山區(qū)高速公路橋型方案的選擇

山區(qū)高速公路橋型方案的選擇

0橋梁隧道占路線長度的比例大,橋梁隧道占路線長度的比例大隨著西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施，中國的道路在山區(qū)的建設越來越多。由于山區(qū)地形、地質(zhì)和水文條件復雜，橋梁隧道施工周期長占路線長度的很大一部分，部分山區(qū)高速公路的橋梁隧道施工長度為70%80%。因此處理好橋梁與路線、路基、隧道、交叉工程、交通工程、環(huán)保工程、造價等的相互關系,對設計一條山區(qū)高速公路成功與否尤為重要。1線路通路特點山區(qū)高速公路主要特點是地形、地質(zhì)、水文條件復雜。地形復雜,表現(xiàn)為溝壑眾多,地面高差變化大,橫坡陡。地質(zhì)復雜,表現(xiàn)為滑坡、崩塌、泥石流、巖溶、陡崖、斷層等不良地質(zhì)不同程度存在,巖性、巖石風化程度各有不同。水文復雜,表現(xiàn)為水系眾多,水文地質(zhì)、暴雨、洪水、泥沙沿路線不盡相同。山區(qū)高速公路往往是沿溪展線,受地形、地質(zhì)、水文的影響,路線布設時平縱橫三個方面普遍都受到約束,造成平曲線多,平面半徑較小,縱坡較大。路線反復沿河岸交替設線,斜、彎及縱向橋多;橫坡陡,半幅橋和半幅路基多;路線跨越眾多溝壑,高墩大跨多,墩臺形式多,因此橋梁設計中必須協(xié)調(diào)解決好橋梁各細部構造與地形、地質(zhì)、水文之間的關系,處理好與擋墻、隧道、交通設施、排水設施等其它構造物銜接,從而體現(xiàn)細部處理見設計水平的觀念。2橋梁與基礎設施和隧道的關系2.1橋梁方案比選問題山區(qū)高速公路橋梁在不受水文控制而只受地形控制時,路橋設置界限問題,一直是難以把握的關鍵問題,也是影響公路造價的重要因素。文獻強調(diào),“路基中心填方高度超過20m時,宜和橋梁做方案比選”,但在現(xiàn)實設計中,普遍由于工期緊,或認為橋梁跨越方案安全省事,就直接采用橋梁方案。實際上,對于地質(zhì)較好,雖填方高度超過20m,但收斂較快的V型峽谷,且橋隧相連地段,為消化隧道廢方,考慮路基方案可能比橋梁方案更安全經(jīng)濟,因為這樣的地形架橋,場地局限,難度大,橋比高填方施工進度優(yōu)勢不明顯;而對于寬而平緩地段,雖然填方高度可能不足20m,但如果需跨標段借方,運距遠,反而橋梁方案可能更安全經(jīng)濟。因此,對于填土高度超過20m的路段,應綜合比選后決定是否設置橋梁。2.2錯板式路基方案難實現(xiàn)山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭,雖可通過設計為左右幅路基不一樣高的錯臺路基來處理,但有時由于左右幅路基橫向交通要求,需要設置轉向車道,錯臺式路基方案不易實現(xiàn),這時就不可避免地會出現(xiàn)半幅橋。當最低一側填土高度15m左右時,應綜合地形、地質(zhì)、水文將擋墻、棄土方案與半幅橋做綜合比較后決定是否設置橋梁。2.3橋持續(xù)銜接—橋梁與隧道的關系山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭、地質(zhì)情況復雜、時常受水文因素控制。橋隧相接成為跨越河流轉U彎首選方案,即所謂兩橋一隧。此時橋隧必須相銜接。一般通過調(diào)整橋臺側墻長度。對于地形特別陡峭、隧道明洞已到極限時,可通過設置樁柱式臺、橋梁主梁置于隧道明洞基礎上來解決。3設計山地公路橋梁3.1這座橋的上部結構設計3.1.1空心板和小箱梁結構山區(qū)高速公路橋梁比重大,但大跨徑橋梁方案畢竟是少數(shù),絕大部分采用施工方便、造價經(jīng)濟的標準化、預制裝配化的結構,常用標準化、裝配化跨徑有6m、8m、10m、13m、16m、20m、25m、30m、40m。對于小于20m跨宜采用空心板;對于跨徑等于20m跨有空心板、小箱梁兩種可選;對于大于20m跨宜采用小箱梁。對于互通式立交中橋梁,平曲線能滿足預制裝配化結構應盡量采用,這對降低造價是有益的。3.1.2具體設計(1)跨徑橋梁的確定跨徑與墩高的關系按橋梁美學原則,一般比值在0.618~1之間。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁,應根據(jù)地形選擇一種跨徑,不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑,墩柱高度變化很大時,可采用相近跨徑進行組合。對于泄洪、通航等有特殊要求橋梁,應根據(jù)水利部門要求,合理確定橋梁跨徑。當一座橋梁有幾種跨徑可選時,應結合上下部結構做造價分析再作決策。(2)小橋墩、墩臺布置橋位處平面曲線半徑對橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大,主要表現(xiàn)為:①內(nèi)外弧差。②路線邊緣中矢高。對于小橋涵,墩臺平行布置,預制梁長相等。對于特大、大、中橋,墩臺徑向布置時,由于曲率半徑的影響,內(nèi)外梁長不等,半徑越小,內(nèi)外梁長差越大。