陶小蘭

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

隨著我國(guó)交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施，公路、鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展，公路修建規(guī)模不斷攀升，并不斷向山區(qū)延伸，常常出現(xiàn)橋隧相接、斜彎坡橋、高墩大跨等復(fù)雜結(jié)構(gòu)[1]。高原山區(qū)地形地貌因地質(zhì)和氣候環(huán)境錯(cuò)綜復(fù)雜，海拔相差懸殊，特殊的地理與地質(zhì)條件使得高原山區(qū)公路橋梁施工具有技術(shù)復(fù)雜、施工難度大、材料設(shè)備運(yùn)輸困難、施工周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，相較平原及低山丘陵地區(qū)橋梁施工具有更多的安全風(fēng)險(xiǎn)。橋梁的設(shè)計(jì)與施工息息相關(guān)，橋梁設(shè)計(jì)方案，尤其是大型橋梁方案設(shè)計(jì)如果出現(xiàn)失誤，將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這種損失是后續(xù)詳細(xì)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)階段無(wú)法彌補(bǔ)的。因此，高原山區(qū)公路橋型方案設(shè)計(jì)比選具有重要意義[2-3]。基于此，本文通過(guò)地處高原山區(qū)的橋梁比選實(shí)例來(lái)分析影響橋梁方案設(shè)計(jì)的多種因素，探討高原山區(qū)橋梁的設(shè)計(jì)方案及比選。

1 工程概況

大橋位于青海東部青藏高原與黃土高原的過(guò)渡地帶，地處祁連山支脈拉脊山，為構(gòu)造侵蝕低中山區(qū)地貌，上覆第四系全新統(tǒng)崩坡積碎石土、卵石土層，局部夾角礫，下伏白堊系下統(tǒng)河口群砂礫巖。大橋位于國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，根據(jù)環(huán)評(píng)要求，路線只能從保護(hù)區(qū)試驗(yàn)區(qū)穿越，橋梁兩側(cè)均與隧道相連，路線與河段只能采取斜交方式，斜交角度較大，橋梁軸線與洪水流向夾角約為47°。橋位區(qū)黃河河岸中低山河谷斜坡地段，地形縱向起伏大，局部呈陡坎狀、臺(tái)階狀，屬構(gòu)造剝蝕、沖刷堆積地貌區(qū)，附近地面相對(duì)高差大于330 m。橋位區(qū)位于水電站水庫(kù)區(qū)，正常蓄水期河床中心處水深最深處達(dá)64 m，橋位處橫、縱向水下地形呈“雞爪”型，且起伏較大，單幅橋橫向地面線高差達(dá)37 m。橋位處地形地貌及地質(zhì)情況如圖1所示。

單位：m

2 橋型選擇的原則與方法

橋型的選擇應(yīng)考慮影響橋型的各種因素，并根據(jù)橋位的地質(zhì)、地形、水文、通航要求以及橋梁性能要求進(jìn)行綜合分析比較確定[4]。根據(jù)高原山區(qū)橋梁技術(shù)難題多、工程造價(jià)高和施工難等特點(diǎn)[5]，在橋梁設(shè)計(jì)選型中主要遵循以下原則：

1) 根據(jù)高原山區(qū)的地理環(huán)境情況，結(jié)合山區(qū)地形起伏大，地質(zhì)情況復(fù)雜的特點(diǎn)，選擇合適的橋位和橋型，盡量少破壞生態(tài)環(huán)境。

2) 高原山區(qū)公路橋梁的選型要充分考慮到周?chē)淖匀画h(huán)境條件，做到橋梁貼近自然，與環(huán)境協(xié)調(diào)，與山川、溝谷、河流等自然景觀和諧共處，但也要充分考慮風(fēng)力、水力等可能對(duì)橋梁造成不利影響的因素。

3) 高原山區(qū)一般施工場(chǎng)地狹小，運(yùn)輸條件困難，橋型選擇時(shí)要充分考慮施工的安全性、便利性，便于簡(jiǎn)單操作的施工往往對(duì)確保施工質(zhì)量有重要影響[6]。

遵從以上原則，從地形地質(zhì)、施工工期、施工與養(yǎng)護(hù)難易度、工程造價(jià)等多方面綜合比選，確定最佳方案。

3 橋型方案

高原山區(qū)公路受山區(qū)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)輸條件、工期等因素制約，橋型方案及跨徑的選取應(yīng)考慮施工安全、方便，在滿足橋梁使用功能的基礎(chǔ)上，盡可能使用成熟可靠的橋型結(jié)構(gòu)并兼顧新技術(shù)、新工藝和新材料，以降低工程造價(jià)，加快施工速度，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 連續(xù)剛構(gòu)

