浅谈公路桥涵设计

浅谈公路桥涵设计

摘要:本文结合笔者多年工作经验,主要针对公路桥涵的设计方面的一些问题,进行了探讨。以供参考.

关键词:公路；桥涵；设计

前言:

随着我国公路建设的迅速发展,高速公路已由平原微丘进入山区,大量的山区地方道路新建、改扩建工程势在必行。山区公路的桥涵等构造物,有其自身的特点,因此山区公路的桥涵勘察设计应充分考虑这些特点和其特有的规律。

1 桥涵布设与路线的关系

在平原微丘区,桥涵等构造物的设置一般由路线跨越的河流、水渠等决定,或者在高填土路段以桥代替路基,或者跨越道路等人工构造物而设置高架桥,此时桥梁多为控制性工程。在山区,桥涵必须服从于路线的走向,特别是山区高速公路,因路线平、纵面指标的运用受制于地形、地质条件,桥涵的布设必须顺应路线。

路线的位置往往决定桥梁规模的大小。同样为沿河的情况,若采用高线位,设计高程提高,洪水的威胁影响减少,则可多设路基少设桥,相反,则必须多建桥,甚至在沿河段全部采用高架桥。路线穿行于半山腰的公路也同样如此,且山沟断面上游窄、下游宽,高线位从上游跨过,有时仅设涵洞即可；在下游跨过,则不得不设桥。路线线形指标控制高,也时常决定桥涵的工程量。

为了控制隧道的长度而抬高线位,则地形更加陡峻,增加桥梁长度,且纵坡大。若采取不设隧道而绕行山体时,则需要以高架桥方案解决。遇到不良地质路段时,如滑坡、溶洞、泥石流等,采取绕行方案,会增加桥涵工程,有时为了避让,导致设置数百米的长桥。

山区高速公路经常设置分离式路基,而分离式路基与整体式路基的设置、运用,亦影响桥涵的布置。如在半山腰中为上下行的分离式路基,则可以路基为主；若为整体式路基,因宽度增加,外侧路幅在山坡横坡较大时无法设置路基,必须采用桥梁通过。桥梁的位置与路线密切相关,路线在何处跨越沟谷,除取决于水流顺直、断面单一等河沟条件外,还由公路的线形需要、土石方量的大小、路基稳定性等因素决定,所以路线的设置主导了桥梁位置、规模大小、墩台的高矮。

路线设计时不仅要考虑线形的合理性,而且要考虑桥涵、隧道设置的合理性,应全面考虑地形、地物、地质、水文、气象等多方面的综合因素。桥涵设计人员在考虑桥涵设计的基础上,也应充分了解路线设计的合理性和可能性。

2 桥型(涵)方案比选

公路桥型方案有多种可供选择,除了结构形式、跨径的比较,而且桥梁与涵洞、桥梁与路基

方案亦可作充分比较。

2.1 桥梁结构形式的选择

桥、悬索桥外,最常见桥梁结构形式为梁桥、拱桥。通常情况下,以跨径来决定结构形式。另外,施工场地的限制,特别是位于狭窄地形条件的桥梁,施工方法的运用也决定桥梁的结构形式。

以下主要说明梁桥与拱桥的运用。我国20世纪60～70年代修建了大量的拱桥,且多位于山区V形河谷,覆盖土层薄,地质条件好,而且石料丰富,也适宜于修建拱桥。与此相比,连续钢构桥在山区公路建设中也得到了迅速发展。以下以某设计实例来说明两者之间的应用对比。该桥桥台两端紧接隧道口,中间跨越国道及河流,左、右线分幅设置。设计单位提供两种设计方案,即连续刚构桥、拱桥,连续刚构桥方案为三跨48+60+30m连续刚构,拱桥方案为一孔90m钢筋混凝土箱肋拱桥。建设方出于对景观的考虑,选择了拱桥方案。

