山区高速公路桥梁设计分析

山区高速公路桥梁设计分析

宝汉公路秦岭山区地形、地质复杂，地形起伏大。陡峭的溪流深度、频繁的变化和陡坡陡峭，陡坡、不稳定斜坡、坍塌和陡峭崖等不良地质现象普遍存在。宝汉高速公路受地形、地质和高速公路线形标准制约,在穿山越岭中遇山凿洞,逢沟谷溪流架桥,桥梁在路线中所占比例大。桥梁在跨越深谷时往往受桥位场地狭窄的限制,且桥梁平纵线形受地形影响较突出,因此弯坡斜桥多、高墩长桥多、墩台形式多,成为宝汉高速公路秦岭山区桥梁的一大特点。1桥型方案设计宝汉高速公路桥梁布孔充分考虑山岭区特点,以安全、经济、适用、美观和环境保护为原则,根据桥址线形、地形、地质、材料来源、施工特点及运营要求确定。不追求大跨径,尽量做到标准化、系统化,便于施工,同时注意造型美观并与周围环境相协调。秦岭山区地形起伏变化频繁,通常应根据地形选择一种跨径,不宜根据墩高而频繁调整,当墩高变化很大时,可以采用2种跨径进行组合。当一座桥有几种跨径方案可以选择时,应结合上下部结构进行造价分析,综合比较后再做取舍,同时应尽量采用标准跨径。桥跨结构的选择需考虑抗震因素,应重视上部跨径与下部墩高的高跨比的选择,在无特殊要求时尽量采用经济跨径。桥型方案选择应充分考虑施工场地、施工工艺及工期,避免设计与施工脱节。桥梁上部结构主要采用先简支后连续预应力混凝土空心板、小箱梁、T梁,便于集中预制,分散安装,方便施工,缩短工期,降低造价。2受内部因素桥梁上部结构体系的选择,应结合桥梁具体情况,综合考虑其受力特点和经济性。宝汉高速公路上的桥梁多为弯、坡、斜桥,交通运输和场地预制等条件较差,上部结构应尽量采用标准化、装配化设计,施工便利,节省造价。(1)特征梁的种类装配式结构在中小跨径桥梁中具有造价低、施工方便的特点,容易实现工业化、标准化生产,是山区高速公路桥梁的常用形式。通常有空心板、组合箱梁、T梁等。中小跨径桥梁优先考虑先简支后连续结构,具有适应路线平面线形和路基不同宽度,并实现了中、边跨的标准化设计、施工,且适应桥梁的受力特点,还便于施工等优点,是宝汉高速公路桥梁的首选桥型。(2)养护特点特点现浇预应力混凝土连续箱梁桥具有跨径较大、桥面接缝少、梁高小、刚度大、整体性强、外形美观、便于养护等特点。预应力混凝土连续梁桥的箱型截面适合于桥面宽度变化大的桥,而且箱梁能在独柱墩上建成弯、斜桥,因此互通式立交的匝道桥、跨线桥等广泛应用预应力混凝土连续梁桥。(3)刚构箱梁对于大跨径桥梁,悬臂浇注或悬臂拼装的连续(刚构)箱梁无疑是一种优选的桥型。该类桥型几乎不受交通运输和预制场地等条件的限制,也无需大型的吊装机具,施工方便,受力明确、合理。3桥梁与平台设计3.1桥台或桥柱式桥台秦岭山区地形起伏大,特别是横坡较陡,桥台尽可能伸进山体,增强其稳定性,避免桥头跳车、桥头填土溜坡困难(即“剥山皮现象”)或挡土墙设置困难。桥台应顺应地形的变化,当桥梁与路基挡土墙、隧道连接时,桥台的结构形式应适应衔接的需要。当桥台处地面坡度较陡,易崩塌时,为保证桥台的安全与稳定,应优先采取加长桥孔的措施,并降低桥台高度,以策安全。桥台和陡坡边缘距离宜控制在5~10m。既确保桥台的安全,又方便路基压实施工,减少桥头防护难度。宝汉高速公路桥梁的桥台一般采用U形桥台、肋板式桥台、桩柱式桥台和简易式桥台(一字台)等,桩基础或扩大基础。桥头锥坡和台前溜坡均采用M10浆砌片石防护。大、中桥桥桥头设C20混凝土人行踏步(兼水簸箕)。当锥坡基础低于设计水位时,桥台锥坡面层采用C20片石混凝土防护,并加深锥坡基础的埋置深度至最低冲刷线以下。