山区高速公路深谷地形桥梁选型设计研究

梁余定

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)

山区高速公路深谷地形桥梁选型设计研究

梁余定

(广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507)

以广东省龙川至怀集公路的桥梁为典型例子，介绍了山区典型地貌下的高墩桥梁的选型原则及设计特点。详细介绍了龙门大桥桥型方案的选择分析过程，对山区高墩桥梁方案选型及设计时应考虑和注意的实际问题进行探讨，给出了解决方法。

山区；高墩；连续刚构；方案；设计；施工

1 工程概况

广东省龙川至怀集公路怀集县境内龙门大桥为跨越U形山谷而设。项目地处于粤西隆起带，地貌单元属山岭重丘，局部为台地，溶蚀平原或山间洼地。桥区位于山间谷地，地势起伏较大，谷底区域地势平坦，主要为农田及民房。桥位区地面标高约115～254 m，两侧山地纵横向坡度较陡，山上植被茂密。桥梁跨越龙门村寨、省道S349和桃花水支流。

主要技术指标：设计荷载为公路-Ⅰ级；设计速度100 km/h；桥面宽度：0.5 m(防撞梁)+11.5 m(行车道)+1.5 m(中央分隔带)+11.5 m(行车道)+0.5 m(防撞栏)=25.5 m；单幅桥面宽度12.5 m。

2 桥型方案选择原则

(1) 考虑高速公路的路桥配合，原则上桥位服从路线，不因桥位选择造成路线过度绕行或线形指标的降低；同时，在路线方案设计中，尽量考虑大型构造物两头接线顺畅的需要[1]。

(2) 山区高速公路地形起伏变化大，桥梁墩高变化剧烈，桥梁的跨径除满足功能需求外，高跨比通常结合桥梁美学原则及经济性进行比较，一般比值控制在0.618～1之间[2]。由于山区地形起伏变化频繁，一座桥梁应根据地形尽量选择一种跨径，不宜根据墩高频繁变化跨径，墩柱高度变化很大时，可根据全桥平均墩高综合考虑[3]。

(3) 桥墩高度在60 m以内时，桥梁上部结构形式一般选择空心板、T梁和小箱梁的预制吊装结构，常用的跨径有16 m、20 m、25 m、30 m、40 m、50 m[4]。

(4) 跨越大型深谷和河川时，考虑造价、施工条件和美学等因素，宜采用大跨径结构桥梁。

综合上述原则，在一般情况下，桥梁上部结构宜采用标准跨径的预制梁板。但山区高速须跨越沟谷，墩高普遍较高，在跨越深谷地形时桥梁结构型式的选择会影响桥梁受力的合理性、整体造价、施工的难易和美观。

3 桥型方案的选择

3.1 桥型方案

根据龙门大桥桥位场区地形地貌情况，综合路线线形、地质、水文及桥下道路等因素分析，桥型方案设计以梁桥体系为主。对于拱桥、斜拉桥和悬索桥方案，由于其造价高，且运营养护期间需要定期的更换斜拉索或吊索，养护费用高，故不考虑进行同深度的比较。

对于山区梁式桥可选择的梁桥方案较多，同一地形桥梁单跨可以从40～200 m进行比选[5]。为充分地进行比较分析，设计拟定了3个不同主桥跨径的连续刚构桥方案和1个40 m跨预应力混凝土先简支后结构连续T梁桥方案进行同深度比较。具体方案情况分别如下：

(1) 方案一：采用1～30 m预应力混凝土简支T梁+5×40 m预应力混凝土先简支后结构连续T梁+(50 m+90 m+50 m)预应力混凝土连续刚构+(5×40 m+5×40 m)预应力混凝土先简支后结构连续T梁(图1)。

(2) 方案二：采用4×40 m预应力混凝土先简支后结构连续T梁+(55 m+100 m+100 m+55 m)预应力混凝土连续刚构+(4×40 m+5×40 m)预应力混凝土先简支后结构连续T梁(图2)。

