川南橫斷山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

唐國漢, 陳朝暉,龔 臻, 譚邦明,殷開維

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)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(shè)置103座橋梁，總長46.3 km。項目區(qū)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(fā)育。地震烈度大部分路段為Ⅷ度區(qū)，西昌境不小于Ⅸ度。針對高烈度地震山區(qū)公路橋梁設(shè)計，已有學(xué)者開展了相關(guān)工程實踐和設(shè)計技術(shù)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(chǔ)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(shè)計關(guān)鍵技術(shù)進行分析總結(jié)，研究成果可供同地區(qū)高速公路橋梁設(shè)計參考。

1 橋梁總體設(shè)計原則

針對項目區(qū)橋梁抗震設(shè)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(shè)計原則。高烈度地震山區(qū)橋梁應(yīng)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(yán)格論證”。重視橋梁的抗震設(shè)計，尤其是抗震措施的合理采用，提高抗災(zāi)能力。橋梁孔跨應(yīng)結(jié)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(dāng)橋梁位于曲線內(nèi)、互通區(qū)時，預(yù)制橋跨均采用T形梁，以便于調(diào)整橋梁寬度；若地質(zhì)復(fù)雜、地形困難，宜加大跨徑。應(yīng)充分重視橋梁的防撞、防落石(飛石)等構(gòu)造設(shè)計，減輕崩坡積體、危巖、落石、泥石流等不良地質(zhì)危害，提高橋梁運營安全和耐久性。橋型方案應(yīng)適應(yīng)沿線狹窄的施工條件，建議以深溝、長隧為界，根據(jù)預(yù)制、運輸、架設(shè)條件歸并預(yù)制跨徑。跨越小型泥石流溝或者沖出物以小粒徑物質(zhì)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(shè)置橋墩。陡斜坡上設(shè)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(biāo)高的確定應(yīng)考慮盡量減少對山體的開挖，以避免開挖出現(xiàn)高邊坡或邊坡病害。互通立交區(qū)內(nèi)的橋梁布置應(yīng)盡可能使橋梁簡單化，減少變寬異形橋跨，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shù)，減少對邊坡擾動，保證結(jié)構(gòu)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(shè)計

查閱相關(guān)規(guī)范，對于本項目而言，橋梁抗震設(shè)防類別為B類。綜合汶川地震中橋梁震害特點以及路網(wǎng)綜合抗震能力的思考，在結(jié)構(gòu)體系選擇和抗震設(shè)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(shè)防，分級耗能”的抗震設(shè)計理念。

2.1 橋型選擇

根據(jù)汶川地震震害總結(jié)發(fā)現(xiàn)，簡支橋梁震害以落梁為主，下部結(jié)構(gòu)受損數(shù)量不多，其受損程度也較輕，修復(fù)較易。基于以上情況，結(jié)合本項目地形、地質(zhì)及路線線位布設(shè)等因素綜合考慮，提出了橋型選擇原則。

全線絕大多數(shù)中、小跨徑橋梁采用構(gòu)造簡單、剛度和質(zhì)量均勻、施工方便、造價較省的簡支、橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)，設(shè)計上盡可能采用對稱、一致的孔跨布設(shè)。個別變寬度及小半徑采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。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(yán)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(shè)斜交橋梁。對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，上、下部結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)造連接應(yīng)均勻，相鄰跨橋墩或相鄰橋墩與支座的串聯(lián)體系的剛度應(yīng)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(xiàn)受力過大而破壞的現(xiàn)象。當(dāng)連接構(gòu)造必須采用固定連接時，對下部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)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(tǒng)設(shè)計

支座作為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間的連接構(gòu)造，屬于橋梁結(jié)構(gòu)的抗震薄弱環(huán)節(jié)，在地震中發(fā)生失效的概率大于其主要受力構(gòu)件，支座失效在震后是較易修復(fù)的，上、下部結(jié)構(gòu)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(gòu)件的作用。因此，橋梁支座應(yīng)設(shè)計成“保險絲單元”在破壞地震作用下優(yōu)先破壞耗散部分能量，保護橋墩及基礎(chǔ)(橋墩可出現(xiàn)可修復(fù)的塑性鉸，但樁基不能損傷)。

