山区高速公路装配式桥梁设计及优化策略

邹霖，孔令智，韩相宏

（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650000）

0 引言

鉴于山区高速公路的特殊性，桥梁建设时应以安全、稳定为基本目标，在此基础上提升效率、经济性与美观性。山区地形复杂，分布有大量沟壑，横坡较陡，因雨水等因素的影响，易出现滑坡、泥石流等自然灾害，不利于桥梁的施工与正常使用[1]，在装配式桥梁设计时要重点关注此类问题，兼顾多项设计要点，提升装配式桥梁设计方案的可行性。

1 山区高速公路桥梁设计原则

根据山区自然地理环境的特殊性，桥梁设计要遵循以下几点原则。

（1）标准化。山区高速公路桥梁占比较大时，首先应坚持标准化设计、工厂化预制、装配化施工的标准化设计原则，一是可以大幅度降低工程造价，二是可以保证工程质量，三是可以加快工期。

（2）因地制宜。山区地势起伏较大，并存在地质复杂的特点，结构、材料、技术等均要与现场施工环境相适应。应结合现场勘察资料，根据现场施工具体条件选择最为适宜的结构与材料，并应明确各项施工技术要求，以保证质量和工期，并尽量减少工程变更。

（3）路桥配合。桥梁是构成高速公路的重要部分，在桥梁设计中应考虑路线线形的连续均衡和路桥连接顺畅，而在路线设计中应考虑桥位设计的合理性、桥梁线形的合规性。例如，要注重对桥位的设计，避免因桥位不合理而出现线路延长，或出现高墩大跨特殊结构、设计施工难度大、工程造价高等问题。

（4）资金充分利用。山区地形地质条件特殊，气候恶劣，采用工厂化生产的预制构件进行现场装配式安装，可以节约现场预制成本，保证主要构件的工程质量。但应考虑和控制构件运输、安装和现场连接等施工成本。

（5）布局新颖性。现阶段，装配式桥梁设计技术已经较为成熟，在此背景下，除了要满足桥梁的正常使用外，还要注重在外观造型方面的设计，提升桥梁的可观赏性，与周边自然环境相适应，实现工程建设与自然环境的协同发展。

2 山区高速公路桥梁设计要点

2.1 跨径的选择

根据山区施工环境，高速公路桥梁普遍使用标准化跨径的形式[2]。

2.1.1 30m内桥梁

针对跨径在30m内的桥梁，可使用小箱梁结构。

2.1.2 40m以上桥梁

跨度达40m 甚至更大时，T 形梁是更为合适的形式。受到山区地形的限制，此环境下的高速公路平面半径偏小，若桥梁工程中常遇到超高缓和段施工作业，此时小箱梁的适用性不足，易出现梁上各支点平整度不一的情况，此时以T形梁更为合适。

2.1.3 50m以上桥梁

针对跨径达50m 的T 形梁，其在应用中也存在局限之处，在小半径平曲线上将表现出较明显的内外梁长度差问题，并且跨中矢高偏大，难以与所在的线路达到相适应的状态。此外，山区交通较为闭塞，运输条件偏差，大型机具进入现场并非易事，而50m 跨径的T形梁规格较大，单片梁重达到150t 左右，适配高性能的架设设备是必要的前提，但现场运输条件难以满足该要求，且安装时易变形，因此50m 跨径T形梁并非首选形式。

基于现有技术，可在标准跨径的基础上改进，例如，某装配式桥梁工程中，桩基与悬崖间距约5～10m，结束施工后清理左侧悬臂的松散强化风层，但桩基与悬崖壁间距较小，部分桩基已经出现裸露在岩体外的情况。下部桩基所处位置也较为特殊，其与悬崖壁表层间距甚至未达到3m。考虑到桩基与上部结构的稳定性要求，必须针对基础采取加固措施，无误后方可组织上部施工作业。

针对下部的大裂隙问题，较为合适的是灌浆处理方式；考虑到下部岩体松散的特点，于该处通过预应力锚索加固。上述方案处理工艺复杂，难度较大。此施工环境下，若在原标准跨径的基础上综合采用非标准跨径，可巧妙绕开不良地质，尽管工程成本有所提升，但施工风险降低，全桥稳定性得到保障，可行性更高。

