永吉高速公路桥梁设计探讨

徐咏梅

（河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南 郑州 450052）

0 引言

永顺至吉首高速公路位于湖南省西部，全线位于湘西州境内。北与在建的龙山至永顺高速公路对接，南与吉首至茶洞高速公路对接，路基宽24.5m，河南省交通规划勘察设计院有限责任公司承担设计为罗依稀至默戎镇段。全线共有特大、大、中桥36座，桥梁比例占全线的47.5%，2／3桥跨为20～40m先简支后结构连续的预制结构，1／3为连续刚构；最大墩高为119m，桥梁最小平曲线半径为400m，最大纵坡为40%，最大横坡为6%，全线多数桥梁跨越沟谷，与沟谷并行的高架桥或不宜采用路堤方案而设置的高架桥，仅有少数为跨越较大河流和道路的桥梁。

本项目所经地区为山岭重丘区，地形起伏复杂，沟壑纵横，纵、横断面高差相对较大；地质复杂，表现为岩溶、滑坡、不稳定斜坡、陡崖、采矿区等不良地质。受此影响，路线布设时平纵横三个方面都受到约束，平曲线多、平面半径小、纵坡大、桥梁比例高、横坡陡、桥墩较高、墩台形式多、半边桥和高挡墙多等山区高速公路桥梁的特点，因此本项目能否顺利实施，桥梁设计是关键制约技术之一。

1 结构体系特性

山区高速公路桥梁多为长、弯、坡桥，曲线梁桥在弯扭耦合作用下，具有沿某一不动点变形的趋势，单向行驶的大纵坡长桥在长期反复汽车制动力作用下，梁体具有沿汽车行驶方向滑移的趋势，若采用全连续结构，即上下构之间为橡胶支座连接时，这种滑移趋势往往造成梁体受力不平衡，支座脱空甚至破坏，从而导致梁体开裂。因此山区高速公路桥梁宜采用先简支后结构连续或墩梁固结的连续一刚构混合体系，既适应平面线形，又适应桥梁受力特点。

全刚构体系由于一座桥梁墩高相差较大，需要通过边跨合拢前后加卸载、中跨合拢前顶推主梁的方法来调整墩身的受力，施工相对复杂。全连续结构联长不宜过长，舒适性差，墩台水平位移较大，墩柱尺寸设计的相对较大，造成材料浪费。

为保证行车舒适，结构安全、耐久、经济，永吉高速公路桥梁主要采用先简支后结构连续体系，对于纵坡大于2.5%或平曲线半径较小的桥梁，联内较高的中墩作墩梁固结，增强桥梁的整体性，限制梁体纵向滑移。

2 桥梁结构设计

2.1 桥梁上部结构设计

2.1.1 一般设计原则

山区高速公路，桥梁所占比重大，但大跨径桥梁方案毕竟是少数，绝大部分还是采用施工方便、造价经济的标准化、预制装配化结构。大跨径桥梁一般是控制因素不同，方案也各不相同，具有较强的个性特征，而标准跨径桥则具有共性特征，所以本文重点探讨标准化、装配化桥梁的设计。

根据永吉高速公路的特点：桥梁比例大、长桥多，且墩高一般在20～50m，常规桥50m以上墩高不多，为减少施工难度，加快施工进度，降低工程造价，以及考虑到高跨比等因素，故选择20m、30m、40m作为桥梁跨径。20m跨径对应20m以下的桥梁，30m跨径对应墩高在20～40m之间的桥梁，40m跨径对应墩高在40m以上的桥梁。可以用较少的跨径类型来满足绝大部分桥梁。

2.1.2 空心板、T梁和装配箱梁选择

装配式桥梁横断面型式有空心板、T梁和装配箱梁，同一种跨径所应采用的横断面可通过对4孔－联的24.5m路基宽半幅桥的造价对比（见表1）进行选择。

由表1可知，装配箱梁是介于空心板和T梁之间的一种横断面形式。20m跨径时，T梁造价比空心板高20%，装配箱梁造价比空心板高11%，空心板较为经济。

表1 24.5m路基宽半幅桥的造价对比表

根据工程数量和造价比较可以看出，同跨径T梁的经济性均比箱梁略差，但两者造价相差不大，跨径20m、30m、40m的T梁比装配箱梁造价高10%～14%。跨径20m的桥梁数量不多，且桥长不长，一般为跨越道路或水沟，所在地形起伏不大，考虑到空心板经济技术指标较T梁、装配箱梁有优势，且安装重量轻，建筑高度最低，施工机具简单，架设安装方便，美观方面优于其他两种断面，因此跨径20m桥梁上部结构选用空心板。