解決此問題途徑一是根據(jù)平面半徑變化梁長,二是不變梁長通過加大帽梁,加大封錨端,加長現(xiàn)澆連續(xù)段處理。3.2橋梁底部結構設計3.2.1柱式墩的選用高度較矮(h≤40m)的橋墩多采用柱式墩。柱式墩根據(jù)外形,可分為圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制,且與樁基銜接方便,實際較多采用。從受力上看,截面積相等的方柱和圓柱,方柱抗彎剛度大于圓柱,受力優(yōu)于圓柱,當體系為連續(xù)剛構時,方柱可方便地通過調(diào)整兩個方向尺寸來調(diào)整墩柱的剛度,從而達到調(diào)整墩柱受力的目的。方柱的缺點是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接,增加了工程數(shù)量,并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡,增加柱帽構造還會增加挖方工程量,引起邊坡不穩(wěn),設計應綜合考慮選用方柱或圓柱。另外柱式墩還根據(jù)墩多少,分為獨柱、雙柱、多柱。對于常見路基寬度24.5m、26m,多采用雙柱墩。由于地面橫坡較陡,兩個墩柱高度相差較大,線剛度EI/L差距大,導致一個墩兩個墩柱受力差異較大時;山區(qū)河流狹窄,橋梁與河流斜角角度較大時;避讓特殊地物如舊路、光纜等均可采用獨柱。對于斜度較大,柱間距較大,這時應采用多柱。3.2.2墩柱與墩柱的連接方式一般矮橋墩設計由強度控制,但橋墩較高時,須考慮穩(wěn)定問題。文獻指出,“當L0/h>30時,構件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞”。L0為受壓柱的有效長度,在0.5~2倍墩高之間變化,究竟取值多少,這與施工狀態(tài)、上部構造重量、上部構造和墩柱的連接方式有關。大量的計算實驗表明,對于先簡支后剛構(墩頂與上構為鋼板焊接)和先簡支后連續(xù)(墩頂與上構為橡膠支座連接)的多跨箱梁橋來說,墩柱的有效長度L0=1.2~1.43L,L為墩柱高度,當L=40m且采用矩形截面時,h≥1.2~1.43×40/30=1.6~1.907m,h=50m時h≥2~2.383m,當墩厚大于2m時,實心矩形截面經(jīng)濟性降低。因此,當橋墩采用實心矩形截面時,高度不宜超過50m;當墩高大于50m時,宜采用空心薄壁墩截面。3.2.3整體式下建構目前路線選線越來越強調(diào)減少占地,環(huán)保、與景觀協(xié)調(diào)的理念,除了中長隧道等設置分離式路基外,越來越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋,一般情況下部構造按分幅單獨設計,即雙幅四柱。對于山區(qū)河流狹窄,橋梁與河流斜角角度較大時,整體式下部構造即雙幅兩柱較半幅獨柱,雖行洪效果兩者相似,但前者結構整體性好于后者。與雙幅四柱相比,在橋墩截面積及橫向寬度相當?shù)那闆r下,整體式下構橫向和縱向剛度是分幅設置的兩倍以上,除了可以減少開挖,節(jié)約材料、施工面少外,還能減少墩頂變位。當然整體式下構蓋梁跨度較大,須考慮車輛雙向行駛時扭矩影響,蓋梁結構尺寸、配筋設置需大些,另外施工難度較雙幅四柱大。另外,橋梁布設常見有斜橋斜布、斜橋正布,兩者對橋面最低標高要求不一致,體現(xiàn)在水文計算橋梁上部構造建筑高度時,斜橋斜布以主梁底控制,斜橋正布以蓋梁底控制。3.2.4u臺基底設計山區(qū)高速公路橋梁橋臺一般采用重力式U型臺、肋板臺、樁柱式臺。其中以重力式U臺最常用。山區(qū)橋梁U臺一個顯著特征就是橫向,縱向坡陡,為了適應地形,減小開挖,節(jié)約圬工量,U臺設計時必須根據(jù)地形合理分臺階。另外U臺設計應對基底承載力提出明確要求,若橋臺基底承載力不滿足設計要求,可采用基底換填、加深基礎、加高側墻等方法。樁柱式橋臺由于抗推剛度小,當聯(lián)長較長,臺后填土高度較高時不宜使用,一般臺后填土高度宜控制在5m以下,聯(lián)長宜控制在150m以內(nèi)。埋置式肋板臺適應范圍廣一些,但也不宜太高,不宜超過12m,對于橋臺高較高,可采用加厚肋板、增加肋板個數(shù),加粗樁徑等方法。高埋置式肋板臺選用必須與縮短橋長、地形、地質(zhì)、水文綜合考慮。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭,往往不能設置錐坡,這時采用樁柱式或肋板臺會受到較大限制。當?shù)刭|(zhì)情況較差時,也會出現(xiàn)U臺下設置樁基的情況。3.2.5斜坡上的樁基礎山區(qū)高速公路橋梁最常用的基礎仍為為擴大基礎與樁基礎。山區(qū)一般地質(zhì)情況較好,采用擴大基礎的情況相對較多,且宜采用分離式擴大基礎。因為分離式擴基礎易適應地形橫坡,承載力易滿足要求,亦能防止基底不均勻沉降。斜坡上的擴大基礎與樁基礎必須考慮基礎擴散角和覆蓋層厚度以及施工時的相互影響。樁基礎多為嵌巖樁和摩擦樁。樁基礎施工方法上多是挖孔樁和鉆孔樁。挖孔樁造價較節(jié)省,但設計中能否采用挖孔樁,應結合地質(zhì)情況具體分析,當樁長較長;遇到