山区高速公路桥梁设计的特殊性

山区高速公路桥梁设计的特殊性

在中国，幅员辽阔，大部分地区以山地和丘陵为主。随着我国的经济发展和西部大开发,大力发展山区高等级公路成为必然。因此,对山区高等级公路桥梁设计的研究具有重要的现实意义。本文将以福建省境内山区高速公路为背景,探讨山区高速公路桥梁设计。于2002年元月建成通车的漳龙高速公路是福建省境内第一条山岭区高速公路。其中石崆山~新祠段的高架桥为沿峡谷中溪流架设的桥梁。桥址最大纵坡达4.7%,最小平曲线半径为250.5m,最大横坡7%,最大桥高80余m,桥梁最大跨径155m,最大连续桥长3300.5m,桥梁长度占路线总长的66%。整段高架桥集大纵坡、小半径、高墩、长桥、大跨径于一体,是福建山岭区已建的最具特色的高架桥。继漳龙高速公路之后,福建省境内另一条山区高速公路——京福高速公路三明~福州段已进入施工阶段,预期于2004年建成。该条高速公路主线长216km,共计桥梁百余座,桥梁长度占路线总长的16%。最大桥高百余m,桥梁最大跨径148m,最大连续桥长5157m。山区高速公路受地形和高速公路线形标准制约,在穿山越岭中难免遇山凿洞,逢沟谷溪流架桥,桥梁在路线中所占比例大。桥梁平纵线形受地形的影响较突出。曲线、大纵坡、高墩、长桥成为山区高速公路桥梁的一大特点。目前,关于曲线桥或直线高墩桥的设计学术界已有较多的研究,但对于曲线、大纵坡、高墩、长桥并存的这样一种具有典型山区高等级公路特征的桥梁设计,还处于摸索阶段。而恰恰是弯、坡、高、长,加陡边坡等几个因素的相互影响,增加了桥梁结构设计的复杂性。同时,复杂的地理环境和大量的构造物,给山区高速公路的养护和维修带来一定的困难,结构物的耐久性问题引起人们的进一步重视,也给设计提出了更高的要求。以下将针对山区高速公路桥梁的特点,探讨山区高速公路桥梁设计的特殊性及采取的相应措施。1结构形式的选择桥梁的平面、立面线形构成了桥梁体系的几何特征,选择何种桥梁结构形式来适应曲线、大纵坡、高墩组合下的几何特征,使结构设计更趋合理、更具耐久性,是设计必须首要考虑的问题。1.1要注意梁下内各下间的相对错动及其约束条件的作用高速公路桥梁基于运营的整体性、舒适性和耐久性的考虑,往往必须设计为预应力连续结构。预应力混凝土连续曲线桥与直线桥相比的一个重要特点是梁体存在弯扭耦合作用。曲线梁在弯扭耦合作用下,具有沿某一变形不动点变形的趋势。而大纵坡桥梁在长期反复的汽车制动力作用下,梁体具有沿汽车行驶方向滑移的趋势,对于单向行驶的高速公路长桥,尤其突出。在曲线、大纵坡并存的情况下,梁体的这些变形趋势形成了上下部间的相对错动。当桥梁上下部间以支座联系时,这种错动趋势往往造成梁体相对下部的移动及支座受力的不平衡,甚至脱空。而采用墩梁固结的刚构体系可避免这一情况的发生。另外,曲线、大纵坡桥的桥墩承受着较直线、平桥桥墩更大的纵横向水平力及附加弯矩,而这些力引起的桥墩变位除取决于上部构造的几何特征外,还取决于上下部间的约束条件。较刚的约束,可使桥墩变位减小。采用上下部固结的连续刚构体系,在避免桥梁上下部错动的同时,增加了体系对下部的约束力,桥墩的变位相对减少,压弯稳定性增加。当今,柔性桥墩已被广泛采用。对高墩桥而言,桥墩稳定性及变位成为桥墩结构设计的制约因素。