(3) 采用5×40 m预应力混凝土先简支后结构连续T梁+(72 m+130 m+72 m)预应力混凝土连续刚构+(4×40 m+5×40 m)预应力混凝土先简支后结构连续T梁(图3)。

(4) 采用21×40 m预应力混凝土先简支后结构连续T梁(图4)。

在对桥梁方案的下部结构进行静力分析及稳定验算后，结合结构经济性、美观性和施工工艺等影响因素确定。下部结构形式的选取原则：① 预应力混凝土T梁结构，当墩高H<35 m 时，采用双圆柱墩[6]；当墩高35 m≤H<60 m时，采用等截面单薄壁空心墩；当墩高H>60 m时，采用变截面单薄壁空心墩，壁厚横桥向坡比均采用1/100，空心墩壁厚均采用50 cm[7-8]。② 预应力混凝土连续刚构，当墩高40 m≤H<80 m时，采用等截面单薄壁空心墩；当墩高80 m≤H<100 m 时，采用变截面单薄壁空心墩。当墩高H>100 m时，采用等截面薄壁空心墩，空心墩壁厚采用60～80 cm[9]。

图1 方案一桥型布置立面图(局部)

图2 方案二桥型布置立面图(局部)

图3 方案三桥型布置立面图(局部)

图4 方案四桥型布置立面图(局部)

3.2 连续刚构方案间的比较

连续刚构方案主桥上部结构均采用预应力混凝土结构，主梁断面采用单箱单室，箱梁梁高按二次抛物线变化；下部结构采用等截面单薄壁空心墩。引桥上部结构为40 m跨预应力混凝土先简支后结构连续预制T梁；下部结构根据墩高情况采用等截面单空心薄壁墩或柱式墩。方案详细对比情况见表1所列。

表1 方案造价对比分析表

方案一与方案二比较：在主桥总造价方面，由于方案一只有2个主墩和1孔主跨，主墩个数比方案二少，且主桥长度短，因此造价比方案二低。在主桥造价指标方面，方案一、二的上部结构指标基本相当，但由于方案一主墩造价占主桥总造价59%的比重，而方案二的主墩造价占主桥总造价的比重为55.5%，导致方案一的主桥造价指标比方案二高。引桥方面，由于方案一引桥较长，且薄壁高墩个数较多，以致其引桥造价比方案二高。在引桥造价指标方面，由于方案一引桥下部造价占引桥总造价59%的比重，而方案二的引桥下部造价占引桥总造价的比重为54.8%，导致方案一的指标比方案二的高。总体综合比较，方案一由于主跨和主桥长度相对较小，没有有效的减少引桥的长度和引桥高墩的个数，下部结构造价占比偏高，导致总体造价相对较高。

方案二与方案三比较：在主桥总造价方面，由于方案二有3个主墩，比方案三多1个，同时主桥长度比方案三长36 m，由此导致方案二主桥总体造价比方案三高。在主桥造价指标方面，方案三的上部结构指标比方案二的高；但由于方案二主墩造价偏高，占主桥总造价55.5%的比重，而方案三的主墩造价较低，占主桥总造价的比重为50.7%，以致方案二的造价指标比方案三高。两个方案的引桥高度基本相当，但方案二的引桥比方案三的引桥短40 m，以致方案二引桥总造价比方案三低。总体综合比较，方案三由于主墩个数比方案二少，主桥造价指标相对较低，在引桥基本相当的情况下，方案三更为经济。

综合连续刚构方案的对比分析发现，由于单个高墩结构的造价相对较高，当主桥跨径较小时，受自身主墩造价高的影响，主桥总体造价指标偏高同时，由于主桥长度较小，不能有效地减少引桥高墩个数，以致引桥造价指标仍会偏高。随着主桥跨径的增加，引桥高墩个数减少，主桥造价指标和引桥造价指标均逐渐变优。

3.3 预制吊装与连续刚构方案的比较

上部结构采用40 m跨预应力混凝土先简支后结构连续预制T梁；下部结构根据墩高情况采用柱式墩、等截面空心薄壁墩或变截面单空心薄壁墩[10]。根据连续刚构桥的对比结果，采用方案三与方案四进行比较分析，详细对比情况见表1所列。

