高海拔地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下的橋梁結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)方案探討

鄒茗地

(1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041；2.四川省公路院工程監(jiān)理有限公司，四川成都 610041)

隨著國(guó)家的發(fā)展，西部高海拔地區(qū)發(fā)展加快。該區(qū)域具有地質(zhì)條件復(fù)雜、晝夜溫差大、年降雨量少、缺氧、多風(fēng)的特點(diǎn)，對(duì)橋梁的設(shè)計(jì)與建造具有前所未知的困難。前期相關(guān)研究中得出了一定的研究成果，如應(yīng)采取定量與定性的分析結(jié)合[1]；需要與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)[2]；結(jié)合相應(yīng)的施工地質(zhì)、地形、地貌等條件[3-4, 6]；結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)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(xiàng)目，提出3種橋型方案，分析各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)橋梁進(jìn)行選型與分析,為同類橋梁項(xiàng)目建設(shè)提供參考。

1 地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

項(xiàng)目區(qū)屬青藏高原東部邊緣地帶構(gòu)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(qū)內(nèi)相對(duì)高點(diǎn)為北東側(cè)山梁，海拔約4 500 m，相對(duì)低點(diǎn)為金沙江河床，海拔約3 420 m，相對(duì)高差約1 000 m(圖1)。

圖1 項(xiàng)目區(qū)地形地貌

1.2 復(fù)雜不良地質(zhì)

橋址區(qū)內(nèi)存在不良地質(zhì)為危巖帶，該危巖帶坡度約70°～80°，危巖帶長(zhǎng)約70 m，高20～40 m，坡面巖性為板巖、變質(zhì)砂巖等。為逆向坡，斜坡整體穩(wěn)定，受一組外傾節(jié)理(76°∠61°)及卸荷裂隙發(fā)育的控制，偶有小規(guī)模傾倒式、錯(cuò)斷式崩塌發(fā)生，一般崩落粒徑0.1～0.5 m，個(gè)別達(dá)1.5 m。

覆蓋層由上更新統(tǒng)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(qiáng)降雨作用的影響，邊坡存在失穩(wěn)滑移的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)橋臺(tái)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。

1.3 地域特征

項(xiàng)目區(qū)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(qū)為峽谷地貌，風(fēng)力普遍達(dá)到8級(jí)以上。

場(chǎng)地屬青藏高原強(qiáng)烈隆起區(qū)東南部，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分明顯，橋址距南西側(cè)的甘孜-玉樹(shù)活動(dòng)斷裂約500 m，場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，場(chǎng)地穩(wěn)定性較差，存在發(fā)生崩塌、滑坡的危險(xiǎn)性。

2 橋梁結(jié)構(gòu)選型對(duì)比

根據(jù)金沙江大橋的地形、地質(zhì)等特點(diǎn)，結(jié)合高海拔地區(qū)氣候與施工的特點(diǎn)提出3種方案進(jìn)行論證，即連續(xù)剛構(gòu)方案、上承式鋼筋混凝土箱拱方案和鋼-混組合簡(jiǎn)支梁方案。

2.1 各橋型方案

2.1.1 連續(xù)剛構(gòu)方案

主橋孔跨布置為(47+85+47) m的連續(xù)剛構(gòu)橋，單箱單室箱型截面，三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。主墩采用雙肢薄壁墩。最大墩高42.9 m(圖2、圖3)。

圖2 連續(xù)剛構(gòu)方案立面(單位:cm)

圖3 連續(xù)剛構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)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(wú)鉸拱，凈跨120 m，矢跨比1/4.5，拱軸系數(shù)m=2。拱座為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，嵌入除去中風(fēng)化破碎層后的新鮮完整基巖內(nèi)(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(jié)構(gòu)形式為鋼-混組合簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)(圖5)。

圖5 鋼混組合梁方案立面(單位:cm)

2.2 橋型方案對(duì)比

橋型方案對(duì)比見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)以上3種橋型的對(duì)比，橋梁選型應(yīng)綜合考慮橋址區(qū)的各種客觀因素，如地形地貌、不良地質(zhì)、環(huán)境及生態(tài)保護(hù)等因素,同時(shí)要做到施工方便、技術(shù)可靠。

