论文部分内容阅读
【摘 要】 随着经济建设的快速发展，道路桥梁建设已经在我国基础建设中占据重要地位。其中以山区公路桥梁所占比重大，因此公路桥梁结构型式的选择也要因地制宜，以桥梁的功能性为桥式选择依据。桥梁的设计要根据当地的地理、环境、人文风俗来进行。本文根据工程实例阐述了桥梁方案设计需要注意的问题。
【关键词】 山区公路；桥梁设计；结构选型；原则
1、项目概况
某项目路线全长约42km，全线按二级公路技术标准设计新建，桥涵设计荷载为公路-II级，设计行车速度60公里/小时，路基标准宽度采用10米。桥涵与路基同宽。全线设大桥11座，中桥14座，小桥4座，分离立交2座，隧道1座。
沿线地形地貌复杂，整个路线地形是中段高，北、南两端低，北段属低山丘陖区，线路绕山脚而行，高程85～204米，属中山低区，位于褶皱隆起区，地形起伏剧烈，山体陡峭，沟壑纵横，切割剧烈，海拔高程200～500米之间；南段处褶皱带，山体呈波状起伏，海拔高程115～250米之间。
2、山区公路桥梁的特点
山区公路的主要特点是地形地质条件复杂。主要表现为高差大，冲沟发育、横坡陡峭，滑坡、崩塌现象常有发生，沟壑底部往往存在地基软弱、覆盖层厚且水系发达等不良地质。路线布设时由于受地形、地质、水文条件的影响，道路设计多沿溪展线，导致道路与河流反复交叉，加上道路布线时平纵横三个方向通常都受到约束，造成平曲线多，小半径，大纵坡，横坡陡，构造物多。因而山区公路桥梁也相应具有上述特点，斜、弯桥多、结构类型多、常出现超高、变宽桥；由于路线跨越众多沟壑，造成墩高、跨多，墩台地形复杂，施工场地狭窄、施工便道修建困难，个别路段出现桥隧相接等特点。给桥梁方案设计造成了一定的困难。
3、山区公路桥梁方案设计原则
山区公路桥梁方案设计的原则可以归结为：安全、适用、经济、环保、尽量采用标准化跨径。
安全是桥梁方案设计的首要原则。由于山区的自然条件和气象条件的复杂多变，在考虑常规荷载的同时，应特别注意边坡稳定对墩台稳定的影响；另外山区河流往往因为河道狭窄、河床比降大受季节降雨的影响河水常出现暴涨暴跌的情况，甚至出现树木壅塞河道、漂石顺流而下撞击桥墩的情况，山区公路涉水桥梁的水中墩应考虑上述情况对结构安全产生的不利影响。对于一些受地形条件限制的路段，桥梁的布设会出现高墩大跨结构，大纵坡处的高墩桥梁为防止上部构造纵向滑移往往采取墩梁固结方案，此时结构的整体刚度分配、墩台的稳定分析都是设计时必须考虑内容，也是保证结构安全的关键所在。
山区地形起伏，沟壑纵横，施工场地布设困难，因此山区桥梁应充分考虑工程所在地的地理环境和施工条件使桥梁方案设计方案技术可行、施工方便、经济合理。采用标准跨径的预制构件可以最大程度的节约工程造价，但因墩高过大导致下部结构造价过高时应适当加大跨径使桥梁更为经济合理，并采用无支架施工方案。桥梁建设应充分考虑保护自然环境，墩台施工避免因大填大挖导致的环境破坏，力求做到最小的破坏就是最大的保护。
4、山区公路桥梁方案设計
因山区公路地形、地质、水文条件复杂，因此要特别注意设计资料的收集工作。由于山高林密地形图往往存在一些偏差，资料收集时主设人员必须到现场实地调查（落实到每个墩台），做到心中有数。避免设计中出现差错。以下主要就桥梁结构的选型总结经验和体会。
4.1上部结构选型
在山区公路设计中，常用的有以下四种上部结构类型：简支体系、连续梁体系、连续刚构体系、拱式体系。
4.1.1简支体系及先简支后结构连续体系
通常公路桥梁大跨径方案毕竟是少数，绝大部分还是采用施工方便、造价经济的标准化、预制装配式结构。常用断面形式有空心板、T梁、小箱梁等。由于山区公路平面指标较低，超高路段不可避免会出现在桥上，若选用预制空心板和小箱梁，设计时应注意使同一梁端的支座水平且位于同一高程，避免出现支座脱空，受力不均匀的情况。
