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山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,我國(guó)在山區(qū)修建的高速公路越來(lái)越多,山區(qū)高速公路地形地質(zhì)復(fù)雜,構(gòu)造物多,橋梁隧道總長(zhǎng)占路線長(zhǎng)度的比例大,有的山區(qū)高速公路,橋隧比例高達(dá)70%—80%。所以要設(shè)計(jì)成功一條山區(qū)高速公路,設(shè)計(jì)好其中的橋梁部分就顯得十分重要。
1、山區(qū)高速公路的主要特點(diǎn)
山區(qū)高速公路的主要特點(diǎn)是地形地質(zhì)復(fù)雜。地形復(fù)雜,表現(xiàn)為地面高差大,變化頻繁,橫坡陡;地質(zhì)復(fù)雜表現(xiàn)為巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣地層等不良地質(zhì)。受此影響,路線布設(shè)時(shí)平縱橫三個(gè)方面都受到約束,一般就是平曲線多,平面半徑小,縱坡大,橋梁比例高,橫坡陡,半邊橋和高擋墻多。山區(qū)高速公路橋梁也相應(yīng)具有上述特點(diǎn),彎坡橋多,高墩大跨多,墩臺(tái)形式多,設(shè)計(jì)中必須協(xié)調(diào)解決好橋梁各細(xì)部構(gòu)造與地形地質(zhì)之間的關(guān)系。
2、橋梁與路基的關(guān)系
2.1橋梁跨越方案與高填方路基方案的比較
山區(qū)高速公路橋梁很多不受水文控制而只受地形控制,因不宜采用路基方案而設(shè)置為高架橋,路橋設(shè)置界限問(wèn)題,一直是難以把握的關(guān)鍵問(wèn)題,也是影響公路造價(jià)的問(wèn)題。路基規(guī)范強(qiáng)調(diào),路基中心填方高度超過(guò)20m時(shí),宜和橋梁做方案比選。,項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)作中,往往由于工期緊,或認(rèn)為橋梁跨越方案安全省事,就直接考慮橋梁方案。實(shí)際上,對(duì)于地質(zhì)情況較好,雖然填方中心高度為30m,但收斂較快的V型峽谷,且橋隧相連地段,為消化隧道廢方,考慮路基方案可能比橋梁方案更安全更經(jīng)濟(jì),因?yàn)檫@樣的地形架橋,場(chǎng)地局促,難度大,橫縱坡陡,極易引發(fā)邊坡不穩(wěn);而對(duì)于寬而平緩地段,雖然填方高度只是20m左右,但如果需跨標(biāo)段借方,且運(yùn)距遠(yuǎn),填方基底還需花大量資金處理的路段,反而考慮橋梁方案可能更安全更經(jīng)濟(jì)。所以筆者認(rèn)為,山區(qū)高速公路路橋界限,不能一概而論,對(duì)于填土高度超過(guò)20m的路段,應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、前后構(gòu)造物、前后路段的廢方量、工程造價(jià)等進(jìn)行綜合比選后決定是否設(shè)置橋梁。不能圖快圖省事,直接考慮橋梁方案。
2.2半邊橋與擋墻的關(guān)系
山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭,雖然可以通過(guò)設(shè)計(jì)為左右幅路基不一樣高的錯(cuò)臺(tái)路基來(lái)處理,但有時(shí)由于左右幅路基橫向交通要求,需要設(shè)置轉(zhuǎn)向車道,錯(cuò)臺(tái)式路基方案不易實(shí)現(xiàn),這時(shí)就不可避免地會(huì)出現(xiàn)半邊橋。當(dāng)最低一側(cè)填土高度15m左右時(shí),應(yīng)綜合地形、地質(zhì)將加筋擋墻,錨桿擋墻、棄土方案與半邊橋做綜合比較后決定是否設(shè)置橋梁。
3、結(jié)構(gòu)體系特性
為了保證行車舒適,結(jié)構(gòu)耐久適用,山區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)跨徑大中橋一般均采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系。全剛構(gòu)體系由于一座橋梁墩高相差較大,需通過(guò)調(diào)整橋墩的線剛度來(lái)改善橋墩受力,這樣一來(lái),橋墩尺寸種類就比較多,美觀性降低,施工相對(duì)麻煩一些。全連續(xù)結(jié)構(gòu)聯(lián)長(zhǎng)不能太長(zhǎng),舒適性差,墩臺(tái)水平位移較大,墩柱尺寸需設(shè)計(jì)的相對(duì)大一些,材料較費(fèi)。根據(jù)地形,將中間墩高較高,剛度相差不大的相鄰幾個(gè)橋墩固結(jié)起來(lái),利用其柔性適應(yīng)橋墩所受的水平力,較矮的邊墩設(shè)置滑板支座或橡膠支座,形成連續(xù)梁。這樣的剛構(gòu)一連續(xù)體系,高墩、矮墩的受力性能都得到了改善,且適應(yīng)地形特點(diǎn)。
山區(qū)高速公路橋梁多為彎、坡橋,曲線梁橋在彎扭耦合作用下,具有沿某一不動(dòng)點(diǎn)變形的趨勢(shì),單向行駛的大縱坡長(zhǎng)橋在長(zhǎng)期反復(fù)的汽車制動(dòng)力作用下,梁體具有沿汽車行駛方向滑移的趨勢(shì),如果采用全連續(xù)結(jié)構(gòu),即上下構(gòu)之間為橡膠支座連接時(shí),這種滑移趨勢(shì)往往造成梁體受力不平衡,支座脫空甚至破壞,從而導(dǎo)致梁體開裂。因此山區(qū)高速公路橋梁宜采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系,既適應(yīng)平面線形,又適應(yīng)橋梁受力特點(diǎn)。
4、橋梁上部構(gòu)造設(shè)計(jì)
