高原山區(qū)公路橋梁橋型方案設(shè)計(jì)探討

陶小蘭

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

隨著我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，公路、鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展，公路修建規(guī)模不斷攀升，并不斷向山區(qū)延伸，常常出現(xiàn)橋隧相接、斜彎坡橋、高墩大跨等復(fù)雜結(jié)構(gòu)[1]。高原山區(qū)地形地貌因地質(zhì)和氣候環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，海拔相差懸殊，特殊的地理與地質(zhì)條件使得高原山區(qū)公路橋梁施工具有技術(shù)復(fù)雜、施工難度大、材料設(shè)備運(yùn)輸困難、施工周期長等特點(diǎn)，相較平原及低山丘陵地區(qū)橋梁施工具有更多的安全風(fēng)險(xiǎn)。橋梁的設(shè)計(jì)與施工息息相關(guān)，橋梁設(shè)計(jì)方案，尤其是大型橋梁方案設(shè)計(jì)如果出現(xiàn)失誤，將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這種損失是后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營階段無法彌補(bǔ)的。因此，高原山區(qū)公路橋型方案設(shè)計(jì)比選具有重要意義[2-3]。基于此，本文通過地處高原山區(qū)的橋梁比選實(shí)例來分析影響橋梁方案設(shè)計(jì)的多種因素，探討高原山區(qū)橋梁的設(shè)計(jì)方案及比選。

1 工程概況

大橋位于青海東部青藏高原與黃土高原的過渡地帶，地處祁連山支脈拉脊山，為構(gòu)造侵蝕低中山區(qū)地貌，上覆第四系全新統(tǒng)崩坡積碎石土、卵石土層，局部夾角礫，下伏白堊系下統(tǒng)河口群砂礫巖。大橋位于國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)環(huán)評要求，路線只能從保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)穿越，橋梁兩側(cè)均與隧道相連，路線與河段只能采取斜交方式，斜交角度較大，橋梁軸線與洪水流向夾角約為47°。橋位區(qū)黃河河岸中低山河谷斜坡地段，地形縱向起伏大，局部呈陡坎狀、臺階狀，屬構(gòu)造剝蝕、沖刷堆積地貌區(qū)，附近地面相對高差大于330 m。橋位區(qū)位于水電站水庫區(qū)，正常蓄水期河床中心處水深最深處達(dá)64 m，橋位處橫、縱向水下地形呈“雞爪”型，且起伏較大，單幅橋橫向地面線高差達(dá)37 m。橋位處地形地貌及地質(zhì)情況如圖1所示。

單位：m

2 橋型選擇的原則與方法

橋型的選擇應(yīng)考慮影響橋型的各種因素，并根據(jù)橋位的地質(zhì)、地形、水文、通航要求以及橋梁性能要求進(jìn)行綜合分析比較確定[4]。根據(jù)高原山區(qū)橋梁技術(shù)難題多、工程造價(jià)高和施工難等特點(diǎn)[5]，在橋梁設(shè)計(jì)選型中主要遵循以下原則：

1) 根據(jù)高原山區(qū)的地理環(huán)境情況，結(jié)合山區(qū)地形起伏大，地質(zhì)情況復(fù)雜的特點(diǎn)，選擇合適的橋位和橋型，盡量少破壞生態(tài)環(huán)境。

2) 高原山區(qū)公路橋梁的選型要充分考慮到周圍的自然環(huán)境條件，做到橋梁貼近自然，與環(huán)境協(xié)調(diào)，與山川、溝谷、河流等自然景觀和諧共處，但也要充分考慮風(fēng)力、水力等可能對橋梁造成不利影響的因素。

3) 高原山區(qū)一般施工場地狹小，運(yùn)輸條件困難，橋型選擇時(shí)要充分考慮施工的安全性、便利性，便于簡單操作的施工往往對確保施工質(zhì)量有重要影響[6]。

遵從以上原則，從地形地質(zhì)、施工工期、施工與養(yǎng)護(hù)難易度、工程造價(jià)等多方面綜合比選，確定最佳方案。

3 橋型方案

高原山區(qū)公路受山區(qū)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸條件、工期等因素制約，橋型方案及跨徑的選取應(yīng)考慮施工安全、方便，在滿足橋梁使用功能的基礎(chǔ)上，盡可能使用成熟可靠的橋型結(jié)構(gòu)并兼顧新技術(shù)、新工藝和新材料，以降低工程造價(jià)，加快施工速度，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 連續(xù)剛構(gòu)

