淺談湯屯高速公路橋型方案設(shè)計(jì)

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　　簡(jiǎn)介： 結(jié)合以往山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，來(lái)介紹湯口至屯溪高速公路初步設(shè)計(jì)中橋型方案設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵字：高速公路橋型 方案設(shè)計(jì)

　　1 概述

　　湯口至屯溪高速公路既是國(guó)家重點(diǎn)干線天津至汕尾公路的重要組成部分；又是安徽省公路主骨架中的“一縱”，還是連接“兩山一湖（黃山、九華山、太平湖）”旅游的交通要道及“黃山～衢州～南平”與“黃山～千島湖～武夷山”大旅游路線的重要組成部分。

　　湯口至屯溪高速公路是我省繼銅陵至湯口高速公路后的又一條山區(qū)高速公路，全長(zhǎng)56.45公里。本段路線所經(jīng)區(qū)域地形地貌復(fù)雜多樣，從起點(diǎn)至田干段，約30公里為山嶺重丘區(qū)，地面高差大；從田干至屯溪為平原微丘區(qū)，地面高差相對(duì)較小。全線有特大橋、大橋及高架橋共60座，橋跨在25米至40米之間居多，最大墩高約30余米；橋址處最大縱坡3.9%，最小平曲線半徑410米。全線大部分橋梁跨越溝谷，并與溝谷交錯(cuò)并行，僅有少數(shù)為跨線橋和跨河橋。

　　由于本項(xiàng)目路線方案受地形和地質(zhì)、環(huán)境保護(hù)以及特殊的旅游需要等因素制約，作為重要組成部分的橋梁其平縱線形受影響較為突出。具有曲線、大縱坡、高墩、長(zhǎng)橋等特征的山區(qū)高速公路橋梁，在橋型方案的比選上有相當(dāng)難度和復(fù)雜性。

　　以下就以往山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，淺析湯口至屯溪高速公路初步設(shè)計(jì)中高架橋橋型方案的設(shè)計(jì)。

　　2 橋型方案的比選

　　一般來(lái)說(shuō)，橋型的選擇應(yīng)根據(jù)適應(yīng)、經(jīng)濟(jì)、美觀、安全以及設(shè)計(jì)施工的難易程度等因素進(jìn)行綜合分析，以便最終確定橋梁實(shí)施方案.對(duì)于山區(qū)高速公路而言，還應(yīng)著重考慮施工難易程度、山區(qū)地質(zhì)病害及環(huán)境保護(hù)等影響因素。

　　2.1 上部構(gòu)造型式

　　上部構(gòu)造型式的選擇，應(yīng)結(jié)合沿線地形、地質(zhì)、水文條件、施工難度和環(huán)保要求，并綜合考慮其受力特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合以往山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在湯屯高速公路初步設(shè)計(jì)中，主要考慮對(duì)簡(jiǎn)支空心板、先簡(jiǎn)支后連續(xù)組合箱梁和現(xiàn)澆連續(xù)箱梁三種結(jié)構(gòu)橋型進(jìn)行比較。

　　2.1.1 簡(jiǎn)支空心板結(jié)構(gòu)：

　　此種結(jié)構(gòu)橋型，施工方便，施工技術(shù)成熟；但跨徑小，梁高大；由于橋梁跨徑受限制，往往造成跨深溝橋梁高跨比不協(xié)調(diào)，美觀性差；上部構(gòu)造難以與路線小半徑、大超高線形符合，且高墩數(shù)量增加；橋面伸縮縫多，行駛條件差。因而，在山區(qū)高速公路中，該類橋型一般用于地形相對(duì)平緩、填土不高的中、小橋上。

　　2.1.1 現(xiàn)澆連續(xù)箱梁：

　　高速公路橋梁基于運(yùn)營(yíng)的整體性、舒適性和耐久性的考慮，往往必須設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力連續(xù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土彎橋，梁在承受豎向彎曲時(shí)，由于曲率的影響，必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而這種扭轉(zhuǎn)作用又將導(dǎo)致?lián)锨冃危@種彎扭互相耦合的作用，使得彎橋變形也為彎曲和扭轉(zhuǎn)兩者的迭加，故變形值要比一般直線橋?yàn)榇?。同時(shí)由于扭矩作用，彎橋的外梁荷載加重，內(nèi)梁減載，內(nèi)外梁應(yīng)力產(chǎn)生差別。因此，抗扭能力強(qiáng)的整體式閉合箱梁成為彎橋設(shè)計(jì)的首選型式；而且，箱梁頂板和底板都具有較大的面積，能有效地抵抗彎矩，抗扭能力強(qiáng)，受力合理。

