談山區(qū)高速公路橋梁設計.doc

路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)隨著我國經(jīng)濟建設的發(fā)展，特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，我國在山區(qū)修建的高速公路越來越多，山區(qū)高速公路地形地質(zhì)復雜，構(gòu)造物多，橋梁隧道總長占路線長度的比例大，有的山區(qū)高速公路，橋隧比例高達70%80%。所以要設計成功一條山區(qū)高速公路，設計好其中的橋梁部分就顯得十分重要。1、山區(qū)高速公路的主要特點山區(qū)高速公路的主要特點是地形地質(zhì)復雜。地形復雜，表現(xiàn)為地面高差大，變化頻繁，橫坡陡；地質(zhì)復雜表現(xiàn)為巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、煤氣地層等不良地質(zhì)。受此影響，路線布設時平縱橫三個方面都受到約束，一般就是平曲線多，平面半徑小，縱坡大，橋梁比例高，橫坡陡，半邊橋和高擋墻多。山區(qū)高速公路橋梁也相應具有上述特點，彎坡橋多，高墩大跨多，墩臺形式多，設計中必須協(xié)調(diào)解決好橋梁各細部構(gòu)造與地形地質(zhì)之間的關系。2、橋梁與路基的關系2.1橋梁跨越方案與高填方路基方案的比較山區(qū)高速公路橋梁很多不受水文控制而只受地形控制，因不宜采用路基方案而設置為高架橋，路橋設置界限問題，一直是難以把握的關鍵問題，也是影響公路造價的問題。路基規(guī)范強調(diào)，“路基中心填方高度超過20m時，宜和橋梁做方案比選。”，項目實際運作中，往往由于工期緊，或認為橋梁跨越方案安全省事，就直接考慮橋梁方案。實際上，對于地質(zhì)情況較好，雖然填方中心高度為30m，但收斂較快的V型峽谷，且橋隧相連地段，為消化隧道廢方，考慮路基方案可能比橋梁方案更安全更經(jīng)濟，因為這樣的地形架橋，場地局促，難度大，橫縱坡陡，極易引發(fā)邊坡不穩(wěn)；而對于寬而平緩地段，雖然填方高度只是20m左右，但如果需跨標段借方，且運距遠，填方基底還需花大量資金處理的路段，反而考慮橋梁方案可能更安全更經(jīng)濟。所以筆者認為，山區(qū)高速公路路橋界限，不能一概而論，對于填土高度超過20m的路段，應根據(jù)地形、地質(zhì)、前后構(gòu)造物、前后路段的廢方量、工程造價等進行綜合比選后決定是否設置橋梁。不能圖快圖省事，直接考慮橋梁方案。2.2半邊橋與擋墻的關系山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭，雖然可以通過設計為左右幅路基不一樣高的錯臺路基來處理，但有時由于左右幅路基橫向交通要求，需要設置轉(zhuǎn)向車道，錯臺式路基方案不易實現(xiàn)，這時就不可避免地會出現(xiàn)半邊橋。當最低一側(cè)填土高度15m左右時，應綜合地形、地質(zhì)將加筋擋墻，錨桿擋墻、棄土方案與半邊橋做綜合比較后決定是否設置橋梁。3、結(jié)構(gòu)體系特性為了保證行車舒適，結(jié)構(gòu)耐久適用，山區(qū)高速公路標準跨徑大中橋一般均采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系。全剛構(gòu)體系由于一座橋梁墩高相差較大，需通過調(diào)整橋墩的線剛度來改善橋墩受力，這樣一來，橋墩尺寸種類就比較多，美觀性降低，施工相對麻煩一些。全連續(xù)結(jié)構(gòu)聯(lián)長不能太長，舒適性差，墩臺水平位移較大，墩柱尺寸需設計的相對大一些，材料較費。根據(jù)地形，將中間墩高較高，剛度相差不大的相鄰幾個橋墩固結(jié)起來，利用其柔性適應橋墩所受的水平力，較矮的邊墩設置滑板支座或橡膠支座，形成連續(xù)梁。這樣的剛構(gòu)一連續(xù)體系，高墩、矮墩的受力性能都得到了改善，且適應地形特點。山區(qū)高速公路橋梁多為彎、坡橋，曲線梁橋在彎扭耦合作用下，具有沿某一不動點變形的趨勢，單向行駛的大縱坡長橋在長期反復的汽車制動力作用下，梁體具有沿汽車行駛方向滑移的趨勢，如果采用全連續(xù)結(jié)路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)構(gòu)，即上下構(gòu)之間為橡膠支座連接時，這種滑移趨勢往往造成梁體受力不平衡，支座脫空甚至破壞，從而導致梁體開裂。