何志偉

（中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，武漢 430056）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，也帶動了公路的建設(shè)規(guī)模。我國東部地區(qū)地處平原地帶，相應(yīng)的公路及路網(wǎng)建設(shè)已基本完成，然而我國西部地區(qū)山脈眾多，地形地貌復(fù)雜，導(dǎo)致路網(wǎng)建設(shè)較為困難。當(dāng)前，為保障公路的貫通，西部地區(qū)的路網(wǎng)建設(shè)常采用中小跨、零散不均等特點的橋梁作為連接山區(qū)公路的樞紐。為保證西部山區(qū)路網(wǎng)建設(shè)的順利開展，有必要對山區(qū)公路中小跨橋梁設(shè)計進行深入分析，從而更好地服務(wù)于工程建設(shè)。鑒于此，本文針對當(dāng)前常規(guī)中小跨橋梁設(shè)計中存在的問題提出相應(yīng)的優(yōu)化改進措施，以期為設(shè)計提供參考。

2 中小跨橋梁設(shè)計的特點及存在問題

受地形地貌影響，西部山區(qū)公路橋梁建設(shè)與東部平原地區(qū)橋梁建設(shè)存在顯著差異。其具體體現(xiàn)在以下4個方面[1-4]：

1）地質(zhì)勘探具有一定的難度。山區(qū)公路橋梁建設(shè)地形起伏大，地質(zhì)以硬巖居多，在地勘過程中，測量山體、路線、周邊地形等均存在極大的困難。此外，由于山區(qū)水系復(fù)雜，在外部因素作用下山體常發(fā)生泥石流、滑坡等一系列工程災(zāi)害，這也進一步加大了地勘難度。

2）橋墩高墩多。受山區(qū)地形起伏、高差大的影響，橋梁結(jié)構(gòu)多采用高墩結(jié)構(gòu)，高墩屬于柔性結(jié)構(gòu)，地震作用對其安全性能有一定的不利影響。

3）橋隧比高。受山區(qū)高低起伏構(gòu)造的影響，公路建設(shè)常常以橋梁和隧道居多，同時，頻繁交替的路橋隧工程在交替位置處的安全性存在一定的隱患。

4）施工難度極大。由于地理位置、周邊環(huán)境以及地形條件的限制，施工中的原材料運輸、加工、混凝土澆筑以及相應(yīng)的施工所需輔助作業(yè)均存在極大的困難。

針對上述提及的中小跨橋梁設(shè)計的特點，對橋梁設(shè)計方面所存在問題進行綜合論述，其主要體現(xiàn)在承載力、耐久性以及設(shè)計方面3個方面，具體如下：

1）橋梁規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)指出，混凝土結(jié)構(gòu)的承載力取決于其所處狀態(tài)。當(dāng)橋梁承載力不足時，會使構(gòu)件逐漸產(chǎn)生變形，進而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)變形乃至破壞。也就是說，橋梁結(jié)構(gòu)仍具備一定的承載力，但其所能承載的極限承載力已無法達(dá)到正常標(biāo)準(zhǔn)，從而嚴(yán)重制約了橋梁的安全和壽命。目前的橋梁設(shè)計中以考慮橋梁的極限承載力為主，而對于制約橋梁正常使用的極限程度影響因素以及承載力下降機理缺乏分析和研究。

2）耐久性是制約橋梁使用壽命的決定性因素，橋梁的施工、運行以及維護階段均對其有顯著影響。隨著近年來橋梁事故頻發(fā)，橋梁耐久性問題逐漸被業(yè)內(nèi)所重視。先前的研究多不考慮橋梁的耐久性問題，或僅停留在理論層面，并未應(yīng)用于施工中。隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的日益成熟，橋梁耐久性設(shè)計是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

3）設(shè)計中過分重視某一構(gòu)件或主體的受力和變形特征，而忽略了其他部位或其他結(jié)構(gòu)對此構(gòu)件受力及變形的影響，導(dǎo)致計算內(nèi)力與實際存在較大偏差。因此，不僅要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的局部受力，還要以整體作為研究對象，才能更為合理地保障橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

3 中小跨橋梁設(shè)計原則及優(yōu)化措施

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)形式選擇

山區(qū)多為河谷、山嶺等地貌，橋梁一般具有大橋數(shù)量大、分布廣、中小橋數(shù)量少的特點，橋梁除跨越沿線分布較廣的V形沖溝谷外，受地形限制，陡坡段亦需設(shè)置一定數(shù)量的縱向高架橋，橋梁平均墩高較大，橋址處基巖埋深較淺，墩、臺樁長一般不超過40 m，大部分介于15～30 m，且嵌巖樁居多，墩臺樁基長度受跨徑影響不大。