开工后不久,勘测时钻探结果为强风化板岩,在基坑开挖后发现为碎石土,原设计基础的挖

方边坡1∶0.5不能实现,须将基坑边坡放缓至1∶1,而山坡自然坡度已为1∶1,若按原设计开挖

墩台基坑,势必破坏山体环境,影响隧道结构的安全。而且,桥下河段因下游水库储水,水位抬高,不允许弃土于河中,终点岸墩台基坑开挖缺乏弃土场地。同时终点岸隧道爆破时,因操作原因造成局部崩塌,致使墩台基坑施工困难。更重要的是,台基补孔钻探表明,基底以下10m深度范围内仍然是强风化板岩,与设计要求基底嵌入弱风化板岩的情况相距很远,基础处理不仅要考虑垂直力,而且要考虑水平力,还要考虑不影响国道正常通车,从而使基础处理工作复杂化。

若维持原设计,需要增加桩基处理费用,4个桥台需要增加600万元的造价。而且基础处理复杂程度较高,实际处理费用还会有所增加。鉴于实际情况的变化,建设方又重新采用三跨连续刚构。原设计的拱桥,虽与环境协调、美观,但连续刚构更显结构简洁、挺拔。采用三跨连续刚构,不仅有利于环保,与环境协调美观,且工序比拱桥少,约需10个月可建成(若维持拱桥,则需要18

个月的工期)。虽然改成连续刚构要增加重新设计的时间(包括补孔钻探)约3个月,而改成连续刚构桥后,工期仍可以提前5个月。

以上所述并非完全否定拱桥方案,而是说明在同等的条件下,与技术成熟的梁桥相比,拱桥

方案竞争力不足。此外,拱桥尚有一些固有的缺点:①在山区小半径平曲线、大纵坡、斜交等条件下,修建弯、坡、斜拱桥困难；②受地形条件的限制,施工程序复杂,施工周期长；③桥面伸缩缝多,行车不平顺。由于每座拱桥均有各自的特点,其构造设计和施工方法也不尽相同,则设备难以重复利用,相应的经验不宜推广应用。与此相比,连续刚构桥技术成熟,施工周期短,施工工序相对简化,如减少所使用的模板数量且能高效周转循环利用。对于其高墩的稳定性问题,目前无论是理论还是实际施工都可有效解决。采用墩梁固结,其桥墩的长细比比简支或连续梁的桥墩小,利于结构稳定,且利用高墩的柔性可适应温度、混凝土收缩、徐变的变形。在大纵坡的情况下,

既可省略支座,又可防止主梁下滑。大量的山区工程实践也表明,连续刚构桥比拱桥更具竞争力。

2.2 梁桥跨径的选择

当采用梁桥方案时,合理地确定其分孔、跨径,必须结合自然条件、经济条件和施工难度等因素综合分析。同时对梁型、墩型的设计进行巧妙的构思也可获得美观协调的效果。山区桥梁往往因墩高而加大跨径,如果跨径与墩高的比例不协调,会造成整个桥梁的视觉效果明显降低,

结构也缺乏稳重感和美感。究竟如何匹配墩高与跨径,有着不同的观点。

各项研究结果及大量已建桥梁数据表明,当跨径远大于桥墩高度时,上部构造跨径越大、施工难度越高,造价就越高；当桥墩高度接近跨径时,对造价起决定作用的是上部构造的性能和施工难易程度,上部构造性能差,影响桥梁的使用,施工难度大,造价提高；当墩高远大于跨径时,

由于墩高加大,桥墩材料用量上升,桥墩工程数量明显增加。桥墩增高与跨径增大的经济效果是不同的,在一定的高度范围内,墩高增加后相应的单位混凝土造价会降低,而跨径的增加就可能

导致断面形式和施工方法的改变,从而使造价明显增加。所以,地形条件和施工难度往往为控制因素。如深切的V形河谷地段就适宜于大跨径,而在宽缓的U形河谷地段,桥墩施工难度相对低,

则适宜于修建高墩,跨径就不成为主要影响因素。

对施工单位而言,同一座桥宜尽可能采用相同的跨径和结构。对采用标准化跨径的桥梁,其主要跨越因素则成为全桥跨径的选择,如跨越山间河流,因山洪暴发后破坏性大,桥墩不宜置于

