山區(qū)高速公路路線設(shè)計(jì)中的復(fù)雜地形條件

山區(qū)高速公路路線設(shè)計(jì)中的復(fù)雜地形條件

山區(qū)道路的地形和地質(zhì)條件復(fù)雜。表現(xiàn)為地面高差大,變化頻繁,橫坡陡,巖溶、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、陡崖、煤層等不良地質(zhì)現(xiàn)象普遍存在。受此影響,路線布設(shè)時(shí)平、縱、橫3個(gè)方面都受到約束,相應(yīng)地,山區(qū)高速公路橋梁中彎坡橋多,高墩大跨多,墩臺(tái)形式多,設(shè)計(jì)中必須協(xié)調(diào)好橋梁各細(xì)部構(gòu)造與地形地質(zhì)之間的關(guān)系。1橋梁與基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)系1.1考慮橋梁方案的影響山區(qū)高速公路橋梁很多不受水文控制而只受地形控制,因不宜做路基而設(shè)置為高架橋,路橋界限一直是難以把握的關(guān)鍵問題,也是影響公路造價(jià)的問題。路基規(guī)范強(qiáng)調(diào),“路基中心填方高度超過20m時(shí),宜和橋梁做方案比選?！表?xiàng)目實(shí)際運(yùn)作中,往往由于工期緊,或認(rèn)為橋梁跨越方案安全省事,就直接考慮橋梁方案。實(shí)際上,對(duì)于地質(zhì)情況較好,雖然填方中心高度為30m,但收斂較快的V形峽谷,且橋隧相連地段,為消化隧道廢方,考慮路基方案可能比橋梁方案更安全經(jīng)濟(jì),因?yàn)檫@樣的地形架橋,場地局促,難度大,橫縱坡陡,極易引發(fā)邊坡失穩(wěn);而對(duì)于寬而平緩地段,雖然填方高度只有20m左右,但如果需跨標(biāo)段借方,且運(yùn)距遠(yuǎn),填方基底還需花大量資金處理的路段,反而考慮橋梁方案要更安全經(jīng)濟(jì)。所以筆者認(rèn)為,山區(qū)高速公路路橋界限,不能一概而論,對(duì)于填土高度超過20m的路段,應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)、前后構(gòu)造物、前后路段的廢方量、工程造價(jià)等進(jìn)行綜合比選后決定。1.2錯(cuò)板式路基方案難以實(shí)現(xiàn),易出現(xiàn)半橋發(fā)山區(qū)高速公路地形橫坡陡峭,雖然可以通過設(shè)計(jì)為左右幅路基不一樣高的錯(cuò)臺(tái)路基來處理,但有時(shí)由于左右幅路基橫向交通要求,需要設(shè)置轉(zhuǎn)向車道,錯(cuò)臺(tái)式路基方案不易實(shí)現(xiàn),這時(shí)就不可避免地會(huì)出現(xiàn)半邊橋。當(dāng)最低一側(cè)填土高度為15m左右時(shí),應(yīng)綜合地形、地質(zhì)將加筋擋墻、錨桿擋墻、棄土方案與半邊橋做綜合比較后決定是否設(shè)置橋梁。2高墩、小墩、大縱坡長橋?yàn)楸ＷC行車舒適,結(jié)構(gòu)耐久適用,山區(qū)高速公路大中橋一般均采用先簡支后連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)-剛構(gòu)混合體系。由于全剛構(gòu)體系墩高相差較大,需通過調(diào)整橋墩的線剛度來改善橋墩受力,會(huì)導(dǎo)致橋墩尺寸比較多,美觀性降低,施工相對(duì)麻煩。全連續(xù)結(jié)構(gòu)聯(lián)長太長,舒適性差,墩臺(tái)所受水平力較大,墩柱尺寸相對(duì)較浪費(fèi)材料。根據(jù)地形,將中間墩高較高,剛度相差不大的相鄰幾個(gè)橋墩固結(jié)起來,利用其柔性適應(yīng)橋墩所受的溫度收縮、徐變、制動(dòng)力等水平力,較矮的邊墩設(shè)置滑板支座或橡膠支座,形成連續(xù)梁。