浅谈对我国山区高速公路桥梁设计的探讨

浅谈对我国山区高速公路桥梁设计的探讨

发表时间：2018-06-11T17:12:17.737Z 来源：《基层建设》2018年第10期作者：叶龙

[导读] 摘要：随着社会经济的快速发展，我国的交通事业获得了迅猛发展。

上海市政工程设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司

摘要：随着社会经济的快速发展，我国的交通事业获得了迅猛发展。然而，我国的地质地形比较复杂，山区占了相当大的比重，因此，如何在山区有效开展高速公路的设计和建设是一个重大的研究课题。桥梁设计是山区高速公路的建设的重要环节，其质量直接关系到山区高速公路的安全与稳定。本文山区高速公路桥梁为背景，探讨了具有山区高速公路特点的曲线、大纵坡、高墩、长桥的设计，并提出了山区高速公路桥梁设计中的注意事项。

关键词：桥梁} 山区；高速公路；桥墩设计

山区高速公路地形、地质复杂，地面高差大，变化频繁，横坡陡、岩溶、滑坡、不稳定斜坡、崩塌、陡岸、煤层等不良地质现象普遍存在。故路线布设时平纵横3 个方面都受到约束，因而山区高速公路桥梁中弯坡桥多、高墩大跨多、墩台形式多，设计中必须协调好桥梁各细部构造与地形、地质之间的关系。

1. 桥梁结构形式的选择

1.1 结构体系

基于运营的整体性、舒适性和耐久性的考虑，往往须设计为预应力连续结构。预应力砼连续曲线桥与直线桥相比的一个重要特点是梁体存在弯扭耦合作用。曲线梁在弯扭耦合作用下具有沿某一变形不动点变形的趋势。而大纵坡桥梁在长期反复的汽车制动力作用下，梁体具有沿汽车行驶方向滑移的趋势，对于单向行驶的高速公路长桥尤其突出。在血线、大纵坡并存的情况下，梁体的这些变形趋势形成了上下部间的相对错动。当桥梁上下部间以支座联系时，这种错动趋势往往造成梁体相对下部的移动及支座受力的不平衡，甚至脱空。而采用墩梁固结的刚构体系可避免这一情况的发生。另外，曲线、大纵坡桥的桥墩承受着较直线、平桥桥墩更大的纵横向水平力及附加弯矩，而这些力引起的桥墩变位除取决于上部构造的几何特征外，还取决于上下部间的约束条件。较刚的约束，可使桥墩变位减小。采用上下部固结的连续刚构体系，在避免桥梁上下部错动的同时，增加了体系对下部的约束力，桥墩的变位相对减少，压弯稳定性增加。当今，柔性桥墩已被广泛采用。对高墩桥而言，桥墩稳定性及变位成为桥墩结构设计的制约因素。在曲线、大纵坡的情况下，高墩桥采用墩梁固结的刚构体系，在调整桥梁受力、改善结构的整体性能、避免梁体滑移、减少结构的总体变位、提高结构的稳定性和耐久性等方面都具有一定优势。同时，墩梁固结可避免由于抗扭矩及抗滑移造成的支座设置麻烦以及支座损坏给桥梁结构带来的不利影响，还不用更换支座。

1.2 桥墩形式的比较

（1）大跨径连续刚构桥墩形式比较。大跨径连续刚构箱梁桥，对于较矮的墩，双薄壁墩为较理想的墩形；而对于高墩，则以箱形空心墩为宜。高墩采用空心墩的截面形式，除能满足抗弯刚度和抗推刚度要求及利于高墩结构的稳定性外，对于平曲线上的桥梁，还可提供较大的抗扭刚度度。（2）中等跨径多梁式刚构桥桥墩形式比较。在地质较好的情况下，桥高50 m 以内以中等跨径T 梁桥较为经济，而采用何种形式的桥墩与之相配，使其符合高墩、大纵坡、曲线桥的受力要求，需加以比较后确定。双柱墩与矩形薄壁墩比较，在桥墩面积、横向宽度相等的情况下，双柱式墩的横向及纵向刚度是矩形薄壁墩的3 倍以上。因此，以双柱式墩作为中等跨径T 梁桥的墩形，在曲线、大纵坡、高墩桥梁中具有变形小的优势。另外，山区高墩桥梁一般需采用桩基，选用双柱对应桩基，可省去承台，节省工程量。