4.1一般設(shè)計(jì)原則
山區(qū)高速公路,橋梁所占比重大,但一般來(lái)講,大跨徑橋梁方案畢竟是少數(shù),絕大部分還是采用施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配化結(jié)構(gòu)。大跨徑橋梁一般是控制因素不同,方案也各不相同,具有較強(qiáng)的個(gè)性特征,而標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋則更多的是具有共性特征,所以本文重點(diǎn)探討標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化橋梁的設(shè)計(jì)。
山區(qū)高速公路橋梁常用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化跨徑有16、20、25、30、40、50m,橫斷面形式有空心板、T梁、小箱梁等。對(duì)于跨徑小于30m的,有空心板、小箱梁、T梁等三種結(jié)構(gòu)可以選擇,對(duì)于40、50m跨徑,根據(jù)梁的受力特點(diǎn),宜采用T梁。30m以下,同一種跨徑,究竟應(yīng)當(dāng)采用哪一種橫斷面形式。小箱梁是介于空心板和T梁之間的一種橫斷面形式。20米跨徑時(shí),T梁較為經(jīng)濟(jì)。30m跨徑以下,三種橫斷面比較,基本也是上述規(guī)律。當(dāng)然,這是山區(qū)的情況,平原地區(qū)則另當(dāng)別論。平原地區(qū)受凈空和橋臺(tái)填土高度的限制,橋梁上構(gòu)要求盡可能降低建筑高度,這樣可以減小縱坡,降低路基填土高度,減少占地及降低路基處理難度,對(duì)土源缺乏,軟基較多的平原地區(qū)有顯著的經(jīng)濟(jì)性。20m空心板建筑高度最低,與路基綜合起來(lái)比較具有優(yōu)勢(shì),平原地區(qū)路網(wǎng)發(fā)達(dá),分離式立交較多,空心板在美觀方面優(yōu)于另外兩種斷面,所以平原地區(qū)較多采用空心板。山區(qū)高速公路橋梁一般凈空無(wú)嚴(yán)格限制,另外,山區(qū)高速公路平面半徑較小,超高緩和路段不可避免會(huì)出現(xiàn)在橋上,如果選用空心板和小箱梁,架梁時(shí)一片梁四個(gè)支點(diǎn)不易調(diào)平,易造成支座脫空,受力不均勻的情況,所以山區(qū)高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面宜優(yōu)先采用T梁。對(duì)于50m跨徑T梁,在小半徑平曲線上,由于內(nèi)外梁梁長(zhǎng)差較大,跨中矢高較大,對(duì)路線的適應(yīng)性要差一些。另外山區(qū)高速公路,交通運(yùn)輸、場(chǎng)地預(yù)制條件均較差,大型機(jī)具進(jìn)入困難,50mT梁?jiǎn)纹?50多噸,架設(shè)設(shè)備要求較高,運(yùn)輸及安裝過(guò)程中變形不易控制,因此一般情況下不選用50m跨徑T梁,所以山區(qū)高速公路橋梁,宜采用的常用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20、25、30、40m。T梁之間的橫向連接有鉸結(jié)和剛接兩種形式,采用鉸聯(lián)結(jié)時(shí),鉸只傳遞剪力,車輛荷載作用在鉸縫處時(shí),彎矩主要由現(xiàn)澆橋面來(lái)承受,這樣一來(lái),現(xiàn)澆橋面的厚度就必須加厚,否則,鉸縫處橋面板易出現(xiàn)通長(zhǎng)的縱向裂縫?,F(xiàn)澆橋面板厚度增加,意味著恒載增加,T梁配筋和鋼索必須增加,經(jīng)濟(jì)性下降,所以T梁橫向連接采用剛接較好?!豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)9.3.16條也有相應(yīng)規(guī)定:預(yù)制T形截面梁的橫隔梁連接,宜采用現(xiàn)澆混凝土整體連接,當(dāng)然在斜交橋及異形橋中需要橫向弱聯(lián)結(jié)時(shí),鉸結(jié)也是很好的選擇形式。
4.2具體橋梁設(shè)計(jì)
具體到一座橋設(shè)計(jì)時(shí),上部構(gòu)造設(shè)計(jì)要處理好兩個(gè)關(guān)系。
第一,處理好跨徑與墩高的關(guān)系??鐝脚c墩高的關(guān)系按橋梁美學(xué)原則,一般應(yīng)選擇比值為0.618—1之間,通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較,往往又是經(jīng)濟(jì)的,也就是說(shuō)20m跨徑T梁適應(yīng)的墩高一般為12—20m,30m跨徑適應(yīng)的墩高一般為18—30m,40m跨徑適應(yīng)的墩高一般為24m—40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁,通常應(yīng)根據(jù)地形選擇一種跨徑,不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑,墩柱高度變化很大時(shí),可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當(dāng)一座橋梁,有幾種跨徑方案可選擇時(shí),應(yīng)結(jié)合上下構(gòu)做造價(jià)分析比較再做選擇。