連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)剛度大、造型簡(jiǎn)潔、施工技術(shù)成熟與地形適應(yīng)性強(qiáng)，容易滿足橋梁曲線和坡度要求，因此被廣泛采用。連續(xù)剛構(gòu)除具有連續(xù)梁的特點(diǎn)之外，與同等跨徑連續(xù)梁相比，無(wú)需大型支座且橫向抗扭剛度大，特別適合于跨越深水、深谷、急流的橋位[7]。因此，在地形、地質(zhì)條件相對(duì)較好，跨徑相對(duì)不大的情況下，連續(xù)剛構(gòu)梁橋方案往往具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力[8]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，連續(xù)剛構(gòu)橋梁跨徑布置主要受右幅控制，右幅大河家側(cè)水下地面起伏，高差達(dá)37 m，考慮結(jié)構(gòu)受力及施工因素，在該谷地范圍內(nèi)不宜設(shè)置主墩，將主墩布置在河床相對(duì)較平坦的地帶，橋型布置如圖2所示。主橋采用(110+200+110) m混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，邊中跨比為0.55，單幅橋面寬度為12.75 m，主梁采用單箱單室變截面混凝土箱形截面，支點(diǎn)梁高14 m，跨中梁高4.5 m，箱梁高度按照拋物線方式變化。主墩采用雙肢薄壁墩，高樁承臺(tái)，深水區(qū)墩高27.5 m，樁長(zhǎng)100 m，其中水中樁基達(dá)60多 m，淺水區(qū)墩高27.5 m，樁長(zhǎng)80 m。

(a) 立面

(b) 平面

按照主跨200 m連續(xù)剛構(gòu)方案，單幅橋水中基礎(chǔ)4 個(gè)，主墩最大水深64 m，60 m 以上水深基礎(chǔ)2 個(gè)。即使按目前國(guó)內(nèi)最大跨徑連續(xù)剛構(gòu)進(jìn)行布跨，因受谷地范圍影響，主墩最大水深也接近60 m，深水施工風(fēng)險(xiǎn)基本相當(dāng)。雖然連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工工藝成熟，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低，但本項(xiàng)目若采用連續(xù)剛構(gòu)橋主要存在以下問(wèn)題：

1) 橋墩水深64 m，基礎(chǔ)施工屬于罕見(jiàn)的超深水基礎(chǔ)施工，據(jù)了解，在高海拔地區(qū)暫無(wú)40 m 以上的鉆孔灌注樁深水基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)其他區(qū)域類(lèi)似工程案例也較少，目前已建工程中水深較大的橋梁有位于長(zhǎng)江下游的蘇通大橋和銅陵長(zhǎng)江大橋，其最大水深約為50 m。

2) 本項(xiàng)目橋梁施工大型設(shè)備選擇有限，由于地形條件限制，大型設(shè)備無(wú)法直接從水路運(yùn)達(dá)，兩岸山坡陡峭，陸地運(yùn)輸又受限，超深水施工困難。國(guó)內(nèi)已完成的超深水基礎(chǔ)施工均位于長(zhǎng)江、黃河中下游等地區(qū)，水運(yùn)便利。

3) 施工條件惡劣，橋位區(qū)大橋主墩位置地層巖性以片巖、卵石為主，且水下地形起伏大，鋼管樁或鋼護(hù)筒底部著床有困難時(shí)需潛水員修正或處理，但潛水員因高原反應(yīng)及黃河水質(zhì)渾濁等原因，只能潛至水下30 m～40 m 深處。

4) 超長(zhǎng)樁基澆筑風(fēng)險(xiǎn)大，主墩超深水中樁基礎(chǔ)超過(guò)100 m，地形條件復(fù)雜，混凝土陸上長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)牟淮_定性與水上運(yùn)輸?shù)碾y度和時(shí)間不可控性，混凝土連續(xù)澆筑難以保證。

3.2 拱橋

拱橋根據(jù)其受力形式一般分為有推力拱橋和系桿拱橋，其中系桿拱橋常見(jiàn)的有飛燕式系桿拱橋和單跨系桿拱橋。橋位大樁號(hào)側(cè)覆蓋層主要以卵石為主，覆蓋層厚達(dá)50 m，有推力拱橋需設(shè)置大量的傾斜群樁基礎(chǔ)，施工難度很大，造價(jià)高，不適宜本橋位。起點(diǎn)側(cè)水下谷地緊鄰河床最低點(diǎn)，不利于布置墩位，起點(diǎn)側(cè)主墩位置受限，采用飛燕式系桿拱橋，邊、中跨比過(guò)小，左岸主墩位于谷地邊緣，主墩尺寸大，受地形影響施工困難，樁基與陡坡距離近，結(jié)構(gòu)受沖刷影響大，不適宜本橋位。單跨系桿拱橋采用水平系桿平衡主拱推力，受橋位地質(zhì)影響較小，可結(jié)合地形合理布跨，技術(shù)上為一種可行的橋型方案。