方案四由于上部结构为预制吊装的40 mT梁，上部结构造价指标较连续刚构低很多。但由于预制吊装结构跨径较小，导致造价较高的高墩个数较多，桥梁下部结构造价占总造价比重高，全桥总造价与连续刚构桥方案趋近。

3.4 综合比选

根据经济比选的结果知，方案三和方案四的经济指标较优。为更好的选出适合本项目的方案，需结合项目的特点，在环境影响、施工难度、施工工期及桥梁的景观性方面做进一步的比选。

(1) 环境影响方面：方案三与地形的匹配较协调，桥墩个数少，基础开挖少，对环境的破坏较小；方案四桥墩个数较多，下部基础开挖多，对环境破坏较大。

(2) 施工难度方面：方案三采用悬臂浇筑施工，施工工艺成熟；方案四上部结构全为预制安装，施工工艺成熟，但桥墩高度较高，个数多，施工安全风险较大。

(3) 施工工期方面：方案四上部采用预制吊装结构，可与下部结构同步施工，工期相对较短。

(4) 景观性方面：本桥两次跨越省道，桥下有龙门村和桃花水支流，方案三主桥跨径大，整体通透性好，与周边环境协调，景观效果好；方案四由于跨径小，桥墩高，总体不协调，柱林现象明显，桥梁景观效果较差。

综合以上比较分析，考虑到采用连续刚构方案增加的造价不多，桥梁施工工期不直接影响项目的整体施工进度，且能兼顾到桥梁的美观性要求，故龙门大桥最终选取主桥72 m+130 m+72 m的连续刚构桥方案进行施工图设计。

4 结束语

随着桥墩高度的增加，桥梁下部结构造价明显增大，其造价占桥梁总体造价的比重增大。对于预制吊装结构，由于下部墩柱个数较多，下部结构造价随着墩高的增加，桥梁总体造价大幅增加。对于适当的大跨径连续刚构，由于可以减少引桥或主桥的高墩个数，有效的降低桥梁的下部结构造价，从而使采用大跨连续刚构桥梁的方案更为经济。

由于山区地形地质复杂，适当的采用大跨的连续刚构方案不仅能增加桥梁的美观性，使桥梁更好地与环境融合，而且可以减少由于桥梁下部结构基础施工、修建施工便道和开辟施工平台时造成的开挖凌空面对山体稳定性的不利影响，避免次生灾害的发生。

[1] 吴玲正．墩形选择对山区高速公路桥梁设计的影响[J]．中外公路，2011，33(3)：167～170.

[2] 王常青．山区高速公路桥型选择[J]．交通标准化，2005(5)：20～21.

[3] 葛胜锦，王学军．山区高速公路桥梁的设计方法与实践[J]．公 路，2008(9)：238.

[4] 杨金宝，吴建敏，李国清，等.86 m墩高高架桥的设计与施工[J]．公路，2005(1)：121～124.

[5] 邓晓红，陈冠桦，万 麟．山区高墩梁桥方案的经济性比较[J]．交通科技，2011(1)：4～6.

[6] 时翠芳.山区高墩墩顶水平位移及墩型比选探讨[D].西安：长安大学，2013.

[7] 郭 梅．高墩大跨连续刚构桥稳定性分析[J]．西安公路交通大学学报，1999(3)：32～35，38．

[8] 徐 岳，郝宪武，张丽芳．连续刚构双薄壁墩参数方法研究[J]．中国公路学报，2002，15(2)：79～82．

[9] 蒋银萍.刚构桥中的高墩计算研究[J]．中国水运，2007，5(9)：88～89．

[10] 王银辉，吴建敏，刘 东.变截面空心薄壁墩的稳定计算[J]．公 路，2004(1)：74～77.

2016-10-29

梁余定(1984-)，男，广西防城港人，广东省交通规划设计研究院股份有限公司工程师．

U422.54

A

1673-5781(2016)05-0625-04