川南橫斷山區高速公路橋梁設計關鍵技術

唐國漢, 陳朝暉,龔 臻, 譚邦明,殷開維

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司， 四川成都 610041)

都勻至香格里拉國家高速公路金陽至西昌段全長182 km，全線設置103座橋梁，總長46.3 km。項目區地處川西南橫斷山系東北緣，介于四川盆地和云南省中部高原之間，地勢西北高、東南低，北部高、南部低。地表起伏大，地形崎嶇，峰巒重迭，氣勢雄偉，河谷幽深，壁垂千仞，高差懸殊。山脈多呈南北走向，嶺谷相間，從東至西主要有螺髻山、小相嶺、大涼山、小涼山等山脈。主要水系為金沙江及其支流，金沙江流域主要支流有：安寧河、則木河、黑水河、西溪河、金陽河、牛欄江等。河流一般坡降較大，呈“V”型，具典型山川急流特征，部分河流支溝泥石流發育。地震烈度大部分路段為Ⅷ度區，西昌境不小于Ⅸ度。針對高烈度地震山區公路橋梁設計，已有學者開展了相關工程實踐和設計技術研究，取得了一些有價值的成果[1-7]。本文在已有研究成果的基礎上，通過對川南都香高速公路金陽至西昌段高烈度深切峽谷的橋梁設計關鍵技術進行分析總結，研究成果可供同地區高速公路橋梁設計參考。

1 橋梁總體設計原則

針對項目區橋梁抗震設防烈度高、橋位河谷深切狹窄、橫坡陡峻、彎道橋梁多、縱坡大等特點，研究提出橋梁的總體設計原則。高烈度地震山區橋梁應特別重視橋位的安全性，“在受條件限制而選取不利橋位時，必須采取防控措施并進行嚴格論證”。重視橋梁的抗震設計，尤其是抗震措施的合理采用，提高抗災能力。橋梁孔跨應結合橋位地形、河床斷面、泄洪要求、橋梁高度等綜合因素確定。當橋梁位于曲線內、互通區時，預制橋跨均采用T形梁，以便于調整橋梁寬度；若地質復雜、地形困難，宜加大跨徑。應充分重視橋梁的防撞、防落石(飛石)等構造設計，減輕崩坡積體、危巖、落石、泥石流等不良地質危害，提高橋梁運營安全和耐久性。橋型方案應適應沿線狹窄的施工條件，建議以深溝、長隧為界，根據預制、運輸、架設條件歸并預制跨徑。跨越小型泥石流溝或者沖出物以小粒徑物質為主的泥石流溝的橋梁，可在對原溝進行安全處治的情況下，于溝中設置橋墩。陡斜坡上設墩要充分考慮橋墩的安全，采用可靠的橋墩形式與防護形式。橋墩系梁、承臺，其標高的確定應考慮盡量減少對山體的開挖，以避免開挖出現高邊坡或邊坡病害。互通立交區內的橋梁布置應盡可能使橋梁簡單化，減少變寬異形橋跨，現澆結構應考慮地形、地物及洪期對施工的影響。東河順河橋盡量采用較大跨徑以減少橋墩個數，減少對邊坡擾動，保證結構安全。跨越東河河道和斜坡段橋梁采用跨徑40 m的T梁。

2 橋梁抗震設計

查閱相關規范，對于本項目而言，橋梁抗震設防類別為B類。綜合汶川地震中橋梁震害特點以及路網綜合抗震能力的思考，在結構體系選擇和抗震設防對策上遵循“因地制宜、合理選擇橋位和橋型，采取綜合治理措施，多級設防，分級耗能”的抗震設計理念。

2.1 橋型選擇

根據汶川地震震害總結發現，簡支橋梁震害以落梁為主，下部結構受損數量不多，其受損程度也較輕，修復較易。基于以上情況，結合本項目地形、地質及路線線位布設等因素綜合考慮，提出了橋型選擇原則。