從建筑材料方面來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的拱橋方案有勁性骨架鋼筋混凝土拱、鋼管混凝土拱、鋼箱拱以及鋼桁架拱[9]。鋼筋混凝土拱存在工序復(fù)雜，鋼箱拱存在運(yùn)輸及吊裝困難，鋼桁架拱造價(jià)高等缺點(diǎn)，相比之下，鋼管混凝土拱橋由于其可采用“化整為零”的施工方法，兼具鋼拱圈為混凝土模板、施工周期短、工程造價(jià)低、造型美觀、承載能力高等優(yōu)點(diǎn)[10]，是適合本橋橋位的拱橋方案。

主橋?yàn)?60 m下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，分幅設(shè)計(jì)，考慮吊桿區(qū)后單幅主橋橋面全寬18.75 m，橋型布置如圖3所示。主橋采用懸鏈線無(wú)鉸拱，拱軸系數(shù)m=1.50，矢跨比1/5，拱肋為鋼管混凝土桁式結(jié)構(gòu)[11-12]，截面全寬2.4 m，高5.5 m，每片拱肋由4 根直徑1.0 m的鋼管組成，拱肋橫向中心距為15.75 m，設(shè)置一字型橫撐和K 型橫撐橫向聯(lián)結(jié)，橫撐平均間距為24 m。主橋采用柔性系桿平衡拱腳恒載下的水平推力，每片拱肋設(shè)12 束可更換式Φ15.2-27 環(huán)氧樹(shù)脂涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線，錨固于兩側(cè)過(guò)渡墩拱座的背側(cè)。施工主要采用纜索吊裝方案，桿件采用散拼運(yùn)輸，在橋位附近組拼。

(a) 立面

(b) 平面

按照260 m鋼管混凝土系桿拱橋方案，單幅橋水中基礎(chǔ)6 個(gè)，主墩最大水深37 m，風(fēng)險(xiǎn)可控，上部結(jié)構(gòu)施工需要地錨、搭設(shè)扣塔和纜索系統(tǒng)等大量臨時(shí)設(shè)施，施工費(fèi)用較高，工期較長(zhǎng)，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。根據(jù)系桿拱橋的特點(diǎn)，橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，除施工風(fēng)險(xiǎn)外，運(yùn)營(yíng)階段的安全風(fēng)險(xiǎn)也是一個(gè)重要的影響因素。結(jié)合既有已建橋梁養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，下承式鋼管混凝土系桿拱橋易存在如下病害。

1) 吊桿防腐能力不足，需定期更換。因受施工條件制約、日常養(yǎng)護(hù)不足等因素影響，吊桿普遍存在防護(hù)套管開(kāi)裂，鋼絲銹蝕、錨頭銹蝕等病害，橋梁吊桿在橋梁服役期內(nèi)因銹蝕而將多次拆換，正常拆換的費(fèi)用為建橋當(dāng)年吊桿造價(jià)的6～10倍，甚至更高；而吊桿破壞毀橋的修復(fù)費(fèi)用，達(dá)到建橋當(dāng)年全橋總價(jià)的2～4倍。

2) 橋面系剛度小，可靠度低。大跨度系桿拱橋多采用以橫梁受力為主的橋面系，系桿拱橋的縱、橫向剛度較弱，橋面系的整體性較差，許多橋的縱橫向振動(dòng)十分明顯，特別是橫向的振動(dòng)頻率和振幅較大，導(dǎo)致橋面系和吊桿連接部出現(xiàn)橫向疲勞問(wèn)題，甚至出現(xiàn)吊桿斷裂或連接松脫。

3) 系桿受力復(fù)雜，使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)使用年限。由于系桿自身特點(diǎn)，加之外荷載和外部腐蝕介質(zhì)的作用，絕大部分索體存在著不同程度的病害并且日益嚴(yán)重，許多橋梁運(yùn)營(yíng)未滿10年便因系桿病害而更換系桿。

3.3 斜拉橋

斜拉橋可分為獨(dú)塔斜拉橋和多塔斜拉橋，受河床谷地區(qū)和邊中跨比例限制，索塔不能布置在小樁號(hào)側(cè)，雙塔斜拉橋不適合本橋位。將獨(dú)塔斜拉橋主墩布置于大樁號(hào)側(cè)臺(tái)階上，基礎(chǔ)水深大大減小。 從主梁形式來(lái)分，常見(jiàn)的斜拉橋方案有混凝土斜拉橋、鋼斜拉橋和疊合梁斜拉橋；從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上來(lái)分，跨徑大于500 m的斜拉橋宜采用鋼主梁形式，但基于運(yùn)輸條件，跨徑布置等原因，只能采用化整為零的施工方案，故本橋位處采用混合式疊合梁斜拉橋方案更適宜。

