淺析橋梁設計
2015-06-05
一、山區(qū)高速公路的橋梁設計
1.山區(qū)高速公路大跨度橋梁的橋型選擇
橋梁上部結構應優(yōu)先采用預應力混凝土結構，適當發(fā)展鋼結構?；ネㄊ搅⒔环秶鷥群惋L景區(qū)范圍內的橋梁宜采用連續(xù)梁、連續(xù)剛構、拱橋、斜拉橋等較為美觀的橋型。城鎮(zhèn)附近的橋梁宜結合地形、環(huán)境選擇美觀、多樣化的橋型。
橋梁設計應分析論證有關水文資料，精確計算設計流量和預留凈空高度；橋梁上部宜采用建筑高度低、輕巧的結構。
橋梁設計要體現安全、實用、美觀兼顧經濟的要求?？拷匾鞘械拇髽蛉珮蚝吞卮髽虻闹骺祝x擇安全、實用、美觀、結構新穎的橋型方案，還應考慮施工便捷、體現先進施工工藝的要求。要根據城市的政治、歷史、文化特征及發(fā)展要求進行景觀設計。
主要結構型式和適用條件如下：
1、簡支板橋
適用于寬淺河流及中小跨徑橋梁，橋梁單跨跨徑不得大于20m；
2、簡支梁橋
適用于寬淺河流及中等跨徑橋梁，橋梁單跨跨徑不宜大于50m；
3、連續(xù)梁橋
適用于寬淺河流或分離式交叉，主跨跨徑宜在40m以上。
4、拱橋
山嶺重丘區(qū)V形深溝且地質條件較好時，可以優(yōu)先考慮采用鋼管混凝土拱橋、剛架拱橋、箱型拱橋或桁架拱橋等；
5、連續(xù)剛構
適用于有通航要求的河流或深水河流，主跨跨徑宜控制在80m以上；
6、靠近大城市的橋梁宜設計成一橋一結構形式，一橋一景，重要位置的橋梁設計標準要高，可以設計成標志性建筑。如多塔斜拉、矮塔斜拉、高塔懸索橋等。
大橋與環(huán)境的親和關系體現為以橋梁為主體，同步進行橋區(qū)環(huán)境保護、建設、開發(fā)利用。歸根結底，因地制宜是傳統(tǒng)的、普遍適用的準則，設計原則應是在滿足橋梁使用功能要求，遵循“安全、經濟、適用、美觀”原則的前提下，力求橋梁布局合理、經久耐用，并與周圍景觀協(xié)調，來反映現代建橋的新水平。
2.常規(guī)橋梁設計中橋梁上部結構型式選擇
山區(qū)高速公路中橋梁所占比重大，但一般來講，大跨徑橋梁方案畢竟是少數，絕大部分還是采用施工方便、造價經濟的標準化、預制裝配化結構。大跨徑橋梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有較強的個性特征，而標準跨徑橋則更多的是具有共性特征，所以本文重點探討標準化、裝配化橋梁的設計。
山區(qū)高速公路橋梁常用的標準化、裝配化跨徑有16m、20m、25m、30m、40m、50m，橫斷面型式有空心板、T梁、小箱梁等。對于跨徑小于30m的，有空心板、小箱梁、T梁等三種結構可以選擇。對于40m、50m跨徑的，根據梁的受力特點，宜采用T梁。30m以下同一種跨徑的橋梁，究竟應當采用哪一種橫斷面型式，可通過表1作出選擇。
從表1可以看出，小箱梁是介于空心板和T梁之間的一種橫斷面型式。20m跨徑時，T梁較為經濟。30m跨徑以下，三種橫斷面相比較，基本也是上述規(guī)律。這是山區(qū)的情況，平原地區(qū)則另當別論。山區(qū)高速公路橋梁標準橫斷面宜優(yōu)先采用T梁。對于50m跨徑T梁，在小半徑平曲線上，由于內外梁梁長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應性要差一些。另外，山區(qū)高速公路的交通運輸、場地預制條件均較差，大型機具進入困難，50mT梁單片重150多噸，架設設備要求較高，運輸及安裝過程中變形不易控制，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準跨徑為20m、25m、30m、40m。山區(qū)地形、地物具有較大的建筑體量，人的視覺感受以大景觀、大場景為主，預制梁（板）式橋梁上部建筑高度對景觀的影響很?。煌瑫r，路線與溝谷高差大，通常無凈空要求。
山區(qū)橋梁在采用裝配式預制構件時，一定要先考慮的因素是橋位所處的地形環(huán)境是否有利于預制場地的布設，其次要考慮運輸條件是否能滿足特種運輸車輛的通行，運距是否是最短距離，另外還要考慮工程結束后，其預制場地能否很快恢復植被。
表1、 一孔上部構造主要材料指標表
3.常規(guī)橋梁設計中橋梁下部結構型式的選擇
山區(qū)高架橋通常沿山腰展布，橫向地形變化大，墩、臺、基礎的設計對邊坡開挖、山體穩(wěn)定等環(huán)境的影響非常大，同時也會對工程的景觀效果產生重大影響，一般采用雙（多）柱式橋墩，墩高較大時，可采用Y型墩、薄壁空心墩等，雙（多）柱式橋墩結合樁基淺表層地質情況、橋區(qū)抗震等級，盡量不設樁頂橫系梁以減少對山體邊坡的開挖。沿山坡布設的中小跨徑的橋梁也可采用獨柱獨樁或十字型墩身，以減少基礎的開挖。
3.1橋墩
在同一座橋里，橋墩的型式應盡量統(tǒng)一。對于跨河橋與墩高＜40m的橋墩，應采用受力明確的雙柱式墩。