第二,處理好上部構(gòu)造(板或梁)與平面曲線半徑的關(guān)系。橋位處平面曲線半徑對(duì)橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大,主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面,第一是內(nèi)外弧差,第二是中矢高。墩臺(tái)徑向布置時(shí),由于曲率半徑的影響,內(nèi)外梁梁長(zhǎng)不等,半徑越小,內(nèi)外梁梁長(zhǎng)差越大。解決此問(wèn)題一般兩種途徑,一種是根據(jù)平面半徑變化梁長(zhǎng),另一種是不變梁長(zhǎng)通過(guò)加大帽梁,加大封錨端或加長(zhǎng)現(xiàn)澆連續(xù)段處理。第一種方法變化梁長(zhǎng),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,帽梁尺寸較小、規(guī)格統(tǒng)一,但一個(gè)標(biāo)段,如果有幾座橋處于不同的曲線半徑上時(shí),預(yù)制梁長(zhǎng)度種類就較多,頻繁調(diào)整模板雖不算很難,但每片梁都需要編號(hào),堆放預(yù)制梁需要很大場(chǎng)地,這對(duì)地?zé)o百米平的山區(qū)確實(shí)是難以解決的問(wèn)題,因此一般不采用變梁長(zhǎng)方案。采用等梁長(zhǎng)方案時(shí),如果半徑較大,內(nèi)外梁梁長(zhǎng)差不大,可以采用內(nèi)弧長(zhǎng)等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置,如果半徑較小,可以采用半幅橋中線弧長(zhǎng)等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置,這樣連續(xù)段長(zhǎng)度一端比標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度增加,一端減小。內(nèi)外弧差的問(wèn)題解決后,還有中矢高的問(wèn)題,一般中矢高10cm以內(nèi),可以通過(guò)調(diào)整護(hù)墻內(nèi)緣使之適應(yīng)平面線形;半徑較小,中矢高大于10cm時(shí),由于護(hù)墻一般為50cm寬,護(hù)墻調(diào)整太大外觀不美,護(hù)墻功能亦削減。此時(shí)亦有兩種解決辦法,一種是預(yù)制梁外緣按實(shí)際曲線預(yù)制,另一種是預(yù)制T梁邊梁時(shí),將邊梁多預(yù)制一段長(zhǎng)度,讓現(xiàn)澆橋面板和護(hù)墻來(lái)適應(yīng)平面線形。邊梁按實(shí)際曲線預(yù)制時(shí),邊梁翼緣板由于兩側(cè)不等寬,剛度不等,施加預(yù)應(yīng)力時(shí)可能出現(xiàn)側(cè)向翹曲,且不同半徑外邊梁形狀不一樣,種類多施工較麻煩。第二種辦法雖然材料稍有浪費(fèi),美觀性稍差,仍優(yōu)于前一種。
5、橋梁下部構(gòu)造設(shè)計(jì)
5.1橋墩
高度較矮的橋墩(h<40m)多采用柱式墩,Y型薄壁墩,其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制,且與樁基銜接方便,平原地區(qū)用的較多。但從美觀上來(lái)說(shuō),方柱有棱有角,與上構(gòu)梁體協(xié)調(diào),有一定的視線誘導(dǎo)性,較美觀。從受力上看,截面積相等的方柱和圓柱,方柱抗彎剛度大于圓柱,受力優(yōu)于圓柱,當(dāng)體系為連續(xù)剛構(gòu)時(shí),方柱可以方便地通過(guò)調(diào)整兩個(gè)方向的尺寸來(lái)調(diào)整墩柱的剛度,從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性,調(diào)整起來(lái)效果差一些。方柱的缺點(diǎn)是墩柱與樁基之間需通過(guò)樁帽連接,增加了工程數(shù)量,并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡,增加柱帽構(gòu)造還會(huì)增加挖方工程量,引起邊坡不穩(wěn),設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形、上構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。
Y型墩薄壁是獨(dú)柱雙支座的一種墩型,美觀性較好,但施工稍顯復(fù)雜。墩高較矮時(shí),其施工既復(fù)雜又不美觀所以少采用。當(dāng)墩高較高時(shí)Y型薄壁墩施工只需一套模板,只需搭一個(gè)支架,對(duì)于地面橫坡較陡,搭支架困難,模板需求量大的山區(qū)橋梁,Y型薄壁墩具有顯著的優(yōu)勢(shì)。從預(yù)算定額中也可以看出,同高度的柱式墩與Y型薄壁墩相比,Y型薄壁墩的基價(jià)低。另外采用雙柱墩時(shí),由于地面橫坡較陡,兩個(gè)墩柱高度經(jīng)常相差較大,由于線剛度EI/L差距大,導(dǎo)致一個(gè)墩兩個(gè)墩柱受力差異較大,采用Y型薄壁墩,只一個(gè)墩柱,就避免了上述缺陷。也有人認(rèn)為,上部的Y型承托節(jié)約材料并不多,卻施工麻煩,宜設(shè)計(jì)為實(shí)體,權(quán)衡施工進(jìn)度和質(zhì)量、安全和節(jié)省材料及美觀之間的關(guān)系,也未嘗不可。不管外形如何,墩高較高時(shí),采用獨(dú)柱雙支座外部形狀Y型的薄壁墩較為適宜。
5.2高墩
