山区公路桥梁的设计要点及方案比选分析

杜广伟

（贵州省交通科学研究院股份有限公司，贵州 贵阳 550001）

0 引言

随着我国交通基础设施的大力发展，我国经济发展逐步向贫困山区拓展。因山区水文、地质条件复杂，地形复杂多变，桥梁工程在整个工程项目中的占比较大，桥梁工程设计的科学性直接决定交通通行质量和安全程度，并对工程建设的造价有着决定性影响。所以桥梁的设计是整个交通工程设计的重中之重。本文结合某二级公路的实际案例，全方位分析和探究了山区二级公路桥梁工程设计的基本原则和重点环节，并根据工程项目现场实际地理条件，综合分析各桥梁结构形式、适用环境及投资费用等各方面因素，最终制定科学有效的山区桥梁建设方案，以期能有效促进我国路桥事业的进步与发展。

1 工程概况

某公路为双向四车道，设计速度为80km/h，路基宽25.5m，设计总长约93.6km。工程建设区域位于山岭重丘区，地形复杂、山势险峻，存在多处跨越山谷的桥梁工程，物资运输困难，是极具代表性的山区公路，其桥梁设计结构方案需重点考虑山区项目的特质。

2 项目特点

2.1 地形条件复杂

该公路工程全部处于山区，地势崎岖不平，坡陡崖深，沟壑纵横，施工区域高差最大位置约1 100m。桥梁、隧道在整个工程项目中占比超过70%。

2.2 地质条件复杂

工程建设区域大部分为不良地质条件发育区，是典型的地质灾害易发区，结合现场实际地址勘察，全段经常出现坍塌，存在岩溶及危岩等不良地质；主要岩层分布为寒武系、奥陶系以及三叠系灰岩等碳酸质岩石，质地坚硬，并距离构造断裂带较近，岩石整体性较差，发育情况为裂隙发育。所以在进行桥梁设计时要全面结合现场不良地质条件的影响，采取必要的技术措施保证边坡稳定性及桥梁墩台基础的安全性。

2.3 复杂的气候环境

工程建设区域气候垂直性变化强烈，周围小气候复杂多变，地形每升高100m，温度下降约0.6℃。进入冬季海拔高度超过1km 会存在积雪现象，海拔高度超过1.2km 易产生结冰现象。由于施工区域地势高、山势险、山坡陡峭、积雪覆盖，使得工程施工难度加大，安全问题极为突出。

2.4 环境保护及景观要求突出

工程全线内生态资源多样，自然风景区及保护区分布较广。所以，要结合现场具体情况对桥梁设计方案实施全面优化，并根据局部位置对设计进行细化，从而设计出合理的工程建设方案，尽可能降低对生态保护区的干扰和破坏；此外，还要注意对桥梁造型及景观的设计，使建成后的桥梁尽可能与周围自然环境相协调，真正实现工程建设与生态环境的统一发展。

2.5 桥梁项目形式较复杂

本工程桥梁设计时必须要对主桥、引桥、接线及建成后运营安全进行全面考虑，涉及项目形式及影响因素复杂多样，是一项较为繁琐的系统性工程。所以在对该工程进行设计时，必须综合技术和管理运营等不同层面全方位进行考虑。

3 大跨径桥梁方案比选

本项目中的柴埠溪大桥主要为路线跨越渔洋关大鲵省级自然保护小区而专门建设，保护小区长度为310m。根据环保审批的相关指示，在此范围内严禁布置桥墩。结合现场实际地理特征和相关指示，该桥梁应采用大跨度桥梁。根据大跨度桥梁方案，建议采用的桥型包括斜拉桥、悬索桥及拱桥三种形式。

3.1 斜拉桥方案

斜拉桥方案应用主跨为480m 双塔双索面斜拉桥（见图1）。该桥梁形式具有较强的跨越性能，总体造型巍峨耸立，能够带来强烈的视觉冲击感，最大程度地实现桥梁与周围环境的协调统一。结合本工程实际情况，其桥跨布置为（68+144+480+144+68）m 钢混组合梁斜拉桥，半漂浮结构体系。和索塔下部横梁位置安装具有限位功能的纵向豁滞阻尼器。

图1 主跨480m斜拉桥方案示意图

针对主跨不超过800m的大跨度桥梁，该结构形式和悬索桥相比，抵抗风荷载的能力较强，稳定性更高，其经济效果更好，是该跨度桥梁结构形式的主要代表。

3.2 悬索桥方案

悬索桥主要是应用于超大跨度的桥梁结构形式，其主跨大多超过800m。其具有线形美观、自重轻、跨度大等优点。这一方案在设计时，要重点考虑主塔和锚固位置，主塔必须要与陡坡保持适当的安全距离。根据现场实际情况，该工程需采用跨度为660m钢板梁方案，矢跨比为1/9.8（见图2）。起点和终点锚旋均应用重力式锚旋。

图2 主跨660m悬索桥方案示意图

660m 跨度并非悬索桥的经济跨度，成本较高，且施工锚旋花费工期较长，此外，施工锚碇基坑会破坏周边环境，不适用于环保条件要求较高的工程。

3.3 拱桥方案

该工程因受地理及渔洋关西互通布置等情况限制，位置布设较高，通过分析决定，如果选择拱桥方案，可采用主跨为380m 的上承式拱桥，其矢跨比为1/4.5（见图3）。拱圈上部最高立柱约81m，现阶段我国已建成的拱桥，拱圈上部最高立柱78m。