　　對(duì)于跨越溝谷、河流的高架橋，尤其是與溝谷、河流斜交或交錯(cuò)并行的高架橋，為了減小橋墩對(duì)水流的影響，往往設(shè)置為獨(dú)柱墩的形式。而這種獨(dú)柱墩的形式，對(duì)于跨線高架橋來(lái)說(shuō)，可減少橫向墩的數(shù)量，加強(qiáng)下部空間的透視度，增加墩的纖細(xì)感，加上梁高一致，整個(gè)橋梁外型簡(jiǎn)潔優(yōu)美，線條流暢，這對(duì)整個(gè)跨線高架橋是否美觀起著很重要的作用。而就這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，只有采用整體式連續(xù)箱梁的方案才能做到，因?yàn)橄湫谓孛婵古偠群艽?，?duì)于需要在其梁底下設(shè)置獨(dú)柱單支點(diǎn)的支承形式特別有利。為了提高箱梁的橫向穩(wěn)定性，本項(xiàng)目中，采取將墩頂擴(kuò)大，設(shè)置雙支座方案，這將大大提高箱梁的整體強(qiáng)度和抗扭能力，增強(qiáng)箱梁的橫向穩(wěn)定性。

　　在現(xiàn)今橋梁設(shè)計(jì)中，橋梁美學(xué)已被越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者重視，而人們對(duì)美的要求也越來(lái)越高，而象湯屯高速公路這樣一條旅游高速公路來(lái)說(shuō)，在橋型選擇時(shí)，可較多地考慮橋梁的美觀因素，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要的同時(shí)，盡可能使橋梁具有優(yōu)美的外形，并與周?chē)沫h(huán)境相協(xié)調(diào)。采用現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，布孔方便、合理；對(duì)小半徑、大超高線形平縱橫要求適應(yīng)性強(qiáng)，外觀平順，橋型美觀，行車(chē)平順舒適。

　　但對(duì)于現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁來(lái)說(shuō)，采用滿堂支架施工，對(duì)山體植被破壞嚴(yán)重，支架工程量大，對(duì)于跨河橋影響通航與排洪，支架安全性較難保證。另外，施工周期長(zhǎng)，施工費(fèi)用高，需要有較大的施工場(chǎng)地，施工管理復(fù)雜。因而采用滿堂支架現(xiàn)澆的施工方法，一般用于地形平坦、中等跨徑且墩高不大、橋孔不多的橋梁；或彎曲程度較大的彎橋、變寬橋以及預(yù)制場(chǎng)地選擇困難的橋梁。

　　對(duì)于中等跨徑的多孔長(zhǎng)橋，采用移動(dòng)滑模逐孔澆筑箱梁的施工方法，無(wú)疑是一種優(yōu)選橋型。由于此法是在橋位上現(xiàn)澆施工，可免去大型運(yùn)輸和吊裝設(shè)備，使橋梁整體性好；同時(shí)它又具有在橋梁預(yù)制廠的生產(chǎn)特點(diǎn)，可提高機(jī)械設(shè)備的利用率和生產(chǎn)效率。支架工程量小，施工期與河流的干擾較小。但是，對(duì)于中等跨徑的橋梁，整體式箱梁橋無(wú)論采用何種施工方法，費(fèi)用都較高，與預(yù)制吊裝多梁式組合箱梁相比，處于弱勢(shì)。

　　對(duì)于較大跨徑的預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋，選擇橋型方案時(shí)應(yīng)首選懸臂澆筑的施工方法。它可以不需在河中搭設(shè)支架，施工不影響通航或橋下交通，在跨越深水、山谷、湖泊等處時(shí)更能顯示優(yōu)勢(shì)。湯屯高速公路初步設(shè)計(jì)中，對(duì)于跨越通航河道、主河槽較寬的河流及深水水庫(kù)的大型橋梁，其推薦的橋型方案多采用此類50米以上跨徑的變截面預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋。