空心板跨径通常≤25m，因建筑高度小，在保证桥下净空的前提下可以减小桥头路基填土高度，减少占地，对保护山区有限的耕地资源有显著效果。但由于其经济跨径小，通常作为中、小桥首选上部结构类型。
T梁由于截面受力最为合理，较为经济。缺点是建筑高度大、景观效果较差，抗震性能较差，在无抗震要求且桥下净空不受限制的情况下选用。
小箱梁是介于空心板和T梁之间的一种横断面形式。常用跨径为25、30、40m，因其外形美观结、构刚度大、抗扭性能好、抗震性能好近几年来得到了广泛应用。
4.1.2连续梁及连续刚构体系
公路跨越U形深谷时，采用装配式结构导致桥墩数量多、类型复杂、造价过高时应适当加大跨径使桥梁更为经济合理，此时无支架施工的大跨径连续梁体系成为了首选。当墩高超过30米时可考虑通过墩梁固结改善上部结构受力从而降低造价。
山区公路曲线半径小，当超高、加宽过渡段不可避免的出现在桥上时采用装配式结构很难适应桥梁超高、加宽要求，此时现浇连续箱梁成为了最佳方案。
4.1.3拱式体系
对呈V型的山区深谷，且桥位处地质良好、基岩承载力高、覆盖层薄时，桥型方案应优先考虑拱式结构。大径跨拱式结构的造价相对优于其他同跨径的结构类型。
4.1.4上部结构选型实例
项目某高架桥，跨越V形山谷，谷底与设计线高差约40米，直线桥，地勘显示地质情况较好，中风化变质砂岩埋深较浅。沟底小河常年有水，源自上游不到一公里处的水库。下面着重进行桥型方案的比选。
方案一：3*40m装配式预应力砼小箱梁。上部采用先简支后连续箱梁，下部采用柱式墩桩基础，扩大基础桥台。工艺成熟，工期短。方案二：净跨80m箱肋拱。上部采用14*7m预制板，桥面连续，下部采用重力式桥台。工序复杂，施工控制难度大，工期长。 不难看出以上2个方案各有优缺点，由于谷底与设计线高差近40米，并需满足上游水库泄洪要求，考虑到该桥小桩号方向三公里范围内的其他三座高架桥均采用40m跨径小箱梁，小箱梁预制安装的问题均能解决。经综合考虑，最终推荐3*40m装配式小箱梁方案。
4.2下部结构选型
山区公路桥梁位于野外，结构景观效果的要求较城市桥梁低，墩台选型主要还是以经济适用为指导原则，并避免因大填大挖对环境的破坏。
4.2.1桥墩结构选型
桥墩结构形式主要根据桥墩高度来选择断面类型。根据以往工程经验，墩高小于40m时多采用柱式墩和Y型墩。柱式墩断面形式有圆柱和方柱。施工过程中圆柱的外观及施工质量较易控制，且便于与桩基衔接；方柱棱角分明与主梁相呼应，较为美观。结构受力方面：圆柱为各向同性，所用于斜、弯桥；方柱可通过调整顺桥向尺寸来调整墩柱的刚度以满足受力要求。Y型墩是独柱双支座的一种墩型，美观性较好，但因施工复杂，多用于对景观要求较高的城市桥梁。
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》条文说明5.3.10条指出：“当构件长细比l0/h>30时，构件已由材料破坏变为失稳破坏”。因此高墩设计不仅要考虑结构强度而且必须计算结构在偏心荷载作用下的是否稳定。根据现有工程经验：墩高超过40m时，桥墩采用空心薄壁矩形截面较为经济。但空心薄壁结构因施工复杂，导致工期增长。因此设计中应根据地形、上部结构形式、墩高、景观、和工期等因素综合考虑选用墩柱结构形状。
4.2.2桥台结构选型
