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摘要：本文介绍了高速公路桥梁设计的分类，阐述了高速公路桥梁的结构设计要点。
关键词：高速公路桥梁设计要点
Abstract: This paper introduces the classification of the highway bridge design, this paper the structure of the highway bridge design.
Key words: Highway; Bridge design; points
中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：
高速公路根据所处的地理环境不同，地质、地形和沿线水文情况也大相径庭。在不同的区段,对桥梁的使用功能有不同的要求。设计者要注意收集资料,要根据当地特点,多比较分析,采用符合实际的桥梁方案,使桥梁设计达到安全、适用、经济、美观的要求。
一、桥梁方案设计
高速公路桥梁按其使用功能可分为几类:跨越山谷的高架桥、跨河桥梁、跨线桥。现分类介绍如下:
1、跨越山谷的高架桥
该类型桥梁一般远离城市,对桥梁的美观方面要求相对较低,因此,可选用制作简单,施工方便的桥型方案。常用的上部结构有T型梁、空心板。对于跨越V型深谷的桥梁,可考虑采用大跨连续刚构方案,以减少桥墩个数,减小施工难度。如果地质条件好,也可考虑拱桥方案。
2、跨河桥梁:跨河桥梁主要根据水文状况确定桥梁方案。
对于无通航的河流,可选用结构简单、施工方便、造价较低的T型梁、空心板结构桥型。对于通航的河流,先确定了设计水位、通航等级后,再进行桥梁方案设计。对通航等级高的河流,常用的结构有大跨刚构箱梁、连续箱梁;通航等级低的河流,可采用跨径较大的T型梁方案。设计这类桥梁时,要根据主航道的位置及主流流向布设桥孔。
3、跨线桥有两类: ①高速路跨越等级路、等外路〔主线上跨桥) ; ②等级路、等外路跨越高速路(主线下穿桥) 。
在进行以上两类桥梁设计时,应注意了解被交叉路的等级、净空要求。根据被交叉路的等级,采用相应的桥型方案。
分离式桥梁对沿线的整体美观有一定影响。因此,要尽量选择造型美观的桥型。常用的上部结构有:斜腿刚构、连续板、连续箱梁。近年来,又陆续发展了一些新桥型,如脊骨梁、无桥台斜腿刚构、悬吊管桥、PC吊板桥等。分离式桥梁的下部结构一般比较轻巧,桥墩常采用独柱式墩,甚至不设墩;桥台形式根据桥型及地质条件确定。
二、高速公路桥梁设计要点
1、曲线、大纵坡长桥下的高墩变位控制
高墩桥采用的是柔性墩结构,设计中应重视桥梁的稳定性和变位问题。在曲线、大纵坡、高墩、长桥并存的情况下,这些变位除有与直桥相同的纵桥向变位、竖向压缩变位外,还包括曲线桥扭转产生墩顶横向变位、大纵坡下的向下移动变位、施工偏位等。这些变位在高墩长桥的情况下,尤其需要加以控制。
① 横桥向变位控制:对于悬臂施工的预应力混凝土连续箱梁曲线桥,悬臂施工时梁体产生向曲线内侧的扭转。桥梁合拢并在二期恒载作用下,箱梁向曲线外侧扭转。箱梁本身的这些扭转很小,但在高墩变形的联合作用下,扭转角却有明显增加,在产生扭转角的同时墩顶还产生较大的横向变位。墩的刚度越小,变位的递增率越大。因此,在高墩弯桥中,应重视桥墩在扭转变位中的影响。这些变位可以通过墩的刚度调整或设置墩的预偏加以控制。在刚度调整中,应综合考虑施工及运营时各种变位工况的相互关系,以达到安全、经济兼顾的目的。
② 纵桥向总体变位控制:对于大纵坡高墩长桥,除常规桥梁的纵桥向变位外,车辆长期单向行驶可能产生的桥梁体系不可恢复，累积变位是设计必须考虑的一个问题。刚柔是矛盾的两个方面,提高桥梁的刚度是减少桥梁变位较有效的措施,但刚度的增大必然增加投资，设计时应权衡利弊,合理协调整个体系配置。
③高墩初始偏位控制:在高墩长桥中,预应力混凝土结构收缩、徐变对体系变位的长期效应很显著。高墩桥成桥时的墩顶初始偏位,在后期的徐变中将有较大发展。它将对桥墩受力及体系的变位产生不利影响,设计及施工中应对成桥时的墩顶偏位加以控制。