永吉高速公路为山区高速公路，其平面曲线半径小，大多数桥梁位于超高渐变或扭坡段上，若选用装配箱梁，架梁时一片梁四个支点不宜调平，易造成支座脱空、受力不均匀的情况。且装配箱梁的安装重量较大，运输、施工场地布设极其困难，后期维修养护困难，随着跨径的增大，其施工安装难度也相应增大；T梁安装重量较轻，施工简单、便捷安全，耐久性好，施工工艺成熟，跨越能力大，结构刚度大，对施工场地要求较低，曲线上T梁边梁的悬臂长度和墩顶连续段长度的调整较为方便，先简支后结构连续的设置及施工较装配箱梁简单，可以更好的适应山区高速公路弯道多、半径小、桥墩高的特点，因此本项目采用T梁作为30m、40m跨径桥梁的上部构造。

2.2 桥梁下部结构设计

2.2.1 桥墩

本项目由于地形条件的限制，梁墩高一般在20～60m之间，为了尽可能的标准化和统一化，墩高在45m以下，桥墩形式基本以双柱式墩为主。柱式墩是目前公路桥梁中广泛采用的桥墩形式，其结构稳定性好，施工方便、结构轻巧、外型美观，桥墩布设灵活性大，可适应不同类型的基础。采用双柱墩可减小曲率和纵向水平力的影响。对于墩高45m以上的桥墩推荐采用矩形空心薄壁墩，设计考虑了其稳定性以及墩顶因活载或温度荷载产生过大的水平位移对上部结构产生不利影响。

2.2.2 桥台

山区高速公路由于纵横向地形起伏大，地势陡峭，桥台应基本伸入切方中。为避免因桥台设置引起的大面积山体开挖和台前锥坡的不稳定性，桥梁布孔时应适当增加桥长，尽量采用无填土高度的桥台，如伸入切方中的柱式台。只有在纵横向地形起伏不大，且地质情况良好无顺层坡的情况下，才采用重力台。

2.2.3 基础

扩大基础与桩基础是山区桥梁最常用的基础类型。本项目沿线山岭区地质条件较好，板岩、灰岩承载力较大，一般可满足扩大基础的要求。桥台采用扩大基础时，由于受地面纵、横向坡度和岩性差异的影响，基础宜分幅设置，纵、横向亦可以采用台阶形式。多数高架桥跨深沟或位于隧道进出口等地形复杂路段，地面纵横向坡度较陡，如采用扩大基础，两侧基础埋深相差很大，易引起基底受力不均匀；且基础施工工作面大，基坑开挖工程量大，严重破坏山体、植被，造成水土流失和水体污染，对环境的破坏相当严重；由于山体横坡较陡，基坑开挖后高边坡也存在着防护困难、工程量大，边坡稳定性和安全等问题。因此，从施工难易程度、结构安全性、工程造价和环境保护等方面综合考虑，本项目桥墩基础统一采用桩基础。

3 桥梁设计的一般原则

3.1 山区高速公路桥梁很多不受水文控制而只受地形控制，因此不宜采用路基方案而设置为高架桥，路桥设置界限问题，一直是难以把握的关键问题，也是影响工程造价的问题。实际上，对于地质情况较好，虽然填方中心高度为30m，但收敛较快的V型峡谷，且桥隧相连地段，为消化隧道废方，考虑路基方案可能比桥梁方案更安全更经济。而对于宽而平缓地段，虽然填方高度只是20m左右，填方基底还需花大量资金处理的路段，反而考虑桥梁方案可能更安全更经济。对于填土高度超过20m的路段，应根据地形、地质、前后构造物、前后路段的废方量、工程造价、环境保护和自然景观等进行综合比选后决定是否设置桥梁。

3.2 在同一标段内，桥梁的孔径与式样力求统一，同时应使其总造价较低；在同一座桥梁中，除通航或其他要求外，应尽量采用相同的结构并且等跨；对于跨度不超过30m、40m的简支梁桥，其跨度应采用标准跨度。以方便设计与施工，取得良好的经济效益。

3.3 对于半幅桥左右墩柱高差大的桥墩，应保证同一标高处墩柱截面尺寸一致，其余部分加大截面尺寸，避免墩柱刚度差别过大造成上部构造变形不协调。

3.4 桥墩基础，嵌岩桩采用嵌固深度和基岩强度为双控指标，对于陡坡位置，需按桩基础外缘距离中风化岩面陡坡5倍桩径的安全距离深度处计算有效嵌岩深度；摩擦桩要求：桩基应位于稳定的坡体上，桩基应满足在5倍桩径之外边坡深度处计算承载力。

3.5 陡坡位置空心墩承台，为减少开挖、防护，避免开挖造成的边坡不稳定，横向较低半幅承台上抬，做成“高桩承台”。

4 结语

桥型设计本身就是一项复杂和灵活的工作，对于永吉高速公路这样的山区高速公路，具有曲线半径小、超高大、纵坡大、高墩和长桥等特征的桥梁设计，有很多新的问题需要进一步的探讨和研究。本文结合以往的工程经验和设计中遇到的一些实际问题，提出一些见解和思路，可供设计人员参考。

[1]JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[3]霍明.山区高速公路勘察设计指南[M].2003版.北京：人民交通出版社，2003.