浅谈公路路面桥梁设计的难点问题.doc

浅谈公路路面桥梁设计的难点问题路桥?航运?交通建材发展导向2010年12月引言浅谈公路路面桥梁设计的难点问题林晨1潘红燕2摘要:本文就近年来公路路面设计中关于桥梁设计的部分难点问题进行分析,并对有关问题提出一些看法和意见.关键词:公路桥梁;桥梁设计;桥位;桥梁布置随着公路建设的蓬勃发展,许多勘察设计单位的业务十分繁忙,由于工期的限制,出图的速度相当之快,随之产生的问题也较多.笔者在桥梁设计工作中发现许多问题有其共同的特点,值得作一讨论,以期引起重视.下面以施工图设计为主,对公路路面桥梁设计的这些问题作简单分析,提出个人的看法和建议.l桥位的设计对于独立大桥,桥位问题是在工可报告阶段解决的问题,而一条公路上桥梁的位置有时往往需要到施工图设计阶段才能最后确定.因为公路在施工阶段仅能确定走廊带,初步设计尽管审批了路线的方案,但不能排除施工图阶段路线的局部变化,许多审查意见均有要求设计单位进一步对路线方案优化的内容,因此不少施工图最后确定的路线与初设方案虽总体一致,但局部调整修改却是大量的.路线一旦改移,桥位便要随之而变,例如在山区,河沟一般较小而弯曲程度甚大,路线稍移动数十米甚至数米,曲线桥可能变为直线桥,斜交桥可能变正交桥,甚至有桥变为无桥.公路的技术指标相对较高,常是桥梁等结构物绝对服从路线,于是斜,弯,坡桥大量出现.上述情况在立交设计上也是十分明显的.施工图阶段常可能适当移动立交位置,即使位置不动,也常需调整匝道形状,纵坡.立交设计总是以路线线型设计为主,匝单上的小半径,大纵坡,大超高以及宽度的急剧变化等接近于低等级公路的线形指标经常临时发生,其上的桥梁则必须随之变化;有时对于主线上跨或下穿两可的立交桥梁,由于长度,跨径均不大,施工图还可能把上跨变下穿,不但桥位而且桥型都将改变.因此,公路上桥梁的施工图设计,桥位问题依然存在.由于桥位是在最后确定路线时才同时确定的,施工图阶段桥梁设计者仍应与路线设计紧密结合,不应坚守各管一段的原则,应了解桥位变化的理由,分析利弊,提醒和协助路线设计.此外,如果桥位调整变化较大,则设计程序应从桥位设计开始,对外业基础资料应认真检查,对桥型,跨径应重新审视,必要时应到实地进行补充.桥位变化引起的地形,地质,河床断面,水位等的变化,常有因时间来不及而利用参照原桥位资料的做法,有时可能导致设计的依据性资料大有出入甚至发生错误,应引以为训.2桥梁布置的设计(1)平原区跨河桥梁和主线上跨立交桥梁的总长,主要取决于设计控制的路基填土高度.设桥梁高为H,控制的路基填土高度为h,纵坡为i,按坡度对称设置且地面为平面计算,除跨河部分所需的长度外,其余的桥梁长度为L=2(Hh)/i.按桥高13m,?206?对称纵坡2%计算,如控制h为8m,则L为500m,如控制h为12m,则L为300m.由此足见控制路基填土高度的影响之大.现在有的把h控制为12m,有的控制10m或8m甚至更低,其理由常没有说明;而每米路,桥造价之差高达数万元,这一控制高度仅一座桥梁就可能影响数百甚至上千万元的投资.桥头路基填土高度的控制与土方单价,占地及其价格,填土土质等均有关,设计之初对此应有个总体设计,进行分析比较,对长路线还应分段进行定量控制,而不应因设计者的不同而确定不同的高度,浪费于无形之中.(2)山区桥梁的布置考虑的重点不一样.岸坡陡峭的山体往往覆盖层很浅,甚至岩石露头,桥梁顺纵向只要移动几米,十几米,就可能把桥台置于挖方路基上,仅设置一个台帽或低矮的台身,基础极为简单和节省.否则桥台便可能相当高,如桥台还设计有桩基础,则需在陡坡上立钻架钻孔,施工大为不便,且造价大增.