浅谈汤屯高速公路桥型方案设计

　　简介： 结合以往山区高速公路桥梁设计经验，来介绍汤口至屯溪高速公路初步设计中桥型方案设计。
　　关键字：高速公路桥型 方案设计
　　1 概述
　　汤口至屯溪高速公路既是国家重点干线天津至汕尾公路的重要组成部分；又是安徽省公路主骨架中的“一纵”，还是连接“两山一湖（黄山、九华山、太平湖）”旅游的交通要道及“黄山～衢州～南平”与“黄山～千岛湖～武夷山”大旅游路线的重要组成部分。
　　汤口至屯溪高速公路是我省继铜陵至汤口高速公路后的又一条山区高速公路，全长56.45公里。本段路线所经区域地形地貌复杂多样，从起点至田干段，约30公里为山岭重丘区，地面高差大；从田干至屯溪为平原微丘区，地面高差相对较小。全线有特大桥、大桥及高架桥共60座，桥跨在25米至40米之间居多，最大墩高约30余米；桥址处最大纵坡3.9%，最小平曲线半径410米。全线大部分桥梁跨越沟谷，并与沟谷交错并行，仅有少数为跨线桥和跨河桥。
　　由于本项目路线方案受地形和地质、环境保护以及特殊的旅游需要等因素制约，作为重要组成部分的桥梁其平纵线形受影响较为突出。具有曲线、大纵坡、高墩、长桥等特征的山区高速公路桥梁，在桥型方案的比选上有相当难度和复杂性。
　　以下就以往山区高速公路桥梁设计经验，浅析汤口至屯溪高速公路初步设计中高架桥桥型方案的设计。
　　2 桥型方案的比选
　　一般来说，桥型的选择应根据适应、经济、美观、安全以及设计施工的难易程度等因素进行综合分析，以便最终确定桥梁实施方案.对于山区高速公路而言，还应着重考虑施工难易程度、山区地质病害及环境保护等影响因素。
　　2.1 上部构造型式
　　上部构造型式的选择，应结合沿线地形、地质、水文条件、施工难度和环保要求，并综合考虑其受力特点和经济性。结合以往山区高速公路桥梁设计经验，在汤屯高速公路初步设计中，主要考虑对简支空心板、先简支后连续组合箱梁和现浇连续箱梁三种结构桥型进行比较。
　　2.1.1 简支空心板结构：
　　此种结构桥型，施工方便，施工技术成熟；但跨径小，梁高大；由于桥梁跨径受限制，往往造成跨深沟桥梁高跨比不协调，美观性差；上部构造难以与路线小半径、大超高线形符合，且高墩数量增加；桥面伸缩缝多，行驶条件差。因而，在山区高速公路中，该类桥型一般用于地形相对平缓、填土不高的中、小桥上。
　　2.1.1 现浇连续箱梁：
　　高速公路桥梁基于运营的整体性、舒适性和耐久性的考虑，往往必须设计为预应力连续结构。对于预应力混凝土弯桥，梁在承受竖向弯曲时，由于曲率的影响，必然产生扭转，而这种扭转作用又将导致挠曲变形，这种弯扭互相耦合的作用，使得弯桥变形也为弯曲和扭转两者的迭加，故变形值要比一般直线桥为大。同时由于扭矩作用，弯桥的外梁荷载加重，内梁减载，内外梁应力产生差别。因此，抗扭能力强的整体式闭合箱梁成为弯桥设计的首选型式；而且，箱梁顶板和底板都具有较大的面积，能有效地抵抗弯矩，抗扭能力强，受力合理。
　　对于跨越沟谷、河流的高架桥，尤其是与沟谷、河流斜交或交错并行的高架桥，为了减小桥墩对水流的影响，往往设置为独柱墩的形式。而这种独柱墩的形式，对于跨线高架桥来说，可减少横向墩的数量，加强下部空间的透视度，增加墩的纤细感，加上梁高一致，整个桥梁外型简洁优美，线条流畅，这对整个跨线高架桥是否美观起着很重要的作用。而就这一点来说，只有采用整体式连续箱梁的方案才能做到，因为箱形截面抗扭刚度很大，对于需要在其梁底下设置独柱单支点的支承形式特别有利。为了提高箱梁的横向稳定性，本项目中，采取将墩顶扩大，设置双支座方案，这将大大提高箱梁的整体强度和抗扭能力，增强箱梁的横向稳定性。
