高海拔地區復雜地質條件下的橋梁結構選型與設計方案探討

鄒茗地

(1.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，四川成都 610041；2.四川省公路院工程監理有限公司，四川成都 610041)

隨著國家的發展，西部高海拔地區發展加快。該區域具有地質條件復雜、晝夜溫差大、年降雨量少、缺氧、多風的特點，對橋梁的設計與建造具有前所未知的困難。前期相關研究中得出了一定的研究成果，如應采取定量與定性的分析結合[1]；需要與周邊環境相協調[2]；結合相應的施工地質、地形、地貌等條件[3-4, 6]；結合現場施工環境溫度與荷載的耦合[5]等研究。本文依托位于青海省與四川省交界的金沙江橋梁項目，提出3種橋型方案，分析各方案的優缺點，對橋梁進行選型與分析,為同類橋梁項目建設提供參考。

1 地質條件

1.1 地形地貌

項目區屬青藏高原東部邊緣地帶構造剝蝕侵蝕高山峽谷地貌，地形切割劇烈，山高谷深。擬建橋梁垂直橫跨金沙江，該段金沙江從北西向南東徑流，該段河床寬40～50 m，區內相對高點為北東側山梁，海拔約4 500 m，相對低點為金沙江河床，海拔約3 420 m，相對高差約1 000 m(圖1)。

圖1 項目區地形地貌

1.2 復雜不良地質

橋址區內存在不良地質為危巖帶，該危巖帶坡度約70°～80°，危巖帶長約70 m，高20～40 m，坡面巖性為板巖、變質砂巖等。為逆向坡，斜坡整體穩定，受一組外傾節理(76°∠61°)及卸荷裂隙發育的控制，偶有小規模傾倒式、錯斷式崩塌發生，一般崩落粒徑0.1～0.5 m，個別達1.5 m。

覆蓋層由上更新統沖洪積層組成，為河流相沖積層，主要以砂卵石為主，覆蓋層厚度20～30 m，受地震及強降雨作用的影響，邊坡存在失穩滑移的風險，對橋臺的穩定性造成嚴重威脅。

1.3 地域特征

項目區域海拔在3 500 m以上，屬于高寒性氣侯，且晝夜溫差在25 ℃以上。

橋址區為峽谷地貌，風力普遍達到8級以上。

場地屬青藏高原強烈隆起區東南部，新構造運動十分明顯，橋址距南西側的甘孜-玉樹活動斷裂約500 m，場地地震基本烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度為0.15g，場地穩定性較差，存在發生崩塌、滑坡的危險性。

2 橋梁結構選型對比

根據金沙江大橋的地形、地質等特點，結合高海拔地區氣候與施工的特點提出3種方案進行論證，即連續剛構方案、上承式鋼筋混凝土箱拱方案和鋼-混組合簡支梁方案。

2.1 各橋型方案

2.1.1 連續剛構方案

主橋孔跨布置為(47+85+47) m的連續剛構橋，單箱單室箱型截面，三向預應力結構。主墩采用雙肢薄壁墩。最大墩高42.9 m(圖2、圖3)。

圖2 連續剛構方案立面(單位:cm)

圖3 連續剛構標準斷面(單位:cm)

2.1.2 上承式鋼筋混凝土箱拱方案

主橋孔跨布置為120 m的上承式鋼筋混凝土箱拱，主拱圈為等截面懸鏈線無鉸拱，凈跨120 m，矢跨比1/4.5，拱軸系數m=2。拱座為鋼筋混凝土結構，嵌入除去中風化破碎層后的新鮮完整基巖內(圖4)。

圖4 上承式箱拱方案立面(單位:cm)

2.1.3 鋼混組合梁方案

主橋孔跨布置為4×50 m，結構形式為鋼-混組合簡支箱梁。最大墩高為最高67 m，高墩墩身采用矩形鋼筋混凝土空心墩結構(圖5)。

圖5 鋼混組合梁方案立面(單位:cm)