全線絕大多數中、小跨徑橋梁采用構造簡單、剛度和質量均勻、施工方便、造價較省的簡支、橋面連續結構，設計上盡可能采用對稱、一致的孔跨布設。個別變寬度及小半徑采用連續梁結構。斜交橋梁布置：鑒于斜交橋梁在地震中的位移量較大，各種震害與正交橋梁相比要相對嚴重一些，因此一般在滿足行洪能力的前提下采取斜橋正做、錯孔布置，盡量避免布設斜交橋梁。對于連續梁結構，上、下部結構之間的構造連接應均勻，相鄰跨橋墩或相鄰橋墩與支座的串聯體系的剛度應相近，以便把地震力均勻分布給各個橋墩，避免某個橋墩出現受力過大而破壞的現象。當連接構造必須采用固定連接時，對下部結構進行特殊處理，如增加縱筋、加密箍筋等措施。對于無法避免的曲線橋、斜交橋、坡橋，盡量使結構的剛度和質量分布均衡；在曲率半徑比較小的橋段，加強伸縮縫處的防落梁措施。

2.2 橋梁支座系統設計

支座作為上部結構和下部結構之間的連接構造，屬于橋梁結構的抗震薄弱環節，在地震中發生失效的概率大于其主要受力構件，支座失效在震后是較易修復的，上、下部結構通過相對滑移，可消耗掉一定地震能量，起到保護主要受力構件的作用。因此，橋梁支座應設計成“保險絲單元”在破壞地震作用下優先破壞耗散部分能量，保護橋墩及基礎(橋墩可出現可修復的塑性鉸，但樁基不能損傷)。

設計時充分考慮到橡膠支座的隔震作用以及支座震損后的易更換性，中小跨徑橋梁一般情況下采用普通板式橡膠支座，同時在滿足支座剪切變形的基礎上加大橡膠層厚度。

在橋梁跨度不大，單向(縱向)支座的橫向活動量可以滿足主梁橫向溫度變形的要求時，宜在左、右墩柱布置相同的支座形式，即均設置固定支座或單向活動支座。對于跨越溝谷的簡支梁橋，同一聯內各橋墩的高度應盡可能相近，對于因相鄰橋墩高度不同而導致剛度相差較大造成各墩剛度不均的情況，水平地震力在各墩間的分配不均衡，剛度大的橋墩將承受較大的水平地震力，往往易成為結構抗震的薄弱環節，從而影響結構的整體抗震性能。橋梁下部結構橋墩高度有時相差懸殊，很難滿足剛度和質量均衡的要求，通過調整支座的參數來改善橋墩和支座的串聯體系的組合剛度，從而改善結構的整體抗震性能。

Ⅸ度區少量墩高大于40 m，橋梁聯數大于等于3聯的V型河谷，在分聯處選擇一孔梁體設置V-型抗震抗傾覆連接支撐，支撐構造如圖1所示。當梁體支座使用“V-型抗震抗傾覆連接支撐”時，在地震荷載作用下摩擦墊片可以讓連接的蓋梁和梁體暫時分離，以便將系統受到損害最小化，與此同時梁體和蓋梁即使出現內部隔震所需的短暫水平分離，但是在穩定銷作用下也總保持所連接構件仍為一整體結構體系。地震結束后完成“保險絲”功能的“V-型抗震抗傾覆連接支撐”又能夠恢復原始狀態。在Ⅸ度區墩高大于40 m，橋梁聯數大于等于3聯的橋梁上使用該種新型支座可以有效提高高墩橋梁的順橋向剛度(圖1)，減小在地震荷載作用下由于橋墩順橋向變位過大導致的落梁風險。Ⅸ度區部分墩高小于等于40 m且大于30 m的高墩，采用拉索減震支座。

圖1 V-型抗震抗傾覆連接支撐構造

2.3 防落梁措施

為了保證整體橋梁的抗震性能，防止發生落梁震害，針對梁體位移采用了以下措施進行限位：對于梁擱置長度采用增加蓋梁頂面縱、橫向有效寬度，達到增加主梁擱置長度的效果；對設置伸縮縫的橋墩，適當加寬蓋梁寬度；簡支T梁橋在伸縮縫橋墩處兩側梁體設置防落鏈；現澆連續箱梁與橋墩之間宜設限位移構造，如連續梁的雙柱式橋墩通過在墩頂設置系梁，并在系梁上設置防震擋塊進行限位。