　　在现今桥梁设计中，桥梁美学已被越来越多的设计者重视，而人们对美的要求也越来越高，而象汤屯高速公路这样一条旅游高速公路来说，在桥型选择时，可较多地考虑桥梁的美观因素，在保证结构强度需要的同时，尽可能使桥梁具有优美的外形，并与周围的环境相协调。采用现浇连续箱梁，布孔方便、合理；对小半径、大超高线形平纵横要求适应性强，外观平顺，桥型美观，行车平顺舒适。
　　但对于现浇预应力连续箱梁来说，采用满堂支架施工，对山体植被破坏严重，支架工程量大，对于跨河桥影响通航与排洪，支架安全性较难保证。另外，施工周期长，施工费用高，需要有较大的施工场地，施工管理复杂。因而采用满堂支架现浇的施工方法，一般用于地形平坦、中等跨径且墩高不大、桥孔不多的桥梁；或弯曲程度较大的弯桥、变宽桥以及预制场地选择困难的桥梁。
　　对于中等跨径的多孔长桥，采用移动滑模逐孔浇筑箱梁的施工方法，无疑是一种优选桥型。由于此法是在桥位上现浇施工，可免去大型运输和吊装设备，使桥梁整体性好；同时它又具有在桥梁预制厂的生产特点，可提高机械设备的利用率和生产效率。支架工程量小，施工期与河流的干扰较小。但是，对于中等跨径的桥梁，整体式箱梁桥无论采用何种施工方法，费用都较高，与预制吊装多梁式组合箱梁相比，处于弱势。
　　对于较大跨径的预应力连续梁桥，选择桥型方案时应首选悬臂浇筑的施工方法。它可以不需在河中搭设支架，施工不影响通航或桥下交通，在跨越深水、山谷、湖泊等处时更能显示优势。汤屯高速公路初步设计中，对于跨越通航河道、主河槽较宽的河流及深水水库的大型桥梁，其推荐的桥型方案多采用此类50米以上跨径的变截面预应力连续梁桥。
　　2.1.3 预制吊装组合箱梁：
　　一般来说，预制吊装多梁式组合箱梁在中等跨径的桥梁中具有造价省，施工方便的特点，其造价低于整体式箱梁，是中等跨径桥梁常用的桥型。桥型美观，结构受力性能好，行车平顺性良好。无需大量支架，造价较低，后期养护工作量较小。若在桥头路基上预制组合箱梁、采用架桥机安装，将主要施工工作面转移至桥上，可大大减小对沿线环境的影响。但对于小半径、大超高的曲线梁桥来说，采用此种桥型，抗扭及梁体受力平衡能力均较整体式箱梁差；且梁体预制较复杂，施工难度大，施工周期长，在受力和施工上都不尽人意。但当弯桥的弯曲程度较小，单跨桥梁采取弯桥直做、以两端桥台为控制点；多跨桥梁，各墩台呈放射状、向心布置、调整每片梁长，或者调整现浇段长度，但应注意调整现浇段长度时核对盖梁的宽度，以保证满足支座的安放。对于桥梁横坡特别是超高缓和段的横坡，据以往项目反映经常出现支座悬空的情况，严重影响桥梁的营运寿命，本项目采取调整每端、每侧箱梁腹板高度的办法，严格使其满足横坡的需求。采用直梁设计，以翼缘板宽度调整平面线形，可减少曲梁的弯扭作用，在一定程度上弥补弯梁桥在受力和施工上的不足，此外可以采取加强横向联系的措施，提高结构的整体性能。鉴于该类桥型造价低，对地形的适应性较强，施工周期快，在中等跨径的长桥及高架桥中较广泛采用。在本项目设计中，如预制场地选择较方便，弯桥的弯曲程度较小，无大超高、大纵坡时或跨越沟谷、河流的中等跨径的桥梁，可考虑采用预制拼装组合箱梁结构。
　　2.2 下部构造型式