設(shè)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(chǔ)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(shè)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(lián)內(nèi)各橋墩的高度應(yīng)盡可能相近，對于因相鄰橋墩高度不同而導(dǎo)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(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，從而影響結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩高度有時相差懸殊，很難滿足剛度和質(zhì)量均衡的要求，通過調(diào)整支座的參數(shù)來改善橋墩和支座的串聯(lián)體系的組合剛度，從而改善結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

Ⅸ度區(qū)少量墩高大于40 m，橋梁聯(lián)數(shù)大于等于3聯(lián)的V型河谷，在分聯(lián)處選擇一孔梁體設(shè)置V-型抗震抗傾覆連接支撐，支撐構(gòu)造如圖1所示。當(dāng)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(tǒng)受到損害最小化，與此同時梁體和蓋梁即使出現(xiàn)內(nèi)部隔震所需的短暫水平分離，但是在穩(wěn)定銷作用下也總保持所連接構(gòu)件仍為一整體結(jié)構(gòu)體系。地震結(jié)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(fù)原始狀態(tài)。在Ⅸ度區(qū)墩高大于40 m，橋梁聯(lián)數(shù)大于等于3聯(lián)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(dǎo)致的落梁風(fēng)險。Ⅸ度區(qū)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(gòu)造

2.3 防落梁措施

為了保證整體橋梁的抗震性能，防止發(fā)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(shè)置伸縮縫的橋墩，適當(dāng)加寬蓋梁寬度；簡支T梁橋在伸縮縫橋墩處兩側(cè)梁體設(shè)置防落鏈；現(xiàn)澆連續(xù)箱梁與橋墩之間宜設(shè)限位移構(gòu)造，如連續(xù)梁的雙柱式橋墩通過在墩頂設(shè)置系梁，并在系梁上設(shè)置防震擋塊進行限位。

2.4 橋墩設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)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(dāng)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(shè)置橡膠墊塊作為緩沖裝置，所有簡支梁的梁端設(shè)置緩沖橡膠墊塊。在軟弱粘性土層、液化土層和不穩(wěn)定的河岸區(qū)域，宜加長橋梁長度，合理布置橋孔，橋臺高度可適當(dāng)降低。橋臺采用整體性強的結(jié)構(gòu)形式，樁基礎(chǔ)設(shè)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(jié)構(gòu)型式。

連續(xù)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(shè)置固定支座或單向活動支座。

3 特殊路段橋梁設(shè)計

3.1 跨越泥石流溝的橋梁設(shè)計

針對沿線橋梁連續(xù)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(jié)構(gòu)安全：橋梁孔跨布設(shè)結(jié)合東河河道現(xiàn)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(fēng)險但沖出物以小粒徑物質(zhì)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(shè)置橋墩，同時橋墩宜適當(dāng)加大尺寸并對溝中橋墩設(shè)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(dāng)位置設(shè)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(shè)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(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋、鋼混疊合梁、現(xiàn)澆連續(xù)梁方案論述性比較。

中小跨徑預(yù)應(yīng)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(yù)制T梁組合，比較適應(yīng)橋位處地形、地質(zhì)條件，造價最省，但缺點就是河道或者斜坡上設(shè)墩。施工時候可通過地方鄉(xiāng)道進入施工現(xiàn)場、組織小規(guī)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(yù)制場運輸梁體至橋位，逐孔建設(shè)，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(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低下部結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的內(nèi)力相應(yīng)，但缺點是橋梁施工必須待隧洞貫通后進行，而且現(xiàn)場無拼裝安裝條件，造價較貴，安裝質(zhì)量要求高。連續(xù)剛構(gòu)方案采用掛籃懸臂澆筑，跨越能力強可以避免河道中設(shè)墩，缺點是造價較貴，施工現(xiàn)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(zhì)量控制以及災(zāi)后搶通等方面綜合考慮，Ⅷ度區(qū)優(yōu)先推薦預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋方案；Ⅸ度區(qū)優(yōu)先推薦鋼混疊合梁方案；對溝谷中無法設(shè)墩的情況，結(jié)合橋位現(xiàn)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(shè)計

