川南横断山区高速公路桥梁设计关键技术

唐国汉, 陈朝晖,龚 臻, 谭邦明,殷开维

(四川省公路规划勘察设计研究院有限公司， 四川成都 610041)

都匀至香格里拉国家高速公路金阳至西昌段全长182 km，全线设置103座桥梁，总长46.3 km。项目区地处川西南横断山系东北缘，介于四川盆地和云南省中部高原之间，地势西北高、东南低，北部高、南部低。地表起伏大，地形崎岖，峰峦重迭，气势雄伟，河谷幽深，壁垂千仞，高差悬殊。山脉多呈南北走向，岭谷相间，从东至西主要有螺髻山、小相岭、大凉山、小凉山等山脉。主要水系为金沙江及其支流，金沙江流域主要支流有：安宁河、则木河、黑水河、西溪河、金阳河、牛栏江等。河流一般坡降较大，呈“V”型，具典型山川急流特征，部分河流支沟泥石流发育。地震烈度大部分路段为Ⅷ度区，西昌境不小于Ⅸ度。针对高烈度地震山区公路桥梁设计，已有学者开展了相关工程实践和设计技术研究，取得了一些有价值的成果[1-7]。本文在已有研究成果的基础上，通过对川南都香高速公路金阳至西昌段高烈度深切峡谷的桥梁设计关键技术进行分析总结，研究成果可供同地区高速公路桥梁设计参考。

1 桥梁总体设计原则

针对项目区桥梁抗震设防烈度高、桥位河谷深切狭窄、横坡陡峻、弯道桥梁多、纵坡大等特点，研究提出桥梁的总体设计原则。高烈度地震山区桥梁应特别重视桥位的安全性，“在受条件限制而选取不利桥位时，必须采取防控措施并进行严格论证”。重视桥梁的抗震设计，尤其是抗震措施的合理采用，提高抗灾能力。桥梁孔跨应结合桥位地形、河床断面、泄洪要求、桥梁高度等综合因素确定。当桥梁位于曲线内、互通区时，预制桥跨均采用T形梁，以便于调整桥梁宽度；若地质复杂、地形困难，宜加大跨径。应充分重视桥梁的防撞、防落石(飞石)等构造设计，减轻崩坡积体、危岩、落石、泥石流等不良地质危害，提高桥梁运营安全和耐久性。桥型方案应适应沿线狭窄的施工条件，建议以深沟、长隧为界，根据预制、运输、架设条件归并预制跨径。跨越小型泥石流沟或者冲出物以小粒径物质为主的泥石流沟的桥梁，可在对原沟进行安全处治的情况下，于沟中设置桥墩。陡斜坡上设墩要充分考虑桥墩的安全，采用可靠的桥墩形式与防护形式。桥墩系梁、承台，其标高的确定应考虑尽量减少对山体的开挖，以避免开挖出现高边坡或边坡病害。互通立交区内的桥梁布置应尽可能使桥梁简单化，减少变宽异形桥跨，现浇结构应考虑地形、地物及洪期对施工的影响。东河顺河桥尽量采用较大跨径以减少桥墩个数，减少对边坡扰动，保证结构安全。跨越东河河道和斜坡段桥梁采用跨径40 m的T梁。

2 桥梁抗震设计

查阅相关规范，对于本项目而言，桥梁抗震设防类别为B类。综合汶川地震中桥梁震害特点以及路网综合抗震能力的思考，在结构体系选择和抗震设防对策上遵循“因地制宜、合理选择桥位和桥型，采取综合治理措施，多级设防，分级耗能”的抗震设计理念。

2.1 桥型选择

根据汶川地震震害总结发现，简支桥梁震害以落梁为主，下部结构受损数量不多，其受损程度也较轻，修复较易。基于以上情况，结合本项目地形、地质及路线线位布设等因素综合考虑，提出了桥型选择原则。

