某国道改建工程长桥总体设计研究
发布时间：2022-05-25
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1 引言
长桥一般指单孔跨径不大（一般跨径≤50m），有条件采用标准跨径的特大、大桥结构。结合我国当前实际应用的情况，高等级公路中推荐的标准结构主要有矮T梁、组合小箱梁、T梁以及预应力砼箱梁等结构形式。其中矮T梁适用于20m以下桥跨结构，而20m跨径及其以上标准桥跨，组合小箱梁、预制T梁及预应力砼箱梁三种结构经济技术指标均较好[1]，在高等级公路上得到了广泛的认同及使用。
本文以某国道上的长桥为工程背景，对长桥的总体设计进行分析研究。
2 工程背景
某一级公路，设计速度80km/h，路基宽度32m，项目主线全长27.1km。主线共设特大桥1698.6m/1座，大桥1527.4m/3座，中桥261.2m/4座。
该项目主线跨越的地貌类型有：冲湖积平原、坡洪积斜坡及低山丘陵区等。结合区域地质资料，测区前第四纪地层主要有白垩系黄尖组灰色凝灰岩、泥盆系西湖组泥质粉砂岩等，燕山早期第三次侵入花岗斑岩等。
3 上部结构
3.1 结构形式分析
沿线桥涵构造物较多，在桥型方案选择时本着“适用、经济、合理、安全、美观”的原则，尽可能做到设计标准化、施工机械化，方便分段统一集中预制安装，方便就地取材、运输方案，以缩短工期、节省工程造价[3]。本文主要对是20m跨径及其以上标准桥跨进行分析，因此以组合小箱梁、T型梁以及预应力砼箱梁这三种结构进行比选，详见表1。
表1 三种桥型方案技术性能比较表
桥型方案 | 组合小箱梁 | T型梁 | 预应力砼箱梁 |
结构受力性能 | 结构受力性能好，桥面行车舒适，梁高较低，病害较多 | 结构整体受力性能好，桥面行车舒适 | 抗弯扭性能好，桥面行车舒适，裂缝病害多 |
施工方案 | 架桥机架设施工，吊装重量较大。因提升结构整体性受力要求，工艺相对较复杂，施工难度增加。 | 主梁采用现场预制，模板较简单，施工质量较易控制，工艺较为成熟。 | 主梁采用现场浇筑，模板较复杂，施工质量难以控制，施工条件要求高，工期较长 |
使用效果 | 小箱室结构，单箱稳定性好 | 耐久性好 | 稳定性好 |
耐久性 | 结构耐久性一般 | 结构耐久性好 | 结构耐久性一般 |
综合评价 | 经济指标略好，建筑高度低，造型较美观，但施工难度大。 | 经济指标略高，建筑高度略高，造型一般，但造型简单，工艺较成熟，使用效果好，较适合山岭区。 | 经济指标略高，建筑高度略低，造型较美观，但施工要求高、难度大、工期长。 |
从以上表可以看出，20m～40m跨径组合小箱梁与T梁比较，两者上部结构经济指标T梁较高，T梁建筑高度略高，造型一般，但其构造简单，工艺较成熟，吊装重量轻，运输及吊装设备要求相对低，使用效果好。
组合小箱梁建筑高度低，造型较美观，35、40米跨径由于中横梁存在施工难度增大，吊装重量较大运输及吊装设备要求相对较高。
预应力砼箱梁结构截面抗扭刚度大，抗弯扭性能好，稳定性好，建筑高度略低，造型较美观，但结构空间受力复杂，后期较易出现裂缝等病害，且施工要求高、难度大、工期长。
结合从当地现状桥梁运营调研情况看，T型梁刚度较大，整体性较好，主梁病害相对较少；另外省内近几年多条在建的高速公路在净空高度不受限的情况下，均优先采用T型梁。因此本次长桥结构选用T型梁。
3.2 T梁跨径选择
桥梁标准跨径选择取决于桥梁跨高比、地形地质条件、设计施工经验、地区的习惯做法、施工条件、桥梁景观要求等[2]，其中，针对本项目特点，在跨越要求满足的前提下，影响标准跨径选择的主要影响因素为桥梁墩高。