山区公路桥台一般采用重力式桥台、柱式台、肋板式台。由于山区地形陡峭，桥台大填大挖势必造成植被大面积破坏，甚至诱发地质灾害。桥梁设计时宜适当增加桥长将桥台设置在挖方路段，即保证桥台结构安全又可以减小锥坡防护工程数量、降低施工难度，此时选择柱式桥台较为经济。采用重力式U台时桥台高度宜控制在10m以内；为减小土石方开挖和圬工数量，设计时应结合地形合理设置台阶。柱式桥台由于抗推能力較差，台后填土高度宜控制在5m以内。肋板台高度不宜超过12m，当因地形陡峭无法进行锥坡填筑时不宜采用肋板台。
4.2.3基础
桩基础是桥梁常用的基础类型。当墩台高较矮且持力层埋深浅、承载力高时在满足结构安全的前提下可设计成扩大基础。不管是桩基础还是扩大基础设计均应预留一定的安全储备，还应特别加强水文计算防止山洪冲刷影响基础安全。
4.3桥型方案设计实例
本项目某高架桥为全线控制性工程，桥梁连续跨越两个V型山谷，最大墩高68米，桥台附近山体陡峭。
桥梁初步设计采用24*40m等截面预应力连续箱梁，采用移动模架施工；墩高大于25m者采用实心薄壁墩，双排桩基础，墩高小于25m者采用矩形墩，单排桩基础；桥台采用肋式台，双排桩基础；桥梁全长967m。
施工图设计根据现场地形将桥跨优化为8*40+12*25+9*40m装配式小箱梁；跨越V型山谷时采用40m跨径，实心薄壁墩，双排桩基础；25m跨径墩高较矮采用圆柱式桥墩，桩基础；桥台采用柱式台，桩基础。桥梁全长987m。
方案优化后的优势：根据现场地形优化跨径布置从而使桥梁方案最为经济，施工工艺更加成熟、简单，工期短；桥长适当增加后桥台进入挖方区，消除了陡坡桥台存在的安全隐患；方案优化后造价节约400多万。
5、结语
桥型方案设计往往仁者见仁、智者见智，山区公路桥梁因建设条件的不同而各具特点，桥梁方案设计时应结合地形地貌、工期、造价、施工条件等因素综合考虑才能设计最合适的桥梁作品。根据自身工作经历及遇到的问题，总结经验，不足之处，敬请广大同行斧正。
参考文献：
[1]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]
【关键词】 山区公路；桥梁设计；结构选型；原则
1、项目概况
某项目路线全长约42km，全线按二级公路技术标准设计新建，桥涵设计荷载为公路-II级，设计行车速度60公里/小时，路基标准宽度采用10米。桥涵与路基同宽。全线设大桥11座，中桥14座，小桥4座，分离立交2座，隧道1座。
沿线地形地貌复杂，整个路线地形是中段高，北、南两端低，北段属低山丘陖区，线路绕山脚而行，高程85～204米，属中山低区，位于褶皱隆起区，地形起伏剧烈，山体陡峭，沟壑纵横，切割剧烈，海拔高程200～500米之间；南段处褶皱带，山体呈波状起伏，海拔高程115～250米之间。
2、山区公路桥梁的特点
山区公路的主要特点是地形地质条件复杂。主要表现为高差大，冲沟发育、横坡陡峭，滑坡、崩塌现象常有发生，沟壑底部往往存在地基软弱、覆盖层厚且水系发达等不良地质。路线布设时由于受地形、地质、水文条件的影响，道路设计多沿溪展线，导致道路与河流反复交叉，加上道路布线时平纵横三个方向通常都受到约束，造成平曲线多，小半径，大纵坡，横坡陡，构造物多。因而山区公路桥梁也相应具有上述特点，斜、弯桥多、结构类型多、常出现超高、变宽桥；由于路线跨越众多沟壑，造成墩高、跨多，墩台地形复杂，施工场地狭窄、施工便道修建困难，个别路段出现桥隧相接等特点。给桥梁方案设计造成了一定的困难。
3、山区公路桥梁方案设计原则
山区公路桥梁方案设计的原则可以归结为：安全、适用、经济、环保、尽量采用标准化跨径。
