沿河山区重载道路桥梁设计探讨

邹雨亭,张 邹,牛晋涛

(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

天峨县云林大道旧路沿着红水河东岸布设,原为1997年修建砂石县道,2000—2001年改建为国道G243二级公路,路基宽为8.5 m。途经区域为城镇居民住宅地、学校等,是天峨县峨里片区、工业集中区、城南新区的主要连接通道,同时承担着境内龙滩水电站机组大件设备运输的功能。随着示范新城的逐步形成以及未来天巴高速公路、南天高速公路的建成通车,云林大道作为天峨县最重要的南北向交通通道之一,现有道路状况已不能满足人们的交通出行需求,亟须对现状旧路进行提质改造。云林大道改扩建工程路线全长3.2 km,道路等级按城市主干路设计,设计时速为40 km/h。道路西侧傍河,东侧临山及商铺,受红水河河道管理线及拆迁因素限制,该项目改扩建空间狭小,线位只能沿着旧路展开,沿线避让住宅、红水河河道管理线及现有构筑物,设计中必须综合考虑地形、地质情况,确定桥梁结构体系,布置桥跨及桥跨布置,同时处理好与旧构筑物的关系。

1 桥梁布孔及桥型方案

云林大道桥梁布孔项目充分考虑所在地依山傍水的特点,以安全、经济、适用、美观和环境保护为原则,在确保安全的前提下,降低造价。结合地形地貌、材料来源、施工难易程度及运营养护成本,该项目上部构造采用施工快、整体造价低的装配式先简支后连续预应力混凝土小箱梁进行设计。桥梁布孔时,不追求大跨径,应注意跨高比的选择,避免出现下部结构过多造成结构比例的失调及造价的增加;同时应注意避让现有构筑物,避免没有必要的改迁。云林大道为单向陡坡地形[1],靠近红水河一侧的横向坡度较大,且为松散的堆填土,流水侵蚀严重,临街一侧为现状旧路,若采用桥梁方案进行加宽的话,势必形成“半路半桥”,因此,利用老路路基,在其外侧采用桥梁进行加宽,同时在路桥结合部新建挡土墙以完成路与桥的衔接。该做法在目前山区道路的设计当中也经常被采用,所不同的是,该项目无中央分隔带,只能将分隔缝设置于路线中心线处或行车道中心附近。

2 桥梁与路基方案比选

该项目桥高受龙滩水电站五十年一遇水位影响,但不控制设计,桥面高程结合路线需要设计,对于单向陡坡地形采用何种方式加宽路基是本项目的一个技术难点。目前,国内道路加宽的主要方式概括起来主要包括以下几种方式[2-3]:(1)常规挖填方式拓宽;(2)支挡结构方式拓宽;(3)半路半桥方式拓宽;(4)悬挑结构拓宽。

为此,综合地形、地质、施工难易程度及安全性等因素,对半路半桥方案与路基支挡结构方案进行了对比分析。

2.1 方案一:路基支挡结构方案

桩板式挡土墙是由锚固桩发展而来的,其锚固段必须设置在稳定的地层中。受力机理是利用桩基深度范围内的被动土压力平衡滑坡形态时的滑坡下滑力(边坡预加固时,为桩后主动土压力),保证路基的稳定。

在桩板式挡土墙方案中,为方便施工,桩截面选用圆形截面,桩径为2 m,桩间距为5 m,桩间设置钢筋混凝土预制挡土板,桩身及挡土板均采用C30混凝土。其典型断面如图1所示。

图1 桩板式挡土墙方案断面图(cm)

2.2 方案二:半路半桥方案

对于陡坡路段的路基加宽,采用半路半桥路基拼宽方式也是一种较为常见的处理手段。其在施工桥梁时基本不影响老路交通,对老路边坡的扰动很小。需要特别注意的是,新建桥梁与老路路基之间的纵缝位置及处理是本项目需要关注的一个重要问题。

半路板桥方案中,上部结构采用20 m跨装配式预应力混凝土小箱梁,下部结构采用柱式台、肋板台及U台,采用独柱墩还是双柱墩视加宽宽度而定,在路基与桥梁衔接处设置衡重式挡土墙,为避免车轮的反复碾压,分隔缝设置于路线中心线处或行车道中心附近。其典型断面如图2所示。

