中小跨径弯桥正做设计中桥面铺装厚度控制及支座脱空问题的解决

摘要：讨论中小跨径弯桥设计中由装配式空心板、箱梁组成的桥面系会出现支座脱空及产生铺装厚度低于计算模型最低要求的原因、“弯、坡、斜”桥桥面铺装的特点，并提出采用新方法（同坡台阶综合布置法）进行半幅平差得出控制横坡并设置相等的板间竖向错距的设计方法，有效的将弯桥桥面的不规则高程差传递至下构，以便满足控制桥面铺装厚度在合理范围的要求。

关键词：中小跨径；弯桥正做；支座脱空；同坡台阶综合布置法；铺装厚度；空间计算

随着近年来国家对西部及中部欠发达地区的基础建设投入的不断加大，不仅扩大了以高等级公路为主的干线公路的建设量，同时也上马了大量的二级公路以下的低等级支线和县乡公路项目。中西部公路项目特点为以山区地形为主，山高谷深、投资额度紧张且注重投资使用效率，在这样的条件下修建低等级公路，必然会造成工程中跨越河流处小半径弯桥的大量出现，形成“斜、弯、坡”的桥梁（注释：弯-平面位于需要形成单向横坡的圆曲线及缓和曲线内；坡-纵断位于在竖曲线范围或较大纵坡内；斜-斜交布置）。在造价严格控制的基础上，现阶段行业内此类弯桥多弯桥正做、径向布置，上部采用预制拼装梁板做成直线变梁长变梁端角度构件，并且将边梁翼板曲线布置，适应“弯斜”的要求；另由铺装层适应“坡”的要求，这样可以简化构件的结构设计、缩短设计及施工周期、降低施工难度和施工成本。但与此同时，当使用装配式空心板、装配式箱梁时（单片梁板单侧有两个支座），需要通过大量的计算来确定梁板空间布置方案及控制高程，使之满足线型要求和结构要求，同时如果不将支座垫石高度控制纳入计算范围，支座脱空现象也会成为“弯坡斜”桥的通病。

公路设计中，在需要考虑设计速度、圆曲线半径、路面类型、自然条件和车辆组成等情况下，以抵消离心力作用为原则，在圆曲线半径小于规范标准时，考虑设置单向横坡（超高），依照规范规定，在连接该圆曲线段的缓和曲线上设置超高渐变段，将单向横坡变为双向坡甚至连接具有反向超高的曲线的缓和曲线。如果桥梁某一跨进入这种具有超高及超高变化段中，此跨桥梁在两端支点处需要适应桥面高程而形成不同的桥面横坡，如果再遇到斜交的情况会产生令设计工作量大幅度增加。

这类桥梁的桥面理论上是一种不规则曲面，但使用直线构件组成桥面系的“弯桥正做”理论上纵向用多段线尽量贴近各个方向的曲线及不规则曲面，并由桥面铺装层实现由多段线向曲线，平面向曲面的转换。而这种做法在实际工作中常用横向梁板布置的主要是梁板台阶状布置（如图1，以下简称“台阶布置法”）梁板同坡布置（如图2，以下简称“同坡布置法”）两种形式布置。但若考虑到，直线上下坡段、竖曲线段的影响，及斜交布置的影响，按照以上两种形式布置均无法满足铺装厚度设计要求、如不付出大量细致的下构标高计算还容易产生梁板支座脱空的问题。如下面的示例：

对同坡布置法而言，“弯+斜”导致单跨左右幅合成横坡不等、且左右幅板间竖向错距不相等。当平面偏向与斜交偏向同向时，内侧半幅单块板实际纵坡对中线偏距的导数为正，外侧半幅单块板实际纵坡对中线偏距的导数为负，导致左右幅实际横坡较同坡布置使用的平均横坡的离散程度，随中线偏距而增；反之，平面偏向与斜交偏向异向时，内侧半幅单块板实际纵坡对中线偏距的导数为负，外侧半幅单块板实际纵坡对中线偏距的导数为正，导致左右幅实际横坡较同坡布置使用的平均横坡的离散程度，随中线偏距而减小。加上“坡”中竖曲线的影响，会放大上述离散效应。对台阶布置法而言，由于本桥受到位于缓和曲线段以及斜交径向布置的影响导致梁板空间状态类似展开折扇的扇骨状。

