復雜高海拔山區(qū)橋梁設計探討

（湖南省公路設計有限公司，湖南 長沙 410000）

隨著國家經(jīng)濟建設的發(fā)展，高等級公路的建設可以有效縮短城市之間的距離，特別是高海拔地區(qū)的橋梁建設對提高當?shù)亟?jīng)濟建設具有積極的影響。高海拔山區(qū)不同于平原山區(qū)，地形地貌復雜多變，生態(tài)環(huán)境脆弱敏感，抗震設防烈度要求較高，同時高海拔山區(qū)橋梁設計具有大曲線、長縱坡、陡邊坡、高墩大跨、長聯(lián)等特點，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)橋梁的設計經(jīng)驗，在闡述高海拔山區(qū)橋梁設計原則的基礎上，從上部結(jié)構(gòu)選型、橋梁墩臺及樁基設計要點等角度進行分析，以期能為類似高海拔山區(qū)公路橋梁設計提供借鑒和依據(jù)。

一、橋梁總體設計原則

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，使所選橋涵結(jié)構(gòu)充分滿足“安全可靠、耐久適用、經(jīng)濟性好、環(huán)保美觀”的設計原則。

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

3.重視橋梁的抗震概念設計，加強抗震措施及抗震構(gòu)造措施等設計。

4.優(yōu)先采用標準化、定型化設計的中小跨徑，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應力混凝土連續(xù)（或簡支橋面連續(xù)）T梁、裝配式預應力混凝土連續(xù)（或簡支橋面連續(xù)）箱梁、裝配式預應力混凝土空心板、矮T梁等常用橋型結(jié)構(gòu)及鋼混組合結(jié)構(gòu)，進行全壽命周期的主要經(jīng)濟指標、結(jié)構(gòu)性能、施工工藝、耐久性、環(huán)境保護等方面的比較，以選擇適應項目特點的橋梁結(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)災害頻發(fā)的特點，應選擇抗震抗災能力強、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)量均勻和易于及時修復的橋型結(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應力混凝土小箱梁、T梁等結(jié)構(gòu)中進行比選，擇優(yōu)采用。對于跨徑10m～20m的橋梁建議采用裝配式預應力混凝土空心板、矮T梁進行比選，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、進場條件或者預制場設置條件較差的橋梁，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)驗并綜合考慮全線橋梁的整體性及經(jīng)濟性，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應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋或預應力混凝土剛構(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，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 橋梁跨徑選擇標準

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；基礎推薦采用樁基礎，地質(zhì)情況特別好的可以采用明挖擴大基礎以降低造價。

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)墩高及抗震設防烈度的不同，擬在變截面雙方柱空心墩、等截面實心矩形獨柱墩、變截面空心矩形獨柱墩等結(jié)構(gòu)中比選，綜合受力性能、施工難易、工程造價等擇優(yōu)選用。

同一座橋梁上的橋墩高矮懸殊較大時，可采用不同形式，但當某種形式數(shù)量較少時，應按照少數(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，宜采用順橋向各墩頂設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，在陡坡上盡量不設或少設橋墩；適當延長橋梁，減小橋臺尺寸、減少開挖量。合理布置橋墩橫系梁，將系梁設于地面以上，以減小系梁的開挖。高墩設置承臺基礎施工困難時，可采用方形實心樁基礎。

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

簡支梁橋應根據(jù)當?shù)卦O計習慣及地質(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。考慮到高海拔山區(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)狀況合理錯臺、分臺。當橋臺處地形陡峭，采用樁柱式橋臺或肋板式橋臺設置錐坡較為困難時，可采用樁基U臺。

應適當加強橋臺背墻，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、臺基礎應嚴格按照先下后上的順序施工，為了減少下坡方向墩、臺基礎施工對上坡側(cè)墩、臺基礎的影響，下坡方向的橋墩、臺基礎施工完成后，才能開始上坡方向橋墩、臺基礎的施工。

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）；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置一定長度的永久性鋼護筒（護筒厚度可取5mm），用于抵抗水流對樁基的沖刷磨蝕。

墩臺基礎設計中應明確各樁基樁頂最大豎直力設計值和樁基設計類型（摩擦樁還是端承樁）及基底持力層要求。同時，樁基設計不論是按摩擦樁設計還是按端承樁設計，均應考慮地形、施工開挖、沖刷等不利因素導致的樁基有效長度影響。

墩臺樁基礎若按端承樁設計時，不得選用極軟巖（飽和單軸抗壓強度標準值或黏土質(zhì)巖天然濕度單軸抗壓強度標準值frk≤5MPa）作為持力層（摩擦樁設計除外），持力層單軸抗壓強度值應滿足計算需求，嵌入中風化持力層的厚度除滿足計算需要外，其最小嵌入深度不宜小于2.5倍樁徑。