全线绝大多数中、小跨径桥梁采用构造简单、刚度和质量均匀、施工方便、造价较省的简支、桥面连续结构，设计上尽可能采用对称、一致的孔跨布设。个别变宽度及小半径采用连续梁结构。斜交桥梁布置：鉴于斜交桥梁在地震中的位移量较大，各种震害与正交桥梁相比要相对严重一些，因此一般在满足行洪能力的前提下采取斜桥正做、错孔布置，尽量避免布设斜交桥梁。对于连续梁结构，上、下部结构之间的构造连接应均匀，相邻跨桥墩或相邻桥墩与支座的串联体系的刚度应相近，以便把地震力均匀分布给各个桥墩，避免某个桥墩出现受力过大而破坏的现象。当连接构造必须采用固定连接时，对下部结构进行特殊处理，如增加纵筋、加密箍筋等措施。对于无法避免的曲线桥、斜交桥、坡桥，尽量使结构的刚度和质量分布均衡；在曲率半径比较小的桥段，加强伸缩缝处的防落梁措施。

2.2 桥梁支座系统设计

支座作为上部结构和下部结构之间的连接构造，属于桥梁结构的抗震薄弱环节，在地震中发生失效的概率大于其主要受力构件，支座失效在震后是较易修复的，上、下部结构通过相对滑移，可消耗掉一定地震能量，起到保护主要受力构件的作用。因此，桥梁支座应设计成“保险丝单元”在破坏地震作用下优先破坏耗散部分能量，保护桥墩及基础(桥墩可出现可修复的塑性铰，但桩基不能损伤)。

设计时充分考虑到橡胶支座的隔震作用以及支座震损后的易更换性，中小跨径桥梁一般情况下采用普通板式橡胶支座，同时在满足支座剪切变形的基础上加大橡胶层厚度。

在桥梁跨度不大，单向(纵向)支座的横向活动量可以满足主梁横向温度变形的要求时，宜在左、右墩柱布置相同的支座形式，即均设置固定支座或单向活动支座。对于跨越沟谷的简支梁桥，同一联内各桥墩的高度应尽可能相近，对于因相邻桥墩高度不同而导致刚度相差较大造成各墩刚度不均的情况，水平地震力在各墩间的分配不均衡，刚度大的桥墩将承受较大的水平地震力，往往易成为结构抗震的薄弱环节，从而影响结构的整体抗震性能。桥梁下部结构桥墩高度有时相差悬殊，很难满足刚度和质量均衡的要求，通过调整支座的参数来改善桥墩和支座的串联体系的组合刚度，从而改善结构的整体抗震性能。

Ⅸ度区少量墩高大于40 m，桥梁联数大于等于3联的V型河谷，在分联处选择一孔梁体设置V-型抗震抗倾覆连接支撑，支撑构造如图1所示。当梁体支座使用“V-型抗震抗倾覆连接支撑”时，在地震荷载作用下摩擦垫片可以让连接的盖梁和梁体暂时分离，以便将系统受到损害最小化，与此同时梁体和盖梁即使出现内部隔震所需的短暂水平分离，但是在稳定销作用下也总保持所连接构件仍为一整体结构体系。地震结束后完成“保险丝”功能的“V-型抗震抗倾覆连接支撑”又能够恢复原始状态。在Ⅸ度区墩高大于40 m，桥梁联数大于等于3联的桥梁上使用该种新型支座可以有效提高高墩桥梁的顺桥向刚度(图1)，减小在地震荷载作用下由于桥墩顺桥向变位过大导致的落梁风险。Ⅸ度区部分墩高小于等于40 m且大于30 m的高墩，采用拉索减震支座。

图1 V-型抗震抗倾覆连接支撑构造

2.3 防落梁措施

为了保证整体桥梁的抗震性能，防止发生落梁震害，针对梁体位移采用了以下措施进行限位：对于梁搁置长度采用增加盖梁顶面纵、横向有效宽度，达到增加主梁搁置长度的效果；对设置伸缩缝的桥墩，适当加宽盖梁宽度；简支T梁桥在伸缩缝桥墩处两侧梁体设置防落链；现浇连续箱梁与桥墩之间宜设限位移构造，如连续梁的双柱式桥墩通过在墩顶设置系梁，并在系梁上设置防震挡块进行限位。