　　2.1.3 預(yù)制吊裝組合箱梁：

　　一般來(lái)說(shuō)，預(yù)制吊裝多梁式組合箱梁在中等跨徑的橋梁中具有造價(jià)省，施工方便的特點(diǎn)，其造價(jià)低于整體式箱梁，是中等跨徑橋梁常用的橋型。橋型美觀，結(jié)構(gòu)受力性能好，行車(chē)平順性良好。無(wú)需大量支架，造價(jià)較低，后期養(yǎng)護(hù)工作量較小。若在橋頭路基上預(yù)制組合箱梁、采用架橋機(jī)安裝，將主要施工工作面轉(zhuǎn)移至橋上，可大大減小對(duì)沿線環(huán)境的影響。但對(duì)于小半徑、大超高的曲線梁橋來(lái)說(shuō)，采用此種橋型，抗扭及梁體受力平衡能力均較整體式箱梁差；且梁體預(yù)制較復(fù)雜，施工難度大，施工周期長(zhǎng)，在受力和施工上都不盡人意。但當(dāng)彎橋的彎曲程度較小，單跨橋梁采取彎橋直做、以兩端橋臺(tái)為控制點(diǎn)；多跨橋梁，各墩臺(tái)呈放射狀、向心布置、調(diào)整每片梁長(zhǎng)，或者調(diào)整現(xiàn)澆段長(zhǎng)度，但應(yīng)注意調(diào)整現(xiàn)澆段長(zhǎng)度時(shí)核對(duì)蓋梁的寬度，以保證滿足支座的安放。對(duì)于橋梁橫坡特別是超高緩和段的橫坡，據(jù)以往項(xiàng)目反映經(jīng)常出現(xiàn)支座懸空的情況，嚴(yán)重影響橋梁的營(yíng)運(yùn)壽命，本項(xiàng)目采取調(diào)整每端、每側(cè)箱梁腹板高度的辦法，嚴(yán)格使其滿足橫坡的需求。采用直梁設(shè)計(jì)，以翼緣板寬度調(diào)整平面線形，可減少曲梁的彎扭作用，在一定程度上彌補(bǔ)彎梁橋在受力和施工上的不足，此外可以采取加強(qiáng)橫向聯(lián)系的措施，提高結(jié)構(gòu)的整體性能。鑒于該類橋型造價(jià)低，對(duì)地形的適應(yīng)性較強(qiáng)，施工周期快，在中等跨徑的長(zhǎng)橋及高架橋中較廣泛采用。在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，如預(yù)制場(chǎng)地選擇較方便，彎橋的彎曲程度較小，無(wú)大超高、大縱坡時(shí)或跨越溝谷、河流的中等跨徑的橋梁，可考慮采用預(yù)制拼裝組合箱梁結(jié)構(gòu)。

　　2.2 下部構(gòu)造型式

　　下部構(gòu)造應(yīng)能滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)支承受力的要求，同時(shí)在外形上要做到與上部構(gòu)造相互協(xié)調(diào)、布置勻稱。

　　2.2.1 橋墩形式：

　　由于本項(xiàng)目橋梁跨徑一般在25～40m之間，墩高在30米以內(nèi)，為了盡可能的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，橋墩形式基本以柱式墩為主。柱式墩是目前公路橋梁中廣泛采用的橋墩形式；其自重輕，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，施工方便、快捷，外觀輕穎美觀，橋墩布設(shè)靈活性大，可適應(yīng)不同類型的基礎(chǔ)。對(duì)于山區(qū)高速公路來(lái)說(shuō)，多數(shù)橋梁跨越溝谷、溪流且交錯(cuò)并行，斜交角度較大，采用獨(dú)柱墩可大大減小橋墩對(duì)水流的阻礙，另外，在跨線高架橋中，采用獨(dú)柱墩，可使整個(gè)橋梁外型簡(jiǎn)潔優(yōu)美，線條流暢，促進(jìn)橋梁與周?chē)h(huán)境協(xié)調(diào)。而當(dāng)橋梁跨越深谷不受水流限制時(shí)，或橋梁跨越溝谷溪流交角較小且僅有較小的漂流物或輕微的流冰時(shí)，采用雙柱墩不失為一種較好的選擇，可提高箱梁的橫向穩(wěn)定性和抗扭剛度，尤其對(duì)于曲線半徑較小或大縱坡的橋梁，采用雙柱墩可減小曲率和縱向水平力的影響；另外，采用雙柱墩加蓋梁的形式，廣泛應(yīng)用與預(yù)制拼裝組合箱梁的結(jié)構(gòu)中；而對(duì)于寬度較寬的橋梁，采用三柱式或多柱式墩，可適用不同橋?qū)挼淖兓?。因而，選擇何種柱式墩，可結(jié)合具體的橋型，地形和地質(zhì)狀況，技術(shù)經(jīng)濟(jì)和美觀等因素綜合考慮。

