復(fù)雜高海拔山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)探討

（湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，高等級公路的建設(shè)可以有效縮短城市之間的距離，特別是高海拔地區(qū)的橋梁建設(shè)對提高當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)具有積極的影響。高海拔山區(qū)不同于平原山區(qū)，地形地貌復(fù)雜多變，生態(tài)環(huán)境脆弱敏感，抗震設(shè)防烈度要求較高，同時(shí)高海拔山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)具有大曲線、長縱坡、陡邊坡、高墩大跨、長聯(lián)等特點(diǎn)，為了保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和后期管養(yǎng)的便捷性，需要綜合考慮多方面控制因素。筆者結(jié)合近年來在高海拔山區(qū)橋梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在闡述高海拔山區(qū)橋梁設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，從上部結(jié)構(gòu)選型、橋梁墩臺及樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)等角度進(jìn)行分析，以期能為類似高海拔山區(qū)公路橋梁設(shè)計(jì)提供借鑒和依據(jù)。

一、橋梁總體設(shè)計(jì)原則

1.橋型方案的選擇必須因地制宜，就地取材、便于施工和養(yǎng)護(hù)，使所選橋涵結(jié)構(gòu)充分滿足“安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)保美觀”的設(shè)計(jì)原則。

2.高海拔山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境敏感點(diǎn)較多，國家自然保護(hù)區(qū)、國家森林公園等國家級保護(hù)區(qū)眾多，結(jié)構(gòu)選型需充分考慮保護(hù)項(xiàng)目所在區(qū)域生態(tài)環(huán)境。

3.重視橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)，加強(qiáng)抗震措施及抗震構(gòu)造措施等設(shè)計(jì)。

4.優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)化、定型化設(shè)計(jì)的中小跨徑，優(yōu)先采用正交結(jié)構(gòu)。

5.根據(jù)橋梁下部結(jié)構(gòu)剛度合理分聯(lián)，以期達(dá)到最佳受力效果。

二、橋梁上部結(jié)構(gòu)

針對目前國內(nèi)高速公路上廣泛采用的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)（或簡支橋面連續(xù)）T梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)（或簡支橋面連續(xù)）箱梁、裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、矮T梁等常用橋型結(jié)構(gòu)及鋼混組合結(jié)構(gòu)，進(jìn)行全壽命周期的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)性能、施工工藝、耐久性、環(huán)境保護(hù)等方面的比較，以選擇適應(yīng)項(xiàng)目特點(diǎn)的橋梁結(jié)構(gòu)類型，橋梁上部結(jié)構(gòu)選擇掌握以下原則。

高海拔山區(qū)存在地震烈度高，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的特點(diǎn)，應(yīng)選擇抗震抗災(zāi)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)形式簡單、受力模式明確、輕質(zhì)低重心、剛度合理、質(zhì)量均勻和易于及時(shí)修復(fù)的橋型結(jié)構(gòu)。對于跨徑20m～50m的常規(guī)特大、大橋及部分中橋，橋型方案在裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁、T梁等結(jié)構(gòu)中進(jìn)行比選，擇優(yōu)采用。對于跨徑10m～20m的橋梁建議采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板、矮T梁進(jìn)行比選，擇優(yōu)采用。對于地震動峰值加速度較高（≥0.20g）的中小跨徑高墩橋梁，為減小地震力，上部結(jié)構(gòu)擬增加自重相對較輕的鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選，擇優(yōu)采用。對于橋隧相接、橋位相對較分散、規(guī)模不是太大、進(jìn)場條件或者預(yù)制場設(shè)置條件較差的橋梁，可根據(jù)橋高情況采用支架現(xiàn)澆箱梁、鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行比選，擇優(yōu)采用。

多跨式橋梁，上部結(jié)構(gòu)形式及跨徑選取宜根據(jù)墩高和樁長，并結(jié)合上下部結(jié)構(gòu)綜合判定，選取有代表性的橋梁作方案比選。結(jié)合筆者的經(jīng)驗(yàn)并綜合考慮全線橋梁的整體性及經(jīng)濟(jì)性，除特大橋梁外，對于一般大中小跨徑橋梁，跨徑可按下述范圍選取。

對于跨越較寬山谷、高差較大的大跨徑橋梁橋型可選擇大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋或預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋，但跨徑不宜大于200m；跨越山區(qū)典型的V形溝谷，且溝谷兩側(cè)山地地質(zhì)條件較好時(shí)，大跨徑上承式拱橋一般作為首選；跨越深溝谷特寬、特深的橋梁，則可選擇懸索橋、斜拉橋等。

表1 橋梁跨徑選擇標(biāo)準(zhǔn)

三、橋梁下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)視地質(zhì)、地形地貌情況、上部結(jié)構(gòu)類型及孔徑、墩臺高等因素，可采用柱式墩、薄壁墩、柱式臺、肋式臺、U臺、扶壁式臺；基礎(chǔ)推薦采用樁基礎(chǔ)，地質(zhì)情況特別好的可以采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)以降低造價(jià)。

