浅谈高速公路桥梁设计的要点和难点
2017年02月24日 来源:高速网 侯梦阳

  【高速网 侯梦阳】桥梁结构是高速公路的生命线节点工程,保证其安全和长期性能,对于高速公路系统的正常运营具有重要意义。随着我国桥梁建设的发展,各种规模和跨径的桥梁建造技术,已在我国得到了广泛的实践和验证。然而,随着这些已建成桥梁的投入运营使用,再加上我国现如今交通运输急剧增长的发展趋势,相当一部分桥梁在运营使用十几年便已经出现了较多的病害问题,这其中一方面是桥梁的使用环境发生了较大变化,包括交通量增长、车辆荷载等级增加,环境恶化严重等,另一方面,则需要重新审视桥梁设计中的相关问题和方法,以提高桥梁的设计水平。

  高速公路桥梁作为国民经济的基础设施命脉,如果其设计质量不好,所带来的是每年需要投入巨额资金进行养护和管理工作。因此,在设计阶段,就应该充分认识桥梁的运营特点和要求,设计出满足要求的适宜桥梁结构体系,降低运营期内的各种安全隐患[1]。论文通过详细地探讨了高速公路桥梁,包含桥面板、主梁结构、伸缩缝、支座、墩柱结构、桩基结构等全方面,分析其设计要点和技术,并针对桥梁设计中的桥型经济比选、抗震设计、抗倾覆设计等难点,进行了细致剖析和总结。

  一、高速公路桥梁设计的要点分析

  桥梁设计包含了大范围的结构选型到小范围的尺寸拟定和施工方法选择等,为明确作为承载封闭式高效运输网络的高速公路桥梁其设计要点,将从以下几个方面详细分析。

  1、桥面板设计

  桥面板是直接提供桥梁车辆运行的平台部分,其长期使用性能和安全性能对于保障主梁体系具有重要作用。钢和混凝土铺装是现如今应用较多的铺装型式,应该注意到,这两种铺装型式应该结合实际的桥梁特点采用。例如,大跨径桥梁采用整体式钢箱梁,就应该选择正交异性钢桥面板,以提高桥梁的气动稳定性;采用组合梁和混凝土梁的桥梁结构,可以直接应用混凝土桥面板。钢桥面板设计中注意沥青铺装层与桥面板的连接性能,以保证不会有铺装开裂、渗漏等病害发生;混凝土桥面板则需要特别关注桥面开裂问题,避免桥面板受到较大的局部轮压作用,因而需要设计好其支撑与跨度。FRP组合桥面板是目前研究的热点,直接减轻了桥面结构自重,抵御外部环境腐蚀,充分发挥FRP材料的优势。FRP组合桥面板的设计难点是构造设计,需要掌握不同构造方法下的传力特点和可能力学问题,并尽可能去优化改善,因此需要在实践中考虑。

  2、主梁结构设计

  主梁体系是主要承受荷载的桥梁上部结构。进行桥梁选型,首先需要明确不同主两体系的适宜经济跨径,超过该跨径不仅需要耗费较大的经济投入,还可能引起各种桥梁使用病害。因而设计中需要对各类桥梁的经济跨径具有全面的认识,根据地质条件、施工工法和运营要求,选择合适的桥梁结构型式。对于超大跨径桥梁,主要桥型是悬索桥和斜拉桥,中等跨径则是拱桥、斜拉桥和连续梁体系,中下跨径完全是梁桥体系。由于中小跨径桥梁往往占据高速公路桥梁的80%以上,而且针对这些桥梁的设计可能更容易被忽视,因此这里着重分析。中小跨径桥梁中,各种多肋式梁桥的受力性能差异性显著,其中空心板梁在我国应用最为广泛,对于该类桥梁的设计理论,目前存在一定的偏差,小铰缝空心板将铰缝当作仅传递剪力不传递弯矩进行设计,但是实际施工中采用桥面铺装和铰缝将横向板梁连接在一起,运营过程中铰缝不仅承担竖向剪力还会传递横向弯矩,横向弯矩的存在使得铰缝过早开裂,降低了其工作性能,裂缝在运营中不断扩展,导致单板受力现象,严重的情况下还会使得板梁发生整体的破坏和倒塌现象,例如杭州钱江三桥引桥在2011年7月发生的倒塌事故。T梁和小箱梁则应用跨径稍长,但需要注意横向连接设计的合理性,过多的横隔板构造会削弱其一维受力性质,导致受力更加不合理。

