有关高速公路桥梁设计

【摘 要】随着社会进步,人们开始认识到在桥梁的设计与施工中不仅仅要为自己着想,同时还要为别人着想,即关心桥梁对大地的影响,以及桥梁的地标意义.本文主要对桥梁的设计进行探讨.

【关 键 词】高速公路；桥梁设计；桥位选择

一、桥位的选择

高速公路的桥位选择,总的原则是：中小桥严格服从路线布设,大桥、特大桥等大型工程应做多方案同深度的桥位比选,并以其为控制点,总体上达到与路线走向一致,做到路、桥综合考虑,合理衔接.同时,还应该注意保护名胜古迹,少干扰学校和居民村落,少占耕地.这些原则和平原区基本上相同,山区桥位的选择更重要的是要凸现对地质的重视.

1、跨越岩溶地区

岩溶在山区不可避免要遇到,在遇到强岩溶地区时,桥位应以绕避为主,并尽量选在弱岩溶地区,若必须在强岩溶地区设桥时,则应选择在岩层比较完整,洞穴顶板厚度尺寸足够处；桥位遇到构造破碎带时,应使桥位垂直或以较小的斜交角通过；岩溶塌陷区的桥位应选在覆盖层较厚、土层稳固、洞穴和地下水位稳定处,如塌陷范围小,可选择单跨跨越.

2、跨越滑坡体

尽管在方案选择、路线指标的运用、构造物和线位的布设等方面做了很大的努力,由于所处的地质环境特殊,岩土工程性质差,路线无法完全避开山体滑坡,滑坡体对桥梁基础稳定性造成潜在威胁,应首先考虑对滑坡体采取工程措施进行处置,保证桥基安全.

二、弯桥的设计

1、弯桥直梁的可行性

高速公路线性条件有限,桥梁大部分位于曲线段内,但考虑到施工工期和施工难度的影响,一般在曲线半径R≥200米时仍然可以采用曲梁直作的方案.根据日本曲线梁桥的规定,当曲线角φ≤5度可用直梁布置,因此,可在相应的曲线半径内采用相应的跨径来满足这个要求,如：R等于200m,L≤20m；R等于300m,L≤25m；R等于350m,L≤30m；R等于500m,L≤40m；这些情况按直梁布设,完全能满足结构设计的要求,只需将翼缘板和防撞墙部分现浇处理为曲线,即可符合弯桥布设的要求.

2、弯桥的梁（板）布设

装配式梁（板）桥,桥型的平面布置一般采用各墩台平行布置或者径向布置.平行布置时因为各墩台与路线交角均不相同,各墩台盖梁上支座的位置也不一样,几何及下部构造较为复杂,所以只是在曲线半径大、桥长较短时采用,其优点是能保持预制梁长一致,但由于梁端角度不同,各墩台长度不一致,使得设计和施工相对较为复杂；在这里主要介绍径向布置的方法,径向布置分为等梁长和变梁长两种方法.

①等梁长径向布置：利用改变墩顶现浇段的宽度来保证预制梁长一致,但曲线段桥墩盖梁的宽度不宜超过220cm,否则施工中的偏心荷载对墩身的安全造成影响,这时的现浇段平面为扇面状,需要单独设计.此方法的优势在于能保证预制梁长一致,节省模板.缺点在于现浇段的设计较麻烦,而且桥墩盖梁宽度普遍太大,不美观.

②变梁长径向布置：梁长变化,以保证现浇段的宽度不变.优点在于盖梁宽度能保持一致,且不用加宽,现浇段设计简单.缺点在于预制梁长不一致,施工时必须调整模板尺寸来改变梁长,稍微麻烦.

采用径向布置时,桥墩台存在错幅的问题,可将左右幅桥中心附近的桥墩对齐,然后两幅桥各自以其曲线内侧弧长为标准梁长为基准向两岸布孔,这样将全桥范围内的左右幅差值均衡地分配到桥两端,不影响视觉上的美观效果.

曲线梁桥布孔时,考虑到曲线弦弧矢高的影响,预制梁的外边缘必须做成曲线才能满足防撞墙（护栏）的浇注空间要求,因此,可以在预制内外边梁时稍微调整模板,使翼缘板做成折线状,来达到预期的目的.