連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)剛度大、造型簡潔、施工技術(shù)成熟與地形適應(yīng)性強(qiáng)，容易滿足橋梁曲線和坡度要求，因此被廣泛采用。連續(xù)剛構(gòu)除具有連續(xù)梁的特點(diǎn)之外，與同等跨徑連續(xù)梁相比，無需大型支座且橫向抗扭剛度大，特別適合于跨越深水、深谷、急流的橋位[7]。因此，在地形、地質(zhì)條件相對較好，跨徑相對不大的情況下，連續(xù)剛構(gòu)梁橋方案往往具備較強(qiáng)的競爭力[8]。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，連續(xù)剛構(gòu)橋梁跨徑布置主要受右幅控制，右幅大河家側(cè)水下地面起伏，高差達(dá)37 m，考慮結(jié)構(gòu)受力及施工因素，在該谷地范圍內(nèi)不宜設(shè)置主墩，將主墩布置在河床相對較平坦的地帶，橋型布置如圖2所示。主橋采用(110+200+110) m混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，邊中跨比為0.55，單幅橋面寬度為12.75 m，主梁采用單箱單室變截面混凝土箱形截面，支點(diǎn)梁高14 m，跨中梁高4.5 m，箱梁高度按照拋物線方式變化。主墩采用雙肢薄壁墩，高樁承臺，深水區(qū)墩高27.5 m，樁長100 m，其中水中樁基達(dá)60多 m，淺水區(qū)墩高27.5 m，樁長80 m。

(a) 立面

(b) 平面

按照主跨200 m連續(xù)剛構(gòu)方案，單幅橋水中基礎(chǔ)4 個(gè)，主墩最大水深64 m，60 m 以上水深基礎(chǔ)2 個(gè)。即使按目前國內(nèi)最大跨徑連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行布跨，因受谷地范圍影響，主墩最大水深也接近60 m，深水施工風(fēng)險(xiǎn)基本相當(dāng)。雖然連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工工藝成熟，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低，但本項(xiàng)目若采用連續(xù)剛構(gòu)橋主要存在以下問題：

1) 橋墩水深64 m，基礎(chǔ)施工屬于罕見的超深水基礎(chǔ)施工，據(jù)了解，在高海拔地區(qū)暫無40 m 以上的鉆孔灌注樁深水基礎(chǔ)，國內(nèi)其他區(qū)域類似工程案例也較少，目前已建工程中水深較大的橋梁有位于長江下游的蘇通大橋和銅陵長江大橋，其最大水深約為50 m。

2) 本項(xiàng)目橋梁施工大型設(shè)備選擇有限，由于地形條件限制，大型設(shè)備無法直接從水路運(yùn)達(dá)，兩岸山坡陡峭，陸地運(yùn)輸又受限，超深水施工困難。國內(nèi)已完成的超深水基礎(chǔ)施工均位于長江、黃河中下游等地區(qū)，水運(yùn)便利。

3) 施工條件惡劣，橋位區(qū)大橋主墩位置地層巖性以片巖、卵石為主，且水下地形起伏大，鋼管樁或鋼護(hù)筒底部著床有困難時(shí)需潛水員修正或處理，但潛水員因高原反應(yīng)及黃河水質(zhì)渾濁等原因，只能潛至水下30 m～40 m 深處。

4) 超長樁基澆筑風(fēng)險(xiǎn)大，主墩超深水中樁基礎(chǔ)超過100 m，地形條件復(fù)雜，混凝土陸上長距離運(yùn)輸?shù)牟淮_定性與水上運(yùn)輸?shù)碾y度和時(shí)間不可控性，混凝土連續(xù)澆筑難以保證。

3.2 拱橋

拱橋根據(jù)其受力形式一般分為有推力拱橋和系桿拱橋，其中系桿拱橋常見的有飛燕式系桿拱橋和單跨系桿拱橋。橋位大樁號側(cè)覆蓋層主要以卵石為主，覆蓋層厚達(dá)50 m，有推力拱橋需設(shè)置大量的傾斜群樁基礎(chǔ)，施工難度很大，造價(jià)高，不適宜本橋位。起點(diǎn)側(cè)水下谷地緊鄰河床最低點(diǎn)，不利于布置墩位，起點(diǎn)側(cè)主墩位置受限，采用飛燕式系桿拱橋，邊、中跨比過小，左岸主墩位于谷地邊緣，主墩尺寸大，受地形影響施工困難，樁基與陡坡距離近，結(jié)構(gòu)受沖刷影響大，不適宜本橋位。單跨系桿拱橋采用水平系桿平衡主拱推力，受橋位地質(zhì)影響較小，可結(jié)合地形合理布跨，技術(shù)上為一種可行的橋型方案。