這樣的剛構(gòu)-連續(xù)體系,高墩、矮墩的受力性能都得到了改善,且適應(yīng)地形特點(diǎn)。山區(qū)高速公路橋多為彎、坡橋,曲線梁橋在彎扭耦合作用下,具有沿某一不動(dòng)點(diǎn)變形的趨勢(shì),單向行駛的大縱坡長橋在長期反復(fù)的汽車制動(dòng)力作用下,梁體具有沿汽車行駛方向滑移的趨勢(shì),如果采用全連續(xù)結(jié)構(gòu),即上下構(gòu)之間為橡膠支座連接時(shí),這種滑移趨勢(shì)往往造成梁體受力不平衡,支座脫空甚至破壞,從而導(dǎo)致梁體開裂。因此山區(qū)高速公路橋梁宜采用先簡支后連續(xù)或墩梁固結(jié)的連續(xù)-剛構(gòu)混合體系,既適應(yīng)平面線形,又適應(yīng)橋梁的受力特點(diǎn)。3這座橋的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1t梁橫向連接山區(qū)高速公路橋梁常用標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化設(shè)計(jì),其跨徑有16、20、25、30、40、50m,橫斷面形式有空心板、T梁、小箱梁等。對(duì)于跨徑小于30m的,有空心板、小箱梁、T梁等3種結(jié)構(gòu)可以選擇(表1)。對(duì)于40、50m跨徑,根據(jù)梁的受力特點(diǎn),宜采用T梁。從表1可以看出,20m跨徑時(shí),T梁較為經(jīng)濟(jì)。對(duì)30m以下跨徑,其結(jié)果也遵循上述規(guī)律。當(dāng)然,這是山區(qū)的情況,平原地區(qū)則另當(dāng)別論。對(duì)于50m跨徑T梁,在小半徑平曲線上,由于內(nèi)外梁梁長差較大,跨中矢高較大,對(duì)路線的適應(yīng)性要差一些。另外山區(qū)高速公路,交通運(yùn)輸、場地預(yù)制條件均較差,大型機(jī)具進(jìn)入困難,因此一般情況下不選用50m跨徑T梁。故山區(qū)高速公路橋梁,宜采用的常用標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20、25、30、40m。T梁之間的橫向連接有鉸接和剛接兩種形式,采用鉸接時(shí),鉸只傳遞剪力,車輛荷載作用在鉸接縫處時(shí),彎矩主要由現(xiàn)澆橋面板來承受,這樣現(xiàn)澆橋面板的厚度就必須加厚,否則,鉸接縫處橋面板易出現(xiàn)通長的縱向裂縫。現(xiàn)澆橋面板厚度增加,意味著恒載增加,T梁配筋和鋼索必須增加,經(jīng)濟(jì)性下降,所以T梁橫向連接采用剛接較好。文獻(xiàn)中也有相應(yīng)規(guī)定:“預(yù)制T形截面梁的橫隔梁連接,宜采用現(xiàn)澆混凝土整體連接”,當(dāng)然在斜交橋及異形橋中需要橫向弱連接時(shí),鉸接也是很好的選擇形式。3.2具體橋梁設(shè)計(jì)具體到一座橋設(shè)計(jì)時(shí),上部構(gòu)造設(shè)計(jì)要處理好兩個(gè)關(guān)系。(1)墩高組合跨徑適應(yīng)性跨徑與墩高的關(guān)系按橋梁美學(xué)原則,一般應(yīng)選擇比值為0.618～1比較經(jīng)濟(jì),即20m跨徑T梁適應(yīng)的墩高一般為12～20m,40m跨徑適應(yīng)的墩高一般為24～40m。山區(qū)高速公路地形起伏變化頻繁,通常應(yīng)根據(jù)地形選擇一種跨徑,不宜根據(jù)墩高頻繁變化跨徑,墩柱高度變化很大時(shí),可以采用20m與30m或者30m與40m的組合跨徑。當(dāng)一座橋梁,有幾種跨徑方案可選擇時(shí),應(yīng)結(jié)合上下構(gòu)進(jìn)行造價(jià)分析比較再做選擇。(2)調(diào)整梁長,加大封錨端或長現(xiàn)澆段的處理橋位處平面曲線半徑對(duì)橋梁跨徑的選擇及平面布置影響較大,主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:一是內(nèi)外弧差;二是中矢高。