2.2 橋型方案對比

橋型方案對比見表1。

通過對以上3種橋型的對比，橋梁選型應綜合考慮橋址區的各種客觀因素，如地形地貌、不良地質、環境及生態保護等因素,同時要做到施工方便、技術可靠。

拱橋的施工較為復雜，且處在欠穩定邊坡處，開挖量較大，易發生邊坡崩塌，對環境破壞嚴重，不推薦采用。

鋼-混組合簡支梁橋由于工廠制作，山區道路運輸不便，后期養護成本高，且需要在河道中設置橋墩，不利于金沙江的生態保護，不推薦采用。

連續剛構橋具有整體性好、結構剛度大、穩定性強、造型優美、環境協調、開挖量較小、施工技術成熟、后期養護費用低等特點，故推薦采用。

2.3 橋型優化

由于橋位處于高海拔及地質情況較為復雜的區域，根據地勘成果，小里程有危石，為防止掉落，采取被動防護措施保護主墩。提升2號橋墩承臺標高，減少邊坡開挖。

3 橋型設計與計算分析

3.1 上部設計

箱梁頂板寬9 m，底板寬5.5 m，箱梁頂板設置成2%雙向橫坡。箱梁跨中及邊跨現澆段梁高2.5 m，箱梁根部斷面和墩頂0號梁段高為5.5 m。

主橋腹板束、頂板束、底板束采用19φs15.2 mm高強低松弛鋼絞線。

3.2 下部設計

主墩采用雙肢薄壁墩。最大墩高42.9 m，平面尺寸為150 cm(縱向)×550 cm(橫向)，壁厚1.5 m；主墩承臺厚度為3.5 m，平面尺寸為780 cm(縱向)×780 cm(橫向)；主墩樁基為4根φ180 cm的鉆孔灌注樁，通過承臺與主墩相連。

3.3 全橋模型模擬計算

運用大型有限元軟件MIDAS Civil 2021對全橋進行建模分析，考慮高海拔地區的溫差及風力等荷載影響，模擬施工階段與運營階段的穩定性分析，獲得橋梁完整施工階段的各單元荷載與穩定性系數、主橋撓度、安全系數，以此指導橋梁的施工(圖6、表2)。

圖6 結構單元離散模型

表2 結構計算內力

預應力混凝土梁受彎構件抗彎承載力驗算按照JTG3362-2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(以下簡稱為“公路混規”)計算。在承載能力極限狀態下，縱梁抗彎承載力滿足要求，并有一定安全富余(圖7)。

圖7 結構計算抗彎承載力驗算包絡圖

使用階段斜截面抗裂驗算按照《公路混規》規定計算。表3-8所示為驗算結果，大橋斜截面最小主拉應力為-0.876 MPa(拉)，大于《公路混規》規定的應力限值0.4ftk=0.4×2.85=1.14 MPa，滿足規范要求。

成橋階段正截面最大壓應力為16.5 MPa，小于《公路混規》規定的應力限值0.5fck=0.5×38.5=19.25 MPa，滿足規范要求。

成橋階段斜截面最大主壓應力為16.5 MPa，小于《公路混規》規定的應力限值0.6fck=0.6×38.5=23.1 MPa，滿足規范要求。

對矩形截面鋼筋混凝土偏心受壓構件進行裂縫寬度驗算，在作用頻遇組合作用下計算得各墩柱最大裂縫寬度為0<0.2 mm，滿足規范要求。

4 結束語

對于高海拔山區橋梁的建設往往受制于地形、地貌、地質等自然條件，同時還需要結合現場實際施工條件、運輸條件。通過以上方案對比及分析，得到一些主要建議。

(1)對于高海拔復雜地質條件下的橋梁選型，應充分考慮不良地質情況，結合高海拔氣候、溫度、溫差等因素，綜合考慮得到技術可行、經濟合理的各種橋型方案。

(2)橋梁橫跨金沙江，應采用大跨徑，避免在河道中設置橋墩，對連續剛構橋、拱橋及鋼-混組合梁橋進行合理對比，考慮到山區的全壽命周期的管理與維護的影響，推薦最終的連續剛構橋方案。

(3)通過整體計算分析得出，連續剛構橋能夠為適應高海拔地區的高寒、溫差大、風荷載較大的特點，結構達到全預應力狀態，防止由溫差過大引起的施工開裂。