在桥梁中,受地形限制,很可能出现多孔不等跨径的桥孔布局。某高架桥由于跨越悬崖,其中一联跨径布置为65m + 115 m + 155 m + 3 ×115 m + 65 m预应力混凝土连续刚构箱梁,中孔不等跨径成了单T悬臂施工箱梁的不平衡加载。墩两侧悬臂浇注的不平衡加载,在使两侧箱体产生挠度差的同时,也使桥墩产生偏移。对柔性高墩桥而言,这一偏移很明显。但如果纯粹为了施工的短期荷载增加墩的刚度,既不经济,成桥后的受力也未必合理。因此,应考虑在施工方案上加以调整。施工工序、加载量的合理设计可消除或减少其偏移量。通常可以通过调整施工中结构体系形成和压重的顺序,控制墩的变位方向。设计及施工可经过多方案比选,将墩顶偏位控制在最小范围。平衡跨的悬浇梁,也可能由于种种原因造成高墩墩顶的偏位。因此,悬浇梁桥的施工过程在注重上部构造变位控制的同时,应充分重视成桥时的墩顶偏位控制。
安装预制T梁时的推移也会使高墩产生墩顶偏位,在架设方案上应予以充分估计,采取相应的措施加以控制。
2、高墩弯曲稳定性计算问题
高墩桥的压弯稳定是设计中较为突出的问题。现行桥梁规范将其作为单墩稳定性计算的一个内容,反映在考虑压杆偏心增大系数后的极限承载能力计算中。而压杆偏心增大系数的一个关键内容是以杆件挠曲为特征的杆件计算长度的确定。在以往的计算中,总是习惯于按自由、铰接或固结考虑墩的约束来确定杆件的计算长度。实际上,目前,墩顶多采用可弹性变形的支座,对于高墩桥一般采用墩梁固结,但不论是设置支座还是墩梁固结,墩顶实际上均处于弹性约束状态。通过结构的整体分析可以了解到,杆件的计算长度除了取决于杆件的边界约束条件外,還取决于杆件自身的刚度。杆件的变形是体系综合变形的结果,应综合约束条件和墩身刚度,即体系的组合刚度加以确定。仅考虑墩的边界约束条件,忽略墩身刚度对约束及墩的变形的影响,或约束的假设与实际约束状态不符,均会造成杆件变形模拟上的差异。就矮墩而言,这一差异对结构设计的影响不很大,但对高墩来说,却很敏感。考虑墩身刚度,对于高墩桥梁尤其必要。
3、冲击力、制动力及抗震方面的考虑
长、大纵坡可能给汽车行驶和制动造成不利影响,而多梁式上部结构对外力的平衡能力差,由于曲线桥离心力的作用,外梁冲击系数大于内梁冲击系数,对下部构造产生较大的不平衡反力,使桥梁动态能量增加。长、大纵坡桥梁设计宜适当加大计算冲击力和制动力,且冲击力的计算应考虑结构的基本频率,采用结构基频的分析方法来确定。
弯坡下的刚构桥在墩梁固结处的受力较复杂,除考虑弯坡高墩长桥的受力特点外,还应注意该类桥的抗震特性,加强墩梁交接处的构造设计和配筋。注意到柔性体系总体变位可能给位于下坡末端的桥台以梁端顶力,宜加强桥台背墙设计。
4、桥面平顺措施
在大纵坡的交点上,由于竖向线形不平顺,会造成汽车冲击力动态增量加大。在曲线且大纵坡桥上,跨中动载冲击能量的增加,将增加曲线桥扭矩的影响。因此,纵坡变化点不宜设在跨中,而应设在支点附近。
为了减少桥面冲击动量,宜采用柔性桥面铺装。同时,应采用加强型的桥面铺装材料,避免桥面病害造成路面不平顺。
5、伸缩缝的设置
曲线桥由温度变化、混凝土收缩引起的伸缩,因内外侧梁长不同而不同,造成桥梁平面沿纵横向变形的矢量和方向变形。温度变化、混凝土收缩下的变形方向以体系的总体变形零点位置控制,反映到伸缩缝处,伸缩量存在横桥向的差异,造成伸缩量较直桥大。另外,大纵坡高墩长桥活载长期作用产生的累积变位较一般桥梁大。因此,曲线、大纵坡高墩长桥所选的伸缩装置变形量应比常规的桥梁大。
参考文献：
[1] 彭卫国. 山区高速公路桥梁设计中几个问题的探讨[J]. 公路交通科技(应用技术版). 2007(12)
[2] 王治军. 浅议桥梁设计中需要注意的几个关键问题[J]. 经营管理者. 2010(13)
关键词：高速公路桥梁设计要点
Abstract: This paper introduces the classification of the highway bridge design, this paper the structure of the highway bridge design.