在曲线、大纵坡的情况下,高墩桥采用墩梁固结的刚构体系,在调整桥梁受力、改善结构的整体性能、避免梁体滑移、减少结构的总体变位、提高结构的稳定性、耐久性等方面都具有一定的优势。同时,墩梁固结可避免由于抗扭矩及抗滑移造成的支座设置麻烦,以及支座损坏给桥梁结构带来的不利影响,还可省去更换支座的烦恼。漳龙、京福高速公路桥以连续刚构为主要结构体系,较好地适应了曲线、大纵坡、高墩长桥的需要。1.2桥型结构分析上部构造型式的选择,应结合桥梁具体情况,综合考虑其受力特点和经济性。在预应力混凝土连续曲线桥中,引起弯扭作用的力包括温度变化、混凝土收缩与徐变、预应力、梁体自重及活载。平弯预应力在梁中产生水平径向力,径向力在竖直截面上的偏心对梁体产生扭转。有关资料显示,预应力径向力产生的扭转在小曲率、较大跨径的曲线桥中,主梁最大扭矩可达纵向弯矩的50%以上。曲线桥除自重、预应力产生的扭矩外,汽车荷载的偏心布置及其行驶时的离心力在曲线梁上也产生向外偏转的扭矩。因此,抗扭能力强的整体式闭合箱成为曲线桥的首选型式。尤其是悬臂浇注的大跨径箱梁,其负弯矩区预应力束往往多于正弯矩束,预应力产生的扭矩总效应向内偏转,可平衡其他恒、活载产生的扭矩效应。同时,由于整体式上部抗扭性能及平衡外力的能力较多梁式上部强,对下部构造产生的曲梁附加力小,对高墩桥更有利。对于大跨径桥梁,采用悬臂浇注箱梁无疑是一种优选桥型。但是,对于中等跨径桥,箱梁桥不论采取何种施工方式,费用都较高,与预制拼装多梁式T梁相比,处于弱势。预制拼装多梁式T梁在中等跨径桥中具有造价省、施工方便的特点,其造价低于整体式箱梁,是中等跨径直梁桥的常用桥型。但对于曲线桥来讲,T梁为开口式断面,抗扭及梁体平衡受力能力均较箱梁差,曲梁的弯扭作用对下部产生的不平衡力大。且曲T梁施工较困难,在受力和施工上都不尽人意。但当曲线桥的弯曲程度较小时,曲线T梁桥采用直梁设计,以翼缘板宽度调整平面线性,可减少曲梁的弯扭作用,在一定程度上弥补曲线T梁桥受力和施工上的不足。虽然直梁设置的曲线桥仍有部分恒载及活载不平衡影响及曲线变位存在,但却较曲梁小。此外可以采取加强横向联系的措施,提高结构的整体性能。跨越沟谷常用的另一种桥型是拱桥,拱桥以其跨越能力较大,造价省在非高速公路上被广泛采用。常规拱桥的拱上建筑往往为简支结构,但作为高速公路,要求桥梁必须具有较好的结构整体性和舒适性。为了适应高等级公路桥的要求,拱上建筑可采用连续刚构体系,以提高结构的整体性。曲线拱桥为了避免平曲线主拱肋局部应力的不利影响,在允许的范围内,可采用直拱肋、曲线形拱上建筑的构造设计。在漳龙、京福高速公路的桥型设计中,注意到山区的特点,不追求大跨径,尽量做到标准化、系统化、施工便利、节省造价。考虑高速公路运营的整体性和舒适性要求,尽量采用连续结构体系。桥梁主要由大跨径预应力混凝土连续(刚构)箱梁和中等跨径的预应力混凝土连续(刚构)T梁组成,个别地段设置了箱拱桥。其中的预应力混凝土连续T梁桥,是预制T梁架设后,浇注接头混凝土形成连续梁的。这种桥型已在福建省平丘区高速公路上广泛采用,漳龙高速公路根据高墩桥的需要,将连续接头设计为墩梁固结,形成连续刚构体系。