水中,须一跨而过,则全桥跨径与跨河孔相同。

2.3 桥梁与涵洞、路基的比较

山区公路跨越沟谷时采用桥梁或涵洞,需要具体分析,此时除重点考虑排水的需要外,还需

要考虑土石方的平衡,地形的适应,构造物的可靠性、经济性,经综合比较后选择最合理的布置方案。如某山间两隧道之间的山沟溪流,若考虑隧道除渣应设置高填土涵洞,但溪流上下游曲折,

且斜交角度大,山洪暴发时涵洞排水不畅；设置桥梁则无此忧虑,且附近设有弃土场,可处理隧道弃方。公路位于山腰时采用桥梁、或路基、或半桥半路,值得仔细斟酌。如果为路基而设置高大挡土墙,弃土稳定性存在问题,或者路基挖填均施工困难,则不如设置高架桥,尽管造价偏高,但

安全可靠。

3 桥梁墩台的设计

桥梁的墩台设计与桥梁分孔、跨径与上部构造的形式直接相关,且与地形、地质条件关系密切。山区公路多数采用梁桥,以下主要讨论在梁桥的墩台设计中经常遇到的问题。

3.1 桥墩设计中应注意的问题

桥梁上部构造大多采用先简支后结构连续,对桥墩的重要控制因素为纵向水平力,按集成刚度法分配给各支座及墩顶。值得注意的是,墩顶设单排橡胶支座,混凝土的收缩、徐变和降温作用产生的纵向水平力在各墩的分配规律与汽车制动力的分配规律是不同的,究竟是高墩不利还

是低墩不利,需要通过计算才能确定。

同时设计应考虑逐孔架设施工,可以要求施工单位根据不同架设方法进行验算,但应提供墩、梁的受力控制要求,架桥机支点荷载及位置。在坡度较陡的山坡上的桥墩,应补充基础边坡防护工程设计。

3.2 桥墩的构造特点

桥墩构造形式一般为双柱墩、独柱墩或薄壁墩。双柱墩截面形式一般为圆形、矩形,圆形墩施工方便,而矩形墩相对刚度大,如何取舍,应从全路段统一考虑,并兼顾施工的便利性。陡坡上如果设置双柱墩,其外侧墩有时会出现桩基临空,或围岩厚度薄等情况,此时应考虑采用大尺寸独柱墩。空心薄壁墩适用于高度大、跨径大的桥梁。

3.3 空心薄壁墩的非线性效应

高桥墩主要采用空心薄壁墩,其主要问题是稳定性,而结构的稳定性,其应变-位移关系是非线性的,即几何非线性问题,同时,由于材料的弹性模量随应力的变化而变化,所以随着荷载的增长,截面的抗拉(抗压)强度与抗弯强度也随之变化,表明材料的非线性效应亦不可忽视。由于非线性问题的复杂性,除少数简单的问题外,严格的数学求解是困难的。因此,需要采用非线性有限元方法来分析高桥墩的非线性效应。如果以整桥线性分析得到的结果,如各墩的剪力、轴力、弯矩、位移等作为已知量,将桥墩作为悬臂梁,采用近似方法来估算桥墩的非线性效应,对于非线性效应不显著的情况是简单且合适的。

3.4 桥台设计

桥台衔接桥梁和路基,承受上部构造传递的荷载,又要挡土护坡,并承受台背填土及填土上车辆荷载产生的附加侧压力。所以桥台设计既要考虑自身的强度、刚度和稳定性,又要满足对地基的承载力、沉降量的要求。同时,山区地形起伏变化大,桥台应顺应地形的变化。当桥梁与路基挡土墙、隧道连接时,桥台的结构形式应适应衔接的需要。对采用标准化跨径的桥梁,桥台高度影响桥跨的孔数、长度。采用高桥台虽然减少桥长,但高桥台施工困难,而且其稳定性亦是隐患,并且台后填土圬工数量大,不均匀沉降难以避免。所以,山区应慎用高桥台。以下介绍几种常用桥台形式的运用情况。

