山区高速公路桥梁设计关键问题研究

何晋、纪丹琳

（上饶市宏优公路勘察设计院有限公司，江西 上饶 334000）

0 引言

桥梁设计一直以来都是公路工程建设的重要问题，尤其是在山区高速公路项目中，由于路线范围内的地形地势条件复杂多变，所以相较于平原地区，桥梁设计难度大、要求高，需要整理并分析设计中应注意的关键问题。

1 支承体系确定

1.1 简支体系

简支梁桥十分常见，尤其适用于山区，但主要为中小跨径桥，具有下列优势特点：

第一，各孔简单支承，且单独受力，预制与架设均较为方便，管理简单，施工成本费用相对较低。

第二，结构受力简单且明确，不会产生太大的附加应力，且设计过程中的计算较为简便，对实现标准化十分有利。

第三，属于静定结构，基本不会受到地基因素的影响，对基础没有提出太高的要求，可在地基条件相对较差的区域使用。

然而，该桥梁也存在一些缺点：

第一，桥面存在很多接缝，行车舒适性较差，且结构的耐久性和整体性也相对较差。

第二，一般情况下只能满足中小跨径要求，无法最大限度发挥出材料自身受力特性。

第三，结构自重较大，需设置大量支座，导致下部结构整体尺寸偏差，影响经济性与美观性。

为有效克服以上缺陷问题，可使用桥面连续体系，这一体系除了延续了简支体系各项优势特点之外，还能通过对桥面板厚度及连续长度的适当调整，在很大程度上减轻上部结构自重，并能减少伸缩装置，实现对行车舒适性的有效改善。该体系已经在很多桥梁工程得到应用，主要具有以下几个方面优势：

第一，桥面板具有一定横纵向刚度，可直接参与到整个结构体系的受力，从而极大减轻上部结构自重，为施工创造便利条件。

第二，桥面板在施工现场进行浇筑，能对梁之间的距离进行灵活调整，除了能适应多种路基宽度，还能在曲线桥中使用。

第三，能大幅减少桥面上的接缝，使行车保持平顺，保证结构自身耐久性、整体性与适用性。

1.2 连续支承体系

首先，对于山区公路桥梁，经常选择连续结构及其支承体系，这一体系一般包含下列3 种形式：其一，现浇单支点连续；其二，先简支后单支点连续；其三，先简支后双支点连续。

其次，对于现浇单支点连续，一般为整体现浇结构该体系，如现浇混凝土箱梁和板桥等，很少用于山区公路桥梁。然而，当桥梁处在半径较小的曲线段时，如互通立交，通常难以避免要采用这种桥型。这种支承体系实际应用时，应重视其支座设置基本原则，对各方面设计要点都要引起足够的重视，如铰与抗扭支承等。

最后，对于先简支后连续体系，大多应用在装配式结构桥梁，预制与架设都比较方便，能在保证结构受力的基础上，提高行车舒适度与结构耐久度，目前正被大量用于山区公路桥梁。对先简支后单点连续而言，具有受力合理与明确的优势，但需要进行结构体系转换，使施工难度大幅增加；对先简支后双支点连续而言，由于不存在结构体系转换环节，所以施工相对便利，但要做好结构受力分析，避免由于支座受力问题产生脱空。

1.3 刚构支承体系

山区公路桥梁以弯、坡、高、长桥居多。对于曲线梁桥，因受到弯扭耦合作用，会有沿某一不动点发生变形的趋势；对于单向行驶的连续大纵坡长桥，受汽车制动力长时间作用，梁体会沿行车方向产生一定程度的滑移。在以上情况中，如果使用的是连续支承体系，则以上变化与趋势会导致梁体结构受力无法达到平衡，导致支座脱空或破坏，在梁体结构上产生裂缝，对此应采用刚构体系，防止上述问题的发生。

在高墩桥设计过程中，压弯稳定性与变位控制是墩身设计主要影响因素之一，尤其是当桥梁处在曲线段和大纵坡条件下时，应使用刚构体系，并对结构受力进行调整，防止梁体结构产生滑移，以此大幅度减小总体变位，保证稳定性与耐久性。除此之外，墩梁实现固结能有效防止因抗扭或抗滑而给支座施工造成不利影响，或支座发生损坏而给桥梁整体结构造成不利影响，在某些情况还能直接省去支座更换环节。基于此，采用刚构体系能良好适应山区公路桥梁基本需要。