路線沿山坡布設(shè)，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(wěn)，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(zhǔn)確測量，繪制準(zhǔn)確的縱橫斷面，為工程設(shè)計提供準(zhǔn)確的地形地質(zhì)條件等第一手資料。陡坡橋梁可適當(dāng)增加橋梁跨徑，盡量減少陡坡橋墩數(shù)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(nèi)外側(cè)樁頂標(biāo)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(chǔ)施工，采用高樁承臺方案，外側(cè)樁基適當(dāng)露出地面，以減少對山體的開挖。內(nèi)側(cè)樁基施工需要開挖，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)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(wěn)定或穩(wěn)定安全系數(shù)不能滿足要求時，應(yīng)先對山體采用錨桿等輕型支擋類的結(jié)構(gòu)防護。

圖2 高樁承臺邊坡開挖支護示意

4 橋梁耐久性設(shè)計及措施

關(guān)于增強預(yù)應(yīng)力混凝土梁式結(jié)構(gòu)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(zhì)穩(wěn)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(yōu)質(zhì)粉煤灰、礦渣等礦物摻和料或復(fù)合礦物摻和料；選用吸水率低、線脹系數(shù)小的骨料，盡量采用碎石；應(yīng)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(shè)計，提高混凝土密實程度。結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造：優(yōu)化結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造設(shè)計，改善節(jié)點受力狀況，減小混凝土拉應(yīng)力。保證鋼筋有足夠的砼保護層厚度。混凝土裂縫寬度：按規(guī)范進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，嚴(yán)格控制并盡量減小混凝土裂縫寬度。

嚴(yán)格按規(guī)程施工，確保結(jié)構(gòu)表層混凝土的密實性、均勻性與良好的養(yǎng)護，確保混凝土保護層厚度的準(zhǔn)確性，加強混凝土質(zhì)量控制，日常養(yǎng)護，提高混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命。對于本項目的鋼結(jié)構(gòu)橋梁，增強耐久性的措施首先要從結(jié)構(gòu)上考慮優(yōu)化，構(gòu)造上應(yīng)盡量避免應(yīng)力集中和疲勞損傷。其次是施工，鋼結(jié)構(gòu)梁段之間的連接質(zhì)量的好壞直接決定了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的壽命，現(xiàn)多為焊接，在施工時焊接應(yīng)嚴(yán)格遵照技術(shù)要求及國內(nèi)有關(guān)規(guī)程、規(guī)范實施。同時由于鋼結(jié)構(gòu)焊縫較多，所產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力較大，制造過程中，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，應(yīng)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(yīng)做焊接工藝評定試驗；焊縫在焊接前的預(yù)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(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行TB 10212-2009《鐵路鋼橋制造規(guī)范》。最后，鋼結(jié)構(gòu)需要進行防腐涂裝，結(jié)構(gòu)表面的涂裝，除了提供適當(dāng)?shù)耐庥^色彩與視覺效果外，更主要的功能是減緩環(huán)境對結(jié)構(gòu)的腐蝕，以延長結(jié)構(gòu)使用壽命；防腐涂裝之前必須對所有板材進行預(yù)處理，潔凈度達到Sa2 級，粗糙度達到Rz40～80 μm；板材預(yù)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(jié)束語

川南橫斷山區(qū)地震烈度高、地表起伏大、深切河谷、橫坡陡峻、不良地質(zhì)發(fā)育，是該區(qū)域高速公路橋梁設(shè)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(qū)橋梁抗震設(shè)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(shè)計原則。從橋型選擇、橋梁支座系統(tǒng)設(shè)計、橋墩設(shè)計、防落梁措施等方面，闡述了橋梁抗震設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。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(shè)計，給出了合理的建議。研究成果可供同地區(qū)高速公路橋梁設(shè)計提供參考。