那么，问题就产生了：

一、若按同坡布置法：边梁板铺装厚度会过厚或过薄（过厚：超过结构恒载控制范围；过薄：上部结构承载力受影响）；按台阶布置法：单片梁板横向边缘处也会过厚或过薄，还会因空间的扇骨状布置影响上部结构的整体性，需要对桥面铺装厚度进行大量的控制计算。

二、若按同坡布置法：为保证桥面铺装高度在控制范围内，必然造成板两端盖梁的横坡与板底横坡不同，四个支座垫石所需标高不共面（若不经过繁琐计算得到每个支座垫石控制高度，会形成支座脱空）；若按台阶布置法：由于缓和曲线、斜交径向布置的影响，每块板板底均为梯形，造成四个支座垫石标高不同（若不经过繁琐计算得到每个支座垫石控制高度，会形成支座脱空）。

若用上述两种布置方式应对本桥的这类情况，虽然工作量巨大，但受到调整铺装厚度的能力限制无法解决上述两个问题。

笔者为了找到问题共性并加以解决，又对本桥及过往项目类似桥梁的大量验算，总结出“斜”、“弯”、“坡”相互影响的特点如下：

“弯+斜”特点：位于无超高的圆曲线及缓和曲线段内斜交桥梁，左右幅合成横坡不相等、且左右幅竖向错距也不相等；“斜+坡”特点：左右幅合成横坡不等；“弯+坡”特点：扇骨状空间形状，坡会加剧不利控制计算的影响；“弯+坡+斜”特点：竖曲线会加剧上述情况“弯+斜”特点，凸曲线会加剧同向的不利情况，凹曲线会加剧异向的不利情况。

经过对上述组合特点的分析及计算，假设若在设计时考虑控制车速，适当减小横坡；分左右幅控制计算；并将同坡布置与台阶状布置综合使用，变成同坡台阶综合布置方法（以下简称综合布置法），即板底同坡、台阶布置、纵向错距相等，就可以较原来两种布置方法让铺装厚度会过厚或过薄和易形成支座脱空的情况得到更大范围的有效的控制。综合布置可以将铺装厚度的离散性进行有效控制并下传至支座处，可以兼顾支座脱空和最大限度满足对铺装厚度的设计要求。但综合布置的控制计算同样非常困难并且繁琐。因此，为了使计算准确、快速，笔者首先针对中小跨境“斜、弯、坡”空心板梁桥，编制了相应的程序，利用空间关系，兼顾三维坐标控制设计，使用综合布置法（采用分左右半幅分别进行对两端支点横坡平差计算后提出半幅控制横坡，然后加上相等的竖向错距，通过用支座垫石高度控制调整的方法），针对弯桥的高程控制进行计算。

程序计算主要解决了以下问题，1、用路线数据计算得出需匹配的横坡；2、并利用空心板构件在空间的直线属性，在柱坐标系中模拟空心板，匹配横坡后，对桥面铺装厚度进行验算；3、计算并得出支座垫石及梁底调平钢板的相关数据。

本程序结构较合理，操作较简单，只需要通过输入一些相关路线数据、桥梁布板控制数据、及桥面铺装控制厚度范围，便可迅速得出按照综合布置的相关控制数据，并得出对应支座控制高度。

在随后的优化中，笔者考虑到装配式小箱梁与空心板的问题相似，针对程序特点，开发了针对装配式小箱梁的程序模块，计算核心方法还是综合布置法，不同的是装配式小箱梁将两端支点处实际横坡离散不向支座处传递（梁底均为水平布置），而是在梁顶面横坡解决，只需要较空心板模块，多输入少量梁板参数及梁顶线间距，即可迅速得出结果。

在之后的公路设计中，利用这一程序的两个模块对多个项目中空心板及装配式箱梁的空间布置原则进行试算确定，用以指导项目桥梁设计工作，并对十数座弯桥进行计算设计，均取得较好的效果。