关于山区高速公路桥梁设计的探讨

分类：建筑工程论文发表 时间：2012-05-07 15:04 关注：(1)

　　
　　摘要：公路交通是影响山区经济发展的最大障碍,必须加快山区乡镇公路建设,提高山区产业劳动生产率,增加山区农民收入来繁荣山区经济。本文主要结合江西地形特征分析山区高速公路桥梁设计与施工方法，并探讨了如何提高山区高速公路的质量。
　　关键词：山区高速公路；地形特征；桥梁设计；质量控制
　　1江西地形特征：
　　省境除北部较为平坦外，东西南部三面环山，中部丘陵起伏，全省成为一个整体向鄱阳湖倾斜而往北开口的巨大盆地。江西地貌类型较为齐全，分布大致成不规则环状结构，常态地貌类型则以山地和丘陵为主。其中山地60101平方公里（包括中山和低山），占全省总面积的36%；丘陵70117平方公里（包括高丘和低丘），占42%;岗地和平原20022平方公里，占12%，水面16667平方公里，占10%。除常态地貌类型外，还有岩溶、丹霞和冰川等特殊地貌类型。
　　2桥梁上部结构设计
　　2.1一般设计原则
　　山区高速公路桥梁常用标准化、装配化设计,其跨径有16m,20m,25m,30m,35m,40m,50m,横断面形式有空心板、T梁、小箱梁等。对于跨径小于35m的,尽可能使用小箱梁。与空心板比较,箱梁具有跨越能力强,横向整体性好,行车舒适,后期养护费用少;与T梁相比,其上部材料工程数量较小,工程造价低。以上特点决定了小箱梁在20m～35m跨径范围内的应用优势。对于40m,50m跨径,因T型梁的吊装质量比小箱梁小,宜采用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,山区高速公路交通运输、场地预制条件均较差,大型机具进入困难,因此一般情况下不选用50m跨径T梁。T梁之间的横向连接有铰接和刚接两种形式,采用铰接时,铰只传递剪力,车辆荷载作用在铰接缝处时,弯矩主要由现浇桥面板来承受,这样现浇桥面板的厚度就必须加厚,否则,铰接缝处桥面板易出现通长的纵向裂缝。现浇桥面板厚度增加,意味着恒载增加,T梁配筋和钢索必须增加,经济性下降,所以T梁横向连接采用刚接较好。对于超过50m的连续梁,施工条件许可的情况下,大跨径连续梁尽可能采用现浇箱梁,能够容易地满足路线的平纵变化的要求,整体性能和抗震性能优越。
　　2.2处理好桥梁上部设计中的两个关系
　　2.2.1跨径与墩高的关系
　　跨径与墩高的关系按桥梁美学原则,一般应选择比值0.618～1比较经济,即20m跨径梁适应的墩高一般为12m～20m,40m跨径适应的墩高一般为24m～40m。山区高速公路地形起伏变化频繁,通常应根据地形选择一种跨径,不宜根据墩高频繁变化跨径,墩柱高度变化很大时,可以采用20m与30m或者30m与40m的组合跨径。当一座桥梁有几种跨径方案可选择时,应结合上下构造进行造价分析比较再做选择。
　　2.2.2上部构造(板或梁)与平面曲线半径的关系
　　桥位处平面曲线半径对桥梁跨径的选择及平面布置影响较大,主要表现为两个方面:1)内外弧差;2)中矢高。墩台径向布置时,由于曲率半径的影响,内外梁梁长不等,半径越小,内外梁梁长差越大。解决此问题一般有两种途径:1)根据平面半径变化梁长;2)不变梁长,通过加大帽梁、加大封锚端或加长现浇连续段处理。对于中矢高问题,中矢高在10cm以内时,可以通过调整护墙内缘使之适应平面线形;半径较小,中矢高大于10cm时,可采用预制梁外缘按实际曲线预制,或预制T梁边梁时,将边梁多预制一段长度,让现浇桥面板和护墙来适应平面线形。第二种办法虽然材料有浪费、美观性稍差,但仍优于前一种。
　　3桥梁下部结构设计
　　3.1矮墩设计
　　对于较矮的桥墩(h<30m),多采用柱式墩、Y型薄壁墩,其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圆柱和方柱,圆柱施工中外观质量易控制,且与桩基衔接方便。从受力上看,截面积相等的方柱和圆柱,方柱抗弯刚度大于圆柱,受力也优于圆柱,当体系为连续刚构时,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,设计中应根据地形、上构结构形式、墩高综合考虑选用方柱或圆柱。
　　3.2高墩设计