墩臺(tái)徑向布置時(shí),由于曲率半徑的影響,內(nèi)外梁梁長不等,半徑越小,內(nèi)外梁梁長差越大。解決此問題一般有兩種途徑:①根據(jù)平面半徑變化梁長;②不變梁長通過加大帽梁,加大封錨端或加長現(xiàn)澆連續(xù)段處理。第一種方法變化梁長,設(shè)計(jì)簡單,帽梁尺寸較小、規(guī)格統(tǒng)一,但給施工單位帶來困難。因?yàn)橐粋€(gè)標(biāo)段如果有幾座橋處于不同的曲線半徑上時(shí),預(yù)制梁長度種類較多,頻繁調(diào)整模板不算很難,但每片梁都需要編號(hào),堆放預(yù)制梁需要很大場地,這對(duì)山區(qū)是難以解決的問題,因此一般不采用變梁長方案。采用等梁長方案時(shí),如果半徑較大,內(nèi)外梁梁長差不大,可以采用內(nèi)弧長等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置,如果半徑較小,可以采用半幅橋中線弧長等于標(biāo)準(zhǔn)跨徑布置,這樣連續(xù)段長度一端比標(biāo)準(zhǔn)長度長,一端短。對(duì)于中矢高問題,中矢高在10cm以內(nèi)時(shí),可以通過調(diào)整護(hù)墻內(nèi)緣使之適應(yīng)平面線形;半徑較小,中矢高大于10cm時(shí),可采用預(yù)制梁外緣按實(shí)際曲線預(yù)制,或預(yù)制T梁邊梁時(shí),將邊梁多預(yù)制一段長度,讓現(xiàn)澆橋面板和護(hù)墻來適應(yīng)平面線形。第二種辦法雖然材料稍有浪費(fèi),美觀性稍差,但仍優(yōu)于前一種。4橋梁底部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1方柱和社會(huì)主義結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于較矮的橋墩(h<40m),多采用柱式墩、Y形薄壁墩,其中又以柱式墩最常用。柱式墩分圓柱和方柱。圓柱施工中外觀質(zhì)量易控制,且與樁基銜接方便。但從美觀上來說,方柱,與上構(gòu)梁體協(xié)調(diào),有一定的視線誘導(dǎo)性,較美觀。從受力上看,截面積相等的方柱和圓柱,方柱抗彎剛度大于圓柱,受力也優(yōu)于圓柱,當(dāng)體系為連續(xù)剛構(gòu)時(shí),方柱可以方便地通過調(diào)整兩個(gè)方向的尺寸來調(diào)整墩柱的剛度,從而達(dá)到調(diào)整墩柱受力的目的。圓柱為各向同性,調(diào)整起來效果差一些。方柱的缺點(diǎn)是墩柱與樁基之間需通過樁帽連接,增加了工程量,并且山區(qū)橋梁地面橫坡都較陡,增加柱帽構(gòu)造還會(huì)增加挖方工程量,引起邊坡不穩(wěn),設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)地形、上構(gòu)結(jié)構(gòu)形式、墩高綜合考慮選用方柱或圓柱。Y形薄壁墩是獨(dú)柱雙支座的一種墩型,美觀性較好,但施工稍顯復(fù)雜。墩高較矮時(shí),其施工復(fù)雜又不美觀所以較少采用。當(dāng)墩高較高時(shí),Y形薄壁墩施工只需一套模板和一個(gè)支架,因此對(duì)于地面橫坡較陡,搭設(shè)支架困難,模板需求量大的山區(qū)橋梁Y形薄壁墩具有顯著的優(yōu)勢(shì)。從預(yù)算定額看,同高度的柱式墩與Y形薄壁墩相比,Y形薄壁墩的基價(jià)低。另外采用雙柱墩時(shí),由于地面橫坡較陡,兩個(gè)墩柱高度相差較大,由于線剛度EI/L差距大,導(dǎo)致兩個(gè)墩柱受力差異較大,而Y形薄壁墩,只一個(gè)墩柱,可避免上述缺陷。4.2墩柱有效長度的確定當(dāng)墩高小于40m時(shí),一般橋墩的設(shè)計(jì)都由強(qiáng)度控制。當(dāng)墩高大于40m時(shí),就必須考慮橋墩的穩(wěn)定問題?