高速公路桥梁设计的要点和难点

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总428期

2017年第14期（5月 中）

收稿日期：2017-02-16

作者简介：侯梦阳（1992—），男，河北石家庄人，从事高速公路养护工作。

高速公路桥梁设计的要点和难点

侯梦阳

（河北省高速公路京衡管理处，河北 衡水 053000）

摘要：从多方面详细分析了高速公路桥梁设计所需要关注的要点，并讨论了相关设计对策和方法。针对高速公路中的中小跨径梁桥，就抗震安全性和极端超载车下的横向倾覆稳定性两个内容，进行了设计讨论和措施分析。关键词：高速公路；桥梁；设计特点；结构设计中图分类号：U442.5

文献标识码：B

0 引言

随着我国桥梁建设的发展，各种规模和跨径的桥梁建造技术，已在我国得到了广泛的实践和验证。然而，随着这些已建成桥梁的投入运营使用，再加上我国现如今交通运输急剧增长的发展趋势，相当一部分桥梁在运营使用十几年便已经出现了较多的病害问题，这其中一方面是桥梁的使用环境发生了较大变化，包括交通量增长、车辆荷载等级增加，环境恶化严重等；另一方面，则需要重新审视桥梁设计中的相关问题和方法，以提高桥梁的设计水平。在设计阶段，就应该充分认识桥梁的运营特点和要求，设计出满足要求的桥梁结构体系，降低运营期内的各种安全隐患[1]。本文通过详细地探讨了高速公路桥梁，包含桥面板、主梁结构、伸缩缝、支座、墩柱结构、桩基结构等方面，分析其设计要点和技术，并针对桥梁设计中的桥型经济比选、抗震设计、抗倾覆设计等难点，进行了细致剖析和总结。

1 高速公路桥梁设计的要点分析

桥梁设计包含了大范围的结构选型到小范围的尺寸拟定和施工方法选择等。为明确作为承载封闭式高效运输网络的高速公路桥梁的设计要点，将从以下几个方面详细分析。1.1 桥面板设计

桥面板是直接提供桥梁车辆运行的平台部分，其长期使用性能和安全性能对于保障主梁体系具有重要作用。钢和混凝土铺装是现如今应用较多的铺装型式，应该注意到，这两种铺装型式应该结合实际的桥梁特点采用。例如，大跨径桥梁采用整体式钢箱梁，就应该选择正交异形钢桥面板，以提高桥梁的气动稳定性；采用组合梁和混凝土梁的桥梁结构，可以直接应用混凝土桥面板。钢桥面板设计中注意沥青铺装层与桥面板的连接性能，以保证不会有铺装开裂、渗漏等病害发生；混凝土桥面板则需要特别关注桥面开裂问题，避免桥面板受到较大的局部轮压作用，因而需要设计好其支撑与跨度。

FRP 组合桥面板（见图1）是目前研究的热点，直接减轻了桥面结构自重，抵御外部环境腐蚀，充分发挥了FRP 材料的优势。FRP 组合桥面板的设计难点是构造设计，需要掌握不同构造方法下的传力特点和可能力学问题，并尽可能去优化改善，因此需要在实践中考虑。

图1 FRP 组合桥面板

1.2 主梁结构设计

主梁体系是主要承受荷载的桥梁上部结构。进行桥梁选形，首先需要明确不同主梁体系的适宜经济跨径，超过该跨径不仅需要耗费较大的经济投入，还可能引起各种桥梁使用病害。因而设计中需要对各类桥梁的经济跨径具有全面的认识，根据地质条件、施工工法和运营要求，选择合适的桥梁结构形式。对于超大跨径桥梁，主要桥型是悬索桥和斜拉桥，中等跨径则是拱桥、斜拉桥和连续梁体系，中下跨径完全是梁桥体系。由于中小跨径桥梁往往占据高速公路桥梁的80%以上，而且针对这些桥梁的设计可能更容易被忽视，因此这里着重分析。中小跨径桥梁中，各种多肋式梁桥的受力性能差异显著，其中空心板梁在我国应用最为广泛，对于该类桥梁的设计理论，目前存在一定的偏差，小铰缝空心板将铰缝当作仅传递剪力不传递弯矩进行设计，但是实际施工中采用桥面铺装和铰缝将横向板梁连接在一起，运营过程中铰缝不仅承担竖向剪力还会传递横向弯矩，横向弯矩的存在使得铰缝过早开裂，降低了其工作性能，裂缝在运营中不断扩展，导致单板受力现象，严重的情况下还会使得板梁发生整体的破坏和倒塌现象，例如杭州钱江三桥引桥在2011年7月发生的倒塌事故。T 梁和小箱梁则应用跨径稍长，但需要注意横向连接设计的