并在曲率半径大于等于250m的30m跨T梁曲线桥上采用了直梁设计,在节省造价的同时,获得了较优的曲线桥结构体系。基于结构耐久性的考虑,京福高速公路在漳龙高速公路设计的基础上做了进一步的优化,在连续梁或连续刚构的负弯矩区设置了预应力束,使结构由原来负弯矩区设置普通钢筋的非完全预应力体系,成为完全预应力结构体系。1.3结构的刚度设计连续刚构桥其墩柱与梁体配置的合理与否,直接关系到混凝土收缩徐变、温度、预应力、荷载等力在结构中的作用及分配。合理的墩柱应该是尽可能地改善梁体的内力分布,并满足施工、运营阶段的刚度要求。从力的分配角度考虑,应具有较大的抗弯刚度和较小的抗推刚度。从变形的角度上讲,应具有足够的稳定性,并使结构变形控制在正常使用范围内。对于较矮的墩,墩的刚度对体系内力影响较大,但对于高墩而言,墩的刚度在力分配上的作用已不明显,而控制桥梁变位及稳定性却成为突出的问题。相对刚的刚度能有效地减少桥梁水平变位,提高桥墩的稳定性。对于大纵坡下的高墩长桥,增加纵向刚度可明显减少活载长期作用产生的累积变位。对于曲线桥,增大桥墩的横向刚度,有利于减少弯桥扭矩造成的横向变位。以下分别就大跨径箱梁连续刚构和中等跨径多梁式刚构桥讨论桥墩的形式。1.3.1空心墩的截面形式大跨径的连续刚构箱梁桥对于较矮的墩而言,双薄壁墩为较理想的墩型,而对于高墩,则以箱型空心墩为宜。高墩采用空心墩的截面形式,除能满足抗弯刚度和抗推刚度要求和利于高墩结构的稳定性外,对于平曲线上的桥梁,还可提供较大的抗扭刚度。漳龙高架桥中箱梁桥均为高墩曲线桥,最大桥高80余m,且桥墩位于两侧悬崖的沟谷内,采用箱形空心墩除满足上述刚度要求外,还可减少基础承台开挖范围,有利于侧边坡陡壁稳定,同时减小上游滚石对桥墩的危害。1.3.2桥下下部结构设计在地质较好的情况下,桥高50m以内以中等跨径T梁桥较为经济,而采用何种形式的桥墩与之相配,使其符合高墩、大纵坡、曲线桥的受力要求,需加以比较后确定。以双柱墩与矩形薄壁墩作比较,在桥墩面积、横向宽度相等的情况下,双柱式墩的横向及纵向刚度是矩形薄壁墩的3倍以上。因此,以双柱式墩作为中等跨径T梁桥的墩型,在曲线、大纵坡、高墩桥梁中具有变形小的优势。另外,山区高墩桥梁一般均需采用桩基,双柱对应桩基,可省去承台,节省工程量。对于高速公路整体式双幅桥,一般情况下以分幅各自独立的单幅桥下部构造较合理,但也不排除设置双幅桥整体下部构造的合理性和必要性。通过双幅桥分幅设置下部构造(双幅四柱)与双幅桥设置整体式下部构造(双幅两柱)对比,在桥墩截面积及横向宽度相当的情况下,整体式下部的横向及纵向刚度是分幅设置下部构造的两倍以上。采用双幅整体下部构造,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。漳龙高架桥中的T梁桥就采用了双幅整体下部构造。该桥之所以采用双幅整体下部构造,除考虑上述有利因素外,一个主要原因是因为该桥与常规跨河架设的桥梁不同,它沿沟谷溪流架设。较刚且较少的桥墩,在减少阻水、避免上游滚石对桥墩危害,提高桥墩的抗撞击能力等方面均有优势。当然,双幅整体下部构造的计算必须考虑车辆双向行驶对整体式下部产生的扭力影响,需设置较刚的盖梁。