2.4 桥墩设计

桥梁结构上刚下柔，地震时桥墩容易剪断、压溃、开裂。为了加大桥墩的刚度，桥墩尽量采用半幅双柱式桥墩。桥墩、桩基的尺寸适当加强，桥墩系梁不宜采用较大尺寸，以减小在地震力作用下对桥墩墩柱的直接损坏。

2.5 其他抗震措施

所有桥梁均在桥台、桥墩盖梁处采用了纵、横向防震挡块，并设置橡胶垫块作为缓冲装置，所有简支梁的梁端设置缓冲橡胶垫块。在软弱粘性土层、液化土层和不稳定的河岸区域，宜加长桥梁长度，合理布置桥孔，桥台高度可适当降低。桥台采用整体性强的结构形式，桩基础设计时考虑砂土液化折减问题和软土地基负摩阻力的影响。尽可能控制桥台高度，以减小动土压力对桥台的作用，桥台多采用埋置式等整体性强的结构型式。

连续梁在桥梁跨度不大，单向(纵向)支座的横向活动量可以满足主梁横向温度变形的要求时，宜在左右墩柱布置相同的支座形式，即均设置固定支座或单向活动支座。

3 特殊路段桥梁设计

3.1 跨越泥石流沟的桥梁设计

针对沿线桥梁连续多次跨越东河及其支沟，在拟定桥梁布孔方案是主要采取以下措施保障结构安全：桥梁孔跨布设结合东河河道现状综合拟定，对跨越泥石流沟的桥梁跨径宁大勿小，对于跨越泥石流沟的桥梁尽可能采用一孔跨越，保证桥梁桥下净空有一定的安全储备。对存在泥石流风险但冲出物以小粒径物质为主的泥石流沟，在采取必要措施如对泥石流沟进行渠化改造后，可以在沟中设置桥墩，同时桥墩宜适当加大尺寸并对沟中桥墩设置一定的抗冲击措施，如钢护筒等。对高频、活动强度强、活跃度较高的二级支沟，例如火你洛莫沟，在桥梁跨越沟谷上游适当位置设置拦挡坝，减少泥石流对桥梁墩柱的冲击。

3.2 隧道间桥梁设计

隧道之间的桥梁，往往跨越切割较深的冲沟，其施工实施方案的可实施性成为桥型选择首要考虑因素，采用预应力混凝土简支梁桥、钢混叠合梁、现浇连续梁方案论述性比较。

中小跨径预应力混凝土简支梁桥组合方案：桥梁布置采用25 m、30 m、40 m预制T梁组合，比较适应桥位处地形、地质条件，造价最省，但缺点就是河道或者斜坡上设墩。施工时候可通过地方乡道进入施工现场、组织小规模机具施工工程量较小的桥墩、桥台，待隧道洞通后，由集中预制场运输梁体至桥位，逐孔建设，施工工期较短，有利于全线工程进度。40 m钢混叠合梁方案：采用此方案可以有效减小桥梁上部结构质量，降低下部结构在地震荷载作用下的内力相应，但缺点是桥梁施工必须待隧洞贯通后进行，而且现场无拼装安装条件，造价较贵，安装质量要求高。连续刚构方案采用挂篮悬臂浇筑，跨越能力强可以避免河道中设墩，缺点是造价较贵，施工现场需要有良好交通条件以便施工机械进场。

综上所述，从施工可行性、工期控制、工程造价、质量控制以及灾后抢通等方面综合考虑，Ⅷ度区优先推荐预应力混凝土简支梁桥方案；Ⅸ度区优先推荐钢混叠合梁方案；对沟谷中无法设墩的情况，结合桥位现场实际交通条件及地形地貌综合考虑。