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交通世界

合理性，过多的横隔板构造会削弱其一维受力性质，导致

受力更加不合理。

1.3 伸缩缝和支座设计

桥梁伸缩缝发挥桥面连续作用。一般而言，为了保证

行车的连续性，应该设置最少的伸缩缝，例如中小跨径桥

梁可以通过桥面连续的方式进行设计，然而，尚且需要设

置一定的伸缩缝以满足桥梁的纵向变形性能。桥梁与道路

连接处是桥面跳车的常发地段，给行车安全带来了威胁，

因此，当桥梁跨径低于16m时，可以将桥台处伸缩缝转移到

桥墩处，保证桥台与路面连接顺畅。

桥梁支座需要提供竖向承载性能，同时还需考虑上

部结构的水平变位能力。为了消除支座变形限制引起的病

害，对于多跨连续桥梁，需要在中间桥墩设置一定的固定

支座，并在桥台和其他桥墩位置设立纵向滑动支座，确保

桥梁变形均匀分布在全跨内。对于独柱墩的支座，应特别

关注桥梁的倾覆问题。对于曲线梁桥的中间墩，需要进行

一定的横向偏移以抵抗运营中的车辆偏载效应，对于横向

双排支座需要考虑偏载可能引起的支座脱空问题，进行支

座横向位置的优化。

1.4 墩柱和基础设计

墩柱的设计不仅要结合地形特点，还需要根据美学

原则与上部结构进行配套设计，一般桥梁跨径与墩高满足

0.618~1的比例比较符合美学特点。不同的墩高尺寸，所选

的上部主梁体系也应不同。根据上部桥面宽度，下部墩柱

一般采用双柱式桥墩较为适宜，如果桥下空间有需求，则

可以采用独柱式桥墩，但应该注意独柱墩所带来的横向抗

扭性能差的问题，对于大曲率或者直线桥梁的设计，需要

特别关注其横向稳定性能。

高速公路桥梁应用最多的基础型式是钻孔灌注桩基

础，该基础型式施工工艺成熟、工期快、质量易把握。桩

基础的桩径尺寸也与桥墩和桥梁跨径等存在一定的关联，

如表1所示，不同跨径尺寸的T梁桥，其桩径尺寸与墩高、

桥梁跨径具有关联。

表1 不同跨径T梁的桩与桥墩尺寸关系（m）

跨径墩高柱径桩径

20

[ 0 15] 1.2, 1.3 1.3, 1.5 [15，25] 1.4, 1.5 1.6, 1.8

30

[ 0 15] 1.2, 1.3， 1.4 1.3, 1.5， 1.6 [15，30] 1.5, 1.6 1.6, 1.8

40

[ 0 30] 1.6, 1.8 1.8, 2.0 [30，40] 1.8, 2.0 2.0, 2.2 [40 45] 2.0, 2.2 2.2, 2.5

2 高速公路桥梁设计的难点

高速公路桥梁设计需要满足基本的安全性和使用性。然而，由于运营期间的各种不确定因素，需要针对一些特定因素进行特别设计。针对高速公路中小跨径桥梁，其设

计的难点不一而同，这里重点分析抗震安全性和重载交通

下横向倾覆稳定性。

2.1 抗震安全性

为了保证中小桥梁的抗震安全，主要应该从减震措施

着手[2]。中小跨径桥梁结构的减隔震设计可以从下部结构、

下部与上部的连接结构及上部结构三个方面开展。下部结

构减震一般选择重力式桥台和钢筋混凝土桥墩，预制墩柱

则要保证节段直接与钢筋连接，利用钢筋延性减震；上下

部结构连接采用支座和伸缩缝减震，控制伸缩缝支撑面的

宽度，采用分层橡胶支座、铅芯橡胶支座和滑动摩擦型支

座是目前应用比较广泛的减隔震支座结构。通过设置在支

座内部的橡胶块变形进行耗能，另外设置聚四氟乙烯材

料降低上部与下部结构的摩擦性能，减弱地震能量向上输出。防落梁则可以设置限位器和剪力键橡胶支座，当桥梁

结构在正常变形范围内时不进行限制，当出现较大纵向或

横向位移时，通过限位器限制位移，最为简单的限位装置

是设置有受拉钢筋的纵横向挡块。

2.2 重载交通下横向倾覆稳定性

近年来发生了多起梁桥倾覆事故[3]，其根本原因是采用

独柱墩中间支撑的梁桥结构缺乏足够的横向抗扭性能，在

极端车辆荷载作用下，特别是超载车排队在一侧行驶，使

得梁体缺乏足够的抗倾覆能力，导致倒塌破坏。因此，针

对这种梁桥倾覆事故，应该从桥梁设计本身进行改善。首先，尽量采用双柱墩支撑形式，提供桥梁足够的横向抗扭

性能，特别是针对大曲率和直线梁桥；其次，如果设置独

柱墩，则需要在中间独柱墩设置一定的支座横向偏移，这

样可以降低支座脱空的风险，同时设置一些有限位置抗倾

覆措施，如抗拔钢筋和挡块防落梁构造。

3 结语

随着我国桥梁建设的快速发展，精细化的设计可以有

效降低运营期间的各种养护和管理费用，是发展的趋势所在。本文从桥面板、主梁结构、伸缩缝与支座、墩柱和基

础等方面详细剖析了高速公路桥梁设计的要点，并针对其

中面大宽广的中小跨径梁桥抗震和横向倾覆问题进行了细

致讨论，给出了设计解决对策。

参考文献：

[1] 张国栓. 邢衡高速公路邢台段桥梁设计技术要点[J]. 交通

标准化，2011（11）：49-54.

[2] 卢宇波. 中小跨径公路桥梁抗震设计理念及方法[J]. 珠江

水运， 2016（10）： 52-53.

[3] 殷新锋，杨小旺，丰锦铭，等. 独柱墩连续弯梁桥抗倾

覆稳定影响因素分析[J]. 公路与汽运，2016 （1）：156-

161.

（编辑：曹艳华）

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