2.2 墩台形式的选择

现代化桥梁工程中，除了施工质量外，效率与成本也是重点追求目标。根据山区高速公路施工环境，装配式桥梁建设中应注重对下部结构的优化，使其具有标准化的特点。桥墩高度在20m以内时，建议选择双柱式圆截面桥墩；高度达20～40m 时，优先选择实心矩形截面薄壁墩；部分施工环境特殊，桥墩高度超40m，此时较合适的是空心薄壁墩。考虑到山区地形复杂的特点，为适应地形的急剧变化，桥梁工程中通常会采用大高度桥墩。为满足边坡稳定性、低成本施工等方面的要求，还可使用全幅双柱式大挑臂墩。此外，工程建设要尽可能减少对周边环境的影响，不改移地方道路，此时可采取道路穿越桥墩下方的方式，以大跨径门式桥墩更为可行。

装配式桥梁工程中，为与山区地形环境相协调，重力式U形台得到广泛应用。依据《墩台与基础》相关内容[3]，此类型桥台较为合适的填土范围为4～10m，由此表明在设计U形台时要求其高度尽可能在10m内。为尽可能减少开挖量，避免基础开挖过度而引发滑塌现象，在U 形台设计时应重点考虑现场地形特点，合理分台。

3 桥梁设计中的特殊考虑因素

3.1 桥梁与高路堤的关系

除水文因素外，施工现场的地形因素也会在很大程度上影响山区高速公路桥梁建设，路桥设置界限取值成为重点关注对象，会直接影响到施工成本，欠妥时甚至引发环境问题。以路基中心填方高度为基准，若该值超过20m，则要综合对比桥梁和路基方案，结合现场情况选择桥梁施工或是路基填筑的方式。

若现场地形呈“U”形，并且存在横向坡度较陡的情况，此情况下路基边坡宜适当放远，但随之带来填土运距增加的问题，为满足边坡稳定性要求，宜选择架桥方案。若现场的地形为“V”形峡谷，此时路基方案将优于桥梁方案，通过高填方路基的方式在施工可行性、成本等方面的表现都更为出色；若为架桥方案，则存在施工难度大，场地局限性强的问题，因此针对填方高度超20m 的路段，应综合评价并选择合适的方案，在条件允许时尽可能选择路基方案。

3.2 陡边坡上的桥梁设计

地形横坡陡峭是山区工程施工中极为典型的问题，部分情况下半幅路填方较高，但余下的半幅则为浅填的方式。针对此问题，则要在半幅路上增设桥梁，余下半幅设置路基（必须增设挡土墙）。

3.3 桥台设计

桥台设计要充分结合现场的地形条件，由于山区环境的特殊性，在装配式桥梁建设时桥台普遍设置在山坡处，考虑到横纵向坡度较大的特点，宜选择重力式U形台。结合现场情况，若坡度较缓，此条件下柱式台具有可行性；若遇到地势较陡的情况，则以桩基础U形台为宜。桥台是决定全桥稳定性的关键，要严格控制桥台后方填土高度，要求U 形台在8m 内，柱式台在5m内。

设计时，要结合现场的地形特征，当使用到U形台时，则要形成合理的分台阶处理方案，尽可能降低施工成本；关于基础部分的处理，可通过片石混凝土加固的方式来实现。在各类影响装配式桥梁稳定性的因素中，尤为关键的是桥墩结构，要根据桥墩高度要求选择合适的桥墩类型。

若桥墩高度在20m内，优先选择双圆柱式桥墩，可提升施工作业的可控性，并实现与桩基础的有效衔接；若桥墩高度为20～40m，建议使用薄壁墩，可起到减少材料用量、降低自重的效果；部分情况下墩身高度超40m，为满足稳定性要求，以空心矩形薄壁墩较为合适，此方式的优点在于提升边坡稳定性，有效控制施工成本。

3.4 支座设置

根据山区高速公路桥梁工程经验，多数情况下桥墩较高。由于公路纵坡较大，加之温度等因素的影响，伴随使用时间的延长，上部构造稳定性下降，表现出向下坡移动的趋势，此时需采取主梁纵向限位措施解决该问题，如墩梁固结等方式。分联墩上增设支座，此处考虑的因素较多，如扭矩产生的支反力、变位方向差异等，针对此类问题，可使用盆式支座，相比于板式支座而言其耐久性更为良好，还可降低维护难度。

