浅析桥梁设计
2015-06-05
一、山区高速公路的桥梁设计
1.山区高速公路大跨度桥梁的桥型选择
桥梁上部结构应优先采用预应力混凝土结构，适当发展钢结构。互通式立交范围内和风景区范围内的桥梁宜采用连续梁、连续刚构、拱桥、斜拉桥等较为美观的桥型。城镇附近的桥梁宜结合地形、环境选择美观、多样化的桥型。
桥梁设计应分析论证有关水文资料，精确计算设计流量和预留净空高度；桥梁上部宜采用建筑高度低、轻巧的结构。
桥梁设计要体现安全、实用、美观兼顾经济的要求。靠近重要城市的大桥全桥和特大桥的主孔，要选择安全、实用、美观、结构新颖的桥型方案，还应考虑施工便捷、体现先进施工工艺的要求。要根据城市的政治、历史、文化特征及发展要求进行景观设计。
主要结构型式和适用条件如下：
1、简支板桥
适用于宽浅河流及中小跨径桥梁，桥梁单跨跨径不得大于20m；
2、简支梁桥
适用于宽浅河流及中等跨径桥梁，桥梁单跨跨径不宜大于50m；
3、连续梁桥
适用于宽浅河流或分离式交叉，主跨跨径宜在40m以上。
4、拱桥
山岭重丘区V形深沟且地质条件较好时，可以优先考虑采用钢管混凝土拱桥、刚架拱桥、箱型拱桥或桁架拱桥等；
5、连续刚构
适用于有通航要求的河流或深水河流，主跨跨径宜控制在80m以上；
6、靠近大城市的桥梁宜设计成一桥一结构形式，一桥一景，重要位置的桥梁设计标准要高，可以设计成标志性建筑。如多塔斜拉、矮塔斜拉、高塔悬索桥等。
大桥与环境的亲和关系体现为以桥梁为主体，同步进行桥区环境保护、建设、开发利用。归根结底，因地制宜是传统的、普遍适用的准则，设计原则应是在满足桥梁使用功能要求，遵循“安全、经济、适用、美观”原则的前提下，力求桥梁布局合理、经久耐用，并与周围景观协调，来反映现代建桥的新水平。
2.常规桥梁设计中桥梁上部结构型式选择
山区高速公路中桥梁所占比重大，但一般来讲，大跨径桥梁方案毕竟是少数，绝大部分还是采用施工方便、造价经济的标准化、预制装配化结构。大跨径桥梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有较强的个性特征，而标准跨径桥则更多的是具有共性特征，所以本文重点探讨标准化、装配化桥梁的设计。
山区高速公路桥梁常用的标准化、装配化跨径有16m、20m、25m、30m、40m、50m，横断面型式有空心板、T梁、小箱梁等。对于跨径小于30m的，有空心板、小箱梁、T梁等三种结构可以选择。对于40m、50m跨径的，根据梁的受力特点，宜采用T梁。30m以下同一种跨径的桥梁，究竟应当采用哪一种横断面型式，可通过表1作出选择。
从表1可以看出，小箱梁是介于空心板和T梁之间的一种横断面型式。20m跨径时，T梁较为经济。30m跨径以下，三种横断面相比较，基本也是上述规律。这是山区的情况，平原地区则另当别论。山区高速公路桥梁标准横断面宜优先采用T梁。对于50m跨径T梁，在小半径平曲线上，由于内外梁梁长差较大，跨中矢高较大，对路线的适应性要差一些。另外，山区高速公路的交通运输、场地预制条件均较差，大型机具进入困难，50mT梁单片重150多吨，架设设备要求较高，运输及安装过程中变形不易控制，因此一般情况下不选用50m跨径T梁，所以山区高速公路桥梁宜采用的常用标准跨径为20m、25m、30m、40m。山区地形、地物具有较大的建筑体量，人的视觉感受以大景观、大场景为主，预制梁（板）式桥梁上部建筑高度对景观的影响很小；同时，路线与沟谷高差大，通常无净空要求。
山区桥梁在采用装配式预制构件时，一定要先考虑的因素是桥位所处的地形环境是否有利于预制场地的布设，其次要考虑运输条件是否能满足特种运输车辆的通行，运距是否是最短距离，另外还要考虑工程结束后，其预制场地能否很快恢复植被。
表1、 一孔上部构造主要材料指标表
3.常规桥梁设计中桥梁下部结构型式的选择
山区高架桥通常沿山腰展布，横向地形变化大，墩、台、基础的设计对边坡开挖、山体稳定等环境的影响非常大，同时也会对工程的景观效果产生重大影响，一般采用双（多）柱式桥墩，墩高较大时，可采用Y型墩、薄壁空心墩等，双（多）柱式桥墩结合桩基浅表层地质情况、桥区抗震等级，尽量不设桩顶横系梁以减少对山体边坡的开挖。沿山坡布设的中小跨径的桥梁也可采用独柱独桩或十字型墩身，以减少基础的开挖。
