高原山区公路桥梁桥型方案设计探讨

陶小兰

(招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

随着我国交通强国战略的实施，公路、铁路建设迅猛发展，公路修建规模不断攀升，并不断向山区延伸，常常出现桥隧相接、斜弯坡桥、高墩大跨等复杂结构[1]。高原山区地形地貌因地质和气候环境错综复杂，海拔相差悬殊，特殊的地理与地质条件使得高原山区公路桥梁施工具有技术复杂、施工难度大、材料设备运输困难、施工周期长等特点，相较平原及低山丘陵地区桥梁施工具有更多的安全风险。桥梁的设计与施工息息相关，桥梁设计方案，尤其是大型桥梁方案设计如果出现失误，将会带来巨大的经济损失，这种损失是后续详细设计、施工和运营阶段无法弥补的。因此，高原山区公路桥型方案设计比选具有重要意义[2-3]。基于此，本文通过地处高原山区的桥梁比选实例来分析影响桥梁方案设计的多种因素，探讨高原山区桥梁的设计方案及比选。

1 工程概况

大桥位于青海东部青藏高原与黄土高原的过渡地带，地处祁连山支脉拉脊山，为构造侵蚀低中山区地貌，上覆第四系全新统崩坡积碎石土、卵石土层，局部夹角砾，下伏白垩系下统河口群砂砾岩。大桥位于国家级自然保护区内，根据环评要求，路线只能从保护区试验区穿越，桥梁两侧均与隧道相连，路线与河段只能采取斜交方式，斜交角度较大，桥梁轴线与洪水流向夹角约为47°。桥位区黄河河岸中低山河谷斜坡地段，地形纵向起伏大，局部呈陡坎状、台阶状，属构造剥蚀、冲刷堆积地貌区，附近地面相对高差大于330 m。桥位区位于水电站水库区，正常蓄水期河床中心处水深最深处达64 m，桥位处横、纵向水下地形呈“鸡爪”型，且起伏较大，单幅桥横向地面线高差达37 m。桥位处地形地貌及地质情况如图1所示。

单位：m

2 桥型选择的原则与方法

桥型的选择应考虑影响桥型的各种因素，并根据桥位的地质、地形、水文、通航要求以及桥梁性能要求进行综合分析比较确定[4]。根据高原山区桥梁技术难题多、工程造价高和施工难等特点[5]，在桥梁设计选型中主要遵循以下原则：

1) 根据高原山区的地理环境情况，结合山区地形起伏大，地质情况复杂的特点，选择合适的桥位和桥型，尽量少破坏生态环境。

2) 高原山区公路桥梁的选型要充分考虑到周围的自然环境条件，做到桥梁贴近自然，与环境协调，与山川、沟谷、河流等自然景观和谐共处，但也要充分考虑风力、水力等可能对桥梁造成不利影响的因素。

3) 高原山区一般施工场地狭小，运输条件困难，桥型选择时要充分考虑施工的安全性、便利性，便于简单操作的施工往往对确保施工质量有重要影响[6]。

遵从以上原则，从地形地质、施工工期、施工与养护难易度、工程造价等多方面综合比选，确定最佳方案。

3 桥型方案

高原山区公路受山区经济、运输条件、工期等因素制约，桥型方案及跨径的选取应考虑施工安全、方便，在满足桥梁使用功能的基础上，尽可能使用成熟可靠的桥型结构并兼顾新技术、新工艺和新材料，以降低工程造价，加快施工速度，减少施工风险。

3.1 连续刚构

连续梁桥结构刚度大、造型简洁、施工技术成熟与地形适应性强，容易满足桥梁曲线和坡度要求，因此被广泛采用。连续刚构除具有连续梁的特点之外，与同等跨径连续梁相比，无需大型支座且横向抗扭刚度大，特别适合于跨越深水、深谷、急流的桥位[7]。因此，在地形、地质条件相对较好，跨径相对不大的情况下，连续刚构梁桥方案往往具备较强的竞争力[8]。

根据现场实际情况，连续刚构桥梁跨径布置主要受右幅控制，右幅大河家侧水下地面起伏，高差达37 m，考虑结构受力及施工因素，在该谷地范围内不宜设置主墩，将主墩布置在河床相对较平坦的地带，桥型布置如图2所示。主桥采用(110+200+110) m混凝土连续刚构桥，边中跨比为0.55，单幅桥面宽度为12.75 m，主梁采用单箱单室变截面混凝土箱形截面，支点梁高14 m，跨中梁高4.5 m，箱梁高度按照抛物线方式变化。主墩采用双肢薄壁墩，高桩承台，深水区墩高27.5 m，桩长100 m，其中水中桩基达60多 m，浅水区墩高27.5 m，桩长80 m。