(3)高架桥梁需设计多长不能仅从桥梁本身考虑,两端土石方的调配利用也是个重要因素.高架桥常处于两边挖中间填的路段上,如两边挖方量大,土石方大量废弃,还需花费占地和绿化投资,如减少一些桥梁长度,空出一段作为路基则可消化不少废方,也节省了桥梁的造价.两挖方(或两隧道)路段之间的桥梁还需考虑实际施工的程序,如先做桥,则材料运输困难,开炸石方时将危及桥梁;如先做路,土方石块将顺坡溜至谷底,再做桥梁时将需进行大量的清理工作才能做基础.这些都需根据具体地形,地质条件考虑桥梁的合理安排,甚至为此需要改变桥梁或基础形式.(4)公路斜跨较宽的被交道路时,往往采用左右幅错开布置而做成正交桥梁,可有效地减小桥梁路径,但也会带来一些问题.如两幅桥梁的桥台不设在同一个桩号上,会造成一幅的桥头路基的边坡深入到另一幅桥孔下面,有时还需设置支挡结构;如两幅桥台设在同一个桩号上,则可能造成一幅的端跨需采用非标准跨径,难以利用通用图纸和模板,同时还将引起立面上桥孔布置的不均匀;如在城镇附近,桥下墩台较为杂乱,缺乏韵律和美感.因此,在这种情况下,应先认真地对正交,斜交及其采用跨径进行比较,再详细设计,不宜简单确定.(5)两段高填方路段均采用桥梁跨越时,如中间隔着不长的一段矮挖方或低填方时,究应设置两座桥梁还是一座桥梁也是认真对待的问题.从经济角度出发,做成两座桥梁较合理,因为挖方或低填方路段的桥台工程量均不大,不高的路基显然比桥梁节省.但如两桥台间的净距仅几米或十余米,则将引起高速行驶的车辆瞬间通过路桥相问的路段,且一连通过两道伸缩缝,存在路桥刚度改变过快,桥头连续跳车现象,行车的舒适性受到影响,既是间距不大,分为两桥的节省量亦有限,故仍应考虑一桥通过.建材发展导向2010年12月路桥?航运?交通3局部方案及构造设计3.1桩柱墩台设计一条公路上的桥梁数量多,时间和条件的要求往往需采用常规的桥型,因此设计时对常规桥型的上部构造设计为通用图纸以便多处利用了,但桥梁的下部构造则因桥而异,不得不进行单独设计.因此常常发生下部设计不仅因桥而异,而且因人而异的现象,缺乏一致性,造成施工的麻烦.以经常采用的桩柱式墩台设计为例,桩柱直径,桩长,桩柱配筋与桥梁形式,跨径,墩台高度,地质条件有关,但经常看到的是小跨矮桥采用大直径,还要嵌岩十数米,相反亦有高墩细柱,上重下轻令人担心的设计.除时问紧等因素外,可能还存在对桩基础的某些认识问题.3.2扩大基础当基底地质条件良好时,采用柱式墩台往往不需配置桩基础,只需设置柱下的浅基础即可.众所周知,浅埋基础有刚性和柔性之分,刚性基础必须保证刚性角方可在沉降时整体变形.基础因地基承载力偏低,刚性角不足才按柔性基础设计,因而在基础中配置钢筋.奠基于强度数兆帕的岩石或坚硬土层上,采用比柱(板)底面积大得多的扩大基础,完全不必担心基底承载力不足,如确有担心亦可通过计算增加基础的台数扩散应力.但无论哪类土壤,均不可能出现顺桥向按刚性角扩散应力能够满足承载力要求,而横桥向按刚性角扩散应力就不能满足的情况.如果把两柱基础连在一起以加强整体性,不但造成了很大的浪费,而且很不合理.从配筋概念上说也存在问题.如设计图绘制的实际是钢筋混凝土条性基础形式,其配筋可简单地采用倒梁法计算确定,结果应该是横桥向配受力主筋,顺桥向配分布钢筋,而不是相反.因此,建议对于柱式墩或肋板式桥台的浅基础,可按刚性基础设计时便设计成分离式的刚性基础,刚性基础中配筋其实不起什么作用,故过去大量采用砖石砌体作为扩大基础的材料,采用素混凝土已属相当强劲的基础了,不应再耗费大量的钢筋.