2.4 橋墩設計

橋梁結構上剛下柔，地震時橋墩容易剪斷、壓潰、開裂。為了加大橋墩的剛度，橋墩盡量采用半幅雙柱式橋墩。橋墩、樁基的尺寸適當加強，橋墩系梁不宜采用較大尺寸，以減小在地震力作用下對橋墩墩柱的直接損壞。

2.5 其他抗震措施

所有橋梁均在橋臺、橋墩蓋梁處采用了縱、橫向防震擋塊，并設置橡膠墊塊作為緩沖裝置，所有簡支梁的梁端設置緩沖橡膠墊塊。在軟弱粘性土層、液化土層和不穩定的河岸區域，宜加長橋梁長度，合理布置橋孔，橋臺高度可適當降低。橋臺采用整體性強的結構形式，樁基礎設計時考慮砂土液化折減問題和軟土地基負摩阻力的影響。盡可能控制橋臺高度，以減小動土壓力對橋臺的作用，橋臺多采用埋置式等整體性強的結構型式。

連續梁在橋梁跨度不大，單向(縱向)支座的橫向活動量可以滿足主梁橫向溫度變形的要求時，宜在左右墩柱布置相同的支座形式，即均設置固定支座或單向活動支座。

3 特殊路段橋梁設計

3.1 跨越泥石流溝的橋梁設計

針對沿線橋梁連續多次跨越東河及其支溝，在擬定橋梁布孔方案是主要采取以下措施保障結構安全：橋梁孔跨布設結合東河河道現狀綜合擬定，對跨越泥石流溝的橋梁跨徑寧大勿小，對于跨越泥石流溝的橋梁盡可能采用一孔跨越，保證橋梁橋下凈空有一定的安全儲備。對存在泥石流風險但沖出物以小粒徑物質為主的泥石流溝，在采取必要措施如對泥石流溝進行渠化改造后，可以在溝中設置橋墩，同時橋墩宜適當加大尺寸并對溝中橋墩設置一定的抗沖擊措施，如鋼護筒等。對高頻、活動強度強、活躍度較高的二級支溝，例如火你洛莫溝，在橋梁跨越溝谷上游適當位置設置攔擋壩，減少泥石流對橋梁墩柱的沖擊。

3.2 隧道間橋梁設計

隧道之間的橋梁，往往跨越切割較深的沖溝，其施工實施方案的可實施性成為橋型選擇首要考慮因素，采用預應力混凝土簡支梁橋、鋼混疊合梁、現澆連續梁方案論述性比較。

中小跨徑預應力混凝土簡支梁橋組合方案：橋梁布置采用25 m、30 m、40 m預制T梁組合，比較適應橋位處地形、地質條件，造價最省，但缺點就是河道或者斜坡上設墩。施工時候可通過地方鄉道進入施工現場、組織小規模機具施工工程量較小的橋墩、橋臺，待隧道洞通后，由集中預制場運輸梁體至橋位，逐孔建設，施工工期較短，有利于全線工程進度。40 m鋼混疊合梁方案：采用此方案可以有效減小橋梁上部結構質量，降低下部結構在地震荷載作用下的內力相應，但缺點是橋梁施工必須待隧洞貫通后進行，而且現場無拼裝安裝條件，造價較貴，安裝質量要求高。連續剛構方案采用掛籃懸臂澆筑，跨越能力強可以避免河道中設墩，缺點是造價較貴，施工現場需要有良好交通條件以便施工機械進場。

綜上所述，從施工可行性、工期控制、工程造價、質量控制以及災后搶通等方面綜合考慮，Ⅷ度區優先推薦預應力混凝土簡支梁橋方案；Ⅸ度區優先推薦鋼混疊合梁方案；對溝谷中無法設墩的情況，結合橋位現場實際交通條件及地形地貌綜合考慮。