(a) 立面

(b) 平面

按照主跨200 m连续刚构方案，单幅桥水中基础4 个，主墩最大水深64 m，60 m 以上水深基础2 个。即使按目前国内最大跨径连续刚构进行布跨，因受谷地范围影响，主墩最大水深也接近60 m，深水施工风险基本相当。虽然连续刚构桥上部结构施工工艺成熟，后期养护费用较低，但本项目若采用连续刚构桥主要存在以下问题：

1) 桥墩水深64 m，基础施工属于罕见的超深水基础施工，据了解，在高海拔地区暂无40 m 以上的钻孔灌注桩深水基础，国内其他区域类似工程案例也较少，目前已建工程中水深较大的桥梁有位于长江下游的苏通大桥和铜陵长江大桥，其最大水深约为50 m。

2) 本项目桥梁施工大型设备选择有限，由于地形条件限制，大型设备无法直接从水路运达，两岸山坡陡峭，陆地运输又受限，超深水施工困难。国内已完成的超深水基础施工均位于长江、黄河中下游等地区，水运便利。

3) 施工条件恶劣，桥位区大桥主墩位置地层岩性以片岩、卵石为主，且水下地形起伏大，钢管桩或钢护筒底部着床有困难时需潜水员修正或处理，但潜水员因高原反应及黄河水质浑浊等原因，只能潜至水下30 m～40 m 深处。

4) 超长桩基浇筑风险大，主墩超深水中桩基础超过100 m，地形条件复杂，混凝土陆上长距离运输的不确定性与水上运输的难度和时间不可控性，混凝土连续浇筑难以保证。

3.2 拱桥

拱桥根据其受力形式一般分为有推力拱桥和系杆拱桥，其中系杆拱桥常见的有飞燕式系杆拱桥和单跨系杆拱桥。桥位大桩号侧覆盖层主要以卵石为主，覆盖层厚达50 m，有推力拱桥需设置大量的倾斜群桩基础，施工难度很大，造价高，不适宜本桥位。起点侧水下谷地紧邻河床最低点，不利于布置墩位，起点侧主墩位置受限，采用飞燕式系杆拱桥，边、中跨比过小，左岸主墩位于谷地边缘，主墩尺寸大，受地形影响施工困难，桩基与陡坡距离近，结构受冲刷影响大，不适宜本桥位。单跨系杆拱桥采用水平系杆平衡主拱推力，受桥位地质影响较小，可结合地形合理布跨，技术上为一种可行的桥型方案。

从建筑材料方面来说，常见的拱桥方案有劲性骨架钢筋混凝土拱、钢管混凝土拱、钢箱拱以及钢桁架拱[9]。钢筋混凝土拱存在工序复杂，钢箱拱存在运输及吊装困难，钢桁架拱造价高等缺点，相比之下，钢管混凝土拱桥由于其可采用“化整为零”的施工方法，兼具钢拱圈为混凝土模板、施工周期短、工程造价低、造型美观、承载能力高等优点[10]，是适合本桥桥位的拱桥方案。

主桥为260 m下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥，分幅设计，考虑吊杆区后单幅主桥桥面全宽18.75 m，桥型布置如图3所示。主桥采用悬链线无铰拱，拱轴系数m=1.50，矢跨比1/5，拱肋为钢管混凝土桁式结构[11-12]，截面全宽2.4 m，高5.5 m，每片拱肋由4 根直径1.0 m的钢管组成，拱肋横向中心距为15.75 m，设置一字型横撑和K 型横撑横向联结，横撑平均间距为24 m。主桥采用柔性系杆平衡拱脚恒载下的水平推力，每片拱肋设12 束可更换式Φ15.2-27 环氧树脂涂层预应力钢绞线，锚固于两侧过渡墩拱座的背侧。施工主要采用缆索吊装方案，杆件采用散拼运输，在桥位附近组拼。

(a) 立面

(b) 平面

按照260 m钢管混凝土系杆拱桥方案，单幅桥水中基础6 个，主墩最大水深37 m，风险可控，上部结构施工需要地锚、搭设扣塔和缆索系统等大量临时设施，施工费用较高，工期较长，安全风险较大。根据系杆拱桥的特点，桥梁结构设计基准期内，除施工风险外，运营阶段的安全风险也是一个重要的影响因素。结合既有已建桥梁养护管理经验，下承式钢管混凝土系杆拱桥易存在如下病害。

1) 吊杆防腐能力不足，需定期更换。因受施工条件制约、日常养护不足等因素影响，吊杆普遍存在防护套管开裂，钢丝锈蚀、锚头锈蚀等病害，桥梁吊杆在桥梁服役期内因锈蚀而将多次拆换，正常拆换的费用为建桥当年吊杆造价的6～10倍，甚至更高；而吊杆破坏毁桥的修复费用，达到建桥当年全桥总价的2～4倍。