如基底地质不良又不采用桩基础,在小跨径的桥梁上可考虑采用独柱式或条形的柔性基础,则应根据柔性基础的理论进行设计,也不应随意确定尺寸和配置钢筋.3.3大坡度桥梁实践表明,大量设置在一个纵坡上的中小跨径的先简后连的桥梁,尽管设计已考虑了梁底楔块使支座只承受竖直荷载,使用中仍然存在一联整体往下移动的问题,这一现象往往导致橡胶支座错位,变形,伸缩装置一端拉开,一端压紧,久之甚至危及桥台背墙.尤其是桥墩高度大的桩柱式下部构造,下移还将造成桥墩的恒载偏心加剧.有人分析此现象与行车振动和支座压力变化有关.尤其是数跨联的桩柱式高墩,一律采用相同形式,厚度不小的橡胶支座(联端还采用滑板支座),使上部构造如同浮在柔性的桥墩上面,整个结构的重心甚高,前后左右均有位移的可能,这种设计是有缺陷的.所以有采用一些使上下部构造固定的措施,如设置固定支座或把少数桥墩与上部构造固接起来,以适当提高结构的整体性.在跨度不大的高架桥上,采用几个桥墩进行墩梁固接的形式较方便,温度变形均可通过柔性高墩消化.当然,这样处理后需要对结构进行整体分析,对一些桥墩的进行单独设计.3.4曲线桥梁的梁长和超高桥梁通用设计图往往是按直线,无纵坡的方案设计的,而常常需要应用在曲线,有纵坡的桥梁上.常因工期紧迫的原因,对具体桥梁仅设计一张总体配置图和下部构造,关于套用上部构造仅一句话采用某通用图.这样做即使对于直线桥梁也是不够完善的,对于处于圆血线,缓和曲线上的桥梁则存在不少问题.现以常用的先简支后连续的梁式桥为例说明.一个是梁长变化问题.曲线上横向分片的主梁长度随横向位置不同而不同,外侧梁长与内侧梁长相差很大.当桥上既有圆曲线又有缓和曲线时,直接按计算的尺寸划分,预制梁的长度将有数十种之多,施工是难以做到的.为简化施工,常在径向设置的墩台上设置一定的楔形现浇段进行调整,将结构连续段的尺寸予以适当变化,从而把预制梁长的规格减少到几种.但仅仅这样还不够,通用图纸上的钢筋和预应力钢束是定长的,梁长的增加或减少,应该增,减哪个区段的钢筋和钢束也是必须交代清楚的,一般来说,变化直线段的钢筋钢束较为简单.所以施工图设计不仅应有说明还应有必要的图纸.还有超高设置问题.超高的变化要求成桥后的桥面是一个复杂的空间曲面,预制梁的直线,平面的外形决定了在具体设计时必须进行详细的几何设计.超高渐变段上桥面横坡一直在变化,该曲面的形成可以有多种方法,一般是采用梁顶板坡度,盖梁项面坡度变化,支座垫石高度(包括支座厚度)以及混凝土铺装层厚度等进行调整.但在超高缓和段上由于桥面每一点的高程均不同,不可能只通过调整预制梁顶板,盖梁顶面坡度和垫石高度来实现,通过混凝土铺装层厚度进行微调是不可缺少的.此外,对于空心板或小箱梁等架设时需安放4个支座的桥型,由于底板是平面,必须使大梁搁置时4个支承均有基本相同的反力,否则大梁将受扭曲,因此垫石的高度变化情况又需增加.所以,形成超高的设计应该确定基本方法,并以方便施工为原则.例如是调整墩帽(盖梁)的横坡还是仅调整支座垫石的高度,采用梁项板横坡变化需采用几种规格的横坡.这些原则均为了控制现浇桥面混凝土铺装的厚度,故必须要有桥面铺装的厚度调整要求.确定方法后,应提出计算的数表以指导施工.不少桥梁的实践表明,设计文件上对这些问题交代不清,施工时不恰当的做法已成定局,最后的办法只有通过桥面铺装来解决,有的桥面混凝土局部厚度达到2030em甚至更大,使桥梁上的不均匀恒载大为增加,应当吸取教训.3.5预应力梁中的普通钢筋配置在过去钢材短缺的年代,从节省钢材出发,有些按全预应力设计的预应力梁所配的普通钢筋较少,致使某些部位发生病害,使人们体会到全预应力结构也需要以普通钢筋在某些部位补强,如主拉应力大的部位,预拉区,局部应力集中处等.现在按照全寿命设计的原则,规范在许多方面均提出了更高和更全面的要求,普通钢筋的用量确应有所增加.但现在也常看到有些预