柱式墩和方墩在景觀方面的效果差不多，在截面積相等時，方墩的截面剛度大于圓墩，方柱可以方便地通過調整兩個方向的尺寸來調整墩柱的剛度，從而達到調整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性，調整起來效果差一些。方柱的缺點是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接，增加了工程數量，并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡，增加柱帽構造還會增加挖方工程量，引起邊坡不穩(wěn)。圓墩在施工中外觀質量容易控制，且與樁基礎銜接方便，對于彎、斜橋來講，圓墩的景觀協(xié)調性要好些，設計中應根據地形、上部結構型式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。
地面橫坡較陡時，若采用雙柱墩，兩個墩柱高度經常相差較大，由于線剛度EI/L差距大，導致一個墩的兩個墩柱受力差異較大，這時就應該考慮Y型薄壁墩。Y型薄壁墩是獨柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復雜。墩高較矮時，其施工既復雜又不美觀，所以較少采用。而當墩高較高時，Y型薄壁墩施工只需一套模板、搭一個支架，對于地面橫坡較陡、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。也有觀點認為，上部的Y型承托節(jié)約材料并不多，卻施工繁瑣，宜設計為實體，權衡施工進度與質量、安全、節(jié)省材料及美觀之間的關系，這也未嘗不可。
墩高≥40m時，可采用薄壁墩，高墩的穩(wěn)定（尤其是施工階段）與安全均得到改善，從橋梁的整體外觀看，線條簡潔美觀。隨著墩高與內力的變化，可通過調整薄壁墩的厚度以改變墩身的剛度，使結構受力更加合理。
在選用橋墩的型式時，一定要注意同一聯內橋墩剛度比的協(xié)調，剛度相差不宜太大，否則各墩內力相差也很大，一般來說矮墩取較小的截面，高墩則取相對大的截面。
3.2橋臺
山區(qū)高速公路橋梁橋臺一般采用重力式U型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式U型臺最為常用。根據《墩臺與基礎》的規(guī)定，U型臺適應的填土范圍為4m~10m，所以U型臺的高度最好以10m控制。山區(qū)橋梁U型臺的一個顯著特征就是橫向、縱向橫坡陡，為了適應地形，減小開挖，節(jié)約圬工方量，U型臺設計時必須根據地形合理分臺階。地面橫坡較陡，地質情況比較好時，U型臺可采用臺階式基礎以避免挖方量太大；地質情況不好時，可采用U臺下設置樁基的方法。埋置式肋板臺適應范圍廣一些，但也不宜太高，不宜超過12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭，往往不能設置錐坡，這時采用樁柱式或肋板臺會受到較大限制，樁柱式橋臺由于抗推剛度小，當聯長較長、臺后填土高度較高時不宜使用。樁柱式橋臺臺后填土高度宜控制在5m以下，聯長宜控制在150m以內。
4.常規(guī)橋梁設計中橋梁基礎選擇
山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎為擴大基礎與樁基礎。山區(qū)一般地質情況較好，采用擴大基礎的情況相對較多，且宜采用分離式擴大基礎。因為分離式擴大基礎適應地形橫坡，承載力亦能滿足要求。斜坡上的擴大基礎與樁基礎必須考慮基礎擴散角和覆蓋層厚度以及施工時的相互影響。樁基礎多為嵌巖樁和柱樁，地質情況較差地段采用摩擦樁。樁基礎不管受力形式如何，施工方法上多為挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價較節(jié)省，但設計中能否采用挖孔樁，應結合地質情況具體分析。
二、山區(qū)高速公路橋梁設計應注意的其他方面
1.山區(qū)高速公路橋梁要注重抗風抗震設計等安全性設計
山區(qū)中由于山體的阻擋，個別位置可能出現較大的陣風風速，對于纜索承重橋梁，必須進行抗風驗算，內容包括靜風分析、動風分析、拉索的風雨振動、主梁的抗扭轉性能等。要保證有足夠的安全儲備來避免這些偶然作用產生的不良后果。
2.山區(qū)高速公路橋梁的維護
由于構造特點、車輛超載等原因，橋梁難免出現一些病害，從養(yǎng)護、維修出發(fā)，鋼結構設計時要考慮可到達各主要部位的檢修走道、爬梯、人洞等，支座等要設置檢查梯，大跨徑的混凝土結構要埋設檢測裝置，定期進行檢測，盡最大努力減少橋梁維修的可能，如果難以避免或常損壞的構件，在設計時就要作充分考慮，在不影響或少影響交通的前提下能實現快速更換。
結語：
山區(qū)高速公路建設的技術特點可歸納為：路線狹窄、邊坡陡峭、橋基高升、隧道密集、橋隧組合、結構復雜，因此橋梁設計時更應慎之又慎，在“安全、經濟、適用、美觀”原則的前提下，力求橋梁布局合理、經久耐用，并與周圍景觀協(xié)調，反映現代建橋的新水平。