图2 半路半桥方案断面图(cm)

2.3 经济效益比较

以K0+200～K0+580段为例,现状道路在该段落右幅设置有人行框架结构,路线左幅为商铺,右幅为红水河,采用方案一的概算为976万元;而方案二的概算为864万元,故方案二半路半桥方案优势更大。

3 上部结构的设计

为保证行车舒适性,桥梁上部结构体系一般均采用连续体系,结合地形地貌、材料来源、施工难易程度及运营养护成本,该项目上部构造采用施工快、整体造价低的装配式先简支后连续预应力混凝土小箱梁进行设计[4-5]。考虑到云林大道路线圆曲线最小半径为350 m,为将内、外边梁梁长差控制在<1 m,桥梁跨径选用20 m跨,一联长度控制在<100 m,以控制车辆单向行驶在主梁梁端产生的累积位移。因该项目承担着境内龙滩水电站机组大件设备运输的功能,旧路桥梁汽车荷载采用龙滩水电站提供的汽-40汽车车队,并以平板挂车-400进行验算。本次设计验算采用《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ11-2011)[6]附录A“特种平板挂车-420”,其纵、横向布置如图3所示。

图3 特种平板挂车-420纵向排列及横向布置示意图(m)

为此,采用Midas 软件建立4×20 m跨全桥模型,在主梁结构的定位点、支撑点、截面构造尺寸变化处以及控制截面处设置节点,并建立施工阶段模拟桥梁架设及桥面系施工过程。主梁采用梁单元模拟,支座采用一般支撑,桥梁离散后共计94个单元,95个节点,永久作用仅计箱梁自重、桥面系恒载及混凝土收缩、徐变,可变作用仅考虑汽车荷载,不考虑温度作用,采用程序内自定义的车辆荷载模拟挂车-420纵向排列。施工阶段划分如表1所示,模型如图4所示。

表1 施工阶段划分表

图4 计算模型图

需要说明的是,本次计算仅取单片边梁为研究对象,中梁计算类似。因此,建模前需先计算桥梁横向分布系数,然后手动输入到Midas软件程序中。横向分布系数首先采用刚接板梁法得到梁片处的影响线,然后再在影响线上按下页图5最不利布载方式加载,从而得到横向分布系数。计算过程采用桥梁博士V4软件进行,横向分布系数计算结果如表2所示。

表2 横向分布系数计算结果表

图5 挂车-420横向布置图(cm)

3.1 持久状况承载能力极限状态验算

根据《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ11-2011)附录A中第A.0.3条,“基本组合中结构重要性系数应为γ0=1”及“当采用特种荷载验算时,不计冲击、不同时计入人群和非机动车荷载”,对荷载组合中的系数进行手动调整以后,得到截面抗弯及抗剪能力验算结果如图6、图7所示。计算结果表明:作用组合效应值均小于结构抗力,满足规范要求。

图6 正截面抗弯承载能力验算结果曲线图

图7 斜截面抗剪承载能力验算结果曲线图

3.2 持久状况正常使用极限状态验算

根据《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ11-2011)附录A中第A.0.3条,如图8所示,结构斜截面主拉应力σtp=2.1 MPa≤上限值0.9ftk=2.385 MPa,满足规范要求。

图8 结构斜截面主拉应力验算结果曲线图

根据《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ11-2011)附录A中第A.0.3条,如图9所示,结构斜截面主压应力σcp=15.33 MPa≤上限值0.65fck=21.06 MPa,满足规范要求。

图9 结构斜截面主压应力验算结果曲线图

根据《城市桥梁设计规范(2019年版)》(CJJ11-2011)附录A中第A.0.3条,如图10所示,结构正截面最大压应力σpt+σkc=15.35 MPa≤上限值0.6fck=19.44 MPa,满足规范要求。

图10 结构正截面法向压应力验算结果曲线图

综上所述,该项目所采用的上部构造可承载挂车-420的行驶。需要注意的是,本计算汽车荷载为偏载,得到的计算结果偏保守,实际运输过程中应该要求车辆居中行驶,对结构更有利。