Key words: Highway; Bridge design; points
中图分类号：U412.36+6 文献标识码：A 文章编号：
高速公路根据所处的地理环境不同，地质、地形和沿线水文情况也大相径庭。在不同的区段,对桥梁的使用功能有不同的要求。设计者要注意收集资料,要根据当地特点,多比较分析,采用符合实际的桥梁方案,使桥梁设计达到安全、适用、经济、美观的要求。
一、桥梁方案设计
高速公路桥梁按其使用功能可分为几类:跨越山谷的高架桥、跨河桥梁、跨线桥。现分类介绍如下:
1、跨越山谷的高架桥
该类型桥梁一般远离城市,对桥梁的美观方面要求相对较低,因此,可选用制作简单,施工方便的桥型方案。常用的上部结构有T型梁、空心板。对于跨越V型深谷的桥梁,可考虑采用大跨连续刚构方案,以减少桥墩个数,减小施工难度。如果地质条件好,也可考虑拱桥方案。
2、跨河桥梁:跨河桥梁主要根据水文状况确定桥梁方案。
对于无通航的河流,可选用结构简单、施工方便、造价较低的T型梁、空心板结构桥型。对于通航的河流,先确定了设计水位、通航等级后,再进行桥梁方案设计。对通航等级高的河流,常用的结构有大跨刚构箱梁、连续箱梁;通航等级低的河流,可采用跨径较大的T型梁方案。设计这类桥梁时,要根据主航道的位置及主流流向布设桥孔。
3、跨线桥有两类: ①高速路跨越等级路、等外路〔主线上跨桥) ; ②等级路、等外路跨越高速路(主线下穿桥) 。
在进行以上两类桥梁设计时,应注意了解被交叉路的等级、净空要求。根据被交叉路的等级,采用相应的桥型方案。
分离式桥梁对沿线的整体美观有一定影响。因此,要尽量选择造型美观的桥型。常用的上部结构有:斜腿刚构、连续板、连续箱梁。近年来,又陆续发展了一些新桥型,如脊骨梁、无桥台斜腿刚构、悬吊管桥、PC吊板桥等。分离式桥梁的下部结构一般比较轻巧,桥墩常采用独柱式墩,甚至不设墩;桥台形式根据桥型及地质条件确定。
二、高速公路桥梁设计要点
1、曲线、大纵坡长桥下的高墩变位控制
高墩桥采用的是柔性墩结构,设计中应重视桥梁的稳定性和变位问题。在曲线、大纵坡、高墩、长桥并存的情况下,这些变位除有与直桥相同的纵桥向变位、竖向压缩变位外,还包括曲线桥扭转产生墩顶横向变位、大纵坡下的向下移动变位、施工偏位等。这些变位在高墩长桥的情况下,尤其需要加以控制。
① 横桥向变位控制:对于悬臂施工的预应力混凝土连续箱梁曲线桥,悬臂施工时梁体产生向曲线内侧的扭转。桥梁合拢并在二期恒载作用下,箱梁向曲线外侧扭转。箱梁本身的这些扭转很小,但在高墩变形的联合作用下,扭转角却有明显增加,在产生扭转角的同时墩顶还产生较大的横向变位。墩的刚度越小,变位的递增率越大。因此,在高墩弯桥中,应重视桥墩在扭转变位中的影响。这些变位可以通过墩的刚度调整或设置墩的预偏加以控制。在刚度调整中,应综合考虑施工及运营时各种变位工况的相互关系,以达到安全、经济兼顾的目的。
② 纵桥向总体变位控制:对于大纵坡高墩长桥,除常规桥梁的纵桥向变位外,车辆长期单向行驶可能产生的桥梁体系不可恢复，累积变位是设计必须考虑的一个问题。刚柔是矛盾的两个方面,提高桥梁的刚度是减少桥梁变位较有效的措施,但刚度的增大必然增加投资，设计时应权衡利弊,合理协调整个体系配置。
③高墩初始偏位控制:在高墩长桥中,预应力混凝土结构收缩、徐变对体系变位的长期效应很显著。高墩桥成桥时的墩顶初始偏位,在后期的徐变中将有较大发展。它将对桥墩受力及体系的变位产生不利影响,设计及施工中应对成桥时的墩顶偏位加以控制。