3.3 高陡斜坡段橋梁設計

路線沿山坡布設，橫向地面線較陡，橋墩高，施工難度較大。若大量開挖可能造成邊坡失穩，為減小支護工程和可采用的措施如下：對陡坡路段墩臺樁基的縱斷面、橫斷面、樁位高程實施準確測量，繪制準確的縱橫斷面，為工程設計提供準確的地形地質條件等第一手資料。陡坡橋梁可適當增加橋梁跨徑，盡量減少陡坡橋墩數量。減少樁基施工對山體的擾動。對于柱式墩施工，采用高低墩方案，即為了減少開挖，內外側樁頂標高不一致，樁基系梁采用一端接樁基另一端接墩柱的方案。對于墩高較高，采用獨柱空心薄壁墩，即為了減少開挖，減少墩樁施工平臺。對于承臺樁基礎施工，采用高樁承臺方案，外側樁基適當露出地面，以減少對山體的開挖。內側樁基施工需要開挖，應根據地質和橫向坡度情況采用路塹墻支護或者其它臨時支護措施，如圖2所示。山體自身不穩定或穩定安全系數不能滿足要求時，應先對山體采用錨桿等輕型支擋類的結構防護。

圖2 高樁承臺邊坡開挖支護示意

4 橋梁耐久性設計及措施

關于增強預應力混凝土梁式結構耐久性的主要措施為配制耐久性混凝土。選用低水化熱、含堿量偏低、品質穩定的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，避免使用早強水泥和高C3A(鋁酸三鈣)含量的水泥；使用優質粉煤灰、礦渣等礦物摻和料或復合礦物摻和料；選用吸水率低、線脹系數小的骨料，盡量采用碎石；應特別重視混凝土骨料的級配合理、粒形良好，并保持潔凈。混凝土的配合比：強化混凝土的配合比設計，提高混凝土密實程度。結構的節點構造：優化結構的節點構造設計，改善節點受力狀況，減小混凝土拉應力。保證鋼筋有足夠的砼保護層厚度。混凝土裂縫寬度：按規范進行結構設計，嚴格控制并盡量減小混凝土裂縫寬度。

嚴格按規程施工，確保結構表層混凝土的密實性、均勻性與良好的養護，確保混凝土保護層厚度的準確性，加強混凝土質量控制，日常養護，提高混凝土結構使用壽命。對于本項目的鋼結構橋梁，增強耐久性的措施首先要從結構上考慮優化，構造上應盡量避免應力集中和疲勞損傷。其次是施工，鋼結構梁段之間的連接質量的好壞直接決定了鋼結構橋梁的壽命，現多為焊接，在施工時焊接應嚴格遵照技術要求及國內有關規程、規范實施。同時由于鋼結構焊縫較多，所產生的焊接變形和殘余應力較大，制造過程中，在保證焊縫質量的前提下，應盡量采用焊接變形小、焊縫收縮小的工藝，所有焊縫在施焊前均應做焊接工藝評定試驗；焊縫在焊接前的預熱溫度由箱梁制造單位通過焊接性能試驗和焊接工藝評定確定。焊縫檢驗應嚴格執行TB 10212-2009《鐵路鋼橋制造規范》。最后，鋼結構需要進行防腐涂裝，結構表面的涂裝，除了提供適當的外觀色彩與視覺效果外，更主要的功能是減緩環境對結構的腐蝕，以延長結構使用壽命；防腐涂裝之前必須對所有板材進行預處理，潔凈度達到Sa2 級，粗糙度達到Rz40～80 μm；板材預處理后噴涂無機硫酸鋅車間底漆25 μm后方可進行帶底漆下料加工。

5 結束語

川南橫斷山區地震烈度高、地表起伏大、深切河谷、橫坡陡峻、不良地質發育，是該區域高速公路橋梁設計面臨的難題。以都勻至香格里拉國家高速公路金陽至西昌段為例，針對項目區橋梁抗震設防烈度高、橋位河谷深切狹窄、橫坡陡峻、彎道橋梁多、縱坡大等特點，提出了橋梁的總體設計原則。從橋型選擇、橋梁支座系統設計、橋墩設計、防落梁措施等方面，闡述了橋梁抗震設計關鍵技術。并對跨越泥石流溝、隧道之間橋梁、高陡斜坡等特殊路段橋梁設計，給出了合理的建議。研究成果可供同地區高速公路橋梁設計提供參考。