3.1桥墩
在同一座桥里，桥墩的型式应尽量统一。对于跨河桥与墩高＜40m的桥墩，应采用受力明确的双柱式墩。
柱式墩和方墩在景观方面的效果差不多，在截面积相等时，方墩的截面刚度大于圆墩，方柱可以方便地通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。圆柱为各向同性，调整起来效果差一些。方柱的缺点是墩柱与桩基之间需通过桩帽连接，增加了工程数量，并且山区桥梁地面横坡都较陡，增加柱帽构造还会增加挖方工程量，引起边坡不稳。圆墩在施工中外观质量容易控制，且与桩基础衔接方便，对于弯、斜桥来讲，圆墩的景观协调性要好些，设计中应根据地形、上部结构型式、墩高综合考虑选用方柱或是圆柱。
地面横坡较陡时，若采用双柱墩，两个墩柱高度经常相差较大，由于线刚度EI/L差距大，导致一个墩的两个墩柱受力差异较大，这时就应该考虑Y型薄壁墩。Y型薄壁墩是独柱双支座的一种墩型，美观性较好，但施工稍显复杂。墩高较矮时，其施工既复杂又不美观，所以较少采用。而当墩高较高时，Y型薄壁墩施工只需一套模板、搭一个支架，对于地面横坡较陡、搭支架困难、模板需求量大的山区桥梁，Y型薄壁墩具有显著的优势。也有观点认为，上部的Y型承托节约材料并不多，却施工繁琐，宜设计为实体，权衡施工进度与质量、安全、节省材料及美观之间的关系，这也未尝不可。
墩高≥40m时，可采用薄壁墩，高墩的稳定（尤其是施工阶段）与安全均得到改善，从桥梁的整体外观看，线条简洁美观。随着墩高与内力的变化，可通过调整薄壁墩的厚度以改变墩身的刚度，使结构受力更加合理。
在选用桥墩的型式时，一定要注意同一联内桥墩刚度比的协调，刚度相差不宜太大，否则各墩内力相差也很大，一般来说矮墩取较小的截面，高墩则取相对大的截面。
3.2桥台
山区高速公路桥梁桥台一般采用重力式U型台、肋板台、桩柱式台。其中以重力式U型台最为常用。根据《墩台与基础》的规定，U型台适应的填土范围为4m~10m，所以U型台的高度最好以10m控制。山区桥梁U型台的一个显著特征就是横向、纵向横坡陡，为了适应地形，减小开挖，节约圬工方量，U型台设计时必须根据地形合理分台阶。地面横坡较陡，地质情况比较好时，U型台可采用台阶式基础以避免挖方量太大；地质情况不好时，可采用U台下设置桩基的方法。埋置式肋板台适应范围广一些，但也不宜太高，不宜超过12m。山区高速公路桥梁纵向地形陡峭，往往不能设置锥坡，这时采用桩柱式或肋板台会受到较大限制，桩柱式桥台由于抗推刚度小，当联长较长、台后填土高度较高时不宜使用。桩柱式桥台台后填土高度宜控制在5m以下，联长宜控制在150m以内。
4.常规桥梁设计中桥梁基础选择
山区高速公路桥梁最常用的基础为扩大基础与桩基础。山区一般地质情况较好，采用扩大基础的情况相对较多，且宜采用分离式扩大基础。因为分离式扩大基础适应地形横坡，承载力亦能满足要求。斜坡上的扩大基础与桩基础必须考虑基础扩散角和覆盖层厚度以及施工时的相互影响。桩基础多为嵌岩桩和柱桩，地质情况较差地段采用摩擦桩。桩基础不管受力形式如何，施工方法上多为挖孔桩和钻孔桩。挖孔桩造价较节省，但设计中能否采用挖孔桩，应结合地质情况具体分析。
二、山区高速公路桥梁设计应注意的其他方面
1.山区高速公路桥梁要注重抗风抗震设计等安全性设计
山区中由于山体的阻挡，个别位置可能出现较大的阵风风速，对于缆索承重桥梁，必须进行抗风验算，内容包括静风分析、动风分析、拉索的风雨振动、主梁的抗扭转性能等。要保证有足够的安全储备来避免这些偶然作用产生的不良后果。
2.山区高速公路桥梁的维护
由于构造特点、车辆超载等原因，桥梁难免出现一些病害，从养护、维修出发，钢结构设计时要考虑可到达各主要部位的检修走道、爬梯、人洞等，支座等要设置检查梯，大跨径的混凝土结构要埋设检测装置，定期进行检测，尽最大努力减少桥梁维修的可能，如果难以避免或常损坏的构件，在设计时就要作充分考虑，在不影响或少影响交通的前提下能实现快速更换。
结语：
山区高速公路建设的技术特点可归纳为：路线狭窄、边坡陡峭、桥基高升、隧道密集、桥隧组合、结构复杂，因此桥梁设计时更应慎之又慎，在“安全、经济、适用、美观”原则的前提下，力求桥梁布局合理、经久耐用，并与周围景观协调，反映现代建桥的新水平。