安全是桥梁方案设计的首要原则。由于山区的自然条件和气象条件的复杂多变，在考虑常规荷载的同时，应特别注意边坡稳定对墩台稳定的影响；另外山区河流往往因为河道狭窄、河床比降大受季节降雨的影响河水常出现暴涨暴跌的情况，甚至出现树木壅塞河道、漂石顺流而下撞击桥墩的情况，山区公路涉水桥梁的水中墩应考虑上述情况对结构安全产生的不利影响。对于一些受地形条件限制的路段，桥梁的布设会出现高墩大跨结构，大纵坡处的高墩桥梁为防止上部构造纵向滑移往往采取墩梁固结方案，此时结构的整体刚度分配、墩台的稳定分析都是设计时必须考虑内容，也是保证结构安全的关键所在。
山区地形起伏，沟壑纵横，施工场地布设困难，因此山区桥梁应充分考虑工程所在地的地理环境和施工条件使桥梁方案设计方案技术可行、施工方便、经济合理。采用标准跨径的预制构件可以最大程度的节约工程造价，但因墩高过大导致下部结构造价过高时应适当加大跨径使桥梁更为经济合理，并采用无支架施工方案。桥梁建设应充分考虑保护自然环境，墩台施工避免因大填大挖导致的环境破坏，力求做到最小的破坏就是最大的保护。
4、山区公路桥梁方案设計
因山区公路地形、地质、水文条件复杂，因此要特别注意设计资料的收集工作。由于山高林密地形图往往存在一些偏差，资料收集时主设人员必须到现场实地调查（落实到每个墩台），做到心中有数。避免设计中出现差错。以下主要就桥梁结构的选型总结经验和体会。
4.1上部结构选型
在山区公路设计中，常用的有以下四种上部结构类型：简支体系、连续梁体系、连续刚构体系、拱式体系。
4.1.1简支体系及先简支后结构连续体系
通常公路桥梁大跨径方案毕竟是少数，绝大部分还是采用施工方便、造价经济的标准化、预制装配式结构。常用断面形式有空心板、T梁、小箱梁等。由于山区公路平面指标较低，超高路段不可避免会出现在桥上，若选用预制空心板和小箱梁，设计时应注意使同一梁端的支座水平且位于同一高程，避免出现支座脱空，受力不均匀的情况。
空心板跨径通常≤25m，因建筑高度小，在保证桥下净空的前提下可以减小桥头路基填土高度，减少占地，对保护山区有限的耕地资源有显著效果。但由于其经济跨径小，通常作为中、小桥首选上部结构类型。
T梁由于截面受力最为合理，较为经济。缺点是建筑高度大、景观效果较差，抗震性能较差，在无抗震要求且桥下净空不受限制的情况下选用。
小箱梁是介于空心板和T梁之间的一种横断面形式。常用跨径为25、30、40m，因其外形美观结、构刚度大、抗扭性能好、抗震性能好近几年来得到了广泛应用。
4.1.2连续梁及连续刚构体系
公路跨越U形深谷时，采用装配式结构导致桥墩数量多、类型复杂、造价过高时应适当加大跨径使桥梁更为经济合理，此时无支架施工的大跨径连续梁体系成为了首选。当墩高超过30米时可考虑通过墩梁固结改善上部结构受力从而降低造价。
山区公路曲线半径小，当超高、加宽过渡段不可避免的出现在桥上时采用装配式结构很难适应桥梁超高、加宽要求，此时现浇连续箱梁成为了最佳方案。
4.1.3拱式体系
对呈V型的山区深谷，且桥位处地质良好、基岩承载力高、覆盖层薄时，桥型方案应优先考虑拱式结构。大径跨拱式结构的造价相对优于其他同跨径的结构类型。
4.1.4上部结构选型实例
项目某高架桥，跨越V形山谷，谷底与设计线高差约40米，直线桥，地勘显示地质情况较好，中风化变质砂岩埋深较浅。沟底小河常年有水，源自上游不到一公里处的水库。下面着重进行桥型方案的比选。
方案一：3*40m装配式预应力砼小箱梁。上部采用先简支后连续箱梁，下部采用柱式墩桩基础，扩大基础桥台。工艺成熟，工期短。方案二：净跨80m箱肋拱。上部采用14*7m预制板，桥面连续，下部采用重力式桥台。工序复杂，施工控制难度大，工期长。 不难看出以上2个方案各有优缺点，由于谷底与设计线高差近40米，并需满足上游水库泄洪要求，考虑到该桥小桩号方向三公里范围内的其他三座高架桥均采用40m跨径小箱梁，小箱梁预制安装的问题均能解决。经综合考虑，最终推荐3*40m装配式小箱梁方案。