1.橋墩

對于墩高小于35m的橋墩，擬采用等截面雙圓柱式墩；對于墩高在35m～75m的橋墩，根據(jù)墩高及抗震設(shè)防烈度的不同，擬在變截面雙方柱空心墩、等截面實(shí)心矩形獨(dú)柱墩、變截面空心矩形獨(dú)柱墩等結(jié)構(gòu)中比選，綜合受力性能、施工難易、工程造價(jià)等擇優(yōu)選用。

同一座橋梁上的橋墩高矮懸殊較大時(shí)，可采用不同形式，但當(dāng)某種形式數(shù)量較少時(shí)，應(yīng)按照少數(shù)服從多數(shù)原則歸并、統(tǒng)一，盡可能減少樁柱類型，方便施工。一聯(lián)內(nèi)各橋墩剛度及相鄰聯(lián)基本周期宜相近，若相差較大時(shí)，宜采用順橋向各墩頂設(shè)置合理剪切剛度的支座、改變墩柱尺寸或縱向配筋率等方法措施，調(diào)整一聯(lián)內(nèi)各墩剛度比或相鄰聯(lián)周期比。

選用合適的橋梁跨徑，在陡坡上盡量不設(shè)或少設(shè)橋墩；適當(dāng)延長橋梁，減小橋臺尺寸、減少開挖量。合理布置橋墩橫系梁，將系梁設(shè)于地面以上，以減小系梁的開挖。高墩設(shè)置承臺基礎(chǔ)施工困難時(shí)，可采用方形實(shí)心樁基礎(chǔ)。

雙柱或多柱墩在橫橋向地震作用下，設(shè)計(jì)蓋梁抗震時(shí)，應(yīng)考慮蓋梁可能會出現(xiàn)的正負(fù)彎矩交替作用。為減輕結(jié)構(gòu)自重以減小地震力，可將蓋梁設(shè)置為T形截面。

簡支梁橋應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)習(xí)慣及地質(zhì)情況選定梁端至墩、臺帽邊界的距離，并可采取設(shè)置縱橫向防震擋塊、防落鏈、防震拉桿等必要的措施，防止落梁。裝配式結(jié)構(gòu)應(yīng)注重結(jié)構(gòu)橫向連接性能的優(yōu)劣，防止出現(xiàn)單梁受力的現(xiàn)象?？紤]到高海拔山區(qū)抗震烈度大，伸縮縫處宜采取加大支撐距離、設(shè)置限位裝置和連梁裝置等有效的防落梁措施。

2.橋臺

橋臺臺后填土高度不宜大于10m。橋臺宜采用U形橋臺等整體式強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式。樁柱式橋臺由于抗推剛度小，變形比較大，一般在零填方或挖方橋臺處采用。

為適應(yīng)地形、減小開挖、節(jié)約工程量，對于縱、橫向坡度較陡的U形橋臺，可根據(jù)地形、地質(zhì)狀況合理錯(cuò)臺、分臺。當(dāng)橋臺處地形陡峭，采用樁柱式橋臺或肋板式橋臺設(shè)置錐坡較為困難時(shí)，可采用樁基U臺。

應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)橋臺背墻，并宜在梁與梁之間、梁與橋臺背墻之間、梁與防震擋塊之間加裝橡膠墊或其他彈性墊。

3.樁基

位于斜坡山體上橋墩、臺基礎(chǔ)應(yīng)嚴(yán)格按照先下后上的順序施工，為了減少下坡方向墩、臺基礎(chǔ)施工對上坡側(cè)墩、臺基礎(chǔ)的影響，下坡方向的橋墩、臺基礎(chǔ)施工完成后，才能開始上坡方向橋墩、臺基礎(chǔ)的施工。

考慮到山區(qū)河流坡陡且水流流速較大，長久的局部沖刷作用對墩臺等下部結(jié)構(gòu)易造成不利影響，因而山區(qū)跨河溝橋梁應(yīng)重視沖刷影響并采用合理措施減少其影響。待較陡河溝邊墩臺基礎(chǔ)施工完成后，可采用漿砌片石或混凝上將基坑封閉以防沖刷。

橋墩樁頂原則上以不露出原地面或一般沖刷線為宜，橋墩樁基系梁頂埋深在岸處埋深50cm（地面橫坡較緩時(shí)）；河灘處埋深50cm～100cm；主河槽處100cm控制。位于河道中的樁基頂部需設(shè)置一定長度的永久性鋼護(hù)筒（護(hù)筒厚度可取5mm），用于抵抗水流對樁基的沖刷磨蝕。

墩臺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)明確各樁基樁頂最大豎直力設(shè)計(jì)值和樁基設(shè)計(jì)類型（摩擦樁還是端承樁）及基底持力層要求。同時(shí)，樁基設(shè)計(jì)不論是按摩擦樁設(shè)計(jì)還是按端承樁設(shè)計(jì)，均應(yīng)考慮地形、施工開挖、沖刷等不利因素導(dǎo)致的樁基有效長度影響。

墩臺樁基礎(chǔ)若按端承樁設(shè)計(jì)時(shí)，不得選用極軟巖（飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值或黏土質(zhì)巖天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk≤5MPa）作為持力層（摩擦樁設(shè)計(jì)除外），持力層單軸抗壓強(qiáng)度值應(yīng)滿足計(jì)算需求，嵌入中風(fēng)化持力層的厚度除滿足計(jì)算需要外，其最小嵌入深度不宜小于2.5倍樁徑。