高速公路桥梁下部结构设计之我见

　　摘要：大力发展交通运输事业，是加速实现现代化城市的重要保证。在公路、铁路、城市和农村道路交通以及水利等建设中，为了跨越各种障碍，必须修建各种类型的桥梁与涵洞，所以桥涵就成了陆路交通中的重要组成部分。桥涵的造价一般来说平均占公路总造价的10%-20%。特别是在现代高等级公路以及城市高架道路的修建中，桥梁不仅在工程规模上十分巨大，而且也往往是保证全线早日通车的关键。
　　关键词：高速公路；桥梁；下部结构设计
　　
　　桥梁总体结构简单来说就是分为上部结构（桥跨结构）及下部结构（桥墩和桥台）。桥墩和桥台是支承桥跨机构并将恒载和车辆等活载传至地基的建筑物。通常设置在桥两端的称为桥台。桥墩和桥台是确保桥梁能安全使用的关键，在桥梁设计中起着非常重要的作用，下面我以高速公路桥梁为例，简述我对高速公路桥梁下部结构设计的一些看法。
　　山区高速公路有整体式路基，也有分离式路基。现在道路选线提倡减少占地，提倡环保、与景观协调的理念，除了中长隧道等需设置分离式路基外，越来越多的高速公路采用整体式路基。整体式路基的双幅桥，一般情况下，下部结构按分幅单独设计，即双幅四柱。对于高墩长桥，为了减少开挖，增强边坡稳定性，节约材料，降低造价，整体式下部结构即双幅两柱不失为一种较好的选择。与双幅四柱相比，在桥墩截面积及横向宽度相当的情况下，整体式下构横向和纵向刚度是分幅设置的两倍以上，除了可以减少开挖，节约材料、施工面少外，还能减少墩顶变位。当然整体式下构帽梁跨度较大，还须考虑车辆双向行驶时扭矩影响，帽梁的尺寸相应要更大一些。因此，一座桥究竟是采用整体式下构还是分幅下构，需结合桥位处地形、地质、水文、墩高等多方面因素综合考虑。高速公路桥梁墩柱高度较矮的桥墩（h＜40m）多采用柱式墩或Y型薄壁墩，其中又以柱式墩最常用。
　　柱式墩分圆柱和方柱。圆柱施工中外观质量易控制，且与桩基衔接方便，平原地区用的较多。但从美观上来说，方柱有棱有角，与上构梁体协调，有一定的视线诱导性，较美观。从受力上看，截面积相等的方柱和圆柱，方柱抗弯刚度大于圆柱，受力优于圆柱，当体系为连续刚构时，方柱可以方便地通过调整两个方向的尺寸来调整墩柱的刚度，从而达到调整墩柱受力的目的。圆柱为各向同性，调整起来效果差一些。方柱的缺点则是墩柱与桩基之间需通过桩帽连接，增加了工程数量，并且山区桥梁地面横坡都较陡，增加柱帽构造需要增加挖方工程量，引起边坡不稳。因此，在设计中应根据地形、上构结构形式、墩高等因素综合考虑选用方柱或是圆柱。
　　Y型墩薄壁是独柱双支座的一种墩型，美观性较好，但施工稍显复杂。墩高较矮时，其施工既复杂又不美观所以少采用。当墩高较高时Y型薄壁墩施工只需一套模板，只需搭一个支架，对于地面横坡较陡，搭支架困难，模板需求量大的山区桥梁，Y型薄壁墩具有显著的优势。从预算定额中也可以看出，同高度的柱式墩与Y型薄壁墩相比，Y型薄壁墩的基价低。另外采用双柱墩时，由于地面横坡较陡，两个墩柱高度经常相差较大，由于线刚度EI/L差距大，导致一个墩两个墩柱受力差异较大，采用Y型薄壁墩，只一个墩柱，就避免了上述缺陷。也有人认为，上部的Y型承托节约材料并不多，却施工麻烦，宜设计为实体，权衡施工进度和质量、安全和节省材料及美观之间的关系，也未尝不可。不管外形如何，墩高较高时，采用独柱双支座外部形状Y型的薄壁墩较为适宜。