  3、伸缩缝和支座设计

  桥梁伸缩缝提供桥面连续作用,一般而言,为了保证行车的连续性,应该设置最少的伸缩缝,例如中小跨径桥梁可以通过桥面连续的方式进行设计,然而,尚且需要设置一定的伸缩缝以满足桥梁的纵向变形性能。桥梁与道路连接是桥面跳车的常发地段,给行车安全带来了威胁,因此,当桥梁跨径低于16m时,可以将桥台处伸缩缝转移到桥墩处,保证桥台与路面连接顺畅性。

  桥梁支座需要提供竖向承载性能,同时还需考虑上部结构的水平变位能力。为了消除支座变形限制引起的病害,对于多跨连续桥梁,需要在中间桥墩设置一定的固定支座,并在桥台和其他桥墩位置设立纵向滑动支座,确保桥梁变形均匀分布在全跨内。对于独柱墩的支座,应特别关注桥梁的倾覆问题,对于曲线梁桥的中间墩,需要进行一定的横向偏移以抵抗运营中的车辆偏载效应,对于横向双排支座需要考虑偏载可能引起的支座脱空问题,进行支座横向位置的优化。

  4、墩柱和基础设计

  墩柱的设计不仅要结合地形特点,还需要根据美学原则与上部结构进行配套设计,一般桥梁跨径与墩高满足0.618~1的比例比较符合美学特点。不同的墩高尺寸,所选的的上部主梁体系也应不同。根据上部桥面宽度,下部墩柱一般采用双柱式桥墩较为适宜,如果桥下空间有需求,则可以采用独柱式桥墩,但应该注意独柱墩所带来的横向抗扭性能差的问题,对于大曲率或者直线桥梁的设计,需要特别关注其横向稳定性能。

  高速公路桥梁应用最多的基础型式式钻孔灌注桩基础,该基础型式施工工艺成熟、工期快、质量易把握。桩基础的桩径尺寸也与桥墩和桥梁跨径等存在一定的关联系,如表1所示,不同跨径尺寸的T梁桥,其桩径尺寸与墩高、桥梁跨径具有关联。

  二、高速公路桥梁设计的难点

  高速公路桥梁设计需要满足基本的安全性和使用性,然而,由于运营期间的各种不确定因素,需要针对一些特定因素进行特别设计。针对面大宽广的高速公路中小跨径桥梁,其设计的难点不一儿童,这里重点分析抗震安全性和重载交通下横向倾覆稳定性。

  1、抗震安全性

  为了保证中小桥梁的抗震安全,主要应该从减震措施着手。中小跨径桥梁结构的减隔震设计可以从下部结构、下部与上部的连接结构及上部结构三个方面开展。下部结构减震一般选择重力式桥台,和钢筋混凝土桥墩,预制墩柱则要保证节段直接的钢筋连接,利用钢筋延性减震;上下部结构连接采用支座和伸缩缝减震,控制伸缩缝支撑面的宽度,采用分层橡胶支座、铅芯橡胶支座和滑动摩擦型支座是目前应用比较广泛的减隔震支座结构。通过设置在支座内部的橡胶块变形进行耗能,另外设置聚四氟乙烯材料降低上部与下部结构的摩擦性能,减弱地震能量向上输出。防落梁则可以设置限位器和剪力键橡胶支座,当桥梁结构在正常变形范围内是不进行限制,当出现较大纵向或横向位移时,通过限位器限制位移,最为简单的限位装置是设置有受拉钢筋的纵横向挡块。

  2、重载交通下横向倾覆稳定性

  梁桥倾覆近年来发生了多起,其根本原因是采用独柱墩中间支撑的梁桥结构缺乏足够的横向抗扭性能,在极端车辆荷载作用下,特别是超载车排队在一侧行驶,使得梁体缺乏足够的抗倾覆抗力,导致倒塌破坏。因此,针对这种的梁桥倾覆事故,应该从桥梁设计本身进行改善。首先,尽量采用双柱墩支撑形式,提供桥梁足够的横向抗扭性能,特别是针对大曲率和直线梁桥;其次,如果设置独柱墩,则需要在中间独柱墩设置一定的支座横向偏移,这样可以降低支座脱空的风险,同时设置一些有限位置抗倾覆措施,如抗拔钢筋和挡块防落梁构造。

  随着我国桥梁建设的快速发展,精细化的设计可以有效降低运营期间的各种养护和管理费用,是发展的趋势所在。论文从桥面板、主梁结构、伸缩缝与支座、墩柱和基础等方面详细剖析了高速公路桥梁设计的要点,并针对其中面大宽广的中小跨径梁桥抗震和横向倾覆问题进行了细致讨论,给出了设计解决对策。


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