萬麗紅

（中鐵六局集團有限公司工程設(shè)計院，北京 100036）

1 工程概況

靜樂豐潤至興縣黑峪口高速公路是晉陜煤運一條主干道，里程長93.691 km，設(shè)計速度采用80 km/h，雙向四車道高速公路，路基寬度25.5 m，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。全線共設(shè)置橋梁：24 590.5/60座，其中特大橋2 335 m/2座、大中橋22 255.5 m/58座；隧道：10 863 m/2座，其中特長隧道10 435 m/1座、短隧道428 m/1座；橋隧比例為37.84%。整個項目地形、地質(zhì)復(fù)雜，橋梁數(shù)量多、里程長，除需對橋梁方案設(shè)計進行技術(shù)經(jīng)濟比選外，還要更深入研究橋梁抗震與耐久性，研究內(nèi)容可為今后項目提供指導(dǎo)和借鑒。

全線地貌景觀主要為中山侵蝕黃土地貌、寬谷堆積地貌、中山侵蝕基巖地貌，微地貌主要表現(xiàn)為黃土沖溝、黃土陡崖、基巖中緩坡、河床、漫灘、階地等。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，歷經(jīng)了多次地質(zhì)運動和構(gòu)造變動，進而形成極為復(fù)雜的褶皺和斷裂構(gòu)造。區(qū)域內(nèi)水系屬黃河水系，與路線有關(guān)的河流為汾河、嵐城河、交樓申河、蔚汾河、嵐河。本項目結(jié)構(gòu)所處環(huán)境類別按Ⅱ類考慮。地震動峰值加速度系數(shù)：0.05g（嵐縣、興縣）、0.1g（靜樂）。

2 橋梁總體方案設(shè)計

2.1 總體布設(shè)原則

遵循“安全、耐久、適用、環(huán)保、經(jīng)濟和美觀”的原則進行公路橋涵設(shè)計。綜合考慮項目區(qū)的自然環(huán)境、使用要求、材料來源、便于施工和養(yǎng)護等因素。更加重視抗震和耐久性設(shè)計，注重細節(jié)，始終貫徹品質(zhì)工程理念；重視與周圍環(huán)境、人文景觀相協(xié)調(diào)[1]。

對溶洞路段的橋梁，應(yīng)充分結(jié)合地質(zhì)條件，可適當增大橋梁跨徑，盡量減少樁基礎(chǔ)數(shù)量；對采空區(qū)路段的橋梁，應(yīng)查明采空區(qū)的類型、范圍、大小、形態(tài)等，同時對場地適宜性、穩(wěn)定性做出評價，并提出工程處理建議措施。

2.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目橋梁規(guī)模較大，主要是跨越山谷、農(nóng)田、河溝和道路，跨徑以中小跨徑為主，全線橋梁最大橋高普遍在55 m以下，為節(jié)約工程造價、節(jié)省工期，上部結(jié)構(gòu)主要采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)小箱梁或T梁；對于橋高大于80 m以及跨越汾河、黃河等個別有特殊跨越要求，需采用較大跨徑滿足跨越需求的，采用現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)；對于互通區(qū)橋梁，優(yōu)先采用裝配式小箱梁、T梁，分流鼻處橋梁、小半徑匝道橋、以及墩高較高的橋梁，裝配式箱梁、T梁結(jié)構(gòu)無法滿足設(shè)計要求時，分別采用普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁、現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁、鋼箱梁等結(jié)構(gòu)型式。表1為裝配式上部結(jié)構(gòu)方案綜合比較表。

綜合以上比較表，可以看出20 m以下跨徑適合采用空心板；20～30 m中小跨徑箱梁與T梁相比雖然吊裝重量相對較大，但是對吊裝設(shè)備來說要求并不高，結(jié)構(gòu)具有施工預(yù)制安裝方便，橫向穩(wěn)定性好，經(jīng)濟性好的特點；40 m跨徑中T梁與小箱梁經(jīng)濟性相差不大，但吊裝重量相對較小，明顯降低了對吊裝設(shè)備的要求，適于在山區(qū)中應(yīng)用。所以結(jié)合本項目特點，全線20～30 m跨徑的橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土組合小箱梁，40～50 m跨徑的橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。

