公路桥梁设计要点及方案对比分析
时间：2023-06-03 10:25:20 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
侯青
（上饶市宏优公路勘察设计院有限公司，江西 上饶 334000）
随着经济社会的快速发展，我国公路建设规模不断扩大。为节约土地资源及充分利用施工区域地势，桥梁在公路交通建设中被广泛应用。桥梁设计是公路桥梁建设中的关键环节，直接关系着公路桥梁的建设质量及安全通行。要想整体提高公路桥桥梁建设的质量，保证其使用的安全性，就必须加强桥梁设计。以下结合具体的工程实例，对公路桥梁设计的相关问题进行分析。
该项目起于弋阳县西桥徐家附近，路线往北沿信江西侧布线，在白马洲现信江大桥附近跨信江，经沙子岭徐家，在竹棚陈家附近利用现有东站跨线桥跨沪昆高速和浙赣铁路，途经华亭、湾里乡、周店，终止于陈谷音村附近。路线全长13.86039km。项目推荐线改造范围共有现状桥梁5 座，分别为：信江大桥、葛河大桥、余家中桥、周店中桥、庙前中桥。
2.1 新建桥涵设计原则
根据前期基础勘察，结合该项目大、中桥具体特点，桥位以服从路线走向为指导思想，依照安全、舒适、经济、美观的原则进行桥梁设计，同时综合考虑地区的自然条件、材料供应、施工要求等情况。为了确保项目的技术先进、安全可靠、经济合理、实用耐久，以标准化、机械化开展施工作业。具体的桥涵设计原则为：
2.1.1 桥孔、桥跨、桥型、桥梁布设
在桥孔布设时，需综合考虑该地区的自然条件、材料供应、使用要求及便于施工养护等因素，做到与环境、人文景观协调发展。桥跨组合设计需综合考虑桥位的地形、地质、水文等条件，选用实用性和经济性强的桥型。特大桥及墩高超过30m 的大桥，需进行桥型方案比较，至少要提供两个或两个以上的桥型方案，方案需明确工程量与造价[1]。
桥梁原则上尽量采用正交，不采用或少采用斜交桥梁。地形及环境条件容许时，左右幅桥梁可分别设正交桥跨，分幅错孔布置。对于在平曲线上的桥梁，若曲线半径较小，可作曲线桥；
若曲线半径较大，可布设折线桥，同时上部结构必须包络桥面净空和护栏。对于处于不良地段的桥梁，需综合考虑结构安全性、施工效果、运营效果等因素。
2.1.2 桥梁结构选型
依照安全、舒适、经济、美观的原则进行桥梁结构选型，并综合考虑地质地形、路线、材料来源、材料运输、周围环境等因素。桥梁上部结构，选用预应力混凝土梁式连续结构，保证桥面平整度和行车的舒适性。尽量采用统一预制的结构形式，以便进行机械化、标准化生产，提高施工的便利性，进而缩短工期和降低工程造价。
2.1.3 桥梁跨越
桥梁需跨越山谷或深沟时，需综合考虑填土高度、沟底纵坡、地质等因素。若填土高度较高，地质条件较差，由于路基放坡侵占山谷侧道路或主河道而路基挡土墙又设置困难时，采用桥梁跨越[2]。
2.1.4 桥梁墩台布设
当桥梁墩台处于陡坡位置时，基坑开挖对山体面积造成较大破坏或易引发地质病害时，基础形式优先选用桩式基础。
2.1.5 桥头布设
在桥头有较多的高路堤、占用农田且需要大量运送填料时，应适当延长桥孔。
2.1.6 小桥涵布设
当小桥涵跨越人工沟渠时，应在原有沟渠基础上，依照不影响现有排灌系统的原则合理合并；
若跨越非人工沟渠，布设小桥涵时需综合考虑地形、排水、汇水面积等因素。
2.1.7 涵洞形式的选择
涵洞型式的选择，需综合考虑使用性质、泄洪流量、路基填土高度、地质条件等因素，优先选用圆管涵、盖板涵等型式。
2.2 改扩建桥涵设计原则
针对需要拓宽的沿线桥梁、涵洞，设置时需遵循如下原则。
2.2.1 扩建桥梁
为使新旧桥梁顺利衔接，扩建桥梁时，原则上应采用与原桥相同孔径，同时上部结构类型也应一致。
2.2.2 通航净空
为保证原线所跨河道及道路通航净空不变，应根据拓宽部分上部结构的结构类型及桥址位置实际情况，考虑局部降低地方道路高程的措施予以解决。
