山区公路中小跨桥梁设计关键问题研究

李 扬,葛粟粟

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710065; 2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司西安分院,陕西 西安 710065）

0 引言

我国西部山区占据面积较大，为了更好地发展区域经济，在西部山区复杂地势处修建公路变得尤为重要。山区环境特殊，在进行公路修建时，通常桥梁占比较大，并且中小跨径桥梁又占据桥梁中较大的一部分。对于修建的中小跨径桥梁，合理的选型设计能够使桥梁在运营期间减少不必要的病害，提高桥梁的稳定性，保障交通出行安全。过去技术和理论不成熟以及交通量的增长，导致桥梁各方面的隐患逐渐暴露出来，对结构耐久性、外观都造成了较大的不良影响。近些年来，中小跨径桥梁发展形势迅猛，在新的时代背景下，对桥梁的设计理念、施工质量、后期养护提出了更高的要求，这也就要求设计人员对桥梁设计进行更全面的考虑，以便制定出更加合理的设计方案。该文首先指出山区公路中小跨桥梁的特点和问题，针对问题提出解决措施，为中小跨桥梁设计提供可靠的参考资料。

1 中小跨桥梁设计的特点

山区地形、地质条件十分复杂，因此在进行桥梁修建时，桥梁的结构设计、施工、养护等都与普通地区的桥梁修建有所不同，主要有以下几点：

（1）需要克服桥梁所在区域内复杂地形、水文地质条件带来的影响。山区桥梁建设时首先需要克服复杂的地形，比如较大的高差、沟壑较多等多种不同的地质构造，其次是要克服各种自然灾害（滑坡、泥石流等）所带来的影响[1]。

（2）需要采用高墩结构形式。高墩结构能够克服山区高差大的地形条件，但该结构柔性较大，受到较大侧向力（横风、地震等）作用时，桥梁出现较大侧向位移，导致上部结构和墩柱的强度受损，严重影响桥梁的使用功能。

（3）桥梁在道路中占比较大。山区存在较多沟壑与河流，不具备修路条件，必须以桥梁进行连接，再加上山区公路建设一般由平面半径小的平曲线和半桥以及高档墙组成，使得桥梁数量进一步增加。

（4）桥梁分布布局呈现零散、间断分布，路桥之间频繁交错。各区域内高程相互之间缺乏连续性，需要不断采用中小跨的桥梁进行连接，导致桥梁分布零散，十分不利于桥梁后期的施工养护，这就要求在进行桥梁设计和施工时更加注重结构和材料的耐久性，尽可能地减少桥梁出现病害，否则一旦产生病害再加上桥梁分布较为分散，将会给后期养护带来巨大困难。

（5）施工场地受限，工作面小，施工难度进一步增加。地形条件较差导致在桥梁施工时，原材料的运输、混凝土浇筑变得十分困难，工期进展缓慢，严重拉长道路建设的整体周期，使工程成本进一步增加[2]。

2 中小跨桥梁设计存在的问题

（1）承载能力不足。山区公路进行中小跨径桥梁修建时，受地形影响一般都是采用高墩结构形式，虽然能够克服复杂的地形条件，但高墩往往设计的横截面面积较小，柔性较大，重心高，并且还要求极高的施工精度，导致设计人员再进行设计时考虑各种因素时，使设计标准下调，进而导致承载力在规范要求的极值边缘，没有留下相对较高的容错，再加上施工现场可能存在的施工缺陷，致使桥梁的承载能力进一步损失。

（2）结构及材料耐久性无法得到有效保障。近年来由于结构耐久性不能满足要求而导致的塌陷事故频发，其中不乏中小跨径桥梁出现问题。影响桥梁耐久性的主要原因有以下几个方面：一是桥梁运营期间缺乏有效的管理和养护，主要原因是山区中小跨径桥梁数量较多、分布零散，后期检查、养护压力较大。二是山区自然灾害频发（山洪、暴雨、泥石流、滑坡），都会使结构的耐久性受到较大的挑战，一旦出现险情将会对桥梁造成重大影响，甚至直接倒塌。三是受限于新材料、新技术、新方法的发展，无法在该领域应用最新的创新发明，从而在根本上解决耐久性问题[3]。

（3）设计理念与方法落后。当前，我国基础设施建设迅速发展，大量建设基础设施，设计与施工过分追求速度忽视了对质量的把关，随着计算机的发展，各类设计软件层出不穷，许多设计人员只是仅仅熟悉软件各项功能，而对实际设计时遇到的困难估计不足，逐渐造成设计人员设计理念和方法越来越落后。一方面许多设计人员在进行设计时对现场条件考虑不足，简单地利用软件进行设计，许多细节未经过仔细推敲，忽视了桥梁建造的具体条件。另一方面，设计人员缺乏自主创新意识和能力，照搬前辈留下的工作经验和方法，没有结合实际充分发挥个人的主观能动性，甚至出现套图的现象，这也使得桥梁设计不能适应当地环境。因此，需要设计人员秉持创新的精神，将自己的思想融入设计方案与工程实际中去[4]。

3 中小跨桥梁设计原则

3.1 安全性

设计桥梁时安全性是必须遵守的原则，也是最为重要的原则。因此在山区建造桥梁时不仅要考虑地形、水文以及施工过程中存在的问题，也要尽可能地规避各种可能存在的风险，制定各种预案，确保桥梁在地震、洪水等不利因素作用时保证结构的稳定性和耐久性。