　　高速公路桥梁一般矮桥墩的设计由强度控制，但当墩高较高时，就必须得考虑桥墩的稳定问题。《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTGD62—2004）关于偏心受压柱条文说明5.3.10条指出，“当l0/h＞30时，构件已由材料破坏变为失稳破坏。”l0为受压柱的有效长度，在0.5~2倍墩高之间变化，究竟取值多少，与施工状态、上构重量、上构和墩柱的连接方式即墩柱的支承刚度有关。大量的计算实验表明对于先简支后刚构（墩顶与上构为钢板焊接）和先简支后连续（墩顶与上构为橡胶支座连接）的多跨T梁桥来说，墩柱的有效长度l0=1.2~1.43l，l为墩柱高度，当l=40m且采用矩形截面时，h≥1.2~1.43×40/30=1.6~1.907m，h=50m时h≥2~2.383m，当墩厚大于2m时，实心矩形截面经济性降低，所以可以得出一个结论：墩柱为材料破坏时，采用实心矩形截面，其高度不宜超过50m。当墩高大于50m时，宜采用空心薄壁墩截面。采用空心薄壁墩，墩高超过65m左右时顺桥向应考虑放坡，因为采用等宽尺寸时施工虽然方便，但为了保证桥墩的稳定，墩柱和帽梁必将尺寸加大很多，这样材料会浪费较大。
　　桥梁下部结构设计中除了下部结构形式的选择是需要设计人员慎重考虑外，桥梁下部结构关乎整个桥梁体系的安全性及耐久性，也是需要我们去注意的。
　　危及桥梁工程的安全问题除施工管理及施工质量外，设计人员更应该从设计层面最大限度的屏蔽安全风险。多方面入手，增强桥梁的安全性及使用耐久性。在桥梁设计领域，特别是关于桥梁结构设计和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。
　　结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。我们不能只满足于规范对结构强度计算上的安全度需要，而忽视从结构体系、结构构造、结构材料、结构维护、结构耐久性以及从设计、施工到使用全过程中经常出现的人为错误等方面去加强和保证结构的安全性。有的结构整体性和延性不足，冗余性小；有的计算图式和受力路线不明确，造成局部受力过大；有的混凝土强度等级过低、保护层厚度过小、钢筋直径过细、构件截面过薄；这些都削弱了结构耐久性，会严重影响结构的安全性。不少桥梁、虽然满足了设计规范的强度要求，仅用了5～10年就因为耐久性出了问题影响结构安全。结构耐久性不足已成为最现实的一个安全问题，设计时要从构造、材料等角度采取措施加强结构耐久性。
　　国内从上世纪90年代开始重视了对结构耐久性的研究，也取得了不少成果。这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度及如何以设计和施工人员易于接受和操作的方式来改善桥梁耐久性却很少有人研究。而且，长期以来，人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。结构的耐久性设计与常规的结构设计有着本质的区别，目前需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。大量的病害实例也证明，除了施工和材料方面的原因，影响结构耐久性的决定性因素是来自构造上（也即设计上）的缺陷。
　　不同的环境、使用条件和不同的设计对象都会对结构体系提出不同的布局和构造等方面的要求。因此，合理可靠的结构设计除了满足规范的要求外，还要求设计人员具有对结构透彻的了解、本性的正确认识、丰富的经验和准确的判断。
　　桥梁安全性和耐久性不足已成为迫切需要解决的问题，要积极借鉴国外成功的经验和做法，除了加强施工质量管理外，要从桥梁设计理念和结构体系和构造的角度做好耐久性的设计。同时需要研究疲劳和超载对于桥梁结构耐久性的影响。高速公路桥梁设计有很理念多区别于平原桥梁的设计，也有更多方面需要探讨，本文结合设计中遇到的部分问题，提出一些个人看法及解决方法，不正确之处还望专家纠正。