4 下部结构的设计

云林大道地面纵向起伏较小,主要是横坡较陡,桥台尽可能伸入挖方,以防止桥台溜坡困难[7],必要时可采取加大跨径的措施,虽然在经济上有所浪费,但是提升了安全性。本项目桥台设计采用了U型桥台、桩柱台、肋板式桥台等,桩基础或扩大基础。对于U台接桩基的桥台形式,可适当将承台抬高,既可以降低桥台的高度,降低侧墙开裂的风险,也可以减少对原地面的开挖,尽量少扰动原状土,确保地基的稳定,特别是在山区,应该引起足够的重视。文献[8]指出,U台适应填土高度为4～10 m,对于U台扩大基础的桥台形式,将基础划分为若干段台阶型以顺应地形的变化,减少开挖和圬工量。另外,当纵、横向地形较陡,放坡困难时,采用U型桥台的一个优点是可以与台后挡墙自然衔接。对于肋板式桥台,肋板台身高度控制在<6 m,台后填土控制在<12 m,承台置于压实填土之上。对于桩柱台,由于抗推刚度小,台后填土高度控制在<6 m。该项目桥墩因墩高较矮(H<25 m),设计采用了构件简单的圆柱式墩,位于陡坡上的桥墩,将墩柱与桩基合二为一,便于施工。

位于陡坡路段的桩基,需要特别注意,文献[1]指出应该考虑陡坡坡率及潜在滑动体对桩身竖向承载力的影响。同时,相关研究[9]指出,桩身距坡面水平距离小于2倍桩径时,不应考虑摩阻力;距离小于4.5倍桩径时,应折减摩阻力。该项目桩基既有堑岩桩又有摩擦桩,根据地勘报告,沿线地层为第四系人工堆积层(Q4ml)素填土、冲洪积层(Q4al+pl)粉质黏土、残积层(Q4el)粉质黏土,下伏基岩为三叠系中统(T2)泥质粉砂岩。中风化完整基岩饱和单轴抗压强度frk达到了20 MPa,采用堑岩桩设计时考虑摩阻力对计算结果影响较小,而对于摩擦桩桩长计算时应考虑潜在滑动面以上土体的影响。

5 路桥结合部的设计

对于半路半桥处路基与桥梁搭接处分隔缝的处理,国内桥梁经常是将纵缝置于中央分隔带或侧分带中来处理[10],但本项目并未设置类似分隔设施。文献[7]提出了一种在国外应用较广的Britflex系列纵向伸缩缝构造,但造价太高,在国内未推广。基于此,本文提出以下处理思路,供今后类似项目参考:

(1)路基与桥梁之间设置衡重式挡土墙,并留2 cm的结构缝。

(2)桥面10 cm厚C50混凝土调平层延伸至道路设计中心线,跨越路基与挡墙之间的结构缝,在分缝处增设附加钢筋进行补强,同时在沥青上、中面层分别设置一道玻纤格栅。

(3)右半幅路面结构层采用刚性路面,即在10 cm厚C50混凝土调平层下设40 cm厚C35钢筋混凝土板,一侧搁置于挡墙顶,以消除路基沉降造成的沥青路面反射裂缝。

(4)左半幅路面结构层同正常路段,同时在道路中心线处沥青上、中面层再分别设置一道玻纤格栅。

路基与桥梁纵缝处理如图11所示。

图11 路基与桥梁纵缝处理典型横断面图(cm)

经计算,主梁在城-A级车道荷载作用下,最大的竖向挠曲变形仅为7 mm,如图12所示。而老路已运行20余年,其沉降已趋于稳定,因此,路基与桥梁之间7 mm的相对变形可忽略不计。在分缝处通过构造措施,如在调平层内增设补强钢筋、增设玻纤格栅以避免路面出现反射裂缝。施工时,应先施工挡墙,为避免放坡开挖,减少对老路路基的扰动,考虑在老路外边缘插打钢板桩进行临时防护,然后再采用旋挖钻施工桩基。设计时注意考虑挡墙与桩基之间的安全距离,必要时适当调整桩基的位置,最后再施工盖梁、上部结构及桥面系,通过合理的施工顺序确保项目的正常运转。

图12 城-A级车道荷载作用下主梁竖向位移云图

6 结语

本文探讨了山区道路路基加宽方式,介绍了桥梁上、下部构造设计需要注意的问题,提出了重载作用下桥梁上部构造验算的内容和方法,并提出了一种新的路基与桥梁纵缝的处理思路,为今后类似项目的设计提供技术参考。