山區低等級公路橋樑設計要點論文
摘要：山區低等級公路平、縱、橫坡指標低，回頭曲線較多，半徑很小，在橋位服從路線走向的前提下，常常會出現集彎、坡、斜於一體的橋樑，使其受力計算複雜難以掌握。因此，以某三級公路設計為例，對山區低等級公路橋樑佈設方式及受力形式做了一些探討。
關鍵詞：山區；公路；橋樑設計；小半徑
中圖分類號：U442.5文獻標誌碼：B文章編號：1009-7767（2016）01-0056-04
山區低等級公路的建設不同於平原、丘陵地區，如山區地形複雜，縱、橫地面線起伏大，高程差別明顯，跨越V型深溝的機率大，平曲線長度佔路線總長度比例較大，回頭曲線多，橋樑往往設定在曲線處，轉彎半徑小，超高大，平曲線範圍內橋樑變寬，施工條件惡劣，便道難以鋪設等等，這些因素增大了橋樑佈設難度且樑體受力不明確，因此必須根據實際條件，多方面加以考慮，若忽略了某一控制因素，橋樑的佈置和受力就會不合理甚至難以施工。
1工程概況
某山區三級公路，路線總長度70多km，平曲線比例大且半徑小，佔路線總長近70%，極小半徑達21.55m；地面高差大，坡度變化頻繁，起點高程為2116m，終點高程為600m，高差約為1516m；路線最大縱坡為9.06%，已達極限縱坡值；大部分橋樑跨越山脊間深溝，縱、橫向坡面高差大、坡度值小，較陡峭，高差近50m。尤其是路線後半段，公路沿半坡面展線，回頭彎多，不穩定斜坡、陡崖等地形分佈較廣。山區公路建設受地形、經濟等條件的限制，一般是順著山形地勢設定路線線位，線位往往具有唯一性。受此影響，路線佈設時平、縱、橫3個方面都受到約束，在橋位服從路線走向的前提下，常常會出現集彎、坡、斜於一體的橋樑，因此設計中必須協調解決好橋樑各細部構造與地形、地質之間的關係。
2橋樑佈設方式
2.1上部構造的選取
上部結構一般採用標準跨徑的裝配式結構，然而路線走廊帶兩側山高坡陡，沿線只有1條舊路可以使用（該路修建年代久遠，路面寬度較窄，急彎多，原材料及大跨預製樑運輸困難，大型機具難以進入，雨天路面溼滑，山體滑坡、滾石時常發生，給施工帶來了很大的困難及危險性），在同樣方案下山區橋樑的建設難度要遠高於平原地區，因此不宜選用跨徑較大的上部結構。山區公路平曲線比例大，超高緩和段不可避免出現在橋上，如果選用空心板或小箱梁，架樑時1片樑4個支點不易調平，容易造成支座撅起脫空，使受力不均勻，故上部斷面宜優先採用T樑。當平曲線半徑較小時，單跨內預製樑內、外側邊樑樑長差別大，跨中矢高較大，因此宜做整體現澆板樑或現澆箱梁，以適應路線線形及路基寬度要求。
2.2下部構造的選取
山區山脊之間沖溝較多且兩側邊坡較陡，整體呈V字型，溝底較深，一般大於路基最大填土高度，且路基低側會形成多級放坡甚至無限放坡，因此必須設橋跨越。位於傾角較大的山體斜坡上的橋臺不能採用臺前設有填土錐坡的橋臺，橋樑布孔時應儘量採用無放坡要求的橋臺（如U型橋臺、薄壁臺等），並適當增加橋樑長度，使橋臺伸進陡坡一定距離。橋臺兩側翼牆與路基擋牆順接，以避免因橋臺的設定而引起臺前、臺側大面積放坡產生的不穩定性。橋墩不宜設定在沖溝溝底處。因為雨季洪水首先彙集到山谷深溝處，水流集中、流速快、流量大，會直接沖刷橋墩和樁基，造成基礎裸露，而且水流夾雜著較大直徑的滾石直接撞擊橋墩，對橋墩是毀滅性的衝擊，會嚴重危害橋樑安全。故在設計時，應將橋墩布置在兩側斜坡上，並且增強其抗沖刷、抗撞擊的能力。由於縱、橫向地面線高差懸殊，橋墩施工時為保護環境及施工安全，應選取雙向坡度相對較緩的地段，還要保證原地面不大填大挖，以避免開挖過大導致山體失穩危及人民生命和財產的安全，而且環境一旦破壞將難以修復。特殊情況下樁頂會錯層設定，這樣墩高不同，墩柱的剛度差會造成下部構造受力不均而產生沉降差，故在設計中應保證樁底入巖深度及足夠的有效樁長。彎橋平曲線半徑較小時應加大墩中心間距，以增加抗扭剛度，改善樑體內力分佈，保證恆、活載作用下的樑體穩定。
