公路装配式桥梁设计及优化策略分析

周凌

（江西省赣中公路勘察设计院有限公司，江西 吉安 343000）

0 引言

山区高速公路项目比较特殊，而桥梁建设施工要秉承安全、稳定的基本原则，在该基础上才能提高经济性、美观性以及施工效率。山区的特点是地形复杂，地理条件多样化，有大量的沟壑、山谷，坡度比较大，在遇水的作用下极易爆发滑坡、泥石流等自然灾害，对桥梁的正常施工和运行都造成巨大的影响。基于此，在公路装配式桥梁的设计中，对现场的特点要有足够的了解，以确定合适的优化设计方案，以提高施工设计水平。

1 装配式桥梁设计原则

根据山区的特点，在高速公路桥梁设计时应遵循如下几项原则。

1.1 标准化

桥梁项目如果占比较大，首先应该按照标准化设计、工厂化预制、装配化施工的原则进行，这样不仅可以降低项目建设成本，提高项目施工质量，还能缩短建设工期。

1.2 因地制宜

山区地带的地势条件变化比较大，还具有地质复杂性较高的特点，结构、材料、技术等方面应符合现场施工环境的运行需要。对施工现场进行全面勘察，考虑现场的实际情况选择最佳的结构形式以及施工材料，明确施工工艺方案，确保工程的质量和工期符合要求，以提升施工水平，减少工程设计变更数量，使得项目尽快施工。

1.3 路桥配合

高速公路项目中桥梁是必不可少的组成部分，也是关键性结构，所以在桥梁设计时应考虑到线形的连续性、均衡性，达到流畅设计的要求，且要确保路线设计时达到合理、美观的要求。比如，在桥位设计环节，不会出现桥位设计不合理而延长施工长度，或者增加桥梁跨度尺寸、提升难度等情况，确保结构设计达到合理性标准[1]。

1.4 提高资金利用率

山区地带的气候环境多变，地质复杂性高，尽量选择使用工厂化预制构件的方式，规避现场施工环境不利因素的影响，不仅可以提高现场施工速度，还能提高施工质量水平，并且缩短项目建设工期。但是在预制构件设计时，应考虑运输、安装以及现场连接等方面，以消除工程不利因素的影响。

1.5 布局新颖性

装配式桥梁设计理念已经非常成熟，在技术水平不断提升的背景下，除了应该确保桥梁可以正常使用外，还要加强外观造型的控制，与周边的自然环境融为一体，提升桥梁的美观性，实现桥梁与自然环境协同发展。

2 装配式桥梁设计要点

2.1 跨径的选择

就目前来说，桥梁设计和施工根据现场情况，主要采取标准化跨径的施工方式。

2.1.1 30m 内桥梁

对于跨径尺寸在30m 以下的桥梁，采用小箱梁结构形式进行设计最为普遍。

2.1.2 40m 以上桥梁

桥梁跨径尺寸超过40m 的情况，选择使用T 形梁极为重要。山区地形条件比较恶劣，在该环境下高速公路的平面半径比较小，如果桥梁施工中存在超高缓和段，小箱梁难以满足要求，容易出现梁体上各支点平整度有差异的情况，所以T 形梁最为适宜。

2.1.3 50m 以上桥梁

对于跨径在50m 以上的桥梁，T 形梁结构比较普遍，但是该形式也有局限性，比如小半径平曲线中有较为明显的内外梁长度差的问题，且跨中矢高比较大，无法和线路形式保持适宜性设置。

此外，山区地带交通状态比较差，基础设施不足，大型机具、运输车辆难以进入，而50m 跨径的T 形梁规格型号较大，单片梁重在150t 左右，要配置高性能架设设备，但现场施工很难达到这一要求，容易发生变形的问题，所以50m 跨径的桥梁并不会优先选择T形梁的形式。

以目前桥梁技术分析，在标准跨径基础之上做出改进，比如在某装配式桥梁中，桩基与悬崖距离为5～10m，施工后将左侧悬臂风化层清理掉，但是桩基与悬崖间距比较小，有些桩基存在裸露的情况。下部桩基的施工位置较为特殊，与悬崖壁表层间距不能达到3m。要想提升桩基与上部结构稳定性，采取合理的加固措施极为重要，经过检查没有任何问题后才能开展上部作业。对于下部有较大裂隙的情况，比较常见的方式是灌缝施工；下部存在松散岩体结构，该位置应用预应力锚索加固施工。但是以上处理措施难度较高，稍有不慎就会引发质量问题。在该施工环境条件下，如果在原标准跨径之下综合应用非标准跨径，可以规避不良地质，虽然建设成本略有提高，但是安全性更高，稳定性更好[2]。