4.2下部结构选型
山区公路桥梁位于野外，结构景观效果的要求较城市桥梁低，墩台选型主要还是以经济适用为指导原则，并避免因大填大挖对环境的破坏。
4.2.1桥墩结构选型
桥墩结构形式主要根据桥墩高度来选择断面类型。根据以往工程经验，墩高小于40m时多采用柱式墩和Y型墩。柱式墩断面形式有圆柱和方柱。施工过程中圆柱的外观及施工质量较易控制，且便于与桩基衔接；方柱棱角分明与主梁相呼应，较为美观。结构受力方面：圆柱为各向同性，所用于斜、弯桥；方柱可通过调整顺桥向尺寸来调整墩柱的刚度以满足受力要求。Y型墩是独柱双支座的一种墩型，美观性较好，但因施工复杂，多用于对景观要求较高的城市桥梁。
《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》条文说明5.3.10条指出：“当构件长细比l0/h>30时，构件已由材料破坏变为失稳破坏”。因此高墩设计不仅要考虑结构强度而且必须计算结构在偏心荷载作用下的是否稳定。根据现有工程经验：墩高超过40m时，桥墩采用空心薄壁矩形截面较为经济。但空心薄壁结构因施工复杂，导致工期增长。因此设计中应根据地形、上部结构形式、墩高、景观、和工期等因素综合考虑选用墩柱结构形状。
4.2.2桥台结构选型
山区公路桥台一般采用重力式桥台、柱式台、肋板式台。由于山区地形陡峭，桥台大填大挖势必造成植被大面积破坏，甚至诱发地质灾害。桥梁设计时宜适当增加桥长将桥台设置在挖方路段，即保证桥台结构安全又可以减小锥坡防护工程数量、降低施工难度，此时选择柱式桥台较为经济。采用重力式U台时桥台高度宜控制在10m以内；为减小土石方开挖和圬工数量，设计时应结合地形合理设置台阶。柱式桥台由于抗推能力較差，台后填土高度宜控制在5m以内。肋板台高度不宜超过12m，当因地形陡峭无法进行锥坡填筑时不宜采用肋板台。
4.2.3基础
桩基础是桥梁常用的基础类型。当墩台高较矮且持力层埋深浅、承载力高时在满足结构安全的前提下可设计成扩大基础。不管是桩基础还是扩大基础设计均应预留一定的安全储备，还应特别加强水文计算防止山洪冲刷影响基础安全。
4.3桥型方案设计实例
本项目某高架桥为全线控制性工程，桥梁连续跨越两个V型山谷，最大墩高68米，桥台附近山体陡峭。
桥梁初步设计采用24*40m等截面预应力连续箱梁，采用移动模架施工；墩高大于25m者采用实心薄壁墩，双排桩基础，墩高小于25m者采用矩形墩，单排桩基础；桥台采用肋式台，双排桩基础；桥梁全长967m。
施工图设计根据现场地形将桥跨优化为8*40+12*25+9*40m装配式小箱梁；跨越V型山谷时采用40m跨径，实心薄壁墩，双排桩基础；25m跨径墩高较矮采用圆柱式桥墩，桩基础；桥台采用柱式台，桩基础。桥梁全长987m。
方案优化后的优势：根据现场地形优化跨径布置从而使桥梁方案最为经济，施工工艺更加成熟、简单，工期短；桥长适当增加后桥台进入挖方区，消除了陡坡桥台存在的安全隐患；方案优化后造价节约400多万。
5、结语
桥型方案设计往往仁者见仁、智者见智，山区公路桥梁因建设条件的不同而各具特点，桥梁方案设计时应结合地形地貌、工期、造价、施工条件等因素综合考虑才能设计最合适的桥梁作品。根据自身工作经历及遇到的问题，总结经验，不足之处，敬请广大同行斧正。
参考文献：
[1]JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S]