1.4 混合支承体系

山区公路地形十分复杂且多变，经常遇到深沟纵崖和长陡边坡，桥梁不同墩身的高度有很大偏差，为切实保证桥梁行车舒适性与结构整体耐久性，建议采用混合支承体系，如连续支承与刚构支承相结合。如果这种桥梁采用的是刚构支承，则需要通过对桥墩线刚度进行适当调整来改善桥墩结构受力，但这样会使桥墩尺寸相对较多，影响美观性，对施工也会造成很大影响；如果使用的是全连续支承体系，则会使联长变大，墩台受到的水平方向作用力很大，使墩柱尺寸增大，影响舒适性。针对这种情况，需要根据地形条件对刚度相差较小的高墩进行固结，充分利用结构的柔性良好适应墩身受到的水平方向作用力，对于高度相对较小的边墩，可采用滑板或橡胶支座，以此形成连续梁，改善墩柱结构受力性能，在与桥梁结构自身受力特点相适应的基础上，满足地形地势方面的要求。

2 上部结构设计

2.1 跨径布置

第一，山区地形有很大的起伏变化，一般需要结合地形条件确定适宜的跨径，不能完全根据墩高进行频繁调整，如果墩高发生很大的变化，则可组合使用两种不同的跨径。若桥梁有多种跨径方案可供选择，则可根据上下部结构方案实施造价分析，在综合对比后再确定适宜的方案，并优先考虑标准跨径方案。

第二，对于山区公路十分常见的曲线桥，若按照不等梁长方式进行布置，则要以曲线半径大小为依据，在确定适宜的跨径及墩台中心线具体位置的过程中，充分考虑以下两点：

其一，当曲率半径相对较大时，内、外弧线长度相差不能太大，可按照内弧长和标准跨径完全一致的要求布置，在这种情况下，立面跨径依然是标准值，在设计中概念相对清晰，墩台位置和跨径也比较明确，对提高设计效率与质量都有很大帮助。

其二，当曲线半径相对较小时，可按照半幅桥中线弧长与标准跨径完全相同的要求来布置，以此减小梁长标准值和实际值之间的差值，确保结构受力与构造性能与标准梁尽可能相近，以此在最大程度上达到标准化。该方法会使立面跨径形成一个碎值，尤其是对墩台进行平行布置时，左右两幅桥梁的墩台会发生错位，给设计与施工都造成很大影响，并且也会影响到美观性。

2.2 桥型选择

对于山区公路，因交通运输与场地预制等方面的条件相对较差，所以应进行装配化与标准化设计。当桥梁为中小跨径时，优先考虑装配式结构，以梁板组合结构形式为宜，该上部结构形式造价低，且施工方便，可使生产实现标准化与工业化，在山区公路桥梁中比较常用，如小箱梁、空心板和T 形梁。当跨径在20m 以内时，以空心板形式为宜；当跨径为20～40m时，以小箱梁与T 形梁为宜；当跨径为40～50m 时，以T 形梁为宜。

需要注意的是，对装配式桥梁进行设计时，建议采用梁板相组合的形式，如将预制装配小矮梁和整体现浇桥面板结合到一起，这样除了能减小预制结构的重量，为架设施工提供便利之外，还能使其他结构设计施工实现标准化，适用于多种路基宽度与桥面线形，加快工程的施工进度。

对于半径相对较小的曲线桥，建议选择有很强抗扭性能的结构，如连续闭合箱梁。对采用预应力混凝土结构的连续曲线桥，导致弯扭的力主要来源于以下几点：温度变化、混凝土自身收缩徐变、预应力施加与梁体自身重量。在梁体结构中，平弯预应力会产生一定沿水平方向分布的径向力，该作用力会在竖直截面上产生偏心，导致梁体结构发生扭转。如果车辆荷载发生偏心或行驶过程中产生离心力导致曲线梁产生扭矩，就会发生向外偏转。根据相关资料可知，在曲率较小和跨径较大的桥梁中，主梁结构最大扭矩将超过纵向弯矩1/2。因整体式闭合箱梁结构上部抗扭性能与平衡外力的能力强于大部分梁式结构，不会对下部结构体系造成太大附加力，同时更容易符合线形及超高方面的要求，所以这样对曲线桥、高敦桥和长桥而言更加有利，是此类桥梁优先考虑的结构形式。