3.2 经济性

山区建设中小跨桥梁时，复杂的地理条件不仅增加了现场施工的难度，同时也提升了建设成本，因此在进行山区桥梁建设时，桥梁的成本也是必须考虑的重要因素之一。基于桥梁的建设成本，在进行桥梁设计时要选择合理的上下部结构形式和实用耐久的材料，这些都直接关系到项目的建设成本，一旦在设计时出现偏差，将会极大地增加建设成本。山区中小跨桥梁工程设计时应编著多种设计方案进行比选，在满足桥梁质量和使用要求的条件下选出经济性最高的设计方案，以此来降低项目造价，保证项目的经济性和科学性。

3.3 方便施工

山区的复杂地形导致现场施工的难度和工程风险进一步提升，因此在进行中小跨桥梁设计时要充分考虑这方面的因素，在设计各种施工方案时首先要满足方案的适配情况，在满足条件的情况下尽可能地选择施工相对简单的方案，不仅有利于项目成本控制，也能提升工程质量。同时，在进行施工时，由于交通限制，大宗材料和设备进场困难，设计时应选择简单、可靠的施工工艺。在材料选用上，应尽可能地就地取材，避免大宗建筑材料的异地运输和大型设备安拆，降低施工难度，提高山区桥梁建设的可行性。

3.4 环保性

无论在什么地区建造桥梁都会对周边环境造成一定的影响，尤其是在生态系统较为薄弱、周边环境较为复杂的山区，对生态系统的影响更加明显，严重时可能会使周边生态环境遭受严重破坏。鉴于此，在进行山区桥梁设计时，要充分考虑对周边环境的影响，施工时尽可能采用对环境影响小、更加环保、节能的新材料、新工艺，减少对周边环境的影响。

3.5 结构合理性

山区桥梁结构形式合理的选用能有效提升结构的耐久性，再加上特有的地形条件导致桥的数量较多，因此在建设桥梁时一般会选择中小跨径的桥梁，主要是由于这种结构形式的桥梁结构简单，并且大多可以采用预制拼装的方式进行施工，降低施工要求，进一步提升桥梁设计的科学、合理性。

4 中小跨桥梁的设计要点

4.1 桥梁结构形式选择

特殊的地理环境影响，使得现场施工难度增加，因此在进行结构选型时应尽可能使设计标准化、施工机械化，便于后期施工，同时也能缩短工期、降低成本。根据《公路桥梁通用图》的相关要求，在充分考虑施工条件等多种因素的情况下，选择空心板、小箱梁和T梁，三种结构形式的特点以及适用范围不尽相同，如表1所示。

表1 三种结构形式适用范围及特点

4.2 桥跨分联设计

确定桥梁上部结构形式后，下一步工作就是根据跨径、桥高等因素确定合理的结构体系，如桥面连续、先简支后连续等体系，并且对墩高确定分联长度、位置和伸缩缝等多项指标进行综合考虑，从而确定最为合理的设计方案[5]。如表2所示，为桥梁分联设计分析表。

表2 桥梁分联设计分析表

根据桥面延伸量进行伸缩缝型号的选择，伸缩缝的选择标准如表3所示。

表3 伸缩缝选择标准表

4.3 桥墩设计

通过综合考虑桥梁类型、墩高以及所处的地理位置确定桥墩的类型，当前常用的桥墩类型有矩形墩、圆柱墩、柱式墩和尖端型墩几种类型，对于同一座桥梁要尽可能选择同一种类型的桥墩而且桥墩直径也要保持一致。如表4所示，为桥墩选用标准。

表4 桥墩选用标准表

4.4 桥台设计

山区地形起伏较大，表面为一层较薄的风化岩和堆积岩，其基岩埋藏较深。通常桥台的填土深度要不超过8 m，并且根据桥台所处位置和地基承载力的情况选用合适的桥台。如表5所示，为桥台类型以及适用范围分析表。

表5 桥台类型以及适用范围分析表

4.5 抗震设计

由于地质结构和板块构造，山区多为地震多发区，因此在进行设计时需要着重考虑提升桥梁的抗震性能，主要方法是通过加强桥梁细部构造设计，从而使得桥梁抗震性能得到提高，采取的措施主要有以下三条，其一，桥梁支座材料必须具备较好的抗震、隔震性能；其二，对结构的配筋设计进行优化，避免为了提高承载力而盲目增加钢筋数量，保证结构具有足够刚性的同时具有较好的延性[6]。

5 案例分析

某山区高度公路沿线经过河流，穿越山涧、盆地，总体趋势呈现两端底中间高的特点，需要在一处山涧处进行桥梁建造，经过前期考察和工期要求，采用装配式构件进行建造，并且考虑桥面高度不影响最高水位顺利通过，同时桥墩不产生较大的阻力。

5.1 上部结构

根据要求使桥墩不产生较大阻力，在满足设计要求的情况下应尽量减少桥墩数量和直径，通过比选，选择T梁或小箱梁构造形式。但是由于小箱梁宽度较大，模板较为复杂，同时施工工序繁琐，使得施工质量难以得到保障，并且后期运营养护也相对不容易，而T梁构造工序简单，技术成熟，因此更加适用于该项目。

根据上述分析，该桥梁建设时采用T梁构造，该桥梁总长为292 m，跨径选择为40.0 m分联为 （40×3+40×4）m分布。

5.2 下部结构

该工程跨越山涧，加上桥梁两侧为农田，为了减小对农田的破坏以及考虑上部结构40 m跨径，故采用双柱式桥墩。通过进行承载力计算，墩柱直径设计为1.8 m，高度为25.2 m，中间设地系梁和中系梁，满足承载力要求。

6 结语

由于山区地理环境和地质条件复杂的特点，因此对于中小跨桥梁设计十分重要。该文阐述当前中小跨桥梁设计时存在的问题，并且分析了桥梁结构选型和上、下部结构的选择原则和应用范围。该文也对桥梁相关设计人员提出要求，必须转变理念，提升中小跨桥梁设计质量和标准，为山区中小跨桥梁建设献出自己的一份力量。