上部構(gòu)造盡可能做到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、施工機械化，便于分段統(tǒng)一集中預(yù)制安裝，便于運輸方便、縮短工期、節(jié)省造價?？鐝綖?0～40 m的裝配式梁（板）是最經(jīng)濟、最合理的橋跨，上部結(jié)構(gòu)主梁主要有預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、小箱梁、T梁。

3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)選型

預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁高最小，上部構(gòu)造輕盈美觀，吊裝重量最輕，在一定高度的中小跨橋梁中，空心板結(jié)構(gòu)具有較廣的適用范圍。當(dāng)前橋梁設(shè)計中，空心板結(jié)構(gòu)是設(shè)計者較為常用的橋梁結(jié)構(gòu)，然而從使用上看，空心板結(jié)構(gòu)橫向整體性較差，易出現(xiàn)鉸縫不密實而引起縱向裂縫等病害，施工運營階段容易出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，不利于結(jié)構(gòu)及行車安全。

預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁以造價低、抗扭性能好、梁高適中等特點被廣泛用于工程中，但小箱梁為斜腹板，預(yù)制工藝稍復(fù)雜，吊裝重量大，并且預(yù)制小箱梁先簡支后墩梁固結(jié)的設(shè)置及施工較T梁困難。

預(yù)應(yīng)力混凝土T梁跨越能力較強，最大跨徑一般可達(dá)50 m，具有施工方便、吊重適中等優(yōu)點，其缺點是梁高尺寸較大，經(jīng)濟性相對一般。山區(qū)一般為河谷、丘陵等地貌，橋梁平均墩高較高，T梁的建筑高度較高，其與高墩橋梁的視覺感觀較預(yù)制小箱梁協(xié)調(diào)，且隨著墩高的增加，橋梁剛構(gòu)情況的越來越多，T梁設(shè)置墩梁固結(jié)的構(gòu)造處理難度較組合小箱梁簡單。

橋梁上部結(jié)構(gòu)比較見表1。

3.3 橋梁下部結(jié)構(gòu)選型

橋梁結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)除應(yīng)重視上部跨徑和下部墩高的高跨比的協(xié)調(diào)，最經(jīng)濟的跨徑是橋梁上、下結(jié)構(gòu)總造價最低。

山區(qū)公路一般橋址處地形起伏較大，以殘坡積和基巖全風(fēng)化為主的覆蓋表層厚度較薄，其下的基巖埋深較淺，主要為花崗巖、砂巖、灰?guī)r等。橋臺的填土高度一般控制在8 m以內(nèi)，橋臺選型要根據(jù)地基承載力情況，并結(jié)合橋臺處具體地形情況，常規(guī)考慮分別選用重力式U臺（配擴大基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)）、柱式橋臺（配樁基礎(chǔ)）、肋板式橋臺或承臺分離式橋臺（配樁基礎(chǔ)）3種結(jié)構(gòu)形式。

在橋墩的類型選擇上，根據(jù)山區(qū)橋梁設(shè)計的經(jīng)驗和要求，結(jié)合橋墩墩高（H）確定采用原則一般如下：

H＜40 m時，下部選用雙圓柱式橋墩，配樁基礎(chǔ)；

40 m≤H＜50 m時，下部選用等截面矩形實心薄壁墩，配樁基礎(chǔ)；

H≥50 m時，下部選用等截面空心薄壁墩，配樁基礎(chǔ)。

柱式橋墩是墩高在40 m內(nèi)最經(jīng)濟最實用的橋墩形式，它具有外形整潔美觀、與地形適應(yīng)性強、施工工藝簡單、與樁基礎(chǔ)銜接好的優(yōu)點。由于薄壁空心墩施工復(fù)雜，施工模板較多，施工工期長，為了施工方便、加快工期，一般墩高超過40 m但小于50 m時，可采用等截面的矩形實心薄壁墩。

3.4 抗震設(shè)計

山區(qū)往往是地震多發(fā)地帶，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須進行一定的抗震設(shè)計[5]。對于山區(qū)公路中小跨度橋梁，其抗震性能的提升主要體現(xiàn)在細(xì)部構(gòu)造設(shè)計方案。首先，支座必須選擇具有良好抗隔震性能的材料；其次，橋墩設(shè)計應(yīng)選擇延性較好的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化配筋設(shè)計并調(diào)整結(jié)構(gòu)厚度，最后通過在梁和橋臺（梁）之間加設(shè)緩沖材料，進而減小結(jié)構(gòu)的橫向位移。上述抗震措施的使用能有效提升結(jié)構(gòu)的抗震性能，為公路橋梁的安全運營提供一定保障。