表1 裝配式上部結(jié)構(gòu)方案綜合比較表

2.3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

下部結(jié)構(gòu)視具體情況及是否有景觀要求而定，總體上應(yīng)盡可能減少結(jié)構(gòu)類型，盡量統(tǒng)一，減少環(huán)境破壞，方便快速、標準化施工。下部結(jié)構(gòu)類型一般應(yīng)綜合結(jié)合地形地質(zhì)情況、跨徑、上部結(jié)構(gòu)型式、墩臺高度等情況選定，與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。

橋墩采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)墩高情況截面形式主要為柱式墩、矩形墩或空心墩，連續(xù)剛構(gòu)采用空心雙薄壁墩，樁基礎(chǔ)，根據(jù)基巖埋深分為用摩擦樁、端承樁等；橋臺根據(jù)地質(zhì)狀況及填土高度采用肋板式臺、柱式臺、扶壁臺。特殊橋位（如立交區(qū)內(nèi)橋梁、跨線橋梁、跨越航道橋梁）的橋墩形式選擇時，除滿足基本橋墩的使用功能外，應(yīng)注意橋梁設(shè)計的景觀性?？刹捎眯≈啻筇舯垭p柱橋墩，預(yù)應(yīng)力混凝土隱式蓋梁，或采用其他形式美觀的橋墩。

2.4 墩臺基礎(chǔ)設(shè)計

在保證安全，注重環(huán)保要求前提下，墩臺基礎(chǔ)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、地形條件，合理選擇基礎(chǔ)形式，一般選用樁基礎(chǔ)，地質(zhì)條件很好時可適當選用擴大基礎(chǔ)。為減少對自然地貌的破壞，需避免大面積基坑開挖，造成邊坡失穩(wěn)，較陡邊坡上不適宜采用擴大基礎(chǔ)和承臺群樁基礎(chǔ)。當為水下基礎(chǔ)時，應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)狀況，結(jié)合施工工藝、技術(shù)設(shè)備等因素，綜合考慮選取經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)形式。當橋址處地質(zhì)條件復(fù)雜時，樁基的承載力宜通過試樁確定。

3 橋梁專項研究

3.1 抗震與穩(wěn)定性研究

抗震設(shè)計依照《公路橋梁抗震設(shè)計細則》（JTG/TB02-01—2008）的具體要求進行。橋梁選址時盡量避開可能發(fā)生大規(guī)?；?、崩塌等不良地質(zhì)段以及地層嚴重不均一地段、可液化土層、軟弱土層等，同時也要盡可能避開巖石松散、地形陡峭、孤突、破碎的地段。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式盡量采用整體性好、結(jié)構(gòu)形式簡單、抗扭剛度大的結(jié)構(gòu)形式。為防止落梁，對抗震等級要求高的地區(qū)，盡可能加強上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的連接，做好防擋措施。根據(jù)抗震數(shù)據(jù)統(tǒng)計，長大橋梁損壞率明顯較中、小橋要高，嚴重損害率和全橋失效率統(tǒng)計結(jié)果表現(xiàn)出“大橋＞中橋＞小橋”的規(guī)律。圖1為不同規(guī)模橋梁抗震損壞率統(tǒng)計。

圖1 不同規(guī)模橋梁抗震損壞率統(tǒng)計

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是橋梁設(shè)計很重要的方面，在某種程度上與強度有著同等一個重要的作用。結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是指受一定荷載作用下結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，當荷載達到某一個值時，若增加一個微小增量，結(jié)構(gòu)的平衡位移將發(fā)生很大變化，達到不平衡狀態(tài)，最后遭到破壞。失穩(wěn)可以分為兩大類：第一類失穩(wěn)是分支點失穩(wěn)，理論上存在兩種平衡狀態(tài)；第二類失穩(wěn)是極值點失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)只存在一個平衡狀態(tài)，在此平衡狀態(tài)下，外力增大會使應(yīng)力集中部位出現(xiàn)塑性破壞。這與結(jié)構(gòu)自身特性、約束形式，以至于受力方式有關(guān)。當荷載達到一定的數(shù)值時（臨界荷載），結(jié)構(gòu)變形會迅速增大，超過限值，引起結(jié)構(gòu)破壞。

實際結(jié)構(gòu)都不是理想的完善結(jié)構(gòu)，失穩(wěn)大多數(shù)屬第二類失穩(wěn)。分析第二類穩(wěn)定性，就是考慮材料和幾何非線性，求解平衡方程?；炷翍?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性關(guān)系，截面剛度為非定值，其穩(wěn)定分析基本方程為：