2. 结构设计上的特殊考虑

2.1 曲线、大纵坡长桥下的高墩变位控制

（1）横桥向变位控制。对于悬臂施工的预应力砼连续箱梁曲线桥，悬臂施工时梁体产生向曲线内侧的扭转。桥梁合龙并在二期恒载作用下，箱梁向曲线外侧扭转。箱梁本身的扭转很小，但在高墩变形的联合作用下，扭转角却有明显增加，在产生扭转角的同时墩顶还产生较大的横向变位。墩的刚度越小，变位的递增率越大。因此，在高墩弯桥中，应重视桥墩在扭转变位中的影响。这些变位可以通过墩的刚度调整或设置墩的预偏加以控制。在刚度调整中，应综合考虑施工及运营时各种变位工况的相互关系，以达到安全、经济兼顾的目的。2）纵桥向总体变位控制。对于大纵坡高墩长桥，除常规桥梁的纵桥向变位外，车辆长期单向行驶可能产生的桥梁体系不可恢复累积变位是设计中必须考虑的一个问题。刚、柔是矛盾的两个方面，提高桥梁的刚度是减少桥梁变位较有效的措施，但刚度的增大必然增加投资，设计时应权衡利弊，合理协调整个体系配置。（2）高墩初始偏位控制。在高墩长桥中，预应力砼结构收缩、徐变对体系变位的长期效应很显著。高墩桥成桥时的墩顶初始偏位在后期的徐变中将有较大发展，它将对桥墩受力及体系的变位产生不利影响。因此，设计及施工中应对成桥时的墩顶偏位加以控制。

2.2 墩弯曲稳定性计算问题

高墩桥的压弯稳定是设计中较为突出的问题。现行桥梁规范将其作为单墩稳定性计算的一个内容，反映在考虑压杆偏心增大系数后的极限承载能力计算中。而压杆偏心增大系数的一个关键内容是以杆件挠曲为特征的杆件计算长度的确定。在以往的计算中，总是习惯于按自由、铰接或固结考虑墩的约束来确定杆件的计算长度。实际上，目前墩顶多采用可弹性变形的支座，对于高墩桥一般采用墩梁固结，但不论是设置支座还是墩梁固结，墩顶实际上处于弹性约束状态。通过结构的整体分析可以了解到，杆件的计算长度除了取决于杆件的边界约束条件外，还取决于杆件自身的刚度。杆件的变形是体系综合变形的结果，应综合约束条件和墩身刚度，即体系的组合刚度加以确定。仅考虑墩的边界约束条件，忽略墩身刚度对约束及墩的变形的影响，或约束的假设与实际约束状态不符，均会造成杆件变形模拟上的差异。就矮墩而言，这一差异对结构设计的影响不很大，但对高墩来说，却很敏感。因此，考虑墩身刚度，对于高墩桥梁尤其必要。

2.3 陡边坡上的桥墩设计

位于陡边坡上的桥墩，由于地形高差大，往往造成同一墩位横断面上两柱墩的无支高度差悬殊。墩柱刚度差造成下部构造受力不均匀，甚至可使其中一个墩柱受力增加1 倍，此问题在设计中应予以充分重视。当墩的高差悬殊、两墩柱的受力差很大时，可采取在矮墩的地面下设置一定长度套简、增加矮墩无支高度的措施，以减少墩的刚度差。位于陡边坡上桥墩的另一个突出问题是由于陡边坡临空面的存在，削弱了岩土体对桩基的抗力。其削弱程度除与深度有关外，与桩基距临空面的距离密切相关。它的确定对于陡边坡上桩的设计长度影响极大。这一问题的分析涉及到岩土工程和结构工程，较精确的方法是采用有限元分析，但由于岩土体的特性各异，计算较复杂，目前还缺乏深入的研究。对于这一问题，从实际工程出发，可以将其简化为关于岩土体对桩基产生足够抗力或嵌固力所需平面范围的确定，也即