2.2 墩台形式的选择

在现代化桥梁工程建设中，除了要加强质量控制，效率与成本也是重要指标。结合目前公路装配式桥梁的施工环境要求，合理优化桥梁的下部结构，以达到标准化施工的要求。桥墩高度不足20m 时，应用双柱式圆截面桥墩；高度在20～40m 时，采用实心矩形截面薄壁墩；对于现场施工环境较为特殊的情况，且桥墩高度超过40m，因此选择应用空心薄壁墩效果最好。现场施工环境比较复杂，为了适应地形剧烈变化的情况，在桥梁施工中选择应用大高度桥墩的形式。为了达到边坡稳定性，降低项目成本，采用全幅双柱式大挑臂墩的形式。

此外，现场施工要尽量避免对施工环境造成影响，不能对既有道路做出过大调整，可以选择使用道路穿越桥墩下方的设计方式，比如大跨径门式桥墩的形式。装配式桥梁施工中，为了能够与山区地形保持协调性，重力U 形台被广泛应用。按照我国的设计规范，该类型桥台应用的最佳填土范围是4～10m，说明在U 形台设计时高度要控制在10m 以下。为了尽量减少开挖量，防止基础开挖过度而引发滑塌的问题，在U 形台设计时，必须考虑现场的地形条件，合理进行分台，以达到施工的效果。

3 装配式桥梁设计中的特殊考虑因素

3.1 桥梁与高路堤的关系

除了水文因素外，现场施工的地形条件因素也会对山区高速公路建设造成较大的影响，路桥设置界限值极为重要，其关系到项目的建设成本，且威胁现场安全性。

因此，要加强路基中心填方高度的控制，如果在20m 以上，要对桥梁和路基方案进行对比分析，考虑现场的施工需要选择桥梁施工与路基填筑工艺方案，以达到结构性能的标准。如果现场地形以“U”形存在，并且横向坡度比较大，这时可以把路基边坡适当放远，但是也会造成填土运输距离增大的情况发生。为了提高边坡结构的稳定性，最好采用架桥的施工方式。如果现场施工地形条件为“V”形峡谷，这时路基设计更加重要，通过应用高填方路基方式提高施工水平，降低项目成本；如果选择应用架桥的施工方式，施工难度相对较高，且场地局限性较强，所以对于填方高度在20m 以上的情况是，要对现场进行综合评价，以确定合适的路基施工方案[3]。

3.2 陡边坡上的桥梁设计

地形横坡陡峭是目前山区工程比较典型的案例，有些工程的下半幅路填方高度较高，但是余下半幅应用浅埋的方式。对于该问题可以在半幅路段中增加桥梁结构来解决，余下半幅布置路基，同时还要设置挡土墙的结构，以满足桥梁工程的运行标准。

3.3 桥台设计

桥台设计方案要考虑到地形条件，因为山区的地形条件比较特殊，装配式桥梁在施工中，将桥台设置在山坡的位置上，因为横坡、纵坡的坡度较大，可以选择应用重力式U 形台。对于现场的边坡坡度比较缓和的情况，柱式台效果最佳；现场地势比较陡峭的情况，桩基础U 型台的效果较好。桥台对于整个桥梁的稳定性存在直接影响，所以必须落实桥台后方填土高度的控制，确保U 形台不超过8m，柱式台不超过5m。设计方案确定时要考虑地形特点，在应用U 形台时确定最佳的分台阶方案，降低项目建设成本；基础结构的施工极为重要，通过应用片石混凝土加固施工方式为主。对于各种影响装配式桥梁工程稳定性的因素来说，桥墩结构的影响比较大，所以要根据现场情况选择合适的桥墩类型。如果桥墩高差不足20m，选择双圆柱式桥墩形式为主，提高现场施工效果，确保和桩基础连接效果合格；桥墩高度在20～40m，采用薄壁墩即可，减少材料使用量，减轻自重，提高结构稳定性；桥墩高度在40m 以上，为了达到稳定的标准，选择空心矩形薄壁墩即可，该方法的特点是边坡稳定性较高，降低项目成本[4]。