　　2.2.2基礎(chǔ)形式：

　　對(duì)于橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)而言，沿線山嶺區(qū)地質(zhì)條件較好，承載力大，一般可滿足擴(kuò)大基礎(chǔ)的要求。一般對(duì)于地面橫坡小的橋墩基礎(chǔ)，可采用擴(kuò)大基礎(chǔ)形式；但多數(shù)高架橋跨深溝或位于隧道進(jìn)出口等地形復(fù)雜路段，地面縱橫向坡度較陡，如采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，兩側(cè)基礎(chǔ)埋深相差很大，易引起基底受力不均勻；且基礎(chǔ)施工工作面大，基坑開(kāi)挖工程量大，嚴(yán)重破壞山體、植被，造成水土流失和水體污染，對(duì)環(huán)境的破壞相當(dāng)嚴(yán)重；由于山體橫坡較陡，基坑開(kāi)挖后高邊坡也存在著防護(hù)困難、工程量大，邊坡穩(wěn)定性和安全等問(wèn)題。因此，從施工難易程度、結(jié)構(gòu)安全性、工程造價(jià)和環(huán)境保護(hù)等方面綜合考慮，靈活采用人工挖孔短樁基礎(chǔ)與擴(kuò)大基礎(chǔ)相結(jié)合的方式。但水中墩墩位處地面較平坦，基巖埋深較淺，水下不適宜采用挖孔樁，仍采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。對(duì)于左右墩柱高差大的橋墩，應(yīng)保證相同高程處墩柱截面尺寸的一致，其余部分加大截面尺寸，以平衡墩柱剛度差別大給上部構(gòu)造帶來(lái)的變形不協(xié)調(diào)影響。如果一聯(lián)內(nèi)既有擴(kuò)大基礎(chǔ)又有樁基礎(chǔ)，為控制墩臺(tái)的不均勻沉降，要求擴(kuò)大基礎(chǔ)置于強(qiáng)度在弱風(fēng)化以上的巖石上。對(duì)于砂巖基礎(chǔ)遇水后變軟、發(fā)泡、強(qiáng)度降低的情況，墩臺(tái)基礎(chǔ)首選樁基礎(chǔ)，但為了更方便的檢驗(yàn)基底情況，建議施工時(shí)采用挖孔樁。

　　3.橋梁分孔

　　橋梁總跨徑確定后，還需進(jìn)一步進(jìn)行分孔布置。橋梁分孔是橋梁立面布置的重要內(nèi)容，孔徑布置得是否合理，將直接影響橋梁的實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)和美觀。一座復(fù)雜的橋梁，不但要進(jìn)行不同橋型方案的比較，而且往往要將同一橋型的幾個(gè)不同的分跨做為幾個(gè)不同的方案進(jìn)行比較，以求得較優(yōu)的方案。

　　在湯屯高速公路的初步設(shè)計(jì)中：橋梁跨徑的選擇依據(jù)地形和地質(zhì)情況、水文情況、通航要求、墩高、平面線形、施工難度以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)和美觀等因素進(jìn)行綜合考慮。根據(jù)以往山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，擬定橋梁孔徑布置的一般原則如下：

　　準(zhǔn)則[1] 橋梁孔跨的布置，除滿足橋梁功能及其他條件的要求外，應(yīng)使其總造價(jià)較低（當(dāng)然，對(duì)于不同的橋長(zhǎng)，應(yīng)結(jié)合路基一同比較）。一般來(lái)說(shuō)，地質(zhì)越差或下部結(jié)構(gòu)投資越大，就越宜采用較大的跨度，以減少支承結(jié)構(gòu)的工程量，從而節(jié)省投資，反之亦然。因此，橋梁孔跨布置往往表現(xiàn)為：引橋小于主橋，邊跨小于中跨。

　　準(zhǔn)則[2] 梁橋相鄰跨度的比值（小跨比大跨）宜在[0.4，1]內(nèi)，接近0.618時(shí)，橋跨變化會(huì)顯得平順、流暢。懸臂施工的連續(xù)梁橋或連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨度應(yīng)滿足施工時(shí)對(duì)稱T構(gòu)對(duì)稱跨度的要求。

　　準(zhǔn)則[3] 同一區(qū)段內(nèi)，橋梁的孔徑與式樣應(yīng)力求統(tǒng)一；同一座橋梁，除通航或其他要求外，應(yīng)盡量采用相同的結(jié)構(gòu)并且等跨；對(duì)于跨度不超過(guò)30m的簡(jiǎn)支梁橋，其跨度應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)跨度。以達(dá)到方便設(shè)計(jì)與施工，取得經(jīng)濟(jì)效益。

　　準(zhǔn)則[4] 一般情況下，橋孔不宜壓縮。起橋高度一般為6~8m，較小者取至2~3m.有條件設(shè)置挖方內(nèi)橋臺(tái)者，應(yīng)優(yōu)先采用。