因此山區(qū)高速公路橋梁宜采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)一剛構(gòu)混合體系，既適應平面線形，又適應橋梁受力特點。4、橋梁上部構(gòu)造設計4.1一般設計原則山區(qū)高速公路,橋梁所占比重大，但一般來講,大跨徑橋梁方案畢竟是少數(shù),絕大部分還是采用施工方便、造價經(jīng)濟的標準化、預制裝配化結(jié)構(gòu)。大跨徑橋梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有較強的個性特征，而標準跨徑橋則更多的是具有共性特征，所以本文重點探討標準化、裝配化橋梁的設計。山區(qū)高速公路橋梁常用標準化、裝配化跨徑有16、20、25、30、40、50m，橫斷面形式有空心板、T梁、小箱梁等。對于跨徑小于30m的，有空心板、小箱梁、T梁等三種結(jié)構(gòu)可以選擇，對于40、50m跨徑，根據(jù)梁的受力特點，宜采用T梁。30m以下，同一種跨徑，究竟應當采用哪一種橫斷面形式，通過表1，就可以作出選擇。一孔上部構(gòu)造主要材料指標表表1梁高跨徑橫斷面形式橋?qū)?cm)工作面積(m2)混凝土(m3/m2)綱絞線(kg/m2)普通鋼筋(kg/m2)數(shù)據(jù)來源90cm20空心板122400.54712.8484.49(贛粵高速)100cm20小箱梁122400.3809.08267.85(京珠北)120cm20T梁122400.3698.11285.24(三福線)從表1可以看出，小箱梁是介于空心板和T梁之間的一種橫斷面形式。20米跨徑時，T梁較為經(jīng)濟。30m跨徑以下，三種橫斷面比較，基本也是上述規(guī)律。當然，這是山區(qū)的情況，平原地區(qū)則另當別論。平原地區(qū)受凈空和橋臺填土高度的限制，橋梁上構(gòu)要求盡可能降低建筑高度，這樣可以減小縱坡，降低路基填土高度，減少占地及降低路基處理難度，對土源缺乏，軟基較多的平原地區(qū)有顯著的經(jīng)濟性。20m空心板建筑高度最低，與路基綜合起來比較具有優(yōu)勢，平原地區(qū)路網(wǎng)發(fā)達，分離式立交較多，空心板在美觀方面優(yōu)于另外兩種斷面，所以平原地區(qū)較多采用空心板。山區(qū)高速公路橋梁一般凈空無嚴格限制，另外，山區(qū)高速公路平面半徑較小，超高緩和路段不可避免會出現(xiàn)在橋上，如果選用空心板和小箱梁，架梁時一片梁四個支點不易調(diào)平，易造成支座脫空，受力不均勻的情況，所以山區(qū)高速公路橋梁標準橫斷面宜優(yōu)先采用T梁。對于50m跨徑T梁，在小半徑平曲線上，由于內(nèi)外梁梁長差較大，跨中矢高較大，對路線的適應性要差一些。另外山區(qū)高速公路，交通運輸、場地預制條件均較差，大型機具進入困難，50mT梁單片重150多噸，架設設備要求較高，運輸及安裝過程中變形不易控制，因此一般情況下不選用50m跨徑T梁，所以山區(qū)高速公路橋梁，宜采用的常用標準跨徑為20、25、30、40m。T梁之間的橫向連接有鉸結(jié)和剛接兩種形式，采用鉸聯(lián)結(jié)時，鉸只傳遞剪力，車輛荷載作用在鉸縫處時，彎矩主要由現(xiàn)澆橋面來承受，這樣一來，現(xiàn)澆橋面的厚度就必須加厚，否則，鉸縫處橋面板易出現(xiàn)通長的縱向裂縫。現(xiàn)澆橋面板厚度增加，意味著恒載增加，T梁配筋和鋼索必須增加，經(jīng)濟性下降，所以T梁橫向連接采用剛接較好。公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTGD622004）9.3.16條也有相應規(guī)定：“預制T形截面梁的橫隔梁連接，宜采用現(xiàn)澆混凝土整體連接”，當然在斜交橋及異形橋中需要橫向弱聯(lián)結(jié)時，鉸結(jié)也是很好的選擇形式。路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)4.2具體橋梁設計具體到一座橋設計時，上部構(gòu)造設計要處理好兩個關系。第一，處理好跨徑與墩高的關系?？