当桥位处地质条件相对简单,岩石风化程度低,地表覆盖层薄,且桥台处山体自然坡度较缓,可考虑采用U形桥台。宝汉高速公路桥梁U形桥台高度一般不超过8m,尽量降低填土高度,以消除沉降不均匀造成的桥头跳车现象。U形桥台侧墙或接挡墙或直接伸入山体。U形桥台侧墙接路肩式挡墙时,设置与路肩式挡土墙相同的面坡,便于挡土墙与桥台的连续相接,同时,可提高侧墙的抗倾覆稳定性。当桥台地面横坡较大时,为了适应地形,减小开挖,节约圬工数量,U形桥台设计应根据地形合理划分台阶。肋板式桥台的承台埋置不宜太深,一般承台底面埋入地面以下1.0m左右。当台帽顶至原地面高度大于9m时,应先对承台填土夯实处理,密度同路床要求,抬升承台于夯实土层中,保证桥台高度小于9m。当桥台处地表土层易松动、滑塌或地基承载力不能达到要求时,可采用桩柱式桥台。通过增加桥跨将台身置于挖方路段,无须台前设置护坡,台后也无须填土,自重轻且施工方便。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150m以内。当桥台处地面横坡陡峭或横向有陡坎时,左、右幅桥梁宜根据各自地面高度分别选用桥台形式,一般地面高处选用桩柱式桥台,地面低处选用肋板式桥台。秦岭山区高速公路常常遇桥隧相接的情况,而且往往桥隧接合处位于陡峭的山坡上,在这种位置设置桥台面临很大的困难,同时面临桥梁边墩与隧道如何相接的问题。此时可将桥台做成一个枕梁,既有利于结构受力,又有利于地基处理,事半功倍。3.2桥墩结构形式的选择宝汉高速公路桥梁上部构造大多采用装配式预应力混凝土先简支后结构连续箱梁,对桥墩的重要控制因素为纵向水平力,按集成刚度法分配给各支座及墩顶。值得注意的是,墩顶设单排橡胶支座,混凝土的收缩、徐变和降温作用产生的纵向水平力在各墩的分配规律与汽车制动力的分配规律是不同的,究竟是高墩不利还是低墩不利,需要通过计算才能确定。在桥墩的类型选择上,结合中交一公院多年以来山区高速公路桥梁设计的成功经验,并结合本项目桥墩高度的实际情况,宝汉高速公路桥梁的桥墩主要采用圆柱墩和空心薄壁墩。圆柱墩具有外形整洁美观,与地形适应性强,施工工艺简单、滑模施工便捷、与桩基衔接好的特点;空心薄壁墩具有刚度较大、滑模提升速度快、施工稳定性好、可较好地适应高墩稳定性要求。桥墩高度小于35m的桥墩多采用圆柱式桥墩,配桩基础。墩柱直径应根据不同墩柱高度采用不同直径,但同一桥梁为施工方便尽量采用统一墩柱。桥墩高度大于35m时,采用空心薄壁墩,配群桩基础。墩高超过65m时,薄壁墩顺桥向应考虑放坡,采用变截面形式。秦岭山区冲沟路段山体坡面较陡,高速公路桥梁跨越冲沟时,一般不在陡坡上布设桥墩,争取一跨或加大跨径跨越陡坡,不扰动陡坡。不得已在陡坡上布设桥墩时,桥墩形式的选择和截面尺寸的确定除了满足承载能力的要求以外,还应特别重视桥墩基础基坑开挖对山体的破坏,优先选择对山体开挖较小的下部结构形式。宝汉高速公路整体式路基的双幅桥,一般情况下下部构造按分幅单独设计,即双幅4柱。对于横坡较陡的高墩长桥,为了减少因开挖对原有地貌的破坏、增强边坡稳定性,整体式路基的双幅桥设置整体式下部构造两柱墩。与双幅4柱相比,在桥墩截面积及横向宽度相当的情况下,整体式下部结构横向和纵向刚度是分幅单独设置下部结构的2倍以上。采用双幅桥整体式下部构造,除可提高桥墩的刚度外,还能减少车辆单向行驶产生的单向累积变位,对高墩长桥较有利。当然整体式下部结构帽梁跨度较大,还须考虑车辆双向行驶时扭矩影响,帽梁需设置得大一些。