一般矮橋墩的設(shè)計(jì)由強(qiáng)度控制,但當(dāng)墩高較高時(shí),就必須得考慮橋墩的穩(wěn)定問(wèn)題?!豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)關(guān)于偏心受壓柱條文說(shuō)明5.3.10條指出,當(dāng)l0/h>30時(shí),構(gòu)件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。l0為受壓柱的有效長(zhǎng)度,在0.5~2倍墩高之間變化,究竟取值多少,與施工狀態(tài)、上構(gòu)重量、上構(gòu)和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關(guān)。大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于先簡(jiǎn)支后剛構(gòu)(墩頂與上構(gòu)為鋼板焊接)和先簡(jiǎn)支后連續(xù)(墩頂與上構(gòu)為橡膠支座連接)的多跨T梁橋來(lái)說(shuō),墩柱的有效長(zhǎng)度l0=1.2~1.43l,l為墩柱高度,當(dāng)l=40m且采用矩形截面時(shí),h≥1.2~1.43-40/30=1.6~1.907m,h=50m時(shí)h≥2~2.383m,當(dāng)墩厚大于2m時(shí),實(shí)心矩形截面經(jīng)濟(jì)性降低,所以可以得出一個(gè)結(jié)論:墩柱為材料破壞時(shí),采用實(shí)心矩形截面,其高度不宜超過(guò)50m。當(dāng)墩高大于50m時(shí),宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩,墩高超過(guò)65m左右時(shí)順橋向應(yīng)考慮放坡,因?yàn)椴捎玫葘挸叽鐣r(shí)施工雖然方便,但為了保證橋墩的穩(wěn)定,墩柱和帽梁必將尺寸加大很多,這樣材料會(huì)浪費(fèi)較大。
5.3橋墩與路幅的關(guān)系
山區(qū)高速公路有整體式路基,也有分離式路基。目前路線選線越來(lái)越強(qiáng)調(diào)減少占地,環(huán)保、與景觀協(xié)調(diào)的理念,除了中長(zhǎng)隧道等設(shè)置分離式路基外,越來(lái)越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋,一般情況下下構(gòu)按分幅單獨(dú)設(shè)計(jì),即雙幅四柱。對(duì)于高墩長(zhǎng)橋,為了減少開挖,增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性,節(jié)約材料,降低造價(jià),整體式下構(gòu)即雙幅兩柱不失為一種較好的選擇。與雙幅四柱相比,在橋墩截面積及橫向?qū)挾认喈?dāng)?shù)那闆r下,整體式下構(gòu)橫向和縱向剛度是分幅設(shè)置的兩倍以上,除了可以減少開挖,節(jié)約材料、施工面少外,還能減少墩頂變位。當(dāng)然整體式下構(gòu)帽梁跨度較大,還須考慮車輛雙向行駛時(shí)扭矩影響,帽梁需設(shè)置的強(qiáng)大一些。一座橋究竟是采用整體式下構(gòu)還是分幅下構(gòu),需結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。
5.4橋臺(tái)
山區(qū)高速公路橋梁橋臺(tái)一般采用重力式U型臺(tái)、肋板臺(tái)、樁柱式臺(tái)。其中以重力式U臺(tái)最常用,根據(jù)《墩臺(tái)與基礎(chǔ)》規(guī)定,U臺(tái)適應(yīng)的填土范圍為4—10m,所以U臺(tái)的高度最好以10m控制。山區(qū)橋梁U臺(tái)一個(gè)顯著特征就是橫向,縱向橫坡陡,為了適應(yīng)地形,減小開挖,節(jié)約圬工方量,U臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)地形合理分臺(tái)階。樁柱式橋臺(tái)由于抗推剛度小,當(dāng)聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng),臺(tái)后填土高度較高時(shí)不宜使用,一般臺(tái)后填土高度宜控制在5m以下,聯(lián)長(zhǎng)宜控制在150米以內(nèi)。埋置式肋板臺(tái)適應(yīng)范圍廣一些,但也不宜太高,不宜超過(guò)12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭,往往不能設(shè)置錐坡,這時(shí)采用樁柱式或肋板臺(tái)會(huì)受到較大限制。當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況較差時(shí),常常會(huì)出現(xiàn)U臺(tái)下設(shè)置樁基的情況。
5.5基礎(chǔ)
山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎(chǔ)仍為為擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)。山區(qū)一般地質(zhì)情況較好,采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的情況相對(duì)較多,且宜采用分離式擴(kuò)基礎(chǔ)。因?yàn)榉蛛x式擴(kuò)基礎(chǔ)適應(yīng)地形橫坡,承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)必須考慮基礎(chǔ)擴(kuò)散角和覆蓋層厚度以及施工時(shí)的相互影響。樁基礎(chǔ)多為嵌巖樁和柱樁,地質(zhì)情況較差地段采用摩擦樁。樁基礎(chǔ)不管受力形式如何,施工方法上多是挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價(jià)較節(jié)省,但設(shè)計(jì)中能否采用挖孔樁,應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況具體分析,當(dāng)樁長(zhǎng)較長(zhǎng);遇到流沙、軟弱夾層多,卵石、漂石等容易造成塌孔的地質(zhì)情況;地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時(shí)不宜設(shè)計(jì)為挖孔樁。
6、結(jié)束語(yǔ)