3.5 中小跨橋梁設(shè)計優(yōu)化措施

上述提及的橋梁設(shè)計原則是指導(dǎo)山區(qū)橋梁設(shè)計的基本準(zhǔn)則，然而不同地區(qū)的橋梁建設(shè)具有顯著的獨特性，設(shè)計中必須充分考慮當(dāng)前的工程背景、施工條件等一系列問題，在滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，確保方案最優(yōu)。由于國家或行業(yè)頒布的設(shè)計規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)具有普適性，無法真正與實際工程緊密結(jié)合，因此，在具體的橋梁設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合自身的專業(yè)能力以及工程背景對橋梁設(shè)計方案進行相應(yīng)的調(diào)整改進。同時，應(yīng)根據(jù)實際工程進行相應(yīng)的改進或優(yōu)化山區(qū)橋梁荷載標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮公路用途、行車荷載以及未來載重趨勢等一系列因素，進而使設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)更為合理、準(zhǔn)確。此外，設(shè)計過程中必須考慮后續(xù)施工條件、措施、工期等一系列后續(xù)工作，僅從設(shè)計角度出發(fā)，未充分結(jié)合施工因素提出的橋梁設(shè)計方案無法真正落實到工程實踐中。因此，以設(shè)計和施工作為整體考慮，立足于中小跨橋梁工程建設(shè)、運營以及維護的全壽命周期，加強對施工過程的管理和監(jiān)督，針對施工人員開展技術(shù)指導(dǎo)，進而真正使橋梁設(shè)計貫徹于工程實踐。

4 工程實例

4.1 工程概況

某山區(qū)高速公路穿越深溝谷地段，為保證道路貫通，在此處采用架設(shè)橋梁的設(shè)計方案，該區(qū)域交通較為便利，地質(zhì)條件良好，但地面高差大，最大可達(dá)40 m，且該地區(qū)偶有地震作用，因此，橋梁設(shè)計中必須綜合考慮上述工程及環(huán)境因素。

4.2 橋梁選型

考慮到該區(qū)域跨越溝谷的特點，結(jié)合路線設(shè)計縱斷面，橋梁長度約300 m，因此，橋梁上部結(jié)構(gòu)可采用小箱梁或T梁結(jié)構(gòu)。基于二者的優(yōu)缺點，綜合考慮各種因素的影響，最終確定T梁結(jié)構(gòu)作為橋梁的上部結(jié)構(gòu)，跨徑設(shè)計為8 m×40 m，高墩連續(xù)梁采用墩梁固結(jié)，橫橋向左、右幅分幅設(shè)置。根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示，持力層為中風(fēng)化花崗巖，覆蓋層較薄，地質(zhì)條件好，樁基均按嵌巖樁設(shè)置，且樁長基本在20 m以內(nèi)，綜合分析后確定橋墩采用圓柱墩接樁基礎(chǔ)，橋臺采用U形橋臺加擴大基礎(chǔ)。

4.3 橋梁抗震設(shè)計

在抗震措施方面，主要采用減隔振效果好的支座，同時，在梁與橋臺間添加緩沖材料減少橋臺結(jié)構(gòu)位移對主梁結(jié)構(gòu)的影響，此外，塑性交接部位對箍筋及鋼筋進行加密布設(shè)，從而盡可能地提高中小跨橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

5 結(jié)語

在山區(qū)公路中小跨度橋梁設(shè)計方面，最需要的是因地制宜，結(jié)合設(shè)計者多年的工程經(jīng)驗，并充分考慮各種制約因素進而綜合分析后，得出最佳的橋梁設(shè)計方案。本文通過分析中小跨橋梁的設(shè)計特點及存在問題，提出了相應(yīng)的設(shè)計原則和改進措施。為最大限度地滿足施工要求，橋梁設(shè)計人員必須轉(zhuǎn)變理念，深入理解橋梁設(shè)計的核心問題，進而通過計算乃至多方位比選確定最合理方案，最終實現(xiàn)延長山區(qū)公路橋梁使用壽命，為公路橋梁建設(shè)貢獻(xiàn)自己的一份綿薄之力！