在桥梁中,受地形限制,很可能出现多孔不等跨径的桥孔布局。某高架桥由于跨越悬崖,其中一联跨径布置为65m + 115 m + 155 m + 3 ×115 m + 65 m预应力混凝土连续刚构箱梁,中孔不等跨径成了单T悬臂施工箱梁的不平衡加载。墩两侧悬臂浇注的不平衡加载,在使两侧箱体产生挠度差的同时,也使桥墩产生偏移。对柔性高墩桥而言,这一偏移很明显。但如果纯粹为了施工的短期荷载增加墩的刚度,既不经济,成桥后的受力也未必合理。因此,应考虑在施工方案上加以调整。施工工序、加载量的合理设计可消除或减少其偏移量。通常可以通过调整施工中结构体系形成和压重的顺序,控制墩的变位方向。设计及施工可经过多方案比选,将墩顶偏位控制在最小范围。平衡跨的悬浇梁,也可能由于种种原因造成高墩墩顶的偏位。因此,悬浇梁桥的施工过程在注重上部构造变位控制的同时,应充分重视成桥时的墩顶偏位控制。
安装预制T梁时的推移也会使高墩产生墩顶偏位,在架设方案上应予以充分估计,采取相应的措施加以控制。
2、高墩弯曲稳定性计算问题
高墩桥的压弯稳定是设计中较为突出的问题。现行桥梁规范将其作为单墩稳定性计算的一个内容,反映在考虑压杆偏心增大系数后的极限承载能力计算中。而压杆偏心增大系数的一个关键内容是以杆件挠曲为特征的杆件计算长度的确定。在以往的计算中,总是习惯于按自由、铰接或固结考虑墩的约束来确定杆件的计算长度。实际上,目前,墩顶多采用可弹性变形的支座,对于高墩桥一般采用墩梁固结,但不论是设置支座还是墩梁固结,墩顶实际上均处于弹性约束状态。通过结构的整体分析可以了解到,杆件的计算长度除了取决于杆件的边界约束条件外,還取决于杆件自身的刚度。杆件的变形是体系综合变形的结果,应综合约束条件和墩身刚度,即体系的组合刚度加以确定。仅考虑墩的边界约束条件,忽略墩身刚度对约束及墩的变形的影响,或约束的假设与实际约束状态不符,均会造成杆件变形模拟上的差异。就矮墩而言,这一差异对结构设计的影响不很大,但对高墩来说,却很敏感。考虑墩身刚度,对于高墩桥梁尤其必要。
3、冲击力、制动力及抗震方面的考虑
长、大纵坡可能给汽车行驶和制动造成不利影响,而多梁式上部结构对外力的平衡能力差,由于曲线桥离心力的作用,外梁冲击系数大于内梁冲击系数,对下部构造产生较大的不平衡反力,使桥梁动态能量增加。长、大纵坡桥梁设计宜适当加大计算冲击力和制动力,且冲击力的计算应考虑结构的基本频率,采用结构基频的分析方法来确定。
弯坡下的刚构桥在墩梁固结处的受力较复杂,除考虑弯坡高墩长桥的受力特点外,还应注意该类桥的抗震特性,加强墩梁交接处的构造设计和配筋。注意到柔性体系总体变位可能给位于下坡末端的桥台以梁端顶力,宜加强桥台背墙设计。
4、桥面平顺措施
在大纵坡的交点上,由于竖向线形不平顺,会造成汽车冲击力动态增量加大。在曲线且大纵坡桥上,跨中动载冲击能量的增加,将增加曲线桥扭矩的影响。因此,纵坡变化点不宜设在跨中,而应设在支点附近。
为了减少桥面冲击动量,宜采用柔性桥面铺装。同时,应采用加强型的桥面铺装材料,避免桥面病害造成路面不平顺。
5、伸缩缝的设置
曲线桥由温度变化、混凝土收缩引起的伸缩,因内外侧梁长不同而不同,造成桥梁平面沿纵横向变形的矢量和方向变形。温度变化、混凝土收缩下的变形方向以体系的总体变形零点位置控制,反映到伸缩缝处,伸缩量存在横桥向的差异,造成伸缩量较直桥大。另外,大纵坡高墩长桥活载长期作用产生的累积变位较一般桥梁大。因此,曲线、大纵坡高墩长桥所选的伸缩装置变形量应比常规的桥梁大。
参考文献：
[1] 彭卫国. 山区高速公路桥梁设计中几个问题的探讨[J]. 公路交通科技(应用技术版). 2007(12)
[2] 王治军. 浅议桥梁设计中需要注意的几个关键问题[J]. 经营管理者. 2010(13)