青海地區(qū)峽谷梁式橋設計要點探析

徐杰梁 劉昂

摘? ? 要：本文以青海大循高速臥龍溝4號峽谷梁式為案例，從溫度應力、風荷載、抗震三個方面對薄壁高墩的設計要點進行分析，為青海地區(qū)峽谷橋類型設計提供參考方向。

關(guān)鍵詞： 峽谷梁式橋;臥龍溝4號橋;設計要點

1? 峽谷橋簡介

峽谷梁式橋的力學特征跟普通梁式橋一樣通過支座將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞到下部結(jié)構(gòu)。根據(jù)梁式橋受力特點，將橋梁布置于峽谷谷岸地質(zhì)構(gòu)造良好，無斷裂，基巖穩(wěn)定的地基上，保證橋墩有得足夠的剛度。

本文選取國道310線大力加山（省界）至循化段公路工程項目（以下簡稱大循高速）臥龍溝4號橋就屬于典型的峽谷梁式橋;臥龍溝4號橋地處青海大力加山埡口東南約6.2km處，接臥龍溝2號隧道終點，為分離式路基，分左右兩幅，設計車速80km/h，汽車荷載為公路-I級。橋位區(qū)溝谷呈“U”字形，最高墩長104.18m，其余墩高如表1所示。

2? 臥龍溝4號橋工程概述

臥龍溝4號大橋，橋位區(qū)地貌單元屬山麓斜坡堆積地貌，微地貌為山間凹地，溝谷呈“U”字形，溝底段地勢較為平坦，河谷內(nèi)常年流水，受季節(jié)影響雨水多集中夏秋季5～9月，冬季基本無雨，地下水位埋深變化較大，穩(wěn)定水位為1.12m～11.7m。橋區(qū)附近海拔介于2958.0m～3074.0m之間，地形起伏較大，最大橋高104.18m。本橋左幅橋長564m;橋面寬度由12.3m變化至12m。右幅橋長564m，橋面寬度12m。上部結(jié)構(gòu)為（3×40+8×40+3×40）m裝配式預應力混凝土T梁，第1、3聯(lián)采用先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)體系，第2聯(lián)采用先簡支后墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)體系;下部結(jié)構(gòu)采用一字橋臺、橋臺采用擴大基礎(chǔ);柱式墩、空心墩、橋墩采用樁基礎(chǔ)。

橋位區(qū)內(nèi)多南風，大風集中于2、3月，最大風速24m/s，環(huán)境類別為II類。

橋址區(qū)無斷層通過，碎石揭示層厚度11.1m～16.1m，下伏地層砂巖及黃崗巖連續(xù)、穩(wěn)定。

臥龍溝4號大橋橋梁抗震設防類別為B類，抗震設防措施烈度為8，地震動峰值加速度為0.10g，反應譜特征周期為0.35s。

3? 關(guān)于峽谷梁式橋設計要點探析

臥龍溝4號橋的建設條件為高原、高寒（極端溫度34.1℃～19.8℃）、高溫差（最大溫差30℃）、高紫外線、低濕干燥（全年降雨量平均只有264.4mm）;地質(zhì)條件極好，基巖外露，持力層為中風后花崗巖。在峽谷橋設計過程中需要考慮的因素很多，本次只從以下三點進行淺談。

3.1? 薄壁高橋墩日照溫度效應明顯

在不減弱墩截面慣性矩，減小截面中間部分冗余部分，不但可以節(jié)省材料，而且降低墩身自重。因而薄壁空心墩在高大橋墩中應用的非常廣泛，更重要的是它在比較穩(wěn)定的基礎(chǔ)上較重力式橋墩有更大的柔性能夠滿足上部結(jié)構(gòu)的位移需要。混凝土的導熱系數(shù)小，表面因環(huán)境溫度的變化，內(nèi)部溫度變化緩慢或者基本不變，在混凝土內(nèi)外表面形成了較大的溫度梯度，產(chǎn)生較大的溫度應力。在夏天，當云層稀薄，風速較低時，此時太陽輻射很強烈，溫度應力更加顯著。溫度應力導致橋梁產(chǎn)生裂縫并加速其發(fā)展，加速橋梁病害的出現(xiàn)，降低了橋梁的使用壽命，重大病害會嚴重影響到橋梁的服役安全。在青海高海拔地區(qū)，晝夜溫差大、日照時間長等自然條件使薄壁墩身兩側(cè)之間產(chǎn)生溫差更為明顯，會使整個結(jié)構(gòu)向溫度較低的一側(cè)傾斜，墩身軸線位置發(fā)生偏移。當溫差等引起的局部應力和約束應力時導致橋墩內(nèi)外壁混凝土表面產(chǎn)生裂縫，并且這種溫差應力再自然界中無法避免[3]。