　　下部构造应能满足上部结构对支承受力的要求，同时在外形上要做到与上部构造相互协调、布置匀称。
　　2.2.1 桥墩形式：
　　由于本项目桥梁跨径一般在25～40m之间，墩高在30米以内，为了尽可能的标准化和统一化，桥墩形式基本以柱式墩为主。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式；其自重轻，结构稳定性好，施工方便、快捷，外观轻颖美观，桥墩布设灵活性大，可适应不同类型的基础。对于山区高速公路来说，多数桥梁跨越沟谷、溪流且交错并行，斜交角度较大，采用独柱墩可大大减小桥墩对水流的阻碍，另外，在跨线高架桥中，采用独柱墩，可使整个桥梁外型简洁优美，线条流畅，促进桥梁与周围环境协调。而当桥梁跨越深谷不受水流限制时，或桥梁跨越沟谷溪流交角较小且仅有较小的漂流物或轻微的流冰时，采用双柱墩不失为一种较好的选择，可提高箱梁的横向稳定性和抗扭刚度，尤其对于曲线半径较小或大纵坡的桥梁，采用双柱墩可减小曲率和纵向水平力的影响；另外，采用双柱墩加盖梁的形式，广泛应用与预制拼装组合箱梁的结构中；而对于宽度较宽的桥梁，采用三柱式或多柱式墩，可适用不同桥宽的变化。因而，选择何种柱式墩，可结合具体的桥型，地形和地质状况，技术经济和美观等因素综合考虑。
　　2.2.2基础形式：
　　对于桥梁基础设计而言，沿线山岭区地质条件较好，承载力大，一般可满足扩大基础的要求。一般对于地面横坡小的桥墩基础，可采用扩大基础形式；但多数高架桥跨深沟或位于隧道进出口等地形复杂路段，地面纵横向坡度较陡，如采用扩大基础，两侧基础埋深相差很大，易引起基底受力不均匀；且基础施工工作面大，基坑开挖工程量大，严重破坏山体、植被，造成水土流失和水体污染，对环境的破坏相当严重；由于山体横坡较陡，基坑开挖后高边坡也存在着防护困难、工程量大，边坡稳定性和安全等问题。因此，从施工难易程度、结构安全性、工程造价和环境保护等方面综合考虑，灵活采用人工挖孔短桩基础与扩大基础相结合的方式。但水中墩墩位处地面较平坦，基岩埋深较浅，水下不适宜采用挖孔桩，仍采用扩大基础。对于左右墩柱高差大的桥墩，应保证相同高程处墩柱截面尺寸的一致，其余部分加大截面尺寸，以平衡墩柱刚度差别大给上部构造带来的变形不协调影响。如果一联内既有扩大基础又有桩基础，为控制墩台的不均匀沉降，要求扩大基础置于强度在弱风化以上的岩石上。对于砂岩基础遇水后变软、发泡、强度降低的情况，墩台基础首选桩基础，但为了更方便的检验基底情况，建议施工时采用挖孔桩。
　　3.桥梁分孔
　　桥梁总跨径确定后，还需进一步进行分孔布置。桥梁分孔是桥梁立面布置的重要内容，孔径布置得是否合理，将直接影响桥梁的实用、安全、经济和美观。一座复杂的桥梁，不但要进行不同桥型方案的比较，而且往往要将同一桥型的几个不同的分跨做为几个不同的方案进行比较，以求得较优的方案。
　　在汤屯高速公路的初步设计中：桥梁跨径的选择依据地形和地质情况、水文情况、通航要求、墩高、平面线形、施工难度以及技术经济和美观等因素进行综合考虑。根据以往山区高速公路设计经验，结合本项目的实际情况，拟定桥梁孔径布置的一般原则如下：
　　准则[1] 桥梁孔跨的布置，除满足桥梁功能及其他条件的要求外，应使其总造价较低（当然，对于不同的桥长，应结合路基一同比较）。一般来说，地质越差或下部结构投资越大，就越宜采用较大的跨度，以减少支承结构的工程量，从而节省投资，反之亦然。因此，桥梁孔跨布置往往表现为：引桥小于主桥，边跨小于中跨。