式中：[k0]為小位移彈塑性剛度矩陣；[δ]為位移列陣；｛P｝為節(jié)點荷載列陣。

3.1.1 結(jié)合抗震設(shè)計，采用的具體措施

結(jié)合本項目特點，重點針對橋梁高墩柱穩(wěn)定性分析研究，保證有足夠的安全系數(shù)，并結(jié)合抗震設(shè)計，采用的具體措施如下：

a）對全線所有橋梁均進行E1和E2地震作用下的抗震設(shè)計。

b）橋梁分聯(lián)時盡量使一聯(lián)內(nèi)的橋墩高度比較接近，使地震水平力由各墩共同承擔，避免地震力分配不均。

c）充分考慮橋墩的延性設(shè)計，應(yīng)對抗震的薄弱、能力不足的部位，在構(gòu)造上予以加強，提高抗剪能力。在墩柱范圍內(nèi)使用螺旋形箍筋，以加強約束。

d）增加主梁的支承長度和墩臺帽梁寬度，為提高上部結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，加強主梁之間的橫向連接。在墩臺上設(shè)置橫向擋塊，擋塊外側(cè)與蓋梁端部錯開15 cm距離，盡量避免上部結(jié)構(gòu)在地震中落梁[2]。

e）在梁與橋臺背墻之間和梁與擋塊之間設(shè)置防震橡膠墊塊，起到緩沖和限制主梁位移的作用。

f）加強黃土沖溝陡坡地區(qū)橋梁的墩柱設(shè)計，合理布置孔徑，盡量避開陡坡陡坎及沖溝地區(qū)。墩臺基礎(chǔ)盡可能減少開挖范圍和高度，同時適當延長樁基長度。

3.1.2 地震烈度區(qū)較高的路段需加強的抗震措施

a）適當加強墩臺身與蓋梁、承臺、樁基礎(chǔ)的連接，加大墩身頂、底截面的配筋率，加強塑性鉸區(qū)域的抗剪能力。

b）對較高的柱式墩適當加大截面尺寸，設(shè)置不大于7 m間距的墩身橫系梁。

c）對臺高較大的肋式橋臺加強橫向剛度，適當加大肋寬和肋身側(cè)面鋼筋配筋率。

3.2 耐久性研究

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性取決于組成材料的自身特性、配合比以及結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境，且與設(shè)計、施工及養(yǎng)護管理緊密相關(guān)[3]。本項目橋梁基本上采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，耐久性問題還與預(yù)應(yīng)力保護效率有關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)的耐久性問題主要有管道泌水、灌漿不飽滿，錨頭附近沒有水泥漿,或者孔道內(nèi)有殘留水,鋼鉸線被孔道內(nèi)的空氣和水分包裹。

圖2 錨具腐蝕

結(jié)構(gòu)的防腐蝕耐久性設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，它涉及到設(shè)計方案、施工質(zhì)量、監(jiān)理監(jiān)控及養(yǎng)護部門后期維修養(yǎng)護等全過程。通過調(diào)查研究，耐久性問題很大程度上取決于施工質(zhì)量、措施以及養(yǎng)護維修，因此，需要項目參與方和建設(shè)、設(shè)計、施工及監(jiān)理單位密切協(xié)作，相互配合，共同解決結(jié)構(gòu)耐久性存在的問題。

綜合類似工程經(jīng)驗和國內(nèi)外研究成果，本項目主要從以下幾個方面應(yīng)對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性問題：

a）完善橋梁構(gòu)造設(shè)計，混凝土保護層厚度適當加大，配置構(gòu)造鋼筋，防止控制裂縫發(fā)展。

混凝土結(jié)構(gòu)保護層厚度適當加大，配置構(gòu)造鋼筋，減少混凝土保護層碳化的幾率，從而防止鋼筋鈍化膜破壞?；炷两Y(jié)構(gòu)的損傷與破壞，通常都是從混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)裂縫開始，而后病害逐步發(fā)展、惡化[4]。同時，裂縫又會引起、加劇混凝土結(jié)構(gòu)的其他病害，比如裂縫會加大混凝土結(jié)構(gòu)的滲透性，雨水或腐蝕水流入會使侵蝕破壞升級，耐久性不斷下降。裂縫的出現(xiàn)，會加大、加快侵蝕速度，形成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性一步一步退化的惡性循環(huán)。要提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，保證正常使用性能，延長使用壽命，重中之重是控制混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，除按相關(guān)設(shè)計規(guī)范控制裂縫外，主要還是采取構(gòu)造措施，消除可能出現(xiàn)的隱患，嚴格控制非工作裂縫的出現(xiàn)。