三、坡桥的设计

1、桥梁的纵坡问题

《公路工程技术标准》（JTJ001-97）规定,二、三、四级公路上的特、大、中桥桥上纵坡不宜大于4%,桥头引道纵坡不宜大于5%；位于市镇混合交通繁忙处,桥上纵坡和桥头引道纵坡均不得大于3%.此规定的主要因素是因为纵坡过大,非机动车爬行越困难,对通行的干扰越大,为防止堵车和发生事故,桥上及桥头引道的纵坡不宜过大.山区高速公路上的桥梁,由于受地形及路线线性的限制,考虑到高速公路的行车条件,故在路线纵坡设计时桥上纵坡可以大于4%,但在桥梁上下部结构的构造措施、安全防护等方面应进行综合考虑.

2、梁（板）桥桥墩水平力问题

①恒载作用下的桥墩受力：设计时,保证支座垫石和支座处于水平状态,使桥墩理论上仅受到竖向力的作用.

②制动力作用下的桥墩受力：在制动力作用下,桥墩承受的力为制动力的水平分力和竖向分力,考虑到竖向分力较小,水平分力比制动力略小,故设计时,对制动力可不进行分解,而将制动力看作是水平作用力.

综上所述,位于路线纵坡较大处的梁（板）桥,在恒载、活载、制动力及温度变化影响力的共同作用下,桥墩墩顶所受的水平力与桥梁的纵坡关系不大,一般情况下,下部构造可按平坡桥进行结构分析.但纵坡较大的桥梁在施工运梁、安装时容易出现滑移,设计、施工时应采取相应的安全措施.

四、桥墩、台设计

1、桥墩、台型式的选择

在同一座桥里,桥墩的型式应尽量统一.对于跨河桥与墩高<30m的桥墩,采用受力明确的双柱式墩.墩高<20m,仅在地面附近设一道系梁,线条简洁、美观；墩高≥20m,在墩身中间附近,加设一道系梁,使双柱共同变形和受力.

柱式墩和方墩在景观方面的效果差不多,在截面积相等时,方墩的截面刚度大于圆墩,通过调整厚度,可以调整方墩的截面刚度；圆墩在施工中外观质量容易控制,且与桩基础衔接方便,对于弯、斜桥来讲,圆墩的景观协调性要好.

当地形横向陡峭时,若采用双柱墩,墩身高差大,因此墩身的刚度相差也大,为了使桥墩的受力均衡,可以保证相同高程处墩柱截面尺寸一致,其余部分加大截面尺寸和桩基统一；还可以考虑采用独柱墩,不仅解决了结构受力的问题,同时景观更加协调,减少了施工的工作面,经济而且合理.

在选用桥墩的型式时,一定要注意同一联内桥墩刚度比的协调,刚度相差不宜太大,否则各墩内力相差也很大,一般来说矮墩取较小的截面,高墩则采用相对大的截面.

山区高速公路多采用U台、双柱式台和肋板式桥台,但应注意以下几个问题：

①地面横坡较陡,则桥台锥坡范围很大,防护工程面积也大,这时可以考虑台后接矮挡墙进入挖方路段；

②U台台高一般控制在9m以内,地面横坡较陡,地质情况比较好时,采用台阶式基础以避免挖方量太大,地质情况不好时,可以考虑采用桩基础U台.

③有些桥台处地表岩土风化严重,虽有表层有天然植被,但施工时不宜大开大挖,以免破坏了山体的稳定,此时可以选择柱式台或者肋板式桥台,台高≤5m,采用柱式台,5m<台高<10m,采用肋板式桥台.

2、高墩的设计

山区高速公路一个重要特点就是桥多墩高,高墩的设计对于桥梁的结构安全至关重要,高墩设计时可采取如下措施：

①采用合理的桥梁结构,在最高墩的位置采用连续-刚构组合体系的桥型方案,利用高墩的柔度,使结构受力合理；

②处于小半径上的连续T梁,充分利用地形条件合理划分联数,由较矮的桥墩承受大部分的水平力,使得高墩的设计更加合理；

③选择合理的下部结构,下部构造结合墩高,配合不同的上部结构,如连续-刚构采用空心墩,连续T梁采用柱式墩或薄壁墩.

五、结束语

总之,高速公路桥梁设计难度大,施工艰巨.沿线存在各种滑坡、岩堆、危岩体、岩溶、岩溶塌陷、地下暗河、崩塌、顺层滑坡、断裂带及冲积扇等不良地质情况,为了克服这些不良地质的影响,桥梁的设计、施工技术都应当不断探索,不断总结,不断提高.