從建筑材料方面來說，常見的拱橋方案有勁性骨架鋼筋混凝土拱、鋼管混凝土拱、鋼箱拱以及鋼桁架拱[9]。鋼筋混凝土拱存在工序復(fù)雜，鋼箱拱存在運(yùn)輸及吊裝困難，鋼桁架拱造價(jià)高等缺點(diǎn)，相比之下，鋼管混凝土拱橋由于其可采用“化整為零”的施工方法，兼具鋼拱圈為混凝土模板、施工周期短、工程造價(jià)低、造型美觀、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)[10]，是適合本橋橋位的拱橋方案。

主橋?yàn)?60 m下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，分幅設(shè)計(jì)，考慮吊桿區(qū)后單幅主橋橋面全寬18.75 m，橋型布置如圖3所示。主橋采用懸鏈線無鉸拱，拱軸系數(shù)m=1.50，矢跨比1/5，拱肋為鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)[11-12]，截面全寬2.4 m，高5.5 m，每片拱肋由4 根直徑1.0 m的鋼管組成，拱肋橫向中心距為15.75 m，設(shè)置一字型橫撐和K 型橫撐橫向聯(lián)結(jié)，橫撐平均間距為24 m。主橋采用柔性系桿平衡拱腳恒載下的水平推力，每片拱肋設(shè)12 束可更換式Φ15.2-27 環(huán)氧樹脂涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨固于兩側(cè)過渡墩拱座的背側(cè)。施工主要采用纜索吊裝方案，桿件采用散拼運(yùn)輸，在橋位附近組拼。

(a) 立面

(b) 平面

按照260 m鋼管混凝土系桿拱橋方案，單幅橋水中基礎(chǔ)6 個(gè)，主墩最大水深37 m，風(fēng)險(xiǎn)可控，上部結(jié)構(gòu)施工需要地錨、搭設(shè)扣塔和纜索系統(tǒng)等大量臨時(shí)設(shè)施，施工費(fèi)用較高，工期較長，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。根據(jù)系桿拱橋的特點(diǎn)，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，除施工風(fēng)險(xiǎn)外，運(yùn)營階段的安全風(fēng)險(xiǎn)也是一個(gè)重要的影響因素。結(jié)合既有已建橋梁養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，下承式鋼管混凝土系桿拱橋易存在如下病害。

1) 吊桿防腐能力不足，需定期更換。因受施工條件制約、日常養(yǎng)護(hù)不足等因素影響，吊桿普遍存在防護(hù)套管開裂，鋼絲銹蝕、錨頭銹蝕等病害，橋梁吊桿在橋梁服役期內(nèi)因銹蝕而將多次拆換，正常拆換的費(fèi)用為建橋當(dāng)年吊桿造價(jià)的6～10倍，甚至更高；而吊桿破壞毀橋的修復(fù)費(fèi)用，達(dá)到建橋當(dāng)年全橋總價(jià)的2～4倍。

2) 橋面系剛度小，可靠度低。大跨度系桿拱橋多采用以橫梁受力為主的橋面系，系桿拱橋的縱、橫向剛度較弱，橋面系的整體性較差，許多橋的縱橫向振動(dòng)十分明顯，特別是橫向的振動(dòng)頻率和振幅較大，導(dǎo)致橋面系和吊桿連接部出現(xiàn)橫向疲勞問題，甚至出現(xiàn)吊桿斷裂或連接松脫。

3) 系桿受力復(fù)雜，使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限。由于系桿自身特點(diǎn)，加之外荷載和外部腐蝕介質(zhì)的作用，絕大部分索體存在著不同程度的病害并且日益嚴(yán)重，許多橋梁運(yùn)營未滿10年便因系桿病害而更換系桿。

3.3 斜拉橋

斜拉橋可分為獨(dú)塔斜拉橋和多塔斜拉橋，受河床谷地區(qū)和邊中跨比例限制，索塔不能布置在小樁號側(cè)，雙塔斜拉橋不適合本橋位。將獨(dú)塔斜拉橋主墩布置于大樁號側(cè)臺階上，基礎(chǔ)水深大大減小。 從主梁形式來分，常見的斜拉橋方案有混凝土斜拉橋、鋼斜拉橋和疊合梁斜拉橋；從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上來分，跨徑大于500 m的斜拉橋宜采用鋼主梁形式，但基于運(yùn)輸條件，跨徑布置等原因，只能采用化整為零的施工方案，故本橋位處采用混合式疊合梁斜拉橋方案更適宜。