一座桥究竟是采用整体式下部结构还是分幅下部结构,需结合桥位处地形、地质、水文、墩高等多方面因素综合考虑。在地面横坡较大处的桥梁,可将内外侧桥墩基桩顶面顺地形设置,系梁一端接桩基,一端接墩柱,减少坡体开挖量;当桥墩一侧墩柱较矮时,桩基可直接与墩帽相接,取消系梁构造,方便施工;在地面横坡陡峭处的单幅路基,其桥梁可考虑单幅独柱式桥墩,以减小对山体的破坏,同时也避免内、外侧墩柱刚度相差较大。跨越河流的桥梁设计,应充分考虑水中基础的施工条件及桥孔泄洪的净空要求。桥梁长度以尽量不压缩现有河床断面,不改变现有河流特性为原则。桥墩优先选择圆柱式桥墩,桩基系梁或承台应置于河床地面线以下,降低桥墩阻水影响。桥梁与河流斜交较大时或桥梁跨U形弯河道与河流斜交较大的段落,一般桥墩顺水流方向设置,并适当加大孔径。有时也可正交布孔,但桥梁设计双幅桥整体式双柱墩。由于桥墩少且两墩柱间距较大,不但阻水面积小,且可预防漂浮物的悬挂;由于桥墩的柱径大较刚,对避免上游滚石对桥墩危害,提高桥墩的抗撞击的能力均有优势。沿河溪布设的顺河桥,为了减少洪水对桥墩冲刷带来的不利,特别是防止洪水中树木等大型漂浮物在桥墩柱间发生悬挂堵塞造成阻水,避免上游滚石对桥墩造成的危害,在顺河段的路线宜尽量远离主河槽,以利桥梁安全。沿河纵向桥,当桥梁长度较大时,应注意设计洪水位的变化,应在桥梁上中下游多设水文断面,标注各断面设计水位,桥梁应在全长范围内满足设计洪水位要求。桥台设计应注意桥台及相邻接线的防洪安全。宝汉高速公路沿河溪布设的顺河桥,由于桥墩大多位于河沟内,为避免上游滚石对桥墩的危害,必须尽量减少桥墩数,增强桥墩的抗撞能力,同时减少桥墩的阻水面,整体式路幅段采用双幅桥整体式双柱墩。3.3高边坡结构设计秦岭山区公路桥梁最重要的特点在于基础条件的复杂,在山坡上设置墩台基础是桥梁设计的一大难题,基础设计不仅要考虑所在基底山坡的土质情况、墩台荷载的大小,而且还与周围地质构造、基底以下坡体和基底以上墩台身侧面山体的稳定性以及墩台施工方法是否会扰动山坡现状等因素密切相关。要想确定墩台基础的合理位置,在桥梁分孔时就要充分考虑基础位置处的地质、边坡和水文条件是否合适,若能通过改变桥梁分孔避开不利的地质,使墩、台位置远离山坡坡面是设计应该首选的方案。仅当特殊情况,迫不得已时,方可考虑在山坡上设置墩台。秦岭山区段高速公路桥梁,通常采用扩大基础和桩基础。一般地质条件较好的桥梁采用扩大基础。但在地面横坡较大或地质情况复杂的桥梁,则应优先采用桩基础。此时若采用扩大基础,很难适应地形地势的要求。为满足扩大基础对地基承载力的需要,往往过多开挖山体,对原有地貌造成较大破坏,导致形成不稳定的高边坡,或诱发新的工程地质病害。因此从施工难易程序、结构安全性、工程造价和环境保护等方面综合考虑,布设在陡坡上的桥墩、桥台,优先采用桩基础。陡坡上的桩基础,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,有必要时应采取相应的措施进行支护,如打锚杆做挡墙等。陡坡上的桩基础,桩基顶部一定范围内土体对桩基础难以形成有效的摩阻力,故计算桩长时,假定陡坡边缘距桩基外缘水平距离3~4m处至桩顶段桩基自重为外荷载,不计其正摩阻力。4桥梁结构形式的选择宝汉高速公路的桥梁主要为跨越河流,深谷而设,桥型方案尽量采用对抗震有利的中小跨径桥梁,采用整体性好的上部结构。