　　準(zhǔn)則[5] 橋梁中線宜與天然河道洪水流向正交，避免水流在橋頭形成水袋而產(chǎn)生三角回流，影響線路或橋梁安全；橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)高出設(shè)計(jì)洪水水位至少0.25m，必要時(shí)，尚應(yīng)考慮壅水高、波浪侵襲高、局部股流涌高、斜水流局部沖高、河彎超高、河床淤積或漂流物等的影響。

　　準(zhǔn)則[6] 通航河流上，橋梁中線應(yīng)與航線正交。當(dāng)不能避免斜交時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大通航凈孔。通航孔橋跨結(jié)構(gòu)應(yīng)高出橋下通航凈空建筑限界。當(dāng)然，橋跨結(jié)構(gòu)不能伸進(jìn)橋面行車(chē)/人建筑限界。

　　準(zhǔn)則[7]通過(guò)設(shè)計(jì)洪水流量、橋跨結(jié)構(gòu)高出設(shè)計(jì)洪水水位并有足夠的富裕、其產(chǎn)生的沖刷系數(shù)小于容許值是橋梁孔徑必須滿足的條件之一，這是水文對(duì)橋梁的基本要求。

　　準(zhǔn)則[8] 跨越寬淺河流的橋梁，多采用等跨梁橋跨越主河槽。

　　準(zhǔn)則[9] 跨越V字形或接近V字形峽谷時(shí)，橋梁主跨往往采用一跨跨過(guò)，并且優(yōu)先考慮拱橋或斜腿剛構(gòu)方案。

　　準(zhǔn)則[10] 山區(qū)高架橋采用連續(xù)梁橋方案時(shí)，其跨徑選擇一般遵照以下原則：

　　最大墩高H≤10m時(shí)，選用25m跨徑；

　　最大墩高10＜H≤15m時(shí)，選用25～30m跨徑，雙柱式墩或獨(dú)柱式墩；

　　最大墩高15＜H≤25m時(shí)，選用25～40m跨徑，雙柱式墩或獨(dú)柱實(shí)體墩，墩頂加系梁；

　　最大墩高H＞25m時(shí)，選用40m以上跨徑的連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁等。

　　準(zhǔn)則[11] 支線橋梁上跨主線時(shí)，考慮到本高速公路要建設(shè)成為旅游公路、景觀公路和生態(tài)公路的性質(zhì)，應(yīng)避免在主線道路的中央分隔帶處設(shè)墩，而采用較大的跨度的拱橋、斜拉橋、斜腿剛構(gòu)橋和連續(xù)剛構(gòu)橋等結(jié)構(gòu)形式新穎美觀且經(jīng)濟(jì)效益良好的橋梁，盡量做到一跨跨越主線。

　　準(zhǔn)則[12] 在互通式立體交叉中，橋梁的布設(shè)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)分叉橋或急轉(zhuǎn)彎橋，若無(wú)法避免時(shí)，應(yīng)于分叉處、橋面寬度聚變處或急轉(zhuǎn)彎處設(shè)置橋墩，使橋梁受力狀態(tài)良好。另外，在互通式立體交叉中，橋梁群在水平面上的布置應(yīng)力求作到勻稱，橋下通透性良好。

　　4.結(jié)語(yǔ)

　　橋型方案設(shè)計(jì)本身就是一項(xiàng)復(fù)雜和靈活的工作，對(duì)于山區(qū)高速公路而言，因發(fā)展時(shí)期較短，具有曲線、大超高、大縱坡、高墩和長(zhǎng)橋等特征的橋型方案設(shè)計(jì)，還處于摸索階段，有很多新的問(wèn)題需要進(jìn)一步的探討和研究。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和公路事業(yè)的日益發(fā)展，大力發(fā)展山區(qū)高速公路將成為必然，因而山區(qū)高速公路橋型方案設(shè)計(jì)必將日趨成熟。筆者結(jié)合以往山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就湯屯高速公路初步設(shè)計(jì)中橋型方案的選擇，提出一些粗淺的認(rèn)識(shí)，文中不當(dāng)之處敬請(qǐng)同行和有關(guān)專家指正。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　?。?］祝敏方，山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)探討  公路  2003（5）.

　?。?］范立礎(chǔ). 橋梁工程  北京，人民交通出版社，1993.

　?。?］公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 （JTJ 024—85）.北京，人民交通出版社，1985.

　?。?］張師定  橋梁孔跨布置定性研究