山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)有很多區(qū)別于平原橋梁的地方,也更有很多方面需要探討,本文只是拋磚引玉,結(jié)合設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問(wèn)題,提出一些解決方法,不正確之處,敬請(qǐng)同行批評(píng)指正。
1、山區(qū)高速公路的主要特點(diǎn)
山區(qū)高速公路的主要特點(diǎn)是地形地質(zhì)復(fù)雜。地形復(fù)雜,表現(xiàn)為地面高差大,變化頻繁,橫坡陡;地質(zhì)復(fù)雜表現(xiàn)為巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣地層等不良地質(zhì)。受此影響,路線布設(shè)時(shí)平縱橫三個(gè)方面都受到約束,一般就是平曲線多,平面半徑小,縱坡大,橋梁比例高,橫坡陡,半邊橋和高擋墻多。山區(qū)高速公路橋梁也相應(yīng)具有上述特點(diǎn),彎坡橋多,高墩大跨多,墩臺(tái)形式多,設(shè)計(jì)中必須協(xié)調(diào)解決好橋梁各細(xì)部構(gòu)造與地形地質(zhì)之間的關(guān)系。
2、橋梁與路基的關(guān)系
2.1橋梁跨越方案與高填方路基方案的比較
山區(qū)高速公路橋梁很多不受水文控制而只受地形控制,因不宜采用路基方案而設(shè)置為高架橋,路橋設(shè)置界限問(wèn)題,一直是難以把握的關(guān)鍵問(wèn)題,也是影響公路造價(jià)的問(wèn)題。路基規(guī)范強(qiáng)調(diào),路基中心填方高度超過(guò)20m時(shí),宜和橋梁做方案比選。,項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)作中,往往由于工期緊,或認(rèn)為橋梁跨越方案安全省事,就直接考慮橋梁方案。實(shí)際上,對(duì)于地質(zhì)情況較好,雖然填方中心高度為30m,但收斂較快的V型峽谷,且橋隧相連地段,為消化隧道廢方,考慮路基方案可能比橋梁方案更安全更經(jīng)濟(jì),因?yàn)檫@樣的地形架橋,場(chǎng)地局促,難度大,橫縱坡陡,極易引發(fā)邊坡不穩(wěn);而對(duì)于寬而平緩地段,雖然填方高度只是20m左右,但如果需跨標(biāo)段借方,且運(yùn)距遠(yuǎn),填方基底還需花大量資金處理的路段,反而考慮橋梁方案可能更安全更經(jīng)濟(jì)。所以筆者認(rèn)為,山區(qū)高速公路路橋界限,不能一概而論,對(duì)于填土高度超過(guò)20m的路段,應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、前后構(gòu)造物、前后路段的廢方量、工程造價(jià)等進(jìn)行綜合比選后決定是否設(shè)置橋梁。不能圖快圖省事,直接考慮橋梁方案。
2.2半邊橋與擋墻的關(guān)系
山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭,雖然可以通過(guò)設(shè)計(jì)為左右幅路基不一樣高的錯(cuò)臺(tái)路基來(lái)處理,但有時(shí)由于左右幅路基橫向交通要求,需要設(shè)置轉(zhuǎn)向車道,錯(cuò)臺(tái)式路基方案不易實(shí)現(xiàn),這時(shí)就不可避免地會(huì)出現(xiàn)半邊橋。當(dāng)最低一側(cè)填土高度15m左右時(shí),應(yīng)綜合地形、地質(zhì)將加筋擋墻,錨桿擋墻、棄土方案與半邊橋做綜合比較后決定是否設(shè)置橋梁。
3、結(jié)構(gòu)體系特性
為了保證行車舒適,結(jié)構(gòu)耐久適用,山區(qū)高速公路標(biāo)準(zhǔn)跨徑大中橋一般均采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系。全剛構(gòu)體系由于一座橋梁墩高相差較大,需通過(guò)調(diào)整橋墩的線剛度來(lái)改善橋墩受力,這樣一來(lái),橋墩尺寸種類就比較多,美觀性降低,施工相對(duì)麻煩一些。全連續(xù)結(jié)構(gòu)聯(lián)長(zhǎng)不能太長(zhǎng),舒適性差,墩臺(tái)水平位移較大,墩柱尺寸需設(shè)計(jì)的相對(duì)大一些,材料較費(fèi)。根據(jù)地形,將中間墩高較高,剛度相差不大的相鄰幾個(gè)橋墩固結(jié)起來(lái),利用其柔性適應(yīng)橋墩所受的水平力,較矮的邊墩設(shè)置滑板支座或橡膠支座,形成連續(xù)梁。這樣的剛構(gòu)一連續(xù)體系,高墩、矮墩的受力性能都得到了改善,且適應(yīng)地形特點(diǎn)。
山區(qū)高速公路橋梁多為彎、坡橋,曲線梁橋在彎扭耦合作用下,具有沿某一不動(dòng)點(diǎn)變形的趨勢(shì),單向行駛的大縱坡長(zhǎng)橋在長(zhǎng)期反復(fù)的汽車制動(dòng)力作用下,梁體具有沿汽車行駛方向滑移的趨勢(shì),如果采用全連續(xù)結(jié)構(gòu),即上下構(gòu)之間為橡膠支座連接時(shí),這種滑移趨勢(shì)往往造成梁體受力不平衡,支座脫空甚至破壞,從而導(dǎo)致梁體開裂。因此山區(qū)高速公路橋梁宜采用先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系,既適應(yīng)平面線形,又適應(yīng)橋梁受力特點(diǎn)。
4、橋梁上部構(gòu)造設(shè)計(jì)
4.1一般設(shè)計(jì)原則