其中104.18m高的矩形薄壁空心墩，受到太陽輻射后，沿壁厚方向的溫度分布極不均勻，內(nèi)部混凝土溫度上升明顯滯后于外表面，外表面溫度變化幅度明顯大于內(nèi)表面，距離外表面越遠的位置變溫幅度越小，從外壁到內(nèi)壁30cm以外的位置受到日照溫度的影響很小，隨著太陽輻射角度的改變，橋墩的位移變形總是向背陽面的方向傾斜。因此，溫度應力對橋梁服役安全不可輕視，是設計人員在設計過程中重點考慮的因素之一。

3.2 動風荷載影響

空氣流通會在峽谷口處集中且風速會陡然增大，形成大風或颶風。橋梁在風荷載下產(chǎn)生的振動形式一般可分為兩種，一種是顫振，另一種是抖振[6]。由于顫振是風荷載致橋梁破壞最重要的原因，顫振在橋梁設計時需著重考慮，當風速過大時會造成橋上車輛發(fā)生安全事故甚至給橋梁結(jié)構(gòu)帶來損害。

臥龍溝4號橋墩高104.18m為典型高橋墩，梁體周圍的自然風為近地風，風速較大的的情況多集中在2、3月份，最大風速24m/s，車輛行駛過程中，在風荷載的作用下，車輛隨之發(fā)生振動;高墩橋梁的行車道標高較高，橋面風速較大;橋梁迎風的截面往往都是非線性截面，使得氣流場發(fā)生改變，使其動力特性變得更復雜[4]。因此，動風荷載是設計者們在峽谷橋設計當中考慮的另一重要因素，也為橋梁在建設和運營當中提供保障。

3.3? 高橋墩抗震

臥龍溝4號橋采用單肢薄壁橋墩。我國地形地貌多樣，尤其在西部高山群嶺的橋梁建設中高墩橋梁所占的比例很高。墩高在50m～100m之間。曲線橋梁的幾何形狀對地震的響應有較大的影響。獨墩橋梁由于其獨有的優(yōu)勢也會在遇到橫向地震時產(chǎn)生強大的軸向力。加之結(jié)構(gòu)的不規(guī)則會導致橋梁的受力更加復雜，高墩橋梁也會產(chǎn)生更大影響。橋梁在地震作用下時，矮墩的地震作用很大，很可能造成橋墩提前破壞。但是，當高墩與矮墩設計不合理時，可能會使高大橋墩在地震作用下產(chǎn)生較大的移位。這是引起橋梁的上部結(jié)構(gòu)落梁或者支座脫落主要原因[5]。

4? 結(jié)論

青海省地處高海拔地帶，地勢起伏大，峽谷多，在交通基礎(chǔ)設施建設中，為了跨越這些高山深谷必將建設大量的高墩橋梁。如在青海地區(qū)已建成的峽谷橋有尕瑪羊曲黃河特大橋，主橋最大墩高達111m，主跨5m×120m，為剛構(gòu)連續(xù)箱梁橋，以及唐乃亥黃河特大橋、黑城河特大橋等。青海地區(qū)的高寒高海拔、干旱、多風且風力大，特別是青海地區(qū)的高原大陸性氣候，晝夜溫差大、氣溫低、降雨少而集中、日照長等特點，因此設計中對薄壁高橋墩日照溫度效應、動風荷載影響、高橋墩抗震等因素必須進行必要的分析論證，針對不同的氣候地形地理環(huán)境合理選擇設計方案，為青海地區(qū)峽谷橋類型設計提供參考方向。

參考文獻：

[1] 薛志文.“峽谷橋”術(shù)語定義實證研究[J].市政技術(shù)，2017.

[2] 劉興法.混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.

[3] 謝新.高海拔峽谷地帶薄壁空心高墩日照溫度效應研究[J].2017.

[4] 同濟大學橋梁工程系.公路與軌道交通合建橋梁行車安全性與舒適性研究報告[R].2009.

[5] 許慶鵬.淺談高墩橋梁抗震設計[J].科技創(chuàng)新導報，2012.

[6] 趙永權(quán).高海拔峽谷地帶高墩橋梁風車橋耦合振動的研究[D].重慶交通大學，2017.

[7] 張偉.高海拔峽谷地帶高墩橋梁選型研究[D].重慶交通大學，2017.

[8] 霍新，陳雙全，劉旭.臥龍溝4號橋大橋方案設計及結(jié)構(gòu)體系比選[J].公路，2015.

[9] 呂文江，李永利，解瑞松等.超高薄壁空心高墩的溫度效應研究[J].公路交通科技，2014.