b）預(yù)應(yīng)力混凝土應(yīng)加強對鋼絞線和錨頭的保護，預(yù)應(yīng)力管道應(yīng)充填密實，分散預(yù)應(yīng)力體系，提高結(jié)構(gòu)的防水性能，進而強化結(jié)構(gòu)的延性。

c）橋面排水和防水層進一步加強，防止橋面積水。

為做好橋梁自身的防排水設(shè)計，應(yīng)重視防水層作用，在橋面鋪裝層頂面設(shè)置防水層，減少主梁與水的接觸。鋪裝層應(yīng)采用抗?jié)B性能好的混凝土，鋪裝層內(nèi)設(shè)置抗裂鋼筋網(wǎng)，以防止混凝土開裂，影響耐久性能。此外，優(yōu)化橋梁泄水管及伸縮縫處的排水設(shè)計，使橋面積水能快速排出，不至于滲入主梁內(nèi)[5]。

d）控制混凝土的材料組成，提高混凝土的耐久性以及自身抗破損能力。

混凝土的耐久性主要取決于混凝土的材料組成及配合比例，為保證混凝土強度和密實度，最小水泥用量、最大水灰比、最低強度等級、最大堿含量和氯離子含量要嚴格控制，從本質(zhì)上提高耐久性。

e）橋梁運營過程中，支座的耐久性也相當重要，滿足結(jié)構(gòu)的使用要求時可延長結(jié)構(gòu)使用壽命。墩梁之間要留有足夠的距離，定時檢查，在維修養(yǎng)護過程中，必要時更換支座，保證結(jié)構(gòu)安全。

f）在管理運營階段，養(yǎng)護部門要定期進行養(yǎng)護、維修、檢測以及相應(yīng)的監(jiān)控，并做好詳細的記錄，確保結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.3 環(huán)保景觀設(shè)計

在橋位橋址選擇和橋孔布置時，要與周圍環(huán)境景觀相協(xié)調(diào)，跨越河流時，盡量不壓縮河道，以保證洪水及地面水的排出。同時還應(yīng)特別重視路基縱橫向排水設(shè)計。橋面或路面匯水設(shè)置獨立的排水系統(tǒng)將污水排出水庫或水塘范圍以外。對于環(huán)境敏感區(qū)，比如距離村鎮(zhèn)較近的橋梁，噪聲將會較大影響沿線居民的生活，出于環(huán)保要求，在噪聲影響較大的路段設(shè)置聲屏障。

本項目起點部分段落位于汾河國家濕地公園邊緣，路線跨越汾河、蔚汾河、嵐尾河、嵐城河、黃河等主要河流，設(shè)計中不在跨越河流的橋面設(shè)置垂直泄水孔，橋面徑流初期污水統(tǒng)一收集后排入公路橋頭的污水處理池，不直接進入河流，同時在橋面兩側(cè)設(shè)置防拋網(wǎng)；在汾河國家濕地公園范圍內(nèi)不設(shè)置施工營地、施工場地、取棄土場和建筑材料堆放場地；在施工過程中產(chǎn)生的生活及施工污水不得直接向河流排放；路基的零星棄土不侵占河道，以保護水環(huán)境。為防止萬一發(fā)生危險品運輸事故的污染風(fēng)險，設(shè)計中加強風(fēng)景區(qū)范圍內(nèi)的安全設(shè)施。

4 總結(jié)

由于本項目以山嶺、微丘地形為主，沿線地質(zhì)比較復(fù)雜、運輸條件較差，上部梁板綜合考慮采用分段預(yù)制。全線跨徑在20～30 m的橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土組合小箱梁；跨徑40～50 m的橋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T梁。同時還應(yīng)該加強地質(zhì)勘察工作，施工中動態(tài)設(shè)計，加密鉆孔布置并輔以物探，查明橋址處地質(zhì)情況，并結(jié)合試樁成果，為橋梁基礎(chǔ)設(shè)計提供可靠依據(jù)。

山區(qū)高速公路橋梁方案除滿足基本的技術(shù)、經(jīng)濟條件外，更應(yīng)該針對具體項目的水文地質(zhì)、氣候等條件，加強抗震設(shè)計、穩(wěn)定性及耐久性研究，綜合工程經(jīng)驗及研究成果，踐行品質(zhì)工程理念，充分提高橋梁的使用性能。