品质工程理念，充分提高桥梁的使用性能。