宝汉高速公路秦岭山区段地区动峰加速度为0.1g,相当于地震基本烈度Ⅶ度,特大桥、大桥等提高一度设防,中小跨径桥梁本着“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计思路,即三水准设防。宝汉高速公路秦岭山区桥梁的桥位处地面纵、横坡相对较大时,桥墩基坑的开挖对原有的地貌会引起较大的破坏,使得施工中次生地质灾害的处理费用较高。双幅桥下部结构按分幅单独设计桥墩,即双幅4柱,单幅桥墩的左右墩柱刚度不匹配,难以同时承受地震力的影响,故桥墩形式应适应横向地形,在地面横坡较大时,采用单幅桥设置独柱墩或双幅桥设置整体式下部结构两柱墩。宝汉高速公路桥梁多采用预应力混凝土先简支后结构连续梁式桥,故首先应防止桥墩在地震中破坏。桥墩的破坏主要表现为墩柱压溃、环向开裂、系梁开裂破坏以及挡块、支座等的破坏,破坏部位集中在桥墩刚度突变处。主梁的破坏是由于桥墩的破坏所致,是桥墩破坏的次生震害,对于连续梁桥的主梁,主要应防止其落梁。4.1延性和能力设计的外纵向钢筋是钢筋混凝土桥梁的主要受力钢筋,其用量除影响构件的承载力外,还影响构件的延性和能力设计。结构计算结果显示,设计地震作用下桥墩墩柱、基桩截面均出现较大的内力,故桥梁应保证足够的纵向钢筋配筋率,以满足抗震性能需求,使桥墩柱、桩基在E1时能处在弹性范围。4.2“抗震”及抗剪能力分析桥墩震害部位集中在桥墩刚度突变处,约束箍筋对实现钢筋混凝土桥墩延性抗震力具有重要作用。按照《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008,下称“抗震细则”)规定,在桥墩易发生剪切破坏的塑性铰区的箍筋进行加密设置。桥墩桩柱箍筋加密区段的位置和长度、加密箍筋最大间距按“抗震细则”8.1.1及8.1.10条执行,墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的最小体积含筋率PS,min应满足“抗震细则”8.1.2条要求:PS,min≥0.004,以保证墩、柱在塑性铰区域内有足够的延性。在强烈地震时,柱式墩和排架墩的柱(桩)与墩帽、承台连接处容易造成破坏。“抗震细则”11.4.8条要求,石砌或混凝土墩(台)的墩(台)帽与墩(台)身连接处、墩(台)身与基础连接处、截面突变处、施工接缝处均应采取提高抗剪能力的措施。宝汉高速公路桥梁的柱式墩(台)身与墩(台)帽连接处,以及与扩大基础连接处塑性铰区域上下各2m范围内增设纵向加强钢筋:每隔1根主筋布设1根加强短钢筋,布设时与纵向主筋并排绑扎在一起,以提高该处的抗剪能力和加强墩(台)的整体性。4.3桥桥系梁设置为了减少地震对桥梁构造的不利影响,在桥梁设计中,系梁的作用应得到足够的重视。因为在静力荷载作用下,系梁的作用主要是提高墩柱的稳定性,但在横向地震力作用下,系梁可使左右墩柱协调受力。宝汉高速公路桥梁的墩高H≥7m时,在桩顶设置一道系梁;20m组合箱梁桥,墩高H≥15m时,距墩帽顶10m外增设一道系梁;30m、40m组合箱梁桥,墩高H≥25m时,距墩帽顶15m增设一道系梁。系梁均按到盖梁顶整数米距离控制,相邻若干系梁尽可能采用统一高度,使系梁在同一水平面上,保证桥墩美观。水中系梁设置如与最大设计洪水位冲突,可上移系梁。位于河道内的桥墩桩顶系梁应设置在地面以下50cm。跨越干沟的桥梁,当桥墩处地面横坡较大,左右墩高相差4m以上时,设置桩—柱系梁。4.4防止落梁破坏设计防止落梁对梁式桥的抗震十分重要,防止落梁应从限制主梁位移和主梁搁置长度入手。“抗震细则”11.2条要求:简支梁端至墩、台帽或盖