山區(qū)高速公路,橋梁所占比重大,但一般來(lái)講,大跨徑橋梁方案畢竟是少數(shù),絕大部分還是采用施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配化結(jié)構(gòu)。大跨徑橋梁一般是控制因素不同,方案也各不相同,具有較強(qiáng)的個(gè)性特征,而標(biāo)準(zhǔn)跨徑橋則更多的是具有共性特征,所以本文重點(diǎn)探討標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化橋梁的設(shè)計(jì)。
山區(qū)高速公路橋梁常用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化跨徑有16、20、25、30、40、50m,橫斷面形式有空心板、T梁、小箱梁等。對(duì)于跨徑小于30m的,有空心板、小箱梁、T梁等三種結(jié)構(gòu)可以選擇,對(duì)于40、50m跨徑,根據(jù)梁的受力特點(diǎn),宜采用T梁。30m以下,同一種跨徑,究竟應(yīng)當(dāng)采用哪一種橫斷面形式。小箱梁是介于空心板和T梁之間的一種橫斷面形式。20米跨徑時(shí),T梁較為經(jīng)濟(jì)。30m跨徑以下,三種橫斷面比較,基本也是上述規(guī)律。當(dāng)然,這是山區(qū)的情況,平原地區(qū)則另當(dāng)別論。平原地區(qū)受凈空和橋臺(tái)填土高度的限制,橋梁上構(gòu)要求盡可能降低建筑高度,這樣可以減小縱坡,降低路基填土高度,減少占地及降低路基處理難度,對(duì)土源缺乏,軟基較多的平原地區(qū)有顯著的經(jīng)濟(jì)性。20m空心板建筑高度最低,與路基綜合起來(lái)比較具有優(yōu)勢(shì),平原地區(qū)路網(wǎng)發(fā)達(dá),分離式立交較多,空心板在美觀方面優(yōu)于另外兩種斷面,所以平原地區(qū)較多采用空心板。山區(qū)高速公路橋梁一般凈空無(wú)嚴(yán)格限制,另外,山區(qū)高速公路平面半徑較小,超高緩和路段不可避免會(huì)出現(xiàn)在橋上,如果選用空心板和小箱梁,架梁時(shí)一片梁四個(gè)支點(diǎn)不易調(diào)平,易造成支座脫空,受力不均勻的情況,所以山區(qū)高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面宜優(yōu)先采用T梁。對(duì)于50m跨徑T梁,在小半徑平曲線上,由于內(nèi)外梁梁長(zhǎng)差較大,跨中矢高較大,對(duì)路線的適應(yīng)性要差一些。另外山區(qū)高速公路,交通運(yùn)輸、場(chǎng)地預(yù)制條件均較差,大型機(jī)具進(jìn)入困難,50mT梁?jiǎn)纹?50多噸,架設(shè)設(shè)備要求較高,運(yùn)輸及安裝過(guò)程中變形不易控制,因此一般情況下不選用50m跨徑T梁,所以山區(qū)高速公路橋梁,宜采用的常用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20、25、30、40m。T梁之間的橫向連接有鉸結(jié)和剛接兩種形式,采用鉸聯(lián)結(jié)時(shí),鉸只傳遞剪力,車輛荷載作用在鉸縫處時(shí),彎矩主要由現(xiàn)澆橋面來(lái)承受,這樣一來(lái),現(xiàn)澆橋面的厚度就必須加厚,否則,鉸縫處橋面板易出現(xiàn)通長(zhǎng)的縱向裂縫?,F(xiàn)澆橋面板厚度增加,意味著恒載增加,T梁配筋和鋼索必須增加,經(jīng)濟(jì)性下降,所以T梁橫向連接采用剛接較好?!豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)9.3.16條也有相應(yīng)規(guī)定:預(yù)制T形截面梁的橫隔梁連接,宜采用現(xiàn)澆混凝土整體連接,當(dāng)然在斜交橋及異形橋中需要橫向弱聯(lián)結(jié)時(shí),鉸結(jié)也是很好的選擇形式。
4.2具體橋梁設(shè)計(jì)
具體到一座橋設(shè)計(jì)時(shí),上部構(gòu)造設(shè)計(jì)要處理好兩個(gè)關(guān)系。
第一,處理好跨徑與墩高的關(guān)系??鐝脚c墩高的關(guān)系按橋梁美學(xué)原則,一般應(yīng)選擇比值為0.618—1之間,通過(guò)經(jīng)濟(jì)比較,往往又是經(jīng)濟(jì)的,也就是說(shuō)20m跨徑T梁適應(yīng)的墩高一般為12—20m,30m跨徑適應(yīng)的墩高一般為18—30m,40m跨徑適應(yīng)的墩高一般為24m—40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁,通常應(yīng)根據(jù)地形選擇一種跨徑,不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑,墩柱高度變化很大時(shí),可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當(dāng)一座橋梁,有幾種跨徑方案可選擇時(shí),應(yīng)結(jié)合上下構(gòu)做造價(jià)分析比較再做選擇。
第二,處理好上部構(gòu)造(板或梁)與平面曲線半徑的關(guān)系。橋位處平面曲線半徑對(duì)橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大,主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面,第一是內(nèi)外弧差,第二是中矢高。墩臺(tái)徑向布置時(shí),由于曲率半徑的影響,內(nèi)外梁梁長(zhǎng)不等,半徑越小,內(nèi)外梁梁長(zhǎng)差越大。解決此問(wèn)題一般兩種途徑,一種是根據(jù)平面半徑變化梁長(zhǎng),另一種是不變梁長(zhǎng)通過(guò)加大帽梁,加大封錨端或加長(zhǎng)現(xiàn)澆連續(xù)段處理。