山區(qū)高速公路橋型方案的選擇

山區(qū)高速公路橋型方案的選擇

0橋梁隧道占路線長(zhǎng)度的比例大,橋梁隧道占路線長(zhǎng)度的比例大隨著西部開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，中國(guó)的道路在山區(qū)的建設(shè)越來(lái)越多。由于山區(qū)地形、地質(zhì)和水文條件復(fù)雜，橋梁隧道施工周期長(zhǎng)占路線長(zhǎng)度的很大一部分，部分山區(qū)高速公路的橋梁隧道施工長(zhǎng)度為70%80%。因此處理好橋梁與路線、路基、隧道、交叉工程、交通工程、環(huán)保工程、造價(jià)等的相互關(guān)系,對(duì)設(shè)計(jì)一條山區(qū)高速公路成功與否尤為重要。1線路通路特點(diǎn)山區(qū)高速公路主要特點(diǎn)是地形、地質(zhì)、水文條件復(fù)雜。地形復(fù)雜,表現(xiàn)為溝壑眾多,地面高差變化大,橫坡陡。地質(zhì)復(fù)雜,表現(xiàn)為滑坡、崩塌、泥石流、巖溶、陡崖、斷層等不良地質(zhì)不同程度存在,巖性、巖石風(fēng)化程度各有不同。水文復(fù)雜,表現(xiàn)為水系眾多,水文地質(zhì)、暴雨、洪水、泥沙沿路線不盡相同。山區(qū)高速公路往往是沿溪展線,受地形、地質(zhì)、水文的影響,路線布設(shè)時(shí)平縱橫三個(gè)方面普遍都受到約束,造成平曲線多,平面半徑較小,縱坡較大。路線反復(fù)沿河岸交替設(shè)線,斜、彎及縱向橋多;橫坡陡,半幅橋和半幅路基多;路線跨越眾多溝壑,高墩大跨多,墩臺(tái)形式多,因此橋梁設(shè)計(jì)中必須協(xié)調(diào)解決好橋梁各細(xì)部構(gòu)造與地形、地質(zhì)、水文之間的關(guān)系,處理好與擋墻、隧道、交通設(shè)施、排水設(shè)施等其它構(gòu)造物銜接,從而體現(xiàn)細(xì)部處理見(jiàn)設(shè)計(jì)水平的觀念。2橋梁與基礎(chǔ)設(shè)施和隧道的關(guān)系2.1橋梁方案比選問(wèn)題山區(qū)高速公路橋梁在不受水文控制而只受地形控制時(shí),路橋設(shè)置界限問(wèn)題,一直是難以把握的關(guān)鍵問(wèn)題,也是影響公路造價(jià)的重要因素。文獻(xiàn)強(qiáng)調(diào),“路基中心填方高度超過(guò)20m時(shí),宜和橋梁做方案比選”,但在現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中,普遍由于工期緊,或認(rèn)為橋梁跨越方案安全省事,就直接采用橋梁方案。實(shí)際上,對(duì)于地質(zhì)較好,雖填方高度超過(guò)20m,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經(jīng)濟(jì),因?yàn)檫@樣的地形架橋,場(chǎng)地局限,難度大,橋比高填方施工進(jìn)度優(yōu)勢(shì)不明顯;而對(duì)于寬而平緩地段,雖然填方高度可能不足20m,但如果需跨標(biāo)段借方,運(yùn)距遠(yuǎn),反而橋梁方案可能更安全經(jīng)濟(jì)。因此,對(duì)于填土高度超過(guò)20m的路段,應(yīng)綜合比選后決定是否設(shè)置橋梁。2.2錯(cuò)板式路基方案難實(shí)現(xiàn)山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭,雖可通過(guò)設(shè)計(jì)為左右幅路基不一樣高的錯(cuò)臺(tái)路基來(lái)處理,但有時(shí)由于左右幅路基橫向交通要求,需要設(shè)置轉(zhuǎn)向車道,錯(cuò)臺(tái)式路基方案不易實(shí)現(xiàn),這時(shí)就不可避免地會(huì)出現(xiàn)半幅橋。當(dāng)最低一側(cè)填土高度15m左右時(shí),應(yīng)綜合地形、地質(zhì)、水文將擋墻、棄土方案與半幅橋做綜合比較后決定是否設(shè)置橋梁。2.3橋持續(xù)銜接—橋梁與隧道的關(guān)系山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭、地質(zhì)情況復(fù)雜、時(shí)常受水文因素控制。橋隧相接成為跨越河流轉(zhuǎn)U彎首選方案,即所謂兩橋一隧。此時(shí)橋隧必須相銜接。一般通過(guò)調(diào)整橋臺(tái)側(cè)墻長(zhǎng)度。對(duì)于地形特別陡峭、隧道明洞已到極限時(shí),可通過(guò)設(shè)置樁柱式臺(tái)、橋梁主梁置于隧道明洞基礎(chǔ)上來(lái)解決。