3.4 支座设置

经过对以往的桥梁工程经验总结分析，很多情况下桥墩高度较高。因为公路纵坡较大，还会受到现场环境的影响，所以随着运营时间的延长，上部结构稳定性会降低，出现向下坡移动的情况，这时要应用主梁纵向限位结构以达到稳定性要求，比如墩梁固结。分联墩设置支座，该位置上施工因素比较多，比如扭矩形成的支反力、变位方向差异等。对于这些问题来说，应用盆式支座可以解决，较之板式支座更具耐久性，维护难度也会下降。

3.5 伸缩缝设置

桥梁施工现场的温度变化影响比较大，曲线桥极易出现伸缩的问题，内外侧梁的长度发生变化。此外，长大纵坡条件下，梁体容易发生位移问题。基于此，合理设置伸缩缝可以解决这些问题，提高桥梁的稳定性。

4 装配式桥梁设计的措施

4.1 完善设计方案

因为山区地形条件、自然环境都比较特殊，所以在设计方案确定前进行地形勘察极为重要，以勘察结果为基础，确定最佳的设计方案，以提高设计水平，保证桥梁工程的稳定性合格。目前的桥梁项目中，以大跨度桥梁与普通跨度桥梁为主。但是两者设计方式方面有较大的差异，所以桥梁设计时要考虑的因素也不同。通常来说，标准跨度桥梁多数都应用到山区桥梁工程中，其主要的特点设计效果更好，施工安全性更高，且投入成本较低。

4.2 不同桥梁设计要点

山区的地形条件比较特殊，桥梁设计要综合分析现场情况，以确定合适的设计方案。如果桥梁为弯曲、大纵坡的桥梁形式，在设计环节要考虑稳固性、变位的状态；大纵坡、长桥连接的情况下，随时监测位移变化，预防发生错位的问题，以提高施工效果。严格落实桥梁的设计管理，加强质量管理和控制，确保工程的质量合格，达到正常运营的标准，以符合工程的施工技术标准要求[5]。

5 案例分析

在山区桥梁的设计环节，设计人员考虑的核心就是上部结构构造的类型、下端墩柱类型方面，这既是提高桥梁性能和质量的关键，也是管理和维护的重点，所以必须加强桥梁结构形式选择和控制，以确保工程的质量合格。

5.1 工程概况

某山区公路中桥梁项目表现出两端低、中间高的变化趋势，海拔1365～1952m，沿途分布着河流、山谷、耕地等，整个桥梁项目按照山涧桥梁的形式进行设计，为了满足施工进度的要求，尽量采用装配式施工方式，运输到现场直接安装施工，不会对跨水断面以及桥下净宽造成影响，确保项目通行效果合格。

5.2 上部结构设计

对于中小跨度的桥梁来说，空心板、T 形梁、小箱梁是主要的结构形式，为了能够尽量地减少墩柱建设的数量，使用T 形梁与小箱梁的结构形式。下面对比两种施工方式优劣：一是施工难度对比。T 形梁使用后张法施工，吊装质量小、施工方便，且质量水平较高。小箱梁也是应用后张法施工，但是宽度尺寸大，模板组成复杂，起吊难度高，且现场施工工艺复杂，质量控制难度高。二是操作与维护对比。T 形梁施工技术比较成熟，运行与维护更加方便，在弯曲线上铺设施工效果好，在山区桥梁应用优势明显。小箱梁施工难度高，维护与管理工作复杂，施工工艺困难。综合分析，该工程项目采用装配式T 形梁的形式，跨度尺寸40m，总长292m，按40m×3+40m×4 设置。

5.3 下部构造设计

因为该桥梁项目需要跨越山川，桥两侧分布着梯田，所以为了避免过度占用农田，根据山区的特点进行分析，上部结构跨度40m，应用双柱式墩形式，直径为1.2m，高度为25.2m，地梁与中梁布置在中部位置。

6 结语

我国的地域面积比较广阔，不同地区的地形条件相差较大，所以导致公路桥梁建设难度升高。在公路桥梁的设计环节，选择使用装配式桥梁设计方案，对现场的地形条件展开分析，了解影响因素，并结合现场情况做出方案优化分析，以提升设计水平。同时还要加强现场施工的控制，落实施工工艺方案和技术措施，提高公路装配式桥梁的施工效果，为今后桥梁事业的高质量发展奠定基础。