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)指出,“當(dāng)l0/h>30時(shí),構(gòu)件已由材料破壞變?yōu)槭Х€(wěn)破壞?！眑0/h=30為第一類穩(wěn)定與第二類穩(wěn)定的分界點(diǎn)。l0為受壓柱的有效長度,為0.5～2倍墩高,其取值與施工狀態(tài)、上構(gòu)重量、上構(gòu)和墩柱的連接方式即墩柱的支承剛度有關(guān)。試驗(yàn)表明,對(duì)于先簡支后剛構(gòu)(墩頂與上構(gòu)為鋼板焊接)和先簡支后連續(xù)(墩頂與上構(gòu)為橡膠支座連接)的多跨T梁橋來說,墩柱的有效長度l0=(1.2～1.43)l,l為墩柱高度,當(dāng)l=40m且采用矩形截面時(shí),h≥(1.2～1.43)×40/30=1.6～1.907m,l=50m時(shí)h≥2～2.383m,當(dāng)墩厚大于2m時(shí),實(shí)心矩形截面經(jīng)濟(jì)性降低,所以可以得出一個(gè)結(jié)論:墩柱為材料破壞時(shí),采用實(shí)心矩形截面,其高度不宜超過50m。當(dāng)墩高大于50m時(shí),宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩,墩高超過65m左右時(shí)順橋向應(yīng)考慮放坡,因?yàn)椴捎玫葘挸叽鐣r(shí)施工雖然方便,但為了保證橋墩的穩(wěn)定,墩柱和帽梁尺寸必將加大很多,這樣材料浪費(fèi)較大。4.3整體式下構(gòu)的下構(gòu)設(shè)計(jì)山區(qū)高速公路有整體式路基,也有分離式路基。目前路線選線越來越強(qiáng)調(diào)減少占地、環(huán)保與景觀協(xié)調(diào)的理念,除了中長隧道等設(shè)置分離式路基外,越來越多的采用整體式路基。整體式路基的雙幅橋,一般情況下下構(gòu)按分幅單獨(dú)設(shè)計(jì),即雙幅四柱。對(duì)于高墩長橋,為了減少開挖、增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性、節(jié)約材料,降低造價(jià),整體式下構(gòu)即雙幅兩柱不失為一種較好的選擇。與雙幅四柱相比,在橋墩截面積及橫向?qū)挾认喈?dāng)?shù)那闆r下,整體式下構(gòu)橫向和縱向剛度是分幅設(shè)置的兩倍以上,除了可以減少開挖、節(jié)約材料、施工面少外,還能減少墩頂變位。當(dāng)然整體式下構(gòu)帽梁跨度較大,還須考慮車輛雙向行駛時(shí)扭矩影響,帽梁需設(shè)置得大一些。一座橋究竟是采用整體式下構(gòu)還是分幅下構(gòu),需結(jié)合橋位處地形、地質(zhì)、水文、墩高等多方面因素綜合考慮。4.4高擋墻u形臺(tái)的高度山區(qū)高速公路橋梁橋臺(tái)一般采用重力式U形臺(tái)、肋板臺(tái)、樁柱式臺(tái)。其中以重力式U形臺(tái)最常用,根據(jù)《墩臺(tái)與基礎(chǔ)》規(guī)定,U形臺(tái)適應(yīng)的填土范圍為4～10m,所以U形臺(tái)的高度最好以10m控制。U形臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)必須根據(jù)地形合理分臺(tái)階。樁柱式橋臺(tái)由于抗推剛度小,當(dāng)聯(lián)長較長、臺(tái)后填土高度較高時(shí)不宜使用,一般臺(tái)后填土高度宜控制在5m以下,聯(lián)長宜控制在150m以內(nèi)。埋置式肋板臺(tái)適應(yīng)范圍廣一些,但也不宜超過12m。山區(qū)高速公路橋梁縱向地形陡峭,往往不能設(shè)置錐坡,這時(shí)采用樁柱式或肋板臺(tái)會(huì)受到較大限制。當(dāng)?shù)刭|(zhì)較差時(shí),常在U形臺(tái)下設(shè)置樁基。4.