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从表1可以看出,小箱梁是介于空心板和T梁之间的一种横断面形式。20米跨径时,T梁较为经济。30m跨径以下,三种横断面比较,基本也是上述规律。当然,这是山区的情况,平原地区则另当别论。平原地区受净空和桥台填土高度的限制,桥梁上构要求尽可能降低建筑高度,这样可以减小纵坡,降低路基填土高度,减少占地及降低路基处理难度,对土源缺乏,软基较多的平原地区有显著的经济性。20m空心板建筑高度最低,与路基综合起来比较具有优势,平原地区路网发达,分离式立交较多,空心板在美观方面优于另外两种断面,所以平原地区较多采用空心板。山区高速公路桥梁一般净空无严格限制,另外,山区高速公路平面半径较小,超高缓和路段不可避免会出现在桥上,如果选用空心板和小箱梁,架梁时一片梁四个支点不易调平,易造成支座脱空,受力不均匀的情况,所以山区高速公路桥梁标准横断面宜优先采用T梁。
2.桥梁下部构造设计
1)桥墩
高度较矮的桥墩(h<40m)多采用柱式墩,Y型薄壁墩,其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圆柱和方柱。圆柱施工中外观质量易控制,且与桩基衔接方便,平原地区用的较多。但从美观上来说,方柱有棱有角,与上构梁体协调,有一定的视线诱导性,较美观。从受力上看,截面积相等的方柱和圆柱,方柱抗弯刚度大于圆柱,受力优于圆柱,当体系为连续刚构时,方柱可以方便地通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度,从而达到调整墩柱受力的目的。圆柱为各向同性,调整起来效果差一些。方柱的缺点
是墩柱与桩基之间需通过桩帽连接,增加了工程数量,并且山区桥梁地面横坡都较陡,增加柱帽构造还会增加挖方工程量,引起边坡不稳,设计中应根据地形、上构结构形式、墩高综合考虑选用方柱或是圆柱。
Y型墩薄壁是独柱双支座的一种墩型,美观性较好,但施工稍显复杂。墩高较矮时,其施工既复杂又不美观所以少采用。当墩高较高时Y型薄壁墩施工只需一套模板,只需搭一个支架,对于地面横坡较陡,搭支架困难,模板需求量大的山区桥梁,Y型薄壁墩具有显著的优势。从预算定额中也可以看出,同高度的柱式墩与Y型薄壁墩相比,Y型薄壁墩的基价低。另外采用双柱墩时,由于地面横坡较陡,两个墩柱高度经常相差较大,由于线刚度EI/L差距大,导致一个墩两个墩柱受力差异较大,采用Y型薄壁墩,只一个墩柱,就避免了上述缺陷。也有人认为,上部的Y型承托节约材料并不多,却施工麻烦,宜设计为实体,权衡施工进度和质量、安全和节省材料及美观之间的关系,也未尝不可。不管外形如何,墩高较高时,采用独柱双支座外部形状Y型的薄壁墩较为适宜。
2)高墩
一般矮桥墩的设计由强度控制,但当墩高较高时,就必须得考虑桥墩的稳定问题。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62—2004)关于偏心受压柱条文说明5.3.10条指出,“当l0/h>30时,构件已由材料破坏变为失稳破坏。”l0为受压柱的有效长度,在0.5~2倍墩高之间变化,究竟取值多少,与施工状态、上构重量、上构和墩柱的连接方式即墩柱的支承刚度有关。大量的计算实验表明对于先简支后刚构(墩顶与上构为钢板焊接)和先简支后连续(墩顶与上构为橡胶支座连接)的多跨T梁桥来说,墩柱的有效长度l0=1.2~1.43l,l为墩柱高度,当l=40m且采用矩形截面h≥1.2~1.43×40/30=1.6~1.907m,h=50m时h≥2~2.383m,当墩厚大于2m时,实心矩形截面经济性降低,所以可以得出一个结论:墩柱为材料破坏时,采用实心矩形截面,其高度不宜超过50m。当墩高大于50m时,宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩,墩高超过65m左右时顺桥向应考虑放坡,因为采用等宽尺寸时施工虽然方便,但为了保证桥墩的稳定,墩柱和帽梁必将尺寸加大很多,这样材料会浪费较大。www.tmgc8.com
3)桥墩与路幅的关系
山区高速公路有整体式路基,也有分离式路基。目前路线选线越来越强调减少占地,环保、与景观协调的理念,除了中长隧道等设置分离式路基外,越来越多的采用整体式路基。整体式路基的双幅桥,一般情况下下构按分幅单独设计,即双幅四柱。对于高墩长桥,为了减少开挖,增强边坡稳定性,节约材料,降低造价,整体式下构即双幅两柱不失为一种较好的选择。与双幅四柱相比,在桥墩截面积及横向宽度相当的情况下,整体式下构横向和纵向刚度是分幅设置的两倍以上,除了可以减少开挖,节约材料、施工面少外,还能减少墩顶变位。当然整体式下构帽梁跨度较大,还须考虑车辆双向行驶时扭矩影响,帽梁需设置的强大一些。一座桥究竟是采用整体式下构还是分幅下构,需结合桥位处地形、地质、水文、墩高等多方面因素综合考虑。
4)桥台
山区高速公路桥梁桥台一般采用重力式U型台、肋板台、桩柱式台。其中以重力式U台最常用,根据《墩台与基础》规定,U台适应的填土范围为4—10m,所以U台的高度最好以10m控制。山区桥梁U台一个显著特征就是横向,纵向横坡陡,为了适应地形,减小开挖,节约圬工方量,U台设计时必须根据地形合理分台阶。桩柱式桥台由于抗推刚度小,当联长较长,台后填土高度较高时不宜使用,一般台后填土高度宜控制在5m以下,联长宜控制在150米以内。埋置式肋板台适应范围广一些,但也不宜太高,不宜超过12m。山区高速公路桥梁纵向地形陡峭,往往不能设置锥坡,这时采用桩柱式或肋板台会受到较大限制。当地质情况较差时,常常会出现U台下设置桩基的情况。
5)基础
山区高速公路桥梁最常用的基础仍为为扩大基础与桩基础。山区一般地质情况较好,采用扩大基础的情况相对较多,且宜采用分离式扩基础。因为分离式扩基础适应地形横坡,承载力亦能满足要求。斜坡上的扩大基础与桩基础必须考虑基础扩散角和覆盖层厚度以及施工时的相互影响。桩基础多为嵌岩桩和柱桩,地质情况较差地段采用摩擦桩。桩基础不管受力形式如何,施工方法上多是挖孔桩和钻孔桩。挖孔桩造价较节省,但设计中能否采用挖孔桩,应结合地质情况具体分析,当桩长较长;遇到流沙、软弱夹层多,卵石、漂石等容易造成塌孔的地质情况;地下水位较高、地层含有煤气、瓦斯等有害气体时不宜设计为挖孔桩。
三、结束语
山区高速公路桥梁设计有很多区别于平原桥梁的地方,也更有很多方面需要探讨,本文只是抛砖引玉,结合多年施工过程中遇到的设计方面的实际问题,提出一些解决方法,不正确之处,敬请同行批评指正。
参考文献:
1)项海帆等.公路桥梁抗风设计指南.人民交通出版社,1996
2)陈艾荣.黄鹏,项海帆.桥梁阵风风速系教研究.同济大学学报,Vol.26,No.3,1998