混合體系斜拉橋主跨采用鋼梁、疊合梁，自重輕，跨越能力大，邊跨采用混凝土梁，對(duì)中跨具有良好的錨固作用，同時(shí)減小活載應(yīng)力幅，避免邊跨產(chǎn)生負(fù)反力，解決了主邊跨跨徑不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，同時(shí)，主塔和邊跨混凝土還可同時(shí)施工，有利縮短工期[13]。

主橋?yàn)橹骺?60 m單塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋，分幅設(shè)計(jì)?？紤]拉索區(qū)后，單幅主橋橋面全寬16.35 m，橋型布置如圖4所示。斜拉索扇型布置，疊合梁上標(biāo)準(zhǔn)索距12.0 m，混凝土梁上標(biāo)準(zhǔn)索距6.0 m，塔上索距2.05 m～4.65 m。疊合梁主梁采用高為2.6 m 的工字型鋼主梁和0.28 m厚橋面板的組合形式，混凝土梁采用與疊合梁相匹配的π 型斷面，梁肋寬度2.4 m～3.0 m。鋼混結(jié)合段設(shè)置在距離主塔中心5.0 m 處，采用鋼主梁埋入混凝土梁內(nèi)部3.0 m的方式，鋼板上焊接剪力釘增加鋼與混凝土的整體性[14-15]。索塔采用鉆石型索塔，群樁基礎(chǔ)，索塔總高167 m，空心箱型斷面。

(a) 立面

(b) 平面

按照主跨260 m單塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋方案，單幅橋水中基礎(chǔ)5 個(gè)，主墩最大水深36 m，風(fēng)險(xiǎn)可控，上部結(jié)構(gòu)除邊跨混凝土梁搭設(shè)支架需要較多臨時(shí)設(shè)施外，其余均采用常規(guī)方法逐段懸臂施工，無(wú)需大型臨時(shí)設(shè)施，施工工期、施工風(fēng)險(xiǎn)均較小。結(jié)合既有已建橋梁養(yǎng)護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)，斜拉橋主要病害為斜拉系統(tǒng)的病害，包括拉索本身病害，拉索防護(hù)體系病害(纏色涂層病害、PE管內(nèi)壓注水，錨固區(qū)病害。統(tǒng)計(jì)表明，早期建設(shè)的斜拉橋經(jīng)過(guò)多年服役后，斜拉索平均壽命約15年。隨著材料、設(shè)計(jì)方法、施工工藝的改進(jìn)，近年來(lái)設(shè)計(jì)的橋梁斜拉索設(shè)計(jì)壽命將進(jìn)一步增加。

4 橋型方案比選

根據(jù)以上橋型方案介紹可知，雖然連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工工藝成熟，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低，鑒于橋位區(qū)深水基礎(chǔ)的特殊性，方案施工風(fēng)險(xiǎn)太大，拱橋方案和斜拉橋方案的綜合比選結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 方案綜合比選

從表1可知，獨(dú)塔斜拉橋方案較單跨系桿拱橋方案建安費(fèi)略高，但考慮養(yǎng)護(hù)費(fèi)用后,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)總成本相對(duì)較低，且施工周期較短，安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，施工質(zhì)量較易控制，經(jīng)綜合比選，確實(shí)獨(dú)塔斜拉橋方案為推薦方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

高原山區(qū)公路地形條件復(fù)雜，對(duì)橋梁選型要求較高，以“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、耐久適用、技術(shù)先進(jìn)、美觀環(huán)?！睘槟繕?biāo)，在設(shè)計(jì)中以全壽命周期成本的理念考慮大橋的建設(shè)、投資，按照以人為本的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行橋梁方案設(shè)計(jì)。 本文通過(guò)具體實(shí)例，對(duì)幾種橋型方案進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

1) 橋型方案比選應(yīng)采取定性分析和定量分析相結(jié)合的方式，且盡量采用定量分析，以使分析結(jié)果更準(zhǔn)確、客觀。

2) 高原山區(qū)公路因場(chǎng)地條件，運(yùn)輸條件的影響，一般情況下，大跨度橋梁主梁更適宜采用疊合梁或鋼桁梁方案。

3) 高原山區(qū)公路地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，建設(shè)施工及養(yǎng)護(hù)難易程度是決定方案選擇的重要性因素，必須充分結(jié)合場(chǎng)區(qū)環(huán)境條件選取適宜的施工方法。

4) 結(jié)合全壽命周期成本的理念，方案設(shè)計(jì)要充分考慮高原山區(qū)公路橋梁養(yǎng)護(hù)、維修難度大，成本高的特點(diǎn)。