2结构的特殊考虑山区高速公路桥梁在结构设计计算上,应较常规桥梁更注重曲线、大纵坡、高墩、长桥所引发的种种问题,归结起来主要包括以下几方面的内容2.1曲线桥扭转产生的变位高墩桥采用的是柔性墩结构,设计中应重视桥梁的稳定性和变位问题。在曲线、大纵坡、高墩、长桥并存的情况下,这些变位除有与直桥相同的纵桥向变位、竖向压缩变位外,还包括曲线桥扭转产生墩顶横向变位、大纵坡下的向下移动变位、施工偏位等。这些变位在高墩长桥的情况下,尤其需要加以控制。(1)扭转角的影响对于悬臂施工的预应力混凝土连续箱梁曲线桥,悬臂施工时梁体产生向曲线内侧的扭转。桥梁合拢并在二期恒载作用下,箱梁向曲线外侧扭转。箱梁本身的这些扭转很小,但在高墩变形的联合作用下,扭转角却有明显增加,在产生扭转角的同时墩顶还产生较大的横向变位。墩的刚度越小,变位的递增率越大。因此,在高墩弯桥中,应重视桥墩在扭转变位中的影响。这些变位可以通过墩的刚度调整或设置墩的预偏加以控制。在刚度调整中,应综合考虑施工及运营时各种变位工况的相互关系,以达到安全、经济兼顾的目的。(2)桥梁刚度的影响对于大纵坡高墩长桥,除常规桥梁的纵桥向变位外,车辆长期单向行驶可能产生的桥梁体系不可恢复累积变位是设计必须考虑的一个问题。刚柔是矛盾的两个方面,提高桥梁的刚度是减少桥梁变位较有效的措施,但刚度的增大必然增加投资,设计时应权衡利弊,合理协调整个体系配置。漳龙高速公路高架桥位于连续大纵坡地段,最大纵坡达4.7%,且桥梁长达3km以上。设计中曾考虑设个别制动墩来解决累积变位问题。但该桥多为高墩,制动墩的设置受力效果不佳,从美观、经济上考虑都不尽人意。最终考虑化整为零,以增加各桥墩的刚度来提高全桥的总体刚度。设计适当增加了各桥墩的结构尺寸,并尽量采用刚构体系,使桥梁的总体变位控制在一定范围。(3)变位控制的重要性在高墩长桥中,预应力混凝土结构收缩、徐变对体系变位的长期效应很显著。高墩桥成桥时的墩顶初始偏位,在后期的徐变中将有较大发展。它将对桥墩受力及体系的变位产生不利影响,设计及施工中应对成桥时的墩顶偏位加以控制。在山区桥梁中,受地形限制,很可能出现多孔不等跨径的桥孔布局。漳龙高架桥由于跨越悬崖,其中一联跨径布置为65m+115m+155m+3×115m+65m预应力混凝土连续刚构箱梁,中孔不等跨径成了单T悬臂施工箱梁的不平衡加载。墩两侧悬臂浇注的不平衡加载,在使两侧箱体产生挠度差的同时,也使桥墩产生偏移。对柔性高墩桥而言,这一偏移很明显。但如果纯粹为了施工的短期荷载增加墩的刚度,既不经济,成桥后的受力也未必合理。因此,应考虑在施工方案上加以调整。施工工序、加载量的合理设计可消除或减少其偏移量。通常可以通过调整施工中结构体系形成和压重的顺序,控制墩的变位方向。设计及施工可经过多方案比选,将墩顶偏位控制在最小范围。平衡跨的悬浇梁,也可能由于种种原因造成高墩墩顶的偏位。因此,悬浇梁桥的施工过程在注重上部构造变位控制的同时,应充分重视成桥时的墩顶偏位控制。安装预制T梁时的推移也会使高墩产生墩顶偏位,在架设方案上应予以充分估计,采取相应的措施加以控制。综上所述,高墩变位的控制是多方面的,为了保证桥梁的总变形量控制在正常的使用范围内,应考虑各种情况下的变形可能。基于结构耐久性考虑,桥墩设计在满足承载能力的同时,应注意桥墩变位的控制。