对于跨径较大的桥梁，建议采用悬臂浇筑结构或悬臂拼装连续箱梁。当桥梁的跨径较大时，不推荐使用跨径超过50m 以上的整体式预制结构，在这种情况下，悬臂浇筑结构或悬臂拼装式连续箱梁成为最佳桥型。这种桥型几乎不会受到场地与实际运输条件等因素的影响和限制，同时也不需要采用太多吊装机具，现场施工方便，结构受力合理。在设计中可通过对箱梁截面的适当调整或预应力配置来实现结构设计上的优化，从而提高结构自身整体性与耐久性。除此之外，在选择大跨径桥梁的上部结构形式时，还要充分考虑现场的实际情况及结构特征，严格按照因地制宜的原则来选定结构形式。

3 下部结构设计

3.1 桥墩

公路桥梁有多种桥墩形式，如柱式墩、板式墩、空心墩或实体墩。

首先，对于墩高小于25m 的山区公路桥梁，其墩身形式以柱式墩与薄板式墩形式为宜，尤其是柱式墩。圆柱形墩的构造比较简单，施工过程中墩身外观质量相对容易控制，而且和桩基之间的衔接也较为方便；方柱和上部结构之间比较协调，整体受力性能也比圆柱形墩好很多，特别适合刚构体系，但需要设置承台和桩基相连，导致工程量大幅增加，若山区地面横坡较大时，需增加承台，导致挖方量变大，可能导致坡体失稳。基于此，设计过程中要以地形条件、墩高与上部结构形式为依据进行综合选择。除此之外，对美观性有较高要求的桥梁，推荐使用薄板式墩，以此在克服中分带相对较窄问题的基础上，通过对抗扭支承的合理设置实现对曲线桥整体受力的有效改善。

其次，对于墩高在25～40m 范围内的山区公路桥梁，其墩身以实心厚板式墩较为常用，截面形状包括矩形或Y 字形。对矩形板式墩而言，可通过对横纵方向截面尺寸的适当调整来满足不同受力要求，这样一来还能简化构造，方便现场施工，但需要设置宽度足够的承台，当地面横坡较大或左右高差较为明显时，该结构形式的适用性将明显降低。Y 形墩实际上属于独柱双支座，其顶部为双柱，能十分方便地对左右高差进行调整，根部只设置一个柱身，整体尺寸不大，结构较为美观且新颖，在山区地形情况较为适用。

最后，对于墩高超过40m 的山区公路桥梁，其墩身形式以空心墩最为常见，此时要充分考虑稳定性方面的问题。为防止墩柱材料发生破坏，可选择实心矩形截面，但高度不能超出50m；当墩高超过50m 时，墩身形式以空心墩为宜；当墩高达到65m 以上时，为了使墩柱达到稳定，并保证材料经济性，应沿顺桥向进行一定程度的放坡。

3.2 桥台设计

对于山区公路桥梁，其桥台主要采用下列几种类型：重力式桥台、肋板式桥台与桩柱式桥台。对U 形重力式桥台而言，其适宜的填土深度在4～10m 内，基于此，需将高度控制在10m 以内，在设计过程中需要以地形条件为依据进行台阶划分；对于桩柱式桥台，因抗推刚度相对较小，如果联长很大或台后填高较大，则不建议使用；对于肋板式桥台，具有十分广泛的适用范围，但要求台后填高控制在12m 以内。此外，山区公路桥梁经常处在深谷陡坡段，这种情况下很难采用锥坡的形式，对桩柱式或肋板式两种桥台的设置有很大影响，尤其是当地质条件较差时，可在桥台底部设置桩基础。

3.3 基础设计

山区公路桥梁的基础以桩基础与扩大基础两种形式较为常见，其中桩基础以嵌岩桩与柱桩居多，在地质条件相对较差的地段，可使用摩擦桩。在山区地质条件良好的地段，一般大多采用扩大基础，而在地面横坡相对较大的情况下，采用桩基础。在这种实际情况下，如果采用扩大基础形式，即便为分离式扩大基础，也难以适应当前的地形地势条件。为适应地基承载力要求，不得不增加开挖量。此外，在斜坡上设置扩大基础和桩基础时，应综合考虑基础自身扩散角与覆盖层层厚，包括施工可能造成的影响，在必要情况下应采取适当的措施做好支护，如采用设置锚杆的方法形成挡墙。

4 结语

综上所述，桥梁在山区高速公路中的占比越来越大，其设计质量在很大程度上决定了整条高速公路线路的安全性、稳定性、耐久性和行车舒适度。以上对山区高速公路桥梁设计需要注意的关键问题进行了初步分析与总结，旨在为实际的山区高速公路桥梁工程建设提供技术参考，保证设计的合理性，为之后桥梁施工奠定良好基础。