高速公路是我国重要的交通基础设施。山区高速公路受复杂地形的限制, 需修建大量的桥隧结构物, 据不完全统计, 地形地质复杂的山区, 桥隧占路线总长的 20% ～40%, 造价占总造价的 30%～60%, 大部分为常规桥型, 桥梁的桥型方案对控制工程总造价影响较大。
1、桥型方案拟定及比选
1.1大中桥桥型方案拟定原则
桥型方案的选择是在桥位、净空标准和路线平面线形确定后, 结合桥址区的地质、 水文、 施工条件、 景观协调和造价等因素, 进行综合比选后确定。选择桥型方案的原则如下。
( 1) 符合总体设计要求, 综合考虑水文、地质、通 航、环境保护等控制因素。
( 2) 适合桥位处地形特点, 择优选择技术成熟、 施工方便、 经济实用的常规结构型式。多跨长桥尽量采用标准化设计, 便于工厂化生产。
( 3) 施工方案应综合考虑施工场地布置、征地拆迁、材料运输等条件。
( 4) 考虑建桥条件, 使上下部结构施工难度小、工期短, 以争取早建成、早发挥效益。
( 5) 风景区桥梁, 桥型方案应考虑景观效果。
1.2桥型结构比选
为提高施工速度, 降低工程造价, 桥梁上部构造应尽量采用标准化、装配化的桥型。
1.2.1相同标准跨径不同上部结构型式的比较
目前装配式结构主要有 16～40 m 预应力混凝土T 梁、小箱梁、空心板、I 形组合梁等。工程中因技 术经济原因, 采用 50 m 跨径的较少。下面以目前山区高速公路常用的几种标准跨径 ( 20 m、 25 m、 30 m) 进行不同上部结构型式比较。
( 1) 20 m 跨径。 20 m 跨径板梁上部结构比较, 见图 1 和表 1。
在工程实践中, 图 1 中各种上部结构均有采用, 其中板宽 1. 0 m 和 1. 24 m 空心板早期应用较多, T 梁采用相对较少, 主要用于低等级公路。近年来随着施工工艺改进, 应用较多的是宽幅式空心板和组合小箱梁, 其经济技术指标较其他结构优势较为明显, 因此一般情况下, 20 m 跨径上部结构推荐采用宽幅式空心板或组合小箱梁。
( 2) 25 m 跨径。25 m 跨径桥型上部结构比较见表 2。
25 m 标准跨径上部结构应用较多的主要在互通立交匝道桥中, 其中宽幅式空心板和组合小箱梁可通过调整板梁宽( 异型板梁) 或现浇桥面板宽度以适应互通内线形加宽渐变段的变化, 它给设计施工带来方便而受到欢迎, 其中宽幅式空心板预制梁高较矮, 对一些有净空要求的桥梁采用较多。因此一般情况下, 互通跨线桥上部结构推荐采用宽幅式空心板或小箱梁; 主线桥一般采用 T 梁。
( 3) 30 m 跨径。 30 m 跨径桥型上部结构比较见表 3。
从表3 分析, 跨径30 m 的上部结构采用的组合 小箱梁或预应力混凝土 T 梁方案, 两者总体比较各种指标均差不多, 优缺点各异, 目前工程中均有采用, 设计中应根据实际情况、施工工艺等, 综合比较 后选用。
1. 2. 2 不同标准跨径桥型方案的比选
不同标准跨径桥型方案的比选, 往往取决于桥梁高跨比、 地形地质条件、设计施工经验、地区的习惯做法以及桥梁美学方面的要求, 通过对大量桥型上下部结构综合筛选分析, 选择出好的桥型方案, 从而避免在设计文件中同类桥型反复比选、 简单重复, 并且可以提高工作效率, 起到以点代面、 事半功倍的效果。
( 1) 不同标准跨径上部构造经济指标的比较。 跨径 20～40 m 梁( 板) 上部构造, 一般采用先 简支后桥面连续或结构连续, 也可进行体系转换为刚构、连续—刚构形式, 施工方法一般采用后张法, 经济指标见表 4。从表 4分析, 就上部构造而言, 材料指标总体随着跨径的增加而增大, 因此对桥梁不同跨径桥型方案的选取, 必须结合下部构造的材料指标及施工条 件综合考虑。
( 2) 不同标准跨径下部结构形式的选取。 山岭重丘区地形条件各异, 总体高差较大, 河谷切割多呈较狭窄的 U 形或 V 形沟谷, 冲沟发育复 杂, 同一座桥梁桥墩相差也很悬殊。