3關於橋位處於小半徑平曲線範圍的考慮
1）山區低等級公路小半徑橋樑居多，但只有在特殊情況下，地形條件受到限制時才會採用極限值。如該專案中，大、中、小橋普遍都是小半徑，特別是位於回頭彎處的平曲線半徑甚至小於30m，已經超出規範的要求，對於工程要求和地理環境而言，又沒有可以進行比較的線位及方案。
2）處於極小半徑處的橋樑，上部構造存在內外弧差，彎扭耦合現象明顯，內、外側樑體內力受力不明確，內、外側支座反力差別大等現象。山區地形複雜、抗震等級高，對橋樑的結構安全要求更高，這就需要採用合理的構造設計方案及結構受力驗算來保證橋樑的安全。
3）曲線段橋樑由於內側加寬，使橋樑起終點橋寬不同，此時可分兩種情況考慮：第一，平曲線半徑較大，路線較順直，橋樑起終點範圍內橋寬變化幅度不大，可以採用裝配式樑橋等寬布樑設計，護欄線形沿實際路線邊緣佈設；第二，平曲線半徑較小，橋樑起終點範圍內橋寬變化幅度大，此時全橋範圍採取等寬橋設計，則路基窄處橋樑橫向伸出路基外緣較長，路基無法和橋臺順接，美觀性較差，此時可將裝配式橋樑按分聯、分跨變等寬設計或按實際路線線形及寬度採用現澆變寬橋設計。實際設計中往往幾種控制因素同時存在，因此必須考慮周全，才能設計出較滿意的橋樑方案。
4小半徑橋樑驗算
曲線橋與直橋受力上最重要的區別就是存在彎扭耦合作用。在彎扭耦合作用下，彎橋具有沿某一變形不動點變形的趨勢，其在豎向荷載和溫度變化下的變形較複雜，樑體的彎曲剛度、扭轉剛度及支座的排布均會對內力產生影響，導致內力分佈不均勻。故在設計中，應區別設定上部構造內、外側普通鋼筋，以保證受力合理、均衡並採取增設防止樑體整體偏移及內側上翹的'構造措施。
4.1模型的建立
小半徑橋樑受力複雜，內力分佈不明確，特別是對於極小半徑的情況（如R=30m），可參考借鑑的資料甚少，為保證設計合理和安全，按R=∞直橋，R=30m彎橋2種方案對比計算考慮，得出上部構造的內力分佈、支座反力大小以及樑體撓度情況，以幫助指導設計。該彎橋為3跨13m連續結構，上部結構採用鋼筋混凝土現澆實心板，支座採用圓形板式橡膠支座，編號由內弧側到外弧側分別為1～7號。藉助有限元軟體MidasCivil建立板單元模型模擬計算分析。板單元相比樑單元能夠計算橫向內力分佈，體現彎橋彎扭耦合效應，與實際模型較接近，不需要計算橫截面形心、剪力中心、翼板有效寬度，截面的畸變、翹曲自動考慮[1]。計算恆載、活載2種荷載工況對上部的受力影響，分析1～7號支座反力大小及分佈規律，主樑外、內弧側邊緣撓度及橫向內力分佈形式及規律，用於指導設計中支座的選取、佈置及抗彎主筋、抗剪主筋、箍筋的配置。
4.2主樑支座反力分析
計算結果見圖3～6。由於橋樑結構為中心對稱，所以兩橋支座反力資料只以0號臺和1號墩做對比分析。首先對比由恆載引起的支座反力差異（見圖3、5）。橋臺處直橋在恆載情況下，支座反力主要集中在1、7號支座上，佔總恆載比率約為79.4%，且1、7號支座反力大小几乎相等；引起2、6號支座出現負反力主要是由於翼緣長度為1.5m，實心板厚度為60cm，1、7號支座充當槓桿支點，翼緣自重引起2、6號支座上方板底上翹，引起支座脫空，進而使1、7號支座壓力增大，2～6號內部支座反力減小。