3設(shè)計(jì)山地公路橋梁3.1這座橋的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1空心板和小箱梁結(jié)構(gòu)山區(qū)高速公路橋梁比重大,但大跨徑橋梁方案畢竟是少數(shù),絕大部分采用施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制裝配化的結(jié)構(gòu),常用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化跨徑有6m、8m、10m、13m、16m、20m、25m、30m、40m。對(duì)于小于20m跨宜采用空心板;對(duì)于跨徑等于20m跨有空心板、小箱梁兩種可選;對(duì)于大于20m跨宜采用小箱梁。對(duì)于互通式立交中橋梁,平曲線能滿足預(yù)制裝配化結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采用,這對(duì)降低造價(jià)是有益的。3.1.2具體設(shè)計(jì)(1)跨徑橋梁的確定跨徑與墩高的關(guān)系按橋梁美學(xué)原則,一般比值在0.618~1之間。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁,應(yīng)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(shí),可采用相近跨徑進(jìn)行組合。對(duì)于泄洪、通航等有特殊要求橋梁,應(yīng)根據(jù)水利部門(mén)要求,合理確定橋梁跨徑。當(dāng)一座橋梁有幾種跨徑可選時(shí),應(yīng)結(jié)合上下部結(jié)構(gòu)做造價(jià)分析再作決策。(2)小橋墩、墩臺(tái)布置橋位處平面曲線半徑對(duì)橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大,主要表現(xiàn)為:①內(nèi)外弧差。②路線邊緣中矢高。對(duì)于小橋涵,墩臺(tái)平行布置,預(yù)制梁長(zhǎng)相等。對(duì)于特大、大、中橋,墩臺(tái)徑向布置時(shí),由于曲率半徑的影響,內(nèi)外梁長(zhǎng)不等,半徑越小,內(nèi)外梁長(zhǎng)差越大。解決此問(wèn)題途徑一是根據(jù)平面半徑變化梁長(zhǎng),二是不變梁長(zhǎng)通過(guò)加大帽梁,加大封錨端,加長(zhǎng)現(xiàn)澆連續(xù)段處理。3.2橋梁底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1柱式墩的選用高度較矮(h≤40m)的橋墩多采用柱式墩。柱式墩根據(jù)外形,可分為圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制,且與樁基銜接方便,實(shí)際較多采用。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(dāng)體系為連續(xù)剛構(gòu)時(shí),方柱可方便地通過(guò)調(diào)整兩個(gè)方向尺寸來(lái)調(diào)整墩柱的剛度,從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。方柱的缺點(diǎn)是墩柱與樁基之間需通過(guò)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(huì)增加挖方工程量,引起邊坡不穩(wěn),設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮選用方柱或圓柱。另外柱式墩還根據(jù)墩多少,分為獨(dú)柱、雙柱、多柱。對(duì)于常見(jiàn)路基寬度24.5m、26m,多采用雙柱墩。由于地面橫坡較陡,兩個(gè)墩柱高度相差較大,線剛度EI/L差距大,導(dǎo)致一個(gè)墩兩個(gè)墩柱受力差異較大時(shí);山區(qū)河流狹窄,橋梁與河流斜角角度較大時(shí);避讓特殊地物如舊路、光纜等均可采用獨(dú)柱。對(duì)于斜度較大,柱間距較大,這時(shí)應(yīng)采用多柱。3.2.2墩柱與墩柱的連接方式一般矮橋墩設(shè)計(jì)由強(qiáng)度控制,但橋墩較高時(shí),須考慮穩(wěn)定問(wèn)題。文獻(xiàn)指出,“當(dāng)L0/h>30時(shí),構(gòu)件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞”。L0為受壓柱的有效長(zhǎng)度,在0.5~2倍墩高之間變化,究竟取值多少,這與施工狀態(tài)、上部構(gòu)造重量、上部構(gòu)造和墩柱的連接方式有關(guān)。