考虑到本工程桥梁大部分位于山区，地形起伏较剧烈，桥梁墩高较高，选择经济配跨时需充分考虑墩高影响，分别按照平均墩高8m（6～10m）、12.5m（10～15m）、17.5m（15～20m）、25m（20～30m）进行计算，桥墩的形式均为桩柱式结构，当墩高超过30m时一般要单独计算，采用薄壁墩形式。
比选跨径采用20、25、30、35、40m，同时使桥长为整数跨，使得工程量更精确，避免桥长换算引起的误差，取上述跨径的最小公倍数4200m作为桥梁总长。每联长度控制在180m以内，伸缩缝采用160型伸缩缝，详见表2。
表2 跨径比选总体布置表
总跨数 | 每联跨数 | 联数 |
210跨×20m＝4200m | 7×20＝140m | 30×（7×20） |
168跨×25m=4200m | 6×25m=150m | 28×（6×25m） |
140跨×30m=4200m | 5×30m=150m | 28×（5×30m） |
120跨×35m=4200m | 5×35m=175m | 24×（5×35m） |
105跨×40m=4200m | 4×40m=160m | 24×（4×40）+3×（3×40） |
为方便计算和比较，工程量统一按半幅桥计算，半幅桥桥宽15.5m。桥梁下部仅包含桥墩和基础，不包含桥台。
根据工程特点和建设条件，跨径比选时采用嵌岩桩基础，桩长统一取值为20m，计算其综合经济指标表如表1所示。
图1 不同墩高情况下，T梁各跨径总综合经济指标
根据比选结果：在墩高小于30m时，T梁的经济指标随跨径变化的趋势基本一致。
在墩高小于15m情况下，25m、30m跨径的总综合经济指标基本接近，为最经济跨径，墩高在15～30m之间时，25m跨径为经济跨径，30m跨径略高3％左右。由于30m跨径应用较普遍，适应性也较强，且跨径加大后，梁板数量和下部墩柱数量均减少，有利于缩短工期，故墩高小于30m时，推荐优先采用30m标准跨径。
另根据一些被交道路或河流的跨越要求，以及跟河岸两侧村庄相衔接，部分桥梁采用25mT梁；根据铁路部门的要求，跨越铁路的桥梁孔径采用40m小箱梁。
4 下部结构形式及其他
4.1 桥墩
桥梁墩身和基础形式的选择主要根据上部结构形式、墩身高度、地质条件以及对美观的要求而确定[4]。本项目沿线途经平原以及低山丘陵区，根据总体桥梁布置来看，桥墩高度较低，大部分桥墩高度在10m以下。中小桥的墩身通常推荐柱式桥墩。对采用标准跨径的长桥而言，一般采用柱式墩、薄壁实体花瓶式桥墩等。柱式墩经济性好，工艺成熟，提升滑模施工快，与桩基础衔接性好；薄壁实体花瓶式桥墩外观俊美、景观性较好，但施工相对复杂，施工支架较多，工期长，需要设大体积承台，基坑开挖对自然环境破坏较大[5]。因此，无景观要求时，推荐采用柱式墩。
综合考虑该工程新建桥梁均采用分幅结构形式，单幅标准宽度15.5m，下部结构形式采用三柱式墩台。各高墩及跨河桥梁，当地面线或者水中墩冲刷线距墩顶高度H＞7m时设有系梁。
4.2 桥台
桥台的结构形式主要根据桥位处地质条件及桥头填土高度来确定。项目沿线桥头填土在5m以内，考虑采用桩基接盖梁式桥台。桥台桩基施工应在桥台路基填筑完成且沉降稳定后进行。
5 结束语
随着我国基础建设工程的快速发展，而长桥的总体造价整个项目的占比也较大，合理、经济的长桥总体设计也变得越来越重要。面对实际工程时，应综合区域的环境以及地质条件，对长桥的结构形式及经济跨径进行综合比选，本文所提出的长桥总体设计研究可为相关人员提供参考。
