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構荷載傳遞到下部結構。根據(jù)梁式橋受力特點，將橋梁布置于峽谷谷岸地質構造良好，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。上部結構為（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)結構體系，第2聯(lián)采用先簡支后墩梁固結結構體系;下部結構采用一字橋臺、橋臺采用擴大基礎;柱式墩、空心墩、橋墩采用樁基礎。

橋位區(qū)內多南風，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)定的基礎上較重力式橋墩有更大的柔性能夠滿足上部結構的位移需要。混凝土的導熱系數(shù)小，表面因環(huán)境溫度的變化，內部溫度變化緩慢或者基本不變，在混凝土內外表面形成了較大的溫度梯度，產生較大的溫度應力。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之間產生溫差更為明顯，會使整個結構向溫度較低的一側傾斜，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外壁混凝土表面產生裂縫，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表面，距離外表面越遠的位置變溫幅度越小，從外壁到內壁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構帶來損害。

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生強大的軸向力。加之結構的不規(guī)則會導致橋梁的受力更加復雜，高墩橋梁也會產生更大影響。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生較大的移位。這是引起橋梁的上部結構落梁或者支座脫落主要原因[5]。

4? 結論

青海省地處高海拔地帶，地勢起伏大，峽谷多，在交通基礎設施建設中，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”術語定義實證研究[J].市政技術，2017.

[2] 劉興法.混凝土結構的溫度應力分析[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.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構體系比選[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.