拱橋的施工較為復(fù)雜，且處在欠穩(wěn)定邊坡處，開(kāi)挖量較大，易發(fā)生邊坡崩塌，對(duì)環(huán)境破壞嚴(yán)重，不推薦采用。

鋼-混組合簡(jiǎn)支梁橋由于工廠制作，山區(qū)道路運(yùn)輸不便，后期養(yǎng)護(hù)成本高，且需要在河道中設(shè)置橋墩，不利于金沙江的生態(tài)保護(hù)，不推薦采用。

連續(xù)剛構(gòu)橋具有整體性好、結(jié)構(gòu)剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、造型優(yōu)美、環(huán)境協(xié)調(diào)、開(kāi)挖量較小、施工技術(shù)成熟、后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，故推薦采用。

2.3 橋型優(yōu)化

由于橋位處于高海拔及地質(zhì)情況較為復(fù)雜的區(qū)域，根據(jù)地勘成果，小里程有危石，為防止掉落，采取被動(dòng)防護(hù)措施保護(hù)主墩。提升2號(hào)橋墩承臺(tái)標(biāo)高，減少邊坡開(kāi)挖。

3 橋型設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

3.1 上部設(shè)計(jì)

箱梁頂板寬9 m，底板寬5.5 m，箱梁頂板設(shè)置成2%雙向橫坡。箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.5 m，箱梁根部斷面和墩頂0號(hào)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(qiáng)低松弛鋼絞線。

3.2 下部設(shè)計(jì)

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(tái)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(guò)承臺(tái)與主墩相連。

3.3 全橋模型模擬計(jì)算

運(yùn)用大型有限元軟件MIDAS Civil 2021對(duì)全橋進(jìn)行建模分析，考慮高海拔地區(qū)的溫差及風(fēng)力等荷載影響，模擬施工階段與運(yùn)營(yíng)階段的穩(wěn)定性分析，獲得橋梁完整施工階段的各單元荷載與穩(wěn)定性系數(shù)、主橋撓度、安全系數(shù)，以此指導(dǎo)橋梁的施工(圖6、表2)。

圖6 結(jié)構(gòu)單元離散模型

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力

預(yù)應(yīng)力混凝土梁受彎構(gòu)件抗彎承載力驗(yàn)算按照J(rèn)TG3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱為“公路混規(guī)”)計(jì)算。在承載能力極限狀態(tài)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(jié)構(gòu)計(jì)算抗彎承載力驗(yàn)算包絡(luò)圖

使用階段斜截面抗裂驗(yàn)算按照《公路混規(guī)》規(guī)定計(jì)算。表3-8所示為驗(yàn)算結(jié)果，大橋斜截面最小主拉應(yīng)力為-0.876 MPa(拉)，大于《公路混規(guī)》規(guī)定的應(yīng)力限值0.4ftk=0.4×2.85=1.14 MPa，滿足規(guī)范要求。

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

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

對(duì)矩形截面鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，在作用頻遇組合作用下計(jì)算得各墩柱最大裂縫寬度為0<0.2 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高海拔山區(qū)橋梁的建設(shè)往往受制于地形、地貌、地質(zhì)等自然條件，同時(shí)還需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件、運(yùn)輸條件。通過(guò)以上方案對(duì)比及分析，得到一些主要建議。

(1)對(duì)于高海拔復(fù)雜地質(zhì)條件下的橋梁選型，應(yīng)充分考慮不良地質(zhì)情況，結(jié)合高海拔氣候、溫度、溫差等因素，綜合考慮得到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的各種橋型方案。

(2)橋梁橫跨金沙江，應(yīng)采用大跨徑，避免在河道中設(shè)置橋墩，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋、拱橋及鋼-混組合梁橋進(jìn)行合理對(duì)比，考慮到山區(qū)的全壽命周期的管理與維護(hù)的影響，推薦最終的連續(xù)剛構(gòu)橋方案。

(3)通過(guò)整體計(jì)算分析得出，連續(xù)剛構(gòu)橋能夠?yàn)檫m應(yīng)高海拔地區(qū)的高寒、溫差大、風(fēng)荷載較大的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)達(dá)到全預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，防止由溫差過(guò)大引起的施工開(kāi)裂。