变位控制除了调整墩的刚度外,还可以通过确定合理的施工方案,调整结构受力状态,消除施工产生的附加变位来实现。2.2高墩结构的固结问题高墩桥的压弯稳定是设计中较为突出的问题。现行桥梁规范将其作为单墩稳定性计算的一个内容,反映在考虑压杆偏心增大系数后的极限承载能力计算中。而压杆偏心增大系数的一个关键内容是以杆件挠曲为特征的杆件计算长度的确定。在以往的计算中,总是习惯于按自由、铰接或固结考虑墩的约束来确定杆件的计算长度。实际上,目前墩顶多采用可弹性变形的支座,对于高墩桥一般采用墩梁固结,但不论是设置支座还是墩梁固结,墩顶实际上均处于弹性约束状态。通过结构的整体分析可以了解到,杆件的计算长度除了取决于杆件的边界约束条件外,还取决于杆件自身的刚度。杆件的变形是体系综合变形的结果,应综合约束条件和墩身刚度,即体系的组合刚度加以确定。仅考虑墩的边界约束条件,忽略墩身刚度对约束及墩的变形的影响,或约束的假设与实际约束状态不符,均会造成杆件变形模拟上的差异。就矮墩而言,这一差异对结构设计的影响不很大,但对高墩来说,却很敏感。考虑墩身刚度,对于高墩桥梁尤其必要。值得一提的是,高墩桥除了构件本身的挠曲变形外,结构体系在各种力的作用下的变位量较大,所引起的附加力较明显。由于墩顶变位引起的上部竖向力对桥墩的附加弯矩,在设计中应予考虑。2.3长、大纵坡下桥受力长、大纵坡可能给汽车行驶和制动造成不利影响,而多梁式上部结构对外力的平衡能力差,由于曲线桥离心力的作用,外梁冲击系数大于内梁冲击系数,对下部构造产生较大的不平衡反力,使桥梁动态能量增加。长、大纵坡桥梁设计宜适当加大计算冲击力和制动力,且冲击力的计算应考虑结构的基本频率,采用结构基频的分析方法来确定。弯坡下的刚构桥在墩梁固结处的受力较复杂,除考虑弯坡高墩长桥的受力特点外,还应注意该类桥的抗震特性,加强墩梁交接处的构造设计和配筋。注意到柔性体系总体变位可能给位于下坡末端的桥台以梁端顶力,宜加强桥台背墙设计。2.4确定长度套管位于陡边坡上的桥墩,由于地形高差大,往往造成同一墩位横断面上两柱墩的无支高度差悬殊。墩柱刚度差造成的下部构造受力不均匀,甚至可使其中一个墩柱受力增加一倍,此问题在设计中应予充分重视。当墩的高差悬殊,两墩柱的受力差很大时,可采取在矮墩的地面下设置一定长度套筒,增加矮墩无支高度的措施,以减少墩的刚度差。位于陡边坡上桥墩的另一个突出问题,是由于陡边坡临空面的存在,削弱了岩土体对桩基的抗力。其削弱程度除与深度有关外,与桩基距临空面的距离密切相关。它的确定对于陡边坡上桩的设计长度影响极大。这一问题的分析涉及到岩土工程和结构工程,较精确的方法是采用有限元分析,但由于岩土体的特性各异,计算较复杂,目前还缺乏深入的研究。对于这一问题,从实际工程出发,可以将其简化为关于岩土体对桩基产生足够抗力或嵌固力所需平面范围的确定,也即假想桩基起算位置的确定。我们可以结合岩土工程和结构工程,通过桩基作用力在岩土体的应力分布范围分析、岩土体抗剪能力分析、岩性裂隙分析等多角度分析结果综合确定。在漳龙、京福高速公路的陡边坡桩基设计中,采用上述方法确定桩长,在一定程度上减少了陡边坡桩基设计的盲目性。2.5设置解释难度一般高墩桥梁均设计为刚构体系,但交接墩或矮墩上却难免要设置支座。对于曲线桥,除