　　对于桥墩一联中最高为40m(不含40m)时,30m(含30m)以上桥墩做成等截面空心薄壁墩。最高墩不小于40m时,30m(含30m)以上桥墩为变截面空心薄壁墩,变截面薄壁空心墩顺桥向坡比为45∶1。当墩高不小于50m以上时,应加大空心薄壁墩的断面尺寸。桥墩的布置应该结合桥址范围内地形地貌的特点、地质状况及地面上的建筑物等综合考虑、优化选择。有些河流河床主槽不明显,斜桥双柱或三柱中必有一两桥墩处于主槽中,严重阻水,局部冲刷增大。这种情况下,可以考虑按独柱正桥布孔,以减少桥墩的阻水面积。
　　3.3桥台设计
　　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型台最常用,根据《墩台与基础》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。桥台是路桥的衔接点,在桥梁总体设计时应认真考虑以下几个问题:
　　1)山区河谷横坡一般较陡峭,上部结构长一些或短一些对桥台高度影响很大。设计时,宜尽可能使桥台高度小些,虽然桥长会长一些,但可以方便施工并减少工程质量隐患。
　　2)桥台位于山坡横向坡较陡峭处时,当采用U型桥台,横桥向根据基础内外侧高差设置台阶,由于台阶式基础施工工序的需要,会造成高一级的基底处于低一级基础的级坑开挖面中,该部分基底土非原状土,设计时应采用换填碎石或片石混凝土处理,防止产生台身剪切破坏和竖向开裂。
　　4加强桥梁设计中的安全性和耐久性：
　　4.1应重视结构的耐久性问题
　　桥梁在建造和使用过程中,一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀,并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用,同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化,从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。在大跨桥梁领域,国内从20世纪80年代以来,修建了大量的斜拉桥;虽然迄今为止出现倒塌或严重损害的例子很少,但已经有多座桥梁因为拉索的耐久性问题而不得不提前换索,既影响了使用又增大了经济损失。
　　4.2重视对疲劳损伤的研究
　　桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载,会在结构内产生循环变化的应力,不但会引起结构的振动,还会引起结构的累积疲劳损伤。由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的,实际上存在许多微小的缺陷,在循环荷载作用下,这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤,并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制,极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到,但其带来的后果往往是灾难性的。
　　4.3充分重视桥梁的超载问题
　　汽车超载主要有三种情况:其一是早期修建的老桥超龄负载运营;其二是桥梁通行的车流量超过原设计;另一种是车辆违规超载。前两种产生的原因主要是设计荷载的变化和交通量的增加;后者是车辆使用者违法超载营运,后两种超载现象在我国公路运输中较为普遍。桥梁的超载一方面可能引发疲劳问题。超载会使桥梁疲劳应力幅度加大、损伤加剧,甚至会出现一些超载引发的结构破坏事故。另一方面,由于超载造成的桥梁内部损伤不能恢复,将使得桥梁在正常荷载下的工作状态发生变化,从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。
　　结束语：
　　山区高速公路桥梁设计有很多区别于平原桥梁的地方，也更有很多方面需要探讨，在山区公路设计时，一定要从实际出发，因地制宜的灵活采用各项技术指标。由于山区地形复杂，道路建设中的设计和施工应根据山区具体的特点，考虑各种影响因素，使设计更加合理，施工更加顺利，保质保量完成建路任务。
　　参考文献:
　　[1]许璐.山区高速公路桥梁设计关键问题研究[D]长安大学,2009.
　　[2]陈四德,李章喜.山区高速公路桥梁设计探讨[J]中外公路,2006,(01).