3.4.1 重力式U形桥台

当路段地质条件相对简单,岩石风化程度低,地表覆盖层薄,且桥台处山坡自然坡度较缓,可考虑采用重力式U形桥台。设计时应注意,U台台高应控制在10m以内,尽量降低桥台填土高度,以消除沉降不均造成的桥头跳车现象。侧墙或接挡土墙或直接伸入山坡。U台侧墙均设置与路肩挡土墙相同的面坡,便于挡土墙与桥台的连续相接,同时,可提高大侧墙的抗倾覆稳定性。

3.4.2轻型桥台

当桥台处山坡陡峻,地表土层易松动、滑塌或地基承载力不能达到要求时,可采用桩柱式桥

台。通过增加桥跨将台身置于挖方路基段,无须台前设置护坡,台后也无须填土,自重轻且施工方便。

如果桥台仍有一定的高度,可考虑采用框架式组合桥台。此时,桥台与挡土墙用梁结合在一起,避免了台后大量的填土以及由此引起的不均匀沉降,且灵活设置桥台长度可适应地形的变化。也可以采用过梁式分离桥台,以适应跨度的变化。

4 有填土的桥梁设计

公路跨越位于山腰中的山涧冲沟、溪流时,需要设置桥涵。若设为桥梁跨过,则桥长可达数十米,且两端可能出现高桥台。此时,两端均为挖方路基段,大量开挖土石方需要清理、运走,而山区普遍缺乏弃土场地,在强调水土保持的今天尤显突出。在满足水文条件的情况下,改桥为涵,有时考虑兼作人行、汽车通道,如此涵洞跨径会超过5m,若设置为双孔涵洞,则中墩置于沟中,不利于洪水宣泄,因此出现单孔6、8m之类跨径的桥梁,为解决道路通行和排水要求,也可设置多孔。它解决了在高填方路段,建桥不合理、设涵又满足不了孔跨的要求,这种大跨径涵洞成功地解决了这个问题,同时合理地消化相当数量的废方,从整体上节约了造价。

这种形式的桥梁设计按高填土涵洞来考虑,参照涵洞设计,可采用拱式结构、板式结构、门式框架结构,即类似于拱涵、盖板涵、门型刚架。采用拱式结构时,按高填土拱涵设计。采用板式结构时,装配式钢筋混凝土预制板按两端简支板设计计算,不考虑涵台传来的水平力。其台身、基础均参照盖板涵设计。采用门式框架结构时,分别计算单一荷载作用下的框架内力,然后叠加为组合内力。计算桥上车辆荷载引起的竖向土压力时,车轮按其着地面积的边缘向下按30°角扩散,当几个车轮的扩散线相重叠时以最外边扩散线为准。在重庆水江至界石高速公路设计中,采用一定数量的此类桥梁,收到了良好的效果。

5 涵洞(通道)设计

山区因圆管涵预制、运输、安装均困难,因此不宜采用,而盖板涵或箱涵采用现场浇筑,在山区应尽量多采用。山区居民居住分散,为保障他们的通行方便,除设置足够数量的通道外,部分排水涵洞亦可兼作通道。此时,应注意涵洞的截面尺寸不宜过小,涵长不宜太长,并应保证涵洞内照明,以利行人安全。在设置挡墙的位置修建涵洞时,涵洞洞口与挡墙相交的部分,挡墙做成拱,以利于涵洞与挡墙的衔接。对于进、出洞口高程相差较大时,应设为阶梯涵,以降低涵轴纵坡,并减短涵长。

6 结语

山区桥涵设计存在的问题与平原微丘桥涵不大一样,有其自身的特点和规律。桥涵的设置与路线设计紧密相连,并服从于路线的走向,其设置位置、结构形式、建设规模等主要取决于路线的设计。桥梁的分孔跨径、上部构造形式、墩台的构造均应适应地形、地质条件的变化,综合考虑各种影响因素,做到因地制宜、因势利导。