3.3 高陡斜坡段桥梁设计

路线沿山坡布设，横向地面线较陡，桥墩高，施工难度较大。若大量开挖可能造成边坡失稳，为减小支护工程和可采用的措施如下：对陡坡路段墩台桩基的纵断面、横断面、桩位高程实施准确测量，绘制准确的纵横断面，为工程设计提供准确的地形地质条件等第一手资料。陡坡桥梁可适当增加桥梁跨径，尽量减少陡坡桥墩数量。减少桩基施工对山体的扰动。对于柱式墩施工，采用高低墩方案，即为了减少开挖，内外侧桩顶标高不一致，桩基系梁采用一端接桩基另一端接墩柱的方案。对于墩高较高，采用独柱空心薄壁墩，即为了减少开挖，减少墩桩施工平台。对于承台桩基础施工，采用高桩承台方案，外侧桩基适当露出地面，以减少对山体的开挖。内侧桩基施工需要开挖，应根据地质和横向坡度情况采用路堑墙支护或者其它临时支护措施，如图2所示。山体自身不稳定或稳定安全系数不能满足要求时，应先对山体采用锚杆等轻型支挡类的结构防护。

图2 高桩承台边坡开挖支护示意

4 桥梁耐久性设计及措施

关于增强预应力混凝土梁式结构耐久性的主要措施为配制耐久性混凝土。选用低水化热、含碱量偏低、品质稳定的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，避免使用早强水泥和高C3A(铝酸三钙)含量的水泥；使用优质粉煤灰、矿渣等矿物掺和料或复合矿物掺和料；选用吸水率低、线胀系数小的骨料，尽量采用碎石；应特别重视混凝土骨料的级配合理、粒形良好，并保持洁净。混凝土的配合比：强化混凝土的配合比设计，提高混凝土密实程度。结构的节点构造：优化结构的节点构造设计，改善节点受力状况，减小混凝土拉应力。保证钢筋有足够的砼保护层厚度。混凝土裂缝宽度：按规范进行结构设计，严格控制并尽量减小混凝土裂缝宽度。

严格按规程施工，确保结构表层混凝土的密实性、均匀性与良好的养护，确保混凝土保护层厚度的准确性，加强混凝土质量控制，日常养护，提高混凝土结构使用寿命。对于本项目的钢结构桥梁，增强耐久性的措施首先要从结构上考虑优化，构造上应尽量避免应力集中和疲劳损伤。其次是施工，钢结构梁段之间的连接质量的好坏直接决定了钢结构桥梁的寿命，现多为焊接，在施工时焊接应严格遵照技术要求及国内有关规程、规范实施。同时由于钢结构焊缝较多，所产生的焊接变形和残余应力较大，制造过程中，在保证焊缝质量的前提下，应尽量采用焊接变形小、焊缝收缩小的工艺，所有焊缝在施焊前均应做焊接工艺评定试验；焊缝在焊接前的预热温度由箱梁制造单位通过焊接性能试验和焊接工艺评定确定。焊缝检验应严格执行TB 10212-2009《铁路钢桥制造规范》。最后，钢结构需要进行防腐涂装，结构表面的涂装，除了提供适当的外观色彩与视觉效果外，更主要的功能是减缓环境对结构的腐蚀，以延长结构使用寿命；防腐涂装之前必须对所有板材进行预处理，洁净度达到Sa2 级，粗糙度达到Rz40～80 μm；板材预处理后喷涂无机硫酸锌车间底漆25 μm后方可进行带底漆下料加工。

5 结束语

川南横断山区地震烈度高、地表起伏大、深切河谷、横坡陡峻、不良地质发育，是该区域高速公路桥梁设计面临的难题。以都匀至香格里拉国家高速公路金阳至西昌段为例，针对项目区桥梁抗震设防烈度高、桥位河谷深切狭窄、横坡陡峻、弯道桥梁多、纵坡大等特点，提出了桥梁的总体设计原则。从桥型选择、桥梁支座系统设计、桥墩设计、防落梁措施等方面，阐述了桥梁抗震设计关键技术。并对跨越泥石流沟、隧道之间桥梁、高陡斜坡等特殊路段桥梁设计，给出了合理的建议。研究成果可供同地区高速公路桥梁设计提供参考。