第一種方法變化梁長(zhǎng),設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,帽梁尺寸較小、規(guī)格統(tǒng)一,但一個(gè)標(biāo)段,如果有幾座橋處于不同的曲線半徑上時(shí),預(yù)制梁長(zhǎng)度種類就較多,頻繁調(diào)整模板雖不算很難,但每片梁都需要編號(hào),堆放預(yù)制梁需要很大場(chǎng)地,這對(duì)地?zé)o百米平的山區(qū)確實(shí)是難以解決的問(wèn)題,因此一般不采用變梁長(zhǎng)方案。采用等梁長(zhǎng)方案時(shí),如果半徑較大,內(nèi)外梁梁長(zhǎng)差不大,可以采用內(nèi)弧長(zhǎng)等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置,如果半徑較小,可以采用半幅橋中線弧長(zhǎng)等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置,這樣連續(xù)段長(zhǎng)度一端比標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度增加,一端減小。內(nèi)外弧差的問(wèn)題解決后,還有中矢高的問(wèn)題,一般中矢高10cm以內(nèi),可以通過(guò)調(diào)整護(hù)墻內(nèi)緣使之適應(yīng)平面線形;半徑較小,中矢高大于10cm時(shí),由于護(hù)墻一般為50cm寬,護(hù)墻調(diào)整太大外觀不美,護(hù)墻功能亦削減。此時(shí)亦有兩種解決辦法,一種是預(yù)制梁外緣按實(shí)際曲線預(yù)制,另一種是預(yù)制T梁邊梁時(shí),將邊梁多預(yù)制一段長(zhǎng)度,讓現(xiàn)澆橋面板和護(hù)墻來(lái)適應(yīng)平面線形。邊梁按實(shí)際曲線預(yù)制時(shí),邊梁翼緣板由于兩側(cè)不等寬,剛度不等,施加預(yù)應(yīng)力時(shí)可能出現(xiàn)側(cè)向翹曲,且不同半徑外邊梁形狀不一樣,種類多施工較麻煩。第二種辦法雖然材料稍有浪費(fèi),美觀性稍差,仍優(yōu)于前一種。
5、橋梁下部構(gòu)造設(shè)計(jì)
5.1橋墩
高度較矮的橋墩(h<40m)多采用柱式墩,Y型薄壁墩,其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制,且與樁基銜接方便,平原地區(qū)用的較多。但從美觀上來(lái)說(shuō),方柱有棱有角,與上構(gòu)梁體協(xié)調(diào),有一定的視線誘導(dǎo)性,較美觀。從受力上看,截面積相等的方柱和圓柱,方柱抗彎剛度大于圓柱,受力優(yōu)于圓柱,當(dāng)體系為連續(xù)剛構(gòu)時(shí),方柱可以方便地通過(guò)調(diào)整兩個(gè)方向的尺寸來(lái)調(diào)整墩柱的剛度,從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性,調(diào)整起來(lái)效果差一些。方柱的缺點(diǎn)是墩柱與樁基之間需通過(guò)樁帽連接,增加了工程數(shù)量,并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡,增加柱帽構(gòu)造還會(huì)增加挖方工程量,引起邊坡不穩(wěn),設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形、上構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。
Y型墩薄壁是獨(dú)柱雙支座的一種墩型,美觀性較好,但施工稍顯復(fù)雜。墩高較矮時(shí),其施工既復(fù)雜又不美觀所以少采用。當(dāng)墩高較高時(shí)Y型薄壁墩施工只需一套模板,只需搭一個(gè)支架,對(duì)于地面橫坡較陡,搭支架困難,模板需求量大的山區(qū)橋梁,Y型薄壁墩具有顯著的優(yōu)勢(shì)。從預(yù)算定額中也可以看出,同高度的柱式墩與Y型薄壁墩相比,Y型薄壁墩的基價(jià)低。另外采用雙柱墩時(shí),由于地面橫坡較陡,兩個(gè)墩柱高度經(jīng)常相差較大,由于線剛度EI/L差距大,導(dǎo)致一個(gè)墩兩個(gè)墩柱受力差異較大,采用Y型薄壁墩,只一個(gè)墩柱,就避免了上述缺陷。也有人認(rèn)為,上部的Y型承托節(jié)約材料并不多,卻施工麻煩,宜設(shè)計(jì)為實(shí)體,權(quán)衡施工進(jìn)度和質(zhì)量、安全和節(jié)省材料及美觀之間的關(guān)系,也未嘗不可。不管外形如何,墩高較高時(shí),采用獨(dú)柱雙支座外部形狀Y型的薄壁墩較為適宜。
5.2高墩
一般矮橋墩的設(shè)計(jì)由強(qiáng)度控制,但當(dāng)墩高較高時(shí),就必須得考慮橋墩的穩(wěn)定問(wèn)題?!豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62—2004)關(guān)于偏心受壓柱條文說(shuō)明5.3.10條指出,當(dāng)l0/h>30時(shí),構(gòu)件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞。l0為受壓柱的有效長(zhǎng)度,在0.5~2倍墩高之間變化,究竟取值多少,與施工狀態(tài)、上構(gòu)重量、上構(gòu)和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關(guān)。