　　准则[2] 梁桥相邻跨度的比值（小跨比大跨）宜在[0.4，1]内，接近0.618时，桥跨变化会显得平顺、流畅。悬臂施工的连续梁桥或连续刚构桥，其跨度应满足施工时对称T构对称跨度的要求。
　　准则[3] 同一区段内，桥梁的孔径与式样应力求统一；同一座桥梁，除通航或其他要求外，应尽量采用相同的结构并且等跨；对于跨度不超过30m的简支梁桥，其跨度应采用标准跨度。以达到方便设计与施工，取得经济效益。
　　准则[4] 一般情况下，桥孔不宜压缩。起桥高度一般为6~8m，较小者取至2~3m.有条件设置挖方内桥台者，应优先采用。
　　准则[5] 桥梁中线宜与天然河道洪水流向正交，避免水流在桥头形成水袋而产生三角回流，影响线路或桥梁安全；桥跨结构应高出设计洪水水位至少0.25m，必要时，尚应考虑壅水高、波浪侵袭高、局部股流涌高、斜水流局部冲高、河弯超高、河床淤积或漂流物等的影响。
　　准则[6] 通航河流上，桥梁中线应与航线正交。当不能避免斜交时，应适当加大通航净孔。通航孔桥跨结构应高出桥下通航净空建筑限界。当然，桥跨结构不能伸进桥面行车/人建筑限界。
　　准则[7]通过设计洪水流量、桥跨结构高出设计洪水水位并有足够的富裕、其产生的冲刷系数小于容许值是桥梁孔径必须满足的条件之一，这是水文对桥梁的基本要求。
　　准则[8] 跨越宽浅河流的桥梁，多采用等跨梁桥跨越主河槽。
　　准则[9] 跨越V字形或接近V字形峡谷时，桥梁主跨往往采用一跨跨过，并且优先考虑拱桥或斜腿刚构方案。
　　准则[10] 山区高架桥采用连续梁桥方案时，其跨径选择一般遵照以下原则：
　　最大墩高H≤10m时，选用25m跨径；
　　最大墩高10＜H≤15m时，选用25～30m跨径，双柱式墩或独柱式墩；
　　最大墩高15＜H≤25m时，选用25～40m跨径，双柱式墩或独柱实体墩，墩顶加系梁；
　　最大墩高H＞25m时，选用40m以上跨径的连续刚构、连续梁等。
　　准则[11] 支线桥梁上跨主线时，考虑到本高速公路要建设成为旅游公路、景观公路和生态公路的性质，应避免在主线道路的中央分隔带处设墩，而采用较大的跨度的拱桥、斜拉桥、斜腿刚构桥和连续刚构桥等结构形式新颖美观且经济效益良好的桥梁，尽量做到一跨跨越主线。
　　准则[12] 在互通式立体交叉中，桥梁的布设应尽量避免出现分叉桥或急转弯桥，若无法避免时，应于分叉处、桥面宽度聚变处或急转弯处设置桥墩，使桥梁受力状态良好。另外，在互通式立体交叉中，桥梁群在水平面上的布置应力求作到匀称，桥下通透性良好。
　　4.结语
　　桥型方案设计本身就是一项复杂和灵活的工作，对于山区高速公路而言，因发展时期较短，具有曲线、大超高、大纵坡、高墩和长桥等特征的桥型方案设计，还处于摸索阶段，有很多新的问题需要进一步的探讨和研究。随着社会经济和公路事业的日益发展，大力发展山区高速公路将成为必然，因而山区高速公路桥型方案设计必将日趋成熟。笔者结合以往山区高速公路设计经验，就汤屯高速公路初步设计中桥型方案的选择，提出一些粗浅的认识，文中不当之处敬请同行和有关专家指正。
　　参 考 文 献
　　［1］祝敏方，山区高速公路桥梁设计探讨  公路  2003（5）.
　　［2］范立础. 桥梁工程  北京，人民交通出版社，1993.
　　［3］公路桥涵地基与基础设计规范 （JTJ 024—85）.北京，人民交通出版社，1985.
　　［4］张师定  桥梁孔跨布置定性研究