2.2.3 桥梁结构
本着结构安全、经济合理的原则，在保证桥梁安全、耐久的前提下，尽量利用原结构；
若出现严重损害、威胁安全、不适合加宽改造等的结构才予以更换。
2.2.4 桥梁施工
桥梁施工尽量减少对现有道路的干扰，保持地方道路的正常通行。
2.2.5 下部结构设置
增大加宽部分的下部结构设置，应减少新结构沉降，缩小新老沉降差，降低各种结构的附加力。
目前桥梁结构中主要有以下五大体系：梁式桥、拱桥、连续刚构桥、悬索桥、斜拉桥。结合该项目现场桥位建设条件和周边环境，考虑到该工程桥梁均为跨河桥梁，且仅信江有通航需求要设置大跨径桥梁，其他桥梁跨径一般采用中等跨径即能满足要求。此外由于道路线形复杂，在此修建悬索桥、斜拉桥或拱桥并不适宜，一来因为体积庞大不够灵活；
二来施工工艺复杂，造价高，工期长，与周边的地形地貌及建筑物也不协调。故以梁式桥作为该工程桥型方案进行设计，以信江大桥为例，设计了以下两个方案：
3.1 方案一：（63+110+110+63）m 变截面预应力混凝土连续箱梁
上部构造采用跨径(63+110+110+63)m 变截面预应力混凝土连续箱梁方案。下部结构采用板式墩，桥台采用柱式台，墩台基础均采用桩基础。桥梁总长度为346m。
110m 跨径变截面预应力混凝土连续箱梁设计和施工经验较成熟、受力性能较好、线形较美观。采用挂篮施工能较好地适应大江大河的情况。因为是现浇工艺，适应变宽能力较强。主梁受力明确，结构刚度大，抗扭性能好，在车辆荷载作用下主梁变形小，行车舒适；
施工稳定性好，易于维护；
在相同跨径的结构中具有一定的经济优势。但悬浇箱梁对施工工艺要求高，当管理与施工控制不到位时，易出现施工过程中的挂篮失稳及线形无法控制，适用于桥下净空较大、不适合搭设支架的桥梁[3]。
3.2 方 案 二：（90+170+90）m 变 截 面 预 应 力混凝土连续箱梁
上部构造采用跨径（90+170+90）m 变截面预应力混凝土连续箱梁方案。下部结构采用板式墩，桥台采用柱式台，墩台基础均采用桩基础。桥梁总长度为350m。
170m 跨径变截面预应力混凝土连续箱梁受力性能较好，采用挂篮施工能较好地适应大江大河的情况。因为是现浇工艺，故适应变宽能力较强。主梁受力明确，结构刚度大，抗扭性能好，在车辆荷载作用下主梁变形小，行车舒适；
施工稳定性好，易于维护；
在相同跨径的结构中具有一定的经济优势。但悬浇箱梁对施工工艺要求高，当管理与施工控制不到位时，易出现施工过程中的挂篮失稳及线形无法控制。170m 跨径参考国内类似桥梁可知病害发生较多，且对于矮墩情况由于支点处梁高较高故整体景观效果较差，适用于桥下净空较大、不适合搭设支架的桥梁。
根据表1 综合考虑景观效果、通航安全、后期病害及造价，信江大桥主桥推荐采用方案一，即（63+110+110+63）m 变截面预应力混凝土连续箱梁。
表1 信江大桥主桥桥型方案综合比选表
4.1 桥梁结构设计
以信江大桥为例，该桥有通航要求。勘察期间河面高程38.5m，河面宽度约200m，水深8m 左右。桥梁设计高程除了要满足设计水洪水位的要求外，主要受通航净空控制。
在总体布置方面，桥上纵坡2.155%、-0.45%，桥梁全长563.28m。在上部结构设计中，上部第一、二联采用单孔跨径30m 的先简支后连续小箱梁。单片中梁宽2.4m，边梁宽2.85m，各片梁体间采用后浇湿接缝连接，梁中心距2.9m，Lp=30m，小箱梁梁高1.6m，施工方案为预制架设。第三联采用（63+110+110+63）m 变截面预应力混凝土连续箱梁，支点处梁高6.2m，跨中梁高2.6m，施工方案为挂篮浇筑。在下部结构设计中，小里程桥台采用肋板式，桩基采用φ1.5m 钻孔灌注桩。大里程桥台采用柱式台，桩基单幅采用φ1.8m 钻孔灌注桩[4]。
4.2 涵洞设计
