山区高速公路桥梁下部结构设计优化探讨

陈志达

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710000)

1 山区高速公路特点

在山区建设高速公路时会存在地形复杂、地质结构多变的问题。就地形方面来说，山区地面高差大、横坡陡，且地面形态变化频繁，而在地质上，山区地面结构多存在滑坡、斜坡、陡崖、煤气地层等地质。在这些因素的作用下，布设施工路线时会受到平纵横三方面约束。具体表现在平面线多、纵坡大、平面半径大、陡坡陡、高挡墙多等方面。山区高速公路桥梁在建设时也会受到上述因素影响，存在弯坡桥多、墩台形式多等问题，在进行桥梁设计时，必须将桥梁各部分结构与山区地质、地形关系进行有效协调[1]。

2 桥梁下部结构设计

2.1 桥墩

针对桥梁下部的桥墩设计，如果高度在40 m以内，通常将其设计为柱式墩，Y型薄壁墩，而前者最常应用。柱式墩有圆柱与方柱两种形式，按照圆柱施工比较容易控制外观质量，并且在衔接桩基时也相对方便，多用于平原地区，不过方柱棱角分明，更具有美观性，与上梁结构更协调，直观来看方柱美学价值高。而从受力方面考虑，方柱与圆柱处于横截面相等条件下，方柱抗弯能力更强，相比圆柱能承受更多的力，当体系为连续刚构时，方柱的柱墩刚度只需要通过对两方向尺寸进行调整就可以控制，从而达到调整墩柱受力的目的。而圆柱各方向都具有相同性质，调整效果与方柱相比不够明显。但方柱的墩柱需要通过桩帽才能连接到桩基，进而导致工程数量增加，同时由于山区桥梁地面横坡都较陡，如果柱帽结构增加就会导致挖方工程量增加，引起边坡不稳问题。因此选择圆柱和方柱时，需要根据山区地形、上桥梁结构、墩高来具体分析。

Y型墩薄壁这种墩型作用于独柱双支座上，具有较好的美观性，不过具体施工较复杂。如果墩高较矮，将无法保证施工美观性，因此采用较少。如果墩高较高，施工Y型薄壁墩只需要一套模板、搭一个支架。如果山区桥梁建设设计地面横坡陡、搭支架困难、木板需求量大的问题，选用Y型薄壁墩优势较为明显。而从预算方面来看，Y型薄壁墩相比柱式墩更有性价比。另外选用双柱墩时，由于山区地面横坡陡，两个墩柱会存在较大的高度差，由于线刚度WI/L差距大，导致一个墩两个墩柱受力差异较大，而选择Y型薄壁墩，能够有效优化这个问题。

2.2 高墩

通常设计矮桥墩时主要考虑强度指数，如果桥墩高度较高，需要注重稳定性问题。而相关设计规范针对偏心受压柱的内容有指出，当10/h>30时，构建已由材料破坏变为失稳破坏。其中10代表受压柱长度的有效范围，墩高变化在0.5～2倍范围中，具体多少取值，主要取决于施工状态、上构重量、上构与墩柱的连接方式即墩柱的支承刚度。如果墩厚度在2 m以上，实心矩形截面将降低经济性，可以说，墩柱如处于材料破坏情况下，可以选择实心矩形截面，同时高度最好不超过50 m，如果超过50 m，应选择空心薄壁墩截面。空心薄壁墩在应用中，如果涉及墩高在65 m左右范围，顺桥向应考虑放坡[2]。

2.3 桥墩与路幅的关系

山区高速公路建设路基主要有整体式与分离式两种形式，现阶段选线环节注重于缩小占地面积、环保、协调景观的理念，因此分离式路基通常只会设置在中长隧道等情况下，建设单位更频繁使用整体式路基。针对整体式路基双幅桥下部结构，通常采用分幅单独形式来设计，即双幅四柱。而像是高墩长桥这种类型，为减少开挖施工数量，提高边坡稳定性，减轻材料消耗以及工程造价，选择整体式下构即双幅两柱这种施工形式，具有一定的经济性。相比双幅四柱，如果存在相同的桥墩截面积以及横向宽度，整体式下构相比分幅下构，在横向、纵向刚度方面具备更大优势，不光可以减少开挖、节约材料，还能时墩顶变位减少。

2.4 桥台

山区高速公路桥梁通常会使用重力式U型台、桩柱式台、肋板台来建设桥台结构，而重力式U型台应用最为广泛。相关规定说明，如果填土在4～10 m范围内，可选择U型台，因此最好以10 m范围来控制U台高度。山区桥梁U台的横向、纵向横坡陡，因此台阶设置要结合山区地形实际来考虑，以此减少开挖量，节约圬工方量。桩柱式桥台的抗推刚度小，当联长较长，台后填土如果高度较高时施工价值偏低。通常以5 m以下范围来控制台后填土高度，联长高度则在150 m以内。埋置式肋板台则适用范围较广，但高度也存在限制，不宜超过12 m[3]。

2.5 基础

山区高速公路桥梁基础设计中，常选择扩大基础或是桩基础。如果地质情况较好，通常使用扩大基础更多一些，并且分离式扩基础方式更有效果，因为分离式扩基础在横坡地形、承载力方面都能够较好的适应。针对斜坡所采用的扩大基础和桩基础，在具体设计时需要考虑基础扩散角和覆盖层厚度以及施工时的相互影响。

3 山区特殊桥墩的处理

3.1 整体式隐式盖梁简支桥墩

如图1，由于此桥跨设计的斜交角度过大以及道路净空限制，因此错孔、大跨径桥梁跨越方式无法在主线使用，设计时可采用将桥墩盖梁与箱梁中横梁相结合的方式，即隐式盖梁。此种设计方案在应用后，不会对道路的行车净空进行侵占，并且达成跨越国道的目的[4]。

图1 整体式隐式盖梁简支桥墩示意图

3.2 独柱式桥墩

如果山区高速公路桥梁建设设计河流流速快、瞬时水流冲击力大等问题，可以使用独柱式桥墩设计方案，以此缩减桥墩的阻水面积，将水流冲击力降低。为保证山区桥梁上部结构步跨的合理性，避让被交车道，减少开挖、提高边坡稳定性，采用整体式下部结构方案施工具有很好的效益。

图2 独柱式桥墩示意图

4 结束语

针对山区高速公路桥梁工程建设，需要保证前期的设计质量，而桥梁下部结构在具体设计时需要考虑的因素很多，需要结合具体施工情况来进行合理的选择，主要从桥墩、路幅、桥台、基础等方面进行考虑，并列举了相应的结构形式，由于山区施工的复杂性以及严格质量要求，具体设计时需要严格根据相关标准来进行。