图3 主跨380m拱桥方案示意图

拱圈上部立柱和拱肋位置受力状况及立柱稳定性不易控制，施工难度较大、工期较长、成本较高。

3.4 方案综合比选

结合工程实际，全面考虑造价、工期、环保、景观以及质量控制等因素后，建议该桥选用斜拉桥方案。

4 桥梁上部结构形式

通常情况下，大中型桥梁在设计时上部结构形式主要采用空心板、组合箱梁以及装配式T 梁三种形式。结合前期大量设计及施工案例，预应力混凝土装配式空心板在施工和运营过程中通常会产生接缝和底板开裂等质量缺陷，因此本工程不建议采用此种结构，仅针对装配式组合箱梁及T 梁两种形式展开比选。

4.1 技术经济比较

选择路基宽度为26m，标准跨度为20～40m 组合箱梁及T 梁上部结构实施技术及经济效果比较，具体情况如图4～图6所示。

图4 梁高对比图

图5 梁的质量对比图

图6 估算对比图

通过上述比较能够看出，小箱梁在跨径为20m 和25m 时具有较好的经济价值。当跨径逐渐增加时，其造价逐渐趋于T 梁造价。当跨度为30m、40m 时，二者经济效果接近。

4.2 受力分析比较

组合箱梁和T 梁对比：单片组合箱梁具有较强的稳定性能，其抗扭弯矩为1.19～2.37kn.m，高于单片T 梁。单幅单孔组合箱梁其整体抗扭弯矩比T 梁高，约为1.08～1.19kn.m，而单幅单孔T 梁的弯矩明显高于组合箱梁，约1.19～1.33kn.m。

4.3 景观性比较

组合箱梁只在桥墩顶部安装隔板，具有良好的视觉效果。T 梁因尺寸较大、跨中位置通过横隔板实现与各主梁的连接，视觉效果略逊于组合箱梁。但T 量具有较强的抗弯性能，在实际应用时，抗弯性能相比视觉效果更加重要。

4.4 施工控制及后期养护比较

就施工方式而言，预制箱梁具有可行性高、稳定性强等优势，且梁数量和T 梁相比要少很多。预制T梁单片重量和跨度相同的箱梁相比要轻约18%～23%，跨度超过40m 的预制T 梁同跨度预制箱梁相比其施工吊装重量明显较轻，施工较为便捷。

从质量把控方面来看，预制组合箱梁内部为中空内腔，对施工技术要求较为严苛；而预制T 梁在实际施工时，其质量更容易把控。

从使用阶段维护情况来看，二者在后期维护方面均无需投入太多费用，但由于T 梁属于密实构造，其质量缺陷更容易显露，方便检查和维护。

结合前期该地区类似桥梁工程设计及施工案例，并根据综合比选结果，建议本工程桥梁采用T 梁设计方案。

4.5 桥梁墩高与跨径的比选

根据山区实际地形特征，高桥墩已成为桥梁设计的必选方案，在确定桥梁跨度时要严格结合桥梁特征合理设置高跨比，确保在力学性能满足规范要求的前提下，尽可能使造价降至最低。

当桥墩高度不超过30m 时，下部结构占比相对较小，这种情况下应用30m 跨度上部结构经济性较好；而随着桥墩高度的逐渐增大，下部结构占比越来越大。当桥墩高度增加至35m 时，跨度为30m 和跨度为40m 的桥梁工程造价大体相同。当桥墩高度处于二者之间时，更倾向于采用跨度为40m 的T 梁；而当桥墩高度超过40m时，应采用40m跨度T梁设计。

5 桥梁下部结构形式选择

本工程涉及的桥梁大部分桥墩高度较大，在结构受力方面的考虑因素主要为抗压和抗弯性能，所以，在进行桥墩设计时，除考虑强度达到标准要求外，还要全面考虑桥梁在施工及使用阶段的整体稳定性及安全性，以有效保证施工及使用阶段不会发生桥墩失稳状况。目前，常用的桥墩结构形式主要包括双柱墩、实体墩以及空心薄壁墩等。实际应用情况如表1所示。

表1 桥墩形式选取表

当桥墩高度超过25m 或纵向坡比高于3%时，应采用桥墩和上部结构固结的结构形式。桥台设计要根据现场实际地形特征，通常状况下，普遍应用桩柱式台、肋板台、U 台以及板凳台等几种形式。在山区桥梁设计时，其桥台要尽可能设置在挖方部位。

6 结语

山区二级公路桥梁设计在确保使用功能及安全的基础上，要尽可能控制建设规模，降低投资成本；严格遵循技术先进、安全舒适、经久耐用、经济合理、美观协调、节能环保的设计理念。贯彻可接近、可监测、可维护、可替换的控制思路，以有效降低使用阶段维修、养护的工作难度，减少维护成本。此外，制定科学有效的设计方案，并对细部设计不断优化，能够有效降低工程对环境的影响，实现工程建设与环境保护的协调发展。