大量的計(jì)算實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于先簡(jiǎn)支后剛構(gòu)(墩頂與上構(gòu)為鋼板焊接)和先簡(jiǎn)支后連續(xù)(墩頂與上構(gòu)為橡膠支座連接)的多跨箱梁橋來(lái)說(shuō),墩柱的有效長(zhǎng)度L0=1.2~1.43L,L為墩柱高度,當(dāng)L=40m且采用矩形截面時(shí),h≥1.2~1.43×40/30=1.6~1.907m,h=50m時(shí)h≥2~2.383m,當(dāng)墩厚大于2m時(shí),實(shí)心矩形截面經(jīng)濟(jì)性降低。因此,當(dāng)橋墩采用實(shí)心矩形截面時(shí),高度不宜超過(guò)50m;當(dāng)墩高大于50m時(shí),宜采用空心薄壁墩截面。3.2.3整體式下建構(gòu)目前路線選線越來(lái)越強(qiáng)調(diào)減少占地,環(huán)保、與景觀協(xié)調(diào)的理念,除了中長(zhǎng)隧道等設(shè)置分離式路基外,越來(lái)越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋,一般情況下部構(gòu)造按分幅單獨(dú)設(shè)計(jì),即雙幅四柱。對(duì)于山區(qū)河流狹窄,橋梁與河流斜角角度較大時(shí),整體式下部構(gòu)造即雙幅兩柱較半幅獨(dú)柱,雖行洪效果兩者相似,但前者結(jié)構(gòu)整體性好于后者。與雙幅四柱相比,在橋墩截面積及橫向?qū)挾认喈?dāng)?shù)那闆r下,整體式下構(gòu)橫向和縱向剛度是分幅設(shè)置的兩倍以上,除了可以減少開(kāi)挖,節(jié)約材料、施工面少外,還能減少墩頂變位。當(dāng)然整體式下構(gòu)蓋梁跨度較大,須考慮車輛雙向行駛時(shí)扭矩影響,蓋梁結(jié)構(gòu)尺寸、配筋設(shè)置需大些,另外施工難度較雙幅四柱大。另外,橋梁布設(shè)常見(jiàn)有斜橋斜布、斜橋正布,兩者對(duì)橋面最低標(biāo)高要求不一致,體現(xiàn)在水文計(jì)算橋梁上部構(gòu)造建筑高度時(shí),斜橋斜布以主梁底控制,斜橋正布以蓋梁底控制。3.2.4u臺(tái)基底設(shè)計(jì)山區(qū)高速公路橋梁橋臺(tái)一般采用重力式U型臺(tái)、肋板臺(tái)、樁柱式臺(tái)。其中以重力式U臺(tái)最常用。山區(qū)橋梁U臺(tái)一個(gè)顯著特征就是橫向,縱向坡陡,為了適應(yīng)地形,減小開(kāi)挖,節(jié)約圬工量,U臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)地形合理分臺(tái)階。另外U臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)基底承載力提出明確要求,若橋臺(tái)基底承載力不滿足設(shè)計(jì)要求,可采用基底換填、加深基礎(chǔ)、加高側(cè)墻等方法。樁柱式橋臺(tái)由于抗推剛度小,當(dāng)聯(lián)長(zhǎng)較長(zhǎng),臺(tái)后填土高度較高時(shí)不宜使用,一般臺(tái)后填土高度宜控制在5m以下,聯(lián)長(zhǎng)宜控制在150m以內(nèi)。埋置式肋板臺(tái)適應(yīng)范圍廣一些,但也不宜太高,不宜超過(guò)12m,對(duì)于橋臺(tái)高較高,可采用加厚肋板、增加肋板個(gè)數(shù),加粗樁徑等方法。高埋置式肋板臺(tái)選用必須與縮短橋長(zhǎng)、地形、地質(zhì)、水文綜合考慮。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭,往往不能設(shè)置錐坡,這時(shí)采用樁柱式或肋板臺(tái)會(huì)受到較大限制。當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況較差時(shí),也會(huì)出現(xiàn)U臺(tái)下設(shè)置樁基的情況。3.2.5斜坡上的樁基礎(chǔ)山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎(chǔ)仍為為擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)。山區(qū)一般地質(zhì)情況較好,采用擴(kuò)大基礎(chǔ)的情況相對(duì)較多,且宜采用分離式擴(kuò)大基礎(chǔ)。因?yàn)榉蛛x式擴(kuò)基礎(chǔ)易適應(yīng)地形橫坡,承載力易滿足要求,亦能防止基底不均勻沉降。斜坡上的擴(kuò)大基礎(chǔ)與樁基礎(chǔ)必須考慮基礎(chǔ)擴(kuò)散角和覆蓋層厚度以及施工時(shí)的相互影響。樁基礎(chǔ)多為嵌巖樁和摩擦樁。樁基礎(chǔ)施工方法上多是挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價(jià)較節(jié)省,但設(shè)計(jì)中能否采用挖孔樁,應(yīng)結(jié)合地質(zhì)情況具體分析,當(dāng)樁長(zhǎng)較長(zhǎng);遇到