由于地形起伏较大, 特别是横向变化, 因此桥台的填土高度一般尽可能控制在 8 m 以内, 同时应尽可能伸进山体, 增加其稳定性, 避免桥头跳车、桥头 段填土溜坡困难( 即剥山皮现象) 或挡土墙设置困 难。桥台型式主要采用轻型台( 板凳式) 、 桩柱式( 桥 头填土≤6 m) 、 肋板式桥台, 桩基础或扩大基础。通过数理统计分析, 桥梁墩台基础大部分采用扩大基础( 持力层在 5 m 以内) 或嵌岩桩, 因基岩埋 深较浅, 桩长一般不超过 30 m, 桩长随跨径的不同 变动不大。综上分析, 不同标准跨径下部结构形式比选的关键因素主要取决于桥墩形式的选择, 根据山区桥 梁设计经验与桥梁高跨比的要求, 桥墩型式主要采用柱式墩、 Y 形墩、 十字墩、 空心墩、变截面墩等, 其 应用范围见表 5。
经综合分析: 当墩高小于 30 m 时, 双柱式墩、 Y 形墩是最实用、 最经济的桥墩型式, 圆柱式墩工艺成熟, 提升滑模施工快, 与桩基础衔接性好; Y 形墩外 观美观, 但施工相对复杂, 施工支架较多, 施工工期 长, 需要设大体积承台过渡桩基础, 基坑开挖对自然 环境破坏较大, 总的材料指标较高。因此, 墩高 30 m 以下推荐采用圆柱墩。
墩高大于 30 m 时, 桥墩的施工稳定问题突出, 对桥墩的刚度要求较高, 因此矩形墩、 Y 形墩、十字墩、 空心墩、变截面墩等均可采用。另对于左右错幅桥梁或跨越桥, 因受被交叉公路净宽、 交角限制时, 推荐采用对桥下净空占压较小的桥 墩型式, 如独柱墩、 Y 形墩或十字墩等。根据墩高的不同, 选用以下工程实例进行比选。墩高≤ 20 m, 桥型方案比选。选用跨径 20 m 预应力混凝土宽幅空心板与 30 m预应力混凝土 T 形组合梁, 进行全桥上下部结构综合比选。2 种桥型方案经济指标比较结果见表6。由表 6可以得出以下结论: 同一桥位, 在相同施 工条件下, 墩高 H ≤20 m 的桥梁, 20 m 预应力混凝 土宽幅空心板比 30 m 预应力混凝土 T 梁经济。
20 m< 墩高≤ 35 m 桥型方案比选。选用跨径30 m 预应力混凝土T 形组合梁与40 m 预应力混凝土 T 形组合梁, 进行全桥上下部结构综合比选。2 种桥型方案经济指标比较结果见表 7。由表 7 可以得出以下结论: 同一桥位, 在相同施工条件下, 墩高在 20～35 m 的桥梁, 30 m 预应力 混凝土T 梁桥型方案较 40 m 预应力混凝土 T 梁经济性好。
但随着墩高的增加, 40 m 跨径单位经济指 标逐渐显示出比 30 mT 梁经济的趋势。同时对于平均桥高在 15～30 m 之间的桥梁, 可选用的下部结构方案较多, 结合地形、 地质条件、 施工条件、 前后桥梁的结构形式、 交叉工程等因素综合考虑, 可原则上采用 30 m 预应力混凝土组合 T 梁或组合小箱梁。平均桥高在 30～35 m 之间者, 根据桥长及布 墩限制条件, 采用 30 m 预应力混凝土 T 梁, 或组合 小箱梁, 或 40 m 预应力混凝土 T 梁均可。35 m< 墩高≤ 50 m 桥型方案比选。选用跨径为 30 m 的预应力混凝土 T 形组合梁 与40 m预应力混凝土 T 形组合梁, 进行全桥上下部结构综合比选。
2 种桥型方案经济指标比较结果见表8。从表8 可以看出, 在同等施工条件下, 墩高H > 35 m 桥梁,40 m 跨径桥型方案比 30 m 跨径经济、 合理, 见图 2 所示。
2、总结
( 1) 桥梁处于山岭重丘区, 上部构造推荐采用 30 m 或40 m 装配式预应力混凝土 T 梁或小箱梁、20 m 预应力混凝土宽幅空心板或小箱梁, 结构连续、刚构或连续- 刚构体系; 下部构造根据墩高、高跨比值采用双圆柱墩、 十字墩。横向地形变化较大的地段, 冲刷强烈的沟( 谷) 底, 原则上均采用钻( 挖) 孔 桩基础, 以便尽量减少对自然环境的破坏。
( 2) 当墩高H ≤20 m 时, 在 20 m 跨径桥型方案与30 m跨径的比较中, 20 m 跨径桥型方案造价较低, 而且运输及安装方便、 施工工期短、刚度大、简洁美观, 具有明显优势, 推荐采用。
( 3) 当墩高 15 m< H ≤30 m 时, 在 30 m 跨径桥型方案与 40 m 跨径比较中, 30 m 跨径造价较低, 但随着墩高的增加, 40 m 跨径桥型方案逐渐显示出比30 m跨径经济的特点, 但考虑到 40 m 跨径的梁运输较困难、吊装重量大, 设计中一般采用 30 m 跨径桥型方案。当墩高30 m≤H ≤35 m时, 结合具体桥梁长度、位置、下穿工程及地形起伏情况, 选用30 m。