鐝脚c墩高的關系按橋梁美學原則，一般應選擇比值為0.6181之間，通過經(jīng)濟比較，往往又是經(jīng)濟的，也就是說20m跨徑T梁適應的墩高一般為1220m，30m跨徑適應的墩高一般為1830m，40m跨徑適應的墩高一般為24m40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁，通常應根據(jù)地形選擇一種跨徑，不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑，墩柱高度變化很大時，可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當一座橋梁，有幾種跨徑方案可選擇時，應結(jié)合上下構(gòu)做造價分析比較再做選擇。第二，處理好上部構(gòu)造（板或梁）與平面曲線半徑的關系。橋位處平面曲線半徑對橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大，主要表現(xiàn)為兩個方面，第一是內(nèi)外弧差，第二是中矢高。墩臺徑向布置時，由于曲率半徑的影響，內(nèi)外梁梁長不等，半徑越小，內(nèi)外梁梁長差越大。解決此問題一般兩種途徑，一種是根據(jù)平面半徑變化梁長，另一種是不變梁長通過加大帽梁，加大封錨端或加長現(xiàn)澆連續(xù)段處理。第一種方法變化梁長，設計簡單，帽梁尺寸較小、規(guī)格統(tǒng)一，但一個標段，如果有幾座橋處于不同的曲線半徑上時，預制梁長度種類就較多，頻繁調(diào)整模板雖不算很難，但每片梁都需要編號，堆放預制梁需要很大場地，這對“地無百米平”的山區(qū)確實是難以解決的問題，因此一般不采用變梁長方案。采用等梁長方案時，如果半徑較大，內(nèi)外梁梁長差不大，可以采用內(nèi)弧長等于標準跨徑布置，如果半徑較小，可以采用半幅橋中線弧長等于標準跨徑布置，這樣連續(xù)段長度一端比標準長度增加，一端減小。內(nèi)外弧差的問題解決后，還有中矢高的問題，一般中矢高10cm以內(nèi)，可以通過調(diào)整護墻內(nèi)緣使之適應平面線形；半徑較小，中矢高大于10cm時，由于護墻一般為50cm寬，護墻調(diào)整太大外觀不美，護墻功能亦削減。此時亦有兩種解決辦法，一種是預制梁外緣按實際曲線預制，另一種是預制T梁邊梁時，將邊梁多預制一段長度，讓現(xiàn)澆橋面板和護墻來適應平面線形。邊梁按實際曲線預制時，邊梁翼緣板由于兩側(cè)不等寬，剛度不等，施加預應力時可能出現(xiàn)側(cè)向翹曲，且不同半徑外邊梁形狀不一樣，種類多施工較麻煩。第二種辦法雖然材料稍有浪費，美觀性稍差，仍優(yōu)于前一種。5、橋梁下部構(gòu)造設計5.1橋墩高度較矮的橋墩（h40m）多采用柱式墩，Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制，且與樁基銜接方便，平原地區(qū)用的較多。但從美觀上來說，方柱有棱有角，與上構(gòu)梁體協(xié)調(diào)，有一定的視線誘導性，較美觀。從受力上看，截面積相等的方柱和圓柱，方柱抗彎剛度大于圓柱，受力優(yōu)于圓柱，當體系為連續(xù)剛構(gòu)時，方柱可以方便地通過調(diào)整兩個方向的尺寸來調(diào)整墩柱的剛度，從而達到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性，調(diào)整起來效果差一些。方柱的缺點是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接，增加了工程數(shù)量，并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡，增加柱帽構(gòu)造還會增加挖方工程量，引起邊坡不穩(wěn)，設計中應根據(jù)地形、上構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、墩高綜合考慮選用方柱或是圓柱。Y型墩薄壁是獨柱雙支座的一種墩型，美觀性較好，但施工稍顯復雜。墩高較矮時，其施工既復雜又不美觀所以少采用。當墩高較高時Y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一個支架，對于地面橫坡較陡，搭支架困難，模板需求量大的山區(qū)橋梁，Y型薄壁墩具有顯著的優(yōu)勢。