對於R=30m彎橋而言，1、7號支座反力佔總恆載比率約為77.4%，由於外弧側弧長較長，重心向外弧側偏移，致使7號支座反力比內弧側1號支座反力大52.3%。2種橋型中1、7號支座反力總和佔總恆載比例相近，但彎橋7號支座分擔了更多的上部恆載。橋墩處支座反力橫向差別較小，分佈較均衡，這是由於0號臺、2號墩分擔了部分恆載重力，所以直橋上1、7號支座反力幾乎相等，而彎橋7、1號支座反力差比率卻為17.9%。由圖4、6可知，在活載作用下，最不利工況下車道布載在外弧側，致使7號支座反力最大，1號支座反力最小；直、彎橋反力總體分佈趨勢相近；橋墩處反力分佈要比橋臺處均勻，所有支座均沒有出現負反力，但是彎橋橋臺處內弧側1號支座反力很小，僅為24.1kN，而7號支座反力則達到562.7kN，差值比率達95.7%，而相同位置直橋為80.8%。故活載在彎橋上引起的最大反力差較直橋多14.9%，設計時要注意彎橋內弧側支座可能出現的負反力狀態。
4.3主樑內力分析
為便於比較分析上部內力分佈，現計算實心板1、2、3號3個斷面縱向彎矩，見圖7～10。為便於對比觀察，將彎矩方向反向。直橋在恆載作用下，邊、中跨1、2、3號3個斷面縱向彎矩相差不大，最不利活載工況下，內、外弧側彎矩最大相差50.58%。彎橋在外荷載作用下，會同時產生彎矩和扭矩，並且相互影響，使上部截面處於彎扭耦合的受力狀態。恆載工況下中跨內、外弧側彎矩最大相差18.94%，相比直橋多達18.38%；最不利活載工況下內、外弧側彎矩最大相差63.33%，相比直橋多達12.75%。由此可知，彎橋在恆、活載工況下，內、外弧側縱向彎矩差距均較大且長度不同，故在設計配筋時，應對內、外弧側配筋率加以區別對待，尤其是外弧側應重點關注，用加強配筋（如加大鋼筋型號、加密箍筋間距等措施）的方式來抵抗橫向彎矩分配不均帶來的影響，避免因全橋統一配筋而使外弧側配置不足而內弧側配筋率過高的現象發生。
4.4主樑撓度分析
豎向位移是評價橋面板樑彎曲程度的一種直觀方式，圖11～14為上部結構撓度分佈雲圖。由於彎扭耦合的影響，彎橋的變形比同樣跨徑的直橋要大，如直線橋外邊緣恆、活載豎向撓度為7.326，6.773mm，彎橋外邊緣恆、活載豎向撓度為10.574，9.965mm，彎橋比直橋分別大約30.7%，32%。因此曲率半徑越小、橋越寬，這一趨勢就會越明顯。
5主要結論與建議
山區橋樑設計有其特殊性，應根據實際地形地質情況具體問題具體分析，才能設計出安全合理的橋樑方案。筆者計算中只單獨考慮了恆、活載的影響，而沒有考慮預應力、溫度、收縮徐變等其他因素的綜合影響。根據以上結構及支座受力特點，在彎橋的結構設計中，應對其進行全面的整體空間受力計算分析，只採用杆繫結構或橫向分佈等簡化方法計算，精度不能滿足設計要求，必須考慮在縱向彎曲、橫向扭轉耦合作用下，結合自重、預應力、溫度、收縮徐變和汽車荷載等因素，對樑體進行詳細的受力分析，充分考慮其結構的空間受力特點，才能完成安全可靠的結構設計。彎橋支座反力與直橋相比，分佈形式是曲線外弧側大、內弧側小，內弧側甚至可能出現負反力，造成支座脫空。考慮由於扭矩造成的支座反力差，還應考慮曲線橋變形引起的變位方向的差異。所以支座的選取應能滿足最不利工況下的最大支座反力和不同方向變位的需求，並在驗算後確定是否選用拉力支座。對於極小半徑彎橋應提高上部構造整體性和穩定性，儘量選擇橫向連線緊密、可靠、剛度大的結構形式，才能保證在彎扭耦合受力狀況下上部結構內、外側整體的受力均衡。
參考文獻：
[1]葛俊穎.橋樑工程軟體midascivil使用指南[M].北京：人民交通出版社，2013：41-43.