混合體系斜拉橋主跨采用鋼梁、疊合梁，自重輕，跨越能力大，邊跨采用混凝土梁，對中跨具有良好的錨固作用，同時(shí)減小活載應(yīng)力幅，避免邊跨產(chǎn)生負(fù)反力，解決了主邊跨跨徑不協(xié)調(diào)的問題，同時(shí)，主塔和邊跨混凝土還可同時(shí)施工，有利縮短工期[13]。

主橋?yàn)橹骺?60 m單塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋，分幅設(shè)計(jì)?？紤]拉索區(qū)后，單幅主橋橋面全寬16.35 m，橋型布置如圖4所示。斜拉索扇型布置，疊合梁上標(biāo)準(zhǔn)索距12.0 m，混凝土梁上標(biāo)準(zhǔn)索距6.0 m，塔上索距2.05 m～4.65 m。疊合梁主梁采用高為2.6 m 的工字型鋼主梁和0.28 m厚橋面板的組合形式，混凝土梁采用與疊合梁相匹配的π 型斷面，梁肋寬度2.4 m～3.0 m。鋼混結(jié)合段設(shè)置在距離主塔中心5.0 m 處，采用鋼主梁埋入混凝土梁內(nèi)部3.0 m的方式，鋼板上焊接剪力釘增加鋼與混凝土的整體性[14-15]。索塔采用鉆石型索塔，群樁基礎(chǔ)，索塔總高167 m，空心箱型斷面。

(a) 立面

(b) 平面

按照主跨260 m單塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋方案，單幅橋水中基礎(chǔ)5 個(gè)，主墩最大水深36 m，風(fēng)險(xiǎn)可控，上部結(jié)構(gòu)除邊跨混凝土梁搭設(shè)支架需要較多臨時(shí)設(shè)施外，其余均采用常規(guī)方法逐段懸臂施工，無需大型臨時(shí)設(shè)施，施工工期、施工風(fēng)險(xiǎn)均較小。結(jié)合既有已建橋梁養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，斜拉橋主要病害為斜拉系統(tǒng)的病害，包括拉索本身病害，拉索防護(hù)體系病害(纏色涂層病害、PE管內(nèi)壓注水，錨固區(qū)病害。統(tǒng)計(jì)表明，早期建設(shè)的斜拉橋經(jīng)過多年服役后，斜拉索平均壽命約15年。隨著材料、設(shè)計(jì)方法、施工工藝的改進(jìn)，近年來設(shè)計(jì)的橋梁斜拉索設(shè)計(jì)壽命將進(jìn)一步增加。

4 橋型方案比選

根據(jù)以上橋型方案介紹可知，雖然連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工工藝成熟，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低，鑒于橋位區(qū)深水基礎(chǔ)的特殊性，方案施工風(fēng)險(xiǎn)太大，拱橋方案和斜拉橋方案的綜合比選結(jié)果見表1。

表1 方案綜合比選

從表1可知，獨(dú)塔斜拉橋方案較單跨系桿拱橋方案建安費(fèi)略高，但考慮養(yǎng)護(hù)費(fèi)用后,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)總成本相對較低，且施工周期較短，安全風(fēng)險(xiǎn)相對較小，施工質(zhì)量較易控制，經(jīng)綜合比選，確實(shí)獨(dú)塔斜拉橋方案為推薦方案。

5 結(jié)束語

高原山區(qū)公路地形條件復(fù)雜，對橋梁選型要求較高，以“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、耐久適用、技術(shù)先進(jìn)、美觀環(huán)保”為目標(biāo)，在設(shè)計(jì)中以全壽命周期成本的理念考慮大橋的建設(shè)、投資，按照以人為本的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行橋梁方案設(shè)計(jì)。 本文通過具體實(shí)例，對幾種橋型方案進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

1) 橋型方案比選應(yīng)采取定性分析和定量分析相結(jié)合的方式，且盡量采用定量分析，以使分析結(jié)果更準(zhǔn)確、客觀。

2) 高原山區(qū)公路因場地條件，運(yùn)輸條件的影響，一般情況下，大跨度橋梁主梁更適宜采用疊合梁或鋼桁梁方案。

3) 高原山區(qū)公路地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，建設(shè)施工及養(yǎng)護(hù)難易程度是決定方案選擇的重要性因素，必須充分結(jié)合場區(qū)環(huán)境條件選取適宜的施工方法。

4) 結(jié)合全壽命周期成本的理念，方案設(shè)計(jì)要充分考慮高原山區(qū)公路橋梁養(yǎng)護(hù)、維修難度大，成本高的特點(diǎn)。