大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)表明對(duì)于先簡(jiǎn)支后剛構(gòu)(墩頂與上構(gòu)為鋼板焊接)和先簡(jiǎn)支后連續(xù)(墩頂與上構(gòu)為橡膠支座連接)的多跨T梁橋來(lái)說(shuō),墩柱的有效長(zhǎng)度l0=1.2~1.43l,l為墩柱高度,當(dāng)l=40m且采用矩形截面時(shí),h≥1.2~1.43-40/30=1.6~1.907m,h=50m時(shí)h≥2~2.383m,當(dāng)墩厚大于2m時(shí),實(shí)心矩形截面經(jīng)濟(jì)性降低,所以可以得出一個(gè)結(jié)論:墩柱為材料破壞時(shí),采用實(shí)心矩形截面,其高度不宜超過(guò)50m。當(dāng)墩高大于50m時(shí),宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩,墩高超過(guò)65m左右時(shí)順橋向應(yīng)考慮放坡,因?yàn)椴捎玫葘挸叽鐣r(shí)施工雖然方便,但為了保證橋墩的穩(wěn)定,墩柱和帽梁必將尺寸加大很多,這樣材料會(huì)浪費(fèi)較大。
5.3橋墩與路幅的關(guān)系
山區(qū)高速公路有整體式路基,也有分離式路基。目前路線選線越來(lái)越強(qiáng)調(diào)減少占地,環(huán)保、與景觀協(xié)調(diào)的理念,除了中長(zhǎng)隧道等設(shè)置分離式路基外,越來(lái)越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋,一般情況下下構(gòu)按分幅單獨(dú)設(shè)計(jì),即雙幅四柱。對(duì)于高墩長(zhǎng)橋,為了減少開挖,增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性,節(jié)約材料,降低造價(jià),整體式下構(gòu)即雙幅兩柱不失為一種較好的選擇。與雙幅四柱相比,在橋墩截面積及橫向?qū)挾认喈?dāng)?shù)那闆r下,整體式下構(gòu)橫向和縱向剛度是分幅設(shè)置的兩倍以上,除了可以減少開挖,節(jié)約材料、施工面少外,還能減少墩頂變位。當(dāng)然整體式下構(gòu)帽梁跨度較大,還須考慮車輛雙向行駛時(shí)扭矩影響,帽梁需設(shè)置的強(qiáng)大一些。一座橋究竟是采用整體式下構(gòu)還是分幅下構(gòu),需結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。
5.4橋臺(tái)
山區(qū)高速公路橋梁橋臺(tái)一般采用重力式U型臺(tái)、肋板臺(tái)、樁柱式臺(tái)。其中以重力式U臺(tái)最常用,根據(jù)《墩臺(tái)與基礎(chǔ)》規(guī)定,U臺(tái)適應(yīng)的填土范圍為4—10m,所以U臺(tái)的高度最好以10m控制。山區(qū)橋梁U臺(tái)一個(gè)顯著特征就是橫向,縱向橫坡陡,為了適應(yīng)地形,減小開挖,節(jié)約圬工方量,U臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)地形合理分臺(tái)階。樁柱式橋臺(tái)由于抗推剛度小,當(dāng)聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng),臺(tái)后填土高度較高時(shí)不宜使用,一般臺(tái)后填土高度宜控制在5m以下,聯(lián)長(zhǎng)宜控制在150米以內(nèi)。埋置式肋板臺(tái)適應(yīng)范圍廣一些,但也不宜太高,不宜超過(guò)12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭,往往不能設(shè)置錐坡,這時(shí)采用樁柱式或肋板臺(tái)會(huì)受到較大限制。當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況較差時(shí),常常會(huì)出現(xiàn)U臺(tái)下設(shè)置樁基的情況。
5.5基礎(chǔ)
山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎(chǔ)仍為為擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)。山區(qū)一般地質(zhì)情況較好,采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的情況相對(duì)較多,且宜采用分離式擴(kuò)基礎(chǔ)。因?yàn)榉蛛x式擴(kuò)基礎(chǔ)適應(yīng)地形橫坡,承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)必須考慮基礎(chǔ)擴(kuò)散角和覆蓋層厚度以及施工時(shí)的相互影響。樁基礎(chǔ)多為嵌巖樁和柱樁,地質(zhì)情況較差地段采用摩擦樁。樁基礎(chǔ)不管受力形式如何,施工方法上多是挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價(jià)較節(jié)省,但設(shè)計(jì)中能否采用挖孔樁,應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況具體分析,當(dāng)樁長(zhǎng)較長(zhǎng);遇到流沙、軟弱夾層多,卵石、漂石等容易造成塌孔的地質(zhì)情況;地下水位較高、地層含有煤氣、瓦斯等有害氣體時(shí)不宜設(shè)計(jì)為挖孔樁。
6、結(jié)束語(yǔ)
山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)有很多區(qū)別于平原橋梁的地方,也更有很多方面需要探討,本文只是拋磚引玉,結(jié)合設(shè)計(jì)中遇到的實(shí)際問(wèn)題,提出一些解決方法,不正確之處,敬請(qǐng)同行批評(píng)指正。
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