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1、浅谈山区高速公路桥梁设计中的问题 浅谈山区高速公路桥梁设计中的问题 引言 山区高速公路地形、地质复杂，地面高差大，变化频繁，横坡陡、岩溶、滑坡、不稳定斜坡、崩塌、陡岸、煤层等不良地质现象普遍存在。故路线布设时平纵横3个方面都受到约束，因而山区高速公路桥梁中弯坡桥多、高墩大跨多、墩台形式多，设计中必须协调好桥梁各细部构造与地形、地质之间的关系。 1、桥梁结构形式的选择 桥梁体系的几何特征由桥梁的平面、立面线形构成，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，是设计中必须首要考虑的问题。 1.1 结构体系 基于运营的整体性、舒适性和耐久性的考虑，往
2、往须设计为预应力连续结构。预应力砼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。在血线、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
3、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、提高结构的稳定性和耐久性等方面都具有一定优势。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，还不用更换支座。 1.2 上部构造形式 山区高速公路桥梁常采用
4、标准化、装配化设计，其跨径有16m、20m、25m、30m、40m、50m，横断面形式有空心板、T梁和小箱梁等。对于跨径小于30m的，有空心板、小箱梁和T梁三种结构可以选择(见表1)。对于40m、50m跨径，根据梁的受力特点，宜采用T梁。 表1 孔上部构造主要材料指标 桥高跨径横断面桥宽工作面积砼钢绞线普通钢筋数据来源 /cm /m 形式 /cm /m2 /(m3m-2) /(kgm-2) /(kgm-2) 90 20 空心板 12 240 0.547 12.84 84.49 赣粤高速 100 20 小箱梁 12 240 0.380 9.082 67.85 京珠冯北 120 20 T梁 12
5、240 0.369 8.112 85.24 三福线 从表1可以看出，20m跨径时，T梁较为经济。对30m以下跨径也是这样。这是针对山区桥梁，平原地区则另当别论。对于50m跨径T梁，在小半径平曲线上，由于内外梁梁长差别较大，跨中矢高较大，对路线的适应性要差一些。且山区高速公路、交通运输、场地预制条件均较差，大型机具进入困难，因此一般不选用50m跨径T梁。对于山区高速公路桥梁，宜采用的标准跨径为20m、25m、30m和40m。 T梁之间的横向连接有铰接和刚接两种形式，采用铰接时，铰只传递剪力，车辆荷载作用在铰接缝处时，弯矩主要由现浇桥面板来承受，这样现浇桥面板的厚度就必须加厚。否则，铰接缝处桥面板
6、易出现通长的纵向裂缝。现浇桥面板厚度增加，意味着恒载增加，T梁配筋和钢索 必须增加，经济性下降，所以T梁横向连接采用刚接较好。预制T形截面梁的横隔梁宜采用现浇砼整体连接，当然在斜交桥及异形桥中需要横向弱连接时，铰接也是很好的选择形式。 1.3 桥墩形式的比较 连续刚构桥墩柱与梁体配置合理与否，直接关系到砼收缩徐变、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
7、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成为突出的问题。 相对大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进行桥墩形式的分析比较。 1.3.1大跨径连续刚构桥墩形式比较 大跨径连续刚构箱梁桥，对于较矮的墩，双薄壁墩为较理想的墩形；而对于高墩，则以箱形空心墩为宜。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及利于高墩结构的稳定性外，对于平曲线上的桥梁
8、，还可提供较大的抗扭刚度。 1.3.2中等跨径多梁式刚构桥桥墩形式比较 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。双柱墩与矩形薄壁墩比较，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梁桥的墩形，在曲线、大纵坡、高墩桥梁中具有变形小的优势。另外，山区高墩桥梁一般需采用桩 基，选用双柱对应桩基，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
9、合理性和必要性。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)比较，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2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。 2、结构设计上的特殊考虑 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，主要从三个方面进行特殊考虑。 2.1 曲线、大纵坡长桥下的高墩变位控制 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
10、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的墩顶横向变位、大纵坡下的向下移动变位及施工偏位等。这些变位在高墩长桥的情况下，尤其需要加以控制。 (1)横桥向变位控制。对于悬臂施工的预应力砼连续箱梁曲线桥，悬臂施工时梁体产生向曲线内侧的扭转。桥梁合龙并在二期恒载作用下，箱梁向曲线外侧扭转。箱梁本身的扭转很小，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
11、，以达到安全、经济兼顾的目的。 (2)纵桥向总体变位控制。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中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。 (3)高墩初始偏位控制。在高墩长桥中，预应力砼结构收缩、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。因此，设计及施工中应对成桥时的墩顶偏位加以控制。 综上所述，高墩变位的控制是多方面的，为了保证桥梁的
12、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 高墩弯曲稳定性计算问题 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
13、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。因此，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
14、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，在设计中应予以考虑。 2.3 陡边坡上的桥墩设计 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。墩柱刚度差造成下部构造受力不均匀，甚至可使其中一个墩柱受力增加1倍，此问题在设计中应予以充分重视。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简、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
15、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。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。 3、结束语 以曲线、大纵坡、高墩、长桥为特点的山区高速公路桥的设计中，应充分考虑曲线、大纵坡给桥梁结构带来的附加力；注意曲线扭矩、大纵坡水平力、弯坡组合下的动态增量对结构的影响；根据其受力特点和结构特性，选择适合的构造形式；高墩长桥由于体系的刚性较小，应重视体系的稳定性和变位控制。