3.5 伸缩缝设置

因温度变化等因素的影响，曲线桥易出现伸缩现象，内外侧梁的长度存在差异，不同于直线桥梁的是，使用曲线桥梁时将出现更明显的伸缩。此外，长大纵坡条件下梁体更容易发生位移。鉴于此，可通过伸缩缝的方式解决上述问题，且数量上要明显多于常规桥梁。

4 完善山区高速公路桥梁设计的措施

4.1 完善设计方案

由于山区存在独特的地形和自然环境，所以，早期的实地考察就成了控制施工状况的关键步骤，以获得的结果作为参考，然后设计出科学合理的方案，这也是一项提高桥梁稳定性的重要工作。桥梁结构通常主要有大跨度桥梁与普通跨度桥梁两种形式。两者在设计标准的规定中也有一定的差异，所以，在桥梁设计中显现的情况也各不相同。一般情况下，标准跨度桥梁被广泛应用于山区桥梁项目中，其主要特征是提高设计的有效性，在项目作业中其相对安全，并且投入预算也不高。

4.2 不同桥梁设计要点

山区地形具有一定的差异性，桥梁设计应根据实际问题，形成有目标性的设计方案。如果是弯曲和大纵坡长桥时，在设计中需着重考虑其稳固性和变位情况；在大纵坡和长桥相连接的施工过程中，应重点关注位移情况，除纵向和竖向两种位移形式，还需防止错位问题。务必要重视桥梁的设计工作，否则可能会引发施工质量不达标现象，进而使桥梁的正常运营受阻。

5 案例分析

针对山区桥梁的设计，重点是其上端构造种类与下端墩柱种类的选取，这也是桥梁设计、施工和维护的重点问题。以下根据实际项目，提出了适合该工程的桥梁结构形式。

5.1 工程概况

某条穿过盆地的山区公路有两端低、中间高的趋势，其海拔为1365～1952m，沿途有河流、山涧与农耕区域，该段为跨山涧的桥梁设计，为保证施工进度，尽可能采用成品的安装式部件，并且在桥址的设置过程中，应考虑不得影响跨水断面和桥下净宽，以及桥墩不会产生过度的阻水效果。

5.2 上部结构设计

空心板、T 形梁和小箱梁是中小跨度桥梁的重要结构形式，为了有效降低山区桥梁墩柱建设的数量，采用了T形梁或者小箱梁进行作业，下面是对应优势的比较和说明。

（1）施工困难。T 形梁选择后张法，吊装质量相对较小，施工工艺简便，所以质量比较容易掌控；与T形梁进行比较，小箱梁结构也采取后张法作业，但因为宽度太大，模板相对复杂，起吊艰难，并且施工步骤相对复杂，质量也不好掌控。

（2）操作和维护。T 形梁施工技术相对成熟，运行期间的维护工作相对简便，并且便于铺设在弯曲线上，适合山区桥梁的应用。与小箱梁相比，其全面性与持久性都相对良好，但其施工技术复杂，后续的维护工作也困难。

综上所述，本工程建议采用装配式T形梁结构，跨度为40m，桥梁全程长292m，分区以40m×3+40m×4 进行设置。

5.3 下部构造设计

考虑到本项目跨越山川，桥两旁都是梯田结构分布，为了有效降低农耕区域的占用，按照山区的特征进行分析，上部结构跨度为40m，采用双柱式桥墩，墩柱直径设计为1.2m，高度设计为25.2m，地梁和中梁设置在中部。

6 结语

我国幅员辽阔，山地分布范围广、规模大，明显加大了高速公路桥梁建设的难度。山区装配式桥梁是主要的应用形式，其具备施工效率高、成本低、质量好等多重特点。本文以山区装配式桥梁为例，根据高速公路的整体建设需求，总结此类桥梁在设计中应注重的要点，围绕桥墩、桥台、支座等方面展开针对性分析，以期给类似工程提供参考，助力装配式桥梁建设事业的发展。