全线共设有涵洞35 道，共长1864.49m，平均每公里涵洞2.53 道。涵洞结构类型的选用在满足流量需要的情况下，还应考虑到当地的特殊地质地形等实际情况，合理地拟定涵洞结构类型及孔径。由于项目所在地土质松散，如涵洞孔径矮小容易造成堵塞，同时考虑到路线设计高普遍较高，部分路段对周边群众的生产生活影响较大，涵洞孔径适当做大，既能防止堵塞，又可以兼做简易人行通道，为方便群众，依据设计流量用1～4m 钢筋混凝土盖板涵。盖板可预制或现浇，下部具体结合地质情况选用整体式基础或分离式基础。处于软土区域的涵洞，还需具体结合软基处理情况来选择基础形式。孔径较大、填土高度较高的涵洞，需设置较高承载能力的拱涵。结合地形或水流情况设置涵洞的洞口形式，主要有八字洞口、一字洞口、跌水井洞口机制，若与挡墙衔接，应选用挡墙洞口，高填方路段还采用一字墙接急流槽洞口。路基为半填半挖形式时，涵洞纵坡普遍较陡，悬空部分（基础未落入原地面）应充分压实以保证路基承载力，以减少运营期间的不均匀沉降，延长涵洞的使用寿命。
4.3 桥梁耐久性设计
该项目环境类别为I 类（一般环境）。桩基、承台所处环境作用等级为I-C 级；
桥墩所处环境作用等级为I-B，其余部分为I-A 级。根据该项目环境分类及作用等级进行耐久性设计。该项目桥梁工程的设计基准期是100 年，主体结构的设计使用年限为100 年，桥面铺装、排水系统、栏杆、伸缩装置、支座等的设计使用年限不低于15 年。
4.4 混凝土结构耐久性设计
耐久性会受材料性能与品质的影响，因此在混凝土结构耐久性设计中，对于梁、墩、台、盖梁等重要构件，选用了高品质的混凝土，确保混凝土的强度、密实性、抗渗性、防腐蚀性等性能优越；
为减少裂缝问题及减小裂缝宽度，设置增强防裂钢筋；
在关键部位增加钢筋保护层的厚度，延缓钢筋被腐蚀时间，对氯离子含量、水泥含碱量等进行控制。
原材料、混凝土及水泥基灌浆料应符合《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》（JTG/T 3310—2019）的要求，水泥强度等级应与混凝土设计强度等级相适应。大体积混凝土宜采用硅酸二钙含量相对较高的水泥；
主体结构应使用无碱活性反应的集料，非主体结构宜避免采用有碱活性反应的集料；
综合考虑使用目的和混凝土性能、原材料性能、施工条件、配合比等因素，选择适宜的外加剂，并通过试验及技术经济比较确定用量；
应限制每立方米混凝土中凝胶材料的最低和最高用量，在保证强度的前提下宜减少凝胶材料中的硅酸盐水泥用量；
所有泵送混凝土除了满足上述混凝土配合比要求外，其坍落度还应满足《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T 10—2011）；
选用质量稳定并有利于改善混凝土抗裂性能的水泥和集料等原材料，不得采用有碱活性反应的骨料；
提供足够的钢筋和合理的布置，保证受拉和受弯裂缝很好地分布；
桩基、承台最小保护层厚度为45mm；
桥墩最小保护层厚度为30mm，其余部分最小保护层厚度为20mm。
在公路桥梁设计过程中，应遵循安全、舒适、经济、美观、便于施工养护的原则进行，同时综合考虑地质地形、周围环境、材料来源、材料运输等因素，从而提升公路桥梁方案设计的科学化水平。文章结合具体的项目，对公路桥梁设计过程中具体应遵循的原则进行分析，并提供两种设计方案进行比选，综合考虑景观效果、通航安全、后期病害及造价等因素，最终选定方案一，即（63+110+110+63）m 变截面预应力混凝土连续箱梁。在选定方案的基础上，指出在公路桥梁设计过程需要注意的问题，包括桥梁结构设计、涵洞设计、桥梁耐久设计、混凝土结构设计等。希望通过此次研究，能为类似工程提供一定的参考借鉴。
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