從預算定額中也可以看出，同高度的柱式墩與Y型薄壁墩相比，Y型薄壁墩的基價低。另外采用雙柱墩時，由于地面橫坡較陡，兩個墩柱高度經(jīng)常相差較大，由于線剛度EI/L差距大，導致一個墩兩個墩柱受力差異較大，采用Y型薄壁墩，只一個墩柱，就避免了上述缺陷。也有人認為，上部的Y型承托節(jié)約材料并不多，卻施工麻煩，宜設計為實體，權(quán)衡施工進度和質(zhì)量、安全和節(jié)省材料及美觀之間的關系，也未嘗不可。不管外形如何，墩高較高時，采用獨柱雙支座外部形狀Y型的薄壁墩較為適宜。路橋求職路橋招聘路橋英才網(wǎng)英才網(wǎng)5.2高墩一般矮橋墩的設計由強度控制，但當墩高較高時，就必須得考慮橋墩的穩(wěn)定問題。公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范（JTGD622004）關于偏心受壓柱條文說明5.3.10條指出，“當l0/h30時，構(gòu)件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞?！眑0為受壓柱的有效長度，在0.52倍墩高之間變化，究竟取值多少，與施工狀態(tài)、上構(gòu)重量、上構(gòu)和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關。大量的計算實驗表明對于先簡支后剛構(gòu)（墩頂與上構(gòu)為鋼板焊接）和先簡支后連續(xù)（墩頂與上構(gòu)為橡膠支座連接）的多跨T梁橋來說，墩柱的有效長度l0=1.21.43l，l為墩柱高度，當l=40m且采用矩形截面時，h1.21.4340/30=1.61.907m，h=50m時h22.383m，當墩厚大于2m時，實心矩形截面經(jīng)濟性降低，所以可以得出一個結(jié)論：墩柱為材料破壞時，采用實心矩形截面，其高度不宜超過50m。當墩高大于50m時，宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩，墩高超過65m左右時順橋向應考慮放坡，因為采用等寬尺寸時施工雖然方便，但為了保證橋墩的穩(wěn)定，墩柱和帽梁必將尺寸加大很多，這樣材料會浪費較大。5.3橋墩與路幅的關系山區(qū)高速公路有整體式路基，也有分離式路基。目前路線選線越來越強調(diào)減少占地，環(huán)保、與景觀協(xié)調(diào)的理念，除了中長隧道等設置分離式路基外，越來越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋，一般情況下下構(gòu)按分幅單獨設計，即雙幅四柱。對于高墩長橋，為了減少開挖，增強邊坡穩(wěn)定性，節(jié)約材料，降低造價，整體式下構(gòu)即雙幅兩柱不失為一種較好的選擇。與雙幅四柱相比，在橋墩截面積及橫向?qū)挾认喈數(shù)那闆r下，整體式下構(gòu)橫向和縱向剛度是分幅設置的兩倍以上，除了可以減少開挖，節(jié)約材料、施工面少外，還能減少墩頂變位。當然整體式下構(gòu)帽梁跨度較大，還須考慮車輛雙向行駛時扭矩影響，帽梁需設置的強大一些。一座橋究竟是采用整體式下構(gòu)還是分幅下構(gòu)，需結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。5.4橋臺山區(qū)高速公路橋梁橋臺一般采用重力式U型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式U臺最常用，根據(jù)墩臺與基礎規(guī)定，U臺適應的填土范圍為410m，所以U臺的高度最好以10m控制。山區(qū)橋梁U臺一個顯著特征就是橫向，縱向橫坡陡，為了適應地形，減小開挖，節(jié)約圬工方量，U臺設計時必須根據(jù)地形合理分臺階。樁柱式橋臺由于抗推剛度小，當聯(lián)長較長，臺后填土高度較高時不宜使用，一般臺后填土高度宜控制在5m以下，聯(lián)長宜控制在150米以內(nèi)。埋置式肋板臺適應范圍廣一些，但也不宜太高，不宜超過12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭，往往不能設置錐坡，這時采用樁柱式或肋板臺會受到較大限制。當?shù)刭|(zhì)情況較差時，常常會出現(xiàn)U臺下設置樁基的情況。5.5基礎山