2) 桥面系刚度小，可靠度低。大跨度系杆拱桥多采用以横梁受力为主的桥面系，系杆拱桥的纵、横向刚度较弱，桥面系的整体性较差，许多桥的纵横向振动十分明显，特别是横向的振动频率和振幅较大，导致桥面系和吊杆连接部出现横向疲劳问题，甚至出现吊杆断裂或连接松脱。

3) 系杆受力复杂，使用寿命远低于设计使用年限。由于系杆自身特点，加之外荷载和外部腐蚀介质的作用，绝大部分索体存在着不同程度的病害并且日益严重，许多桥梁运营未满10年便因系杆病害而更换系杆。

3.3 斜拉桥

斜拉桥可分为独塔斜拉桥和多塔斜拉桥，受河床谷地区和边中跨比例限制，索塔不能布置在小桩号侧，双塔斜拉桥不适合本桥位。将独塔斜拉桥主墩布置于大桩号侧台阶上，基础水深大大减小。 从主梁形式来分，常见的斜拉桥方案有混凝土斜拉桥、钢斜拉桥和叠合梁斜拉桥；从技术和经济上来分，跨径大于500 m的斜拉桥宜采用钢主梁形式，但基于运输条件，跨径布置等原因，只能采用化整为零的施工方案，故本桥位处采用混合式叠合梁斜拉桥方案更适宜。

混合体系斜拉桥主跨采用钢梁、叠合梁，自重轻，跨越能力大，边跨采用混凝土梁，对中跨具有良好的锚固作用，同时减小活载应力幅，避免边跨产生负反力，解决了主边跨跨径不协调的问题，同时，主塔和边跨混凝土还可同时施工，有利缩短工期[13]。

主桥为主跨260 m单塔双索面混合式叠合梁斜拉桥，分幅设计。考虑拉索区后，单幅主桥桥面全宽16.35 m，桥型布置如图4所示。斜拉索扇型布置，叠合梁上标准索距12.0 m，混凝土梁上标准索距6.0 m，塔上索距2.05 m～4.65 m。叠合梁主梁采用高为2.6 m 的工字型钢主梁和0.28 m厚桥面板的组合形式，混凝土梁采用与叠合梁相匹配的π 型断面，梁肋宽度2.4 m～3.0 m。钢混结合段设置在距离主塔中心5.0 m 处，采用钢主梁埋入混凝土梁内部3.0 m的方式，钢板上焊接剪力钉增加钢与混凝土的整体性[14-15]。索塔采用钻石型索塔，群桩基础，索塔总高167 m，空心箱型断面。

(a) 立面

(b) 平面

按照主跨260 m单塔双索面混合式叠合梁斜拉桥方案，单幅桥水中基础5 个，主墩最大水深36 m，风险可控，上部结构除边跨混凝土梁搭设支架需要较多临时设施外，其余均采用常规方法逐段悬臂施工，无需大型临时设施，施工工期、施工风险均较小。结合既有已建桥梁养护管理经验，斜拉桥主要病害为斜拉系统的病害，包括拉索本身病害，拉索防护体系病害(缠色涂层病害、PE管内压注水，锚固区病害。统计表明，早期建设的斜拉桥经过多年服役后，斜拉索平均寿命约15年。随着材料、设计方法、施工工艺的改进，近年来设计的桥梁斜拉索设计寿命将进一步增加。

4 桥型方案比选

根据以上桥型方案介绍可知，虽然连续刚构桥上部结构施工工艺成熟，后期养护费用较低，鉴于桥位区深水基础的特殊性，方案施工风险太大，拱桥方案和斜拉桥方案的综合比选结果见表1。

表1 方案综合比选

从表1可知，独塔斜拉桥方案较单跨系杆拱桥方案建安费略高，但考虑养护费用后,设计基准期内总成本相对较低，且施工周期较短，安全风险相对较小，施工质量较易控制，经综合比选，确实独塔斜拉桥方案为推荐方案。

5 结束语

高原山区公路地形条件复杂，对桥梁选型要求较高，以“安全可靠、经济合理、耐久适用、技术先进、美观环保”为目标，在设计中以全寿命周期成本的理念考虑大桥的建设、投资，按照以人为本的设计理念进行桥梁方案设计。 本文通过具体实例，对几种桥型方案进行了分析研究，得出以下结论：

1) 桥型方案比选应采取定性分析和定量分析相结合的方式，且尽量采用定量分析，以使分析结果更准确、客观。

2) 高原山区公路因场地条件，运输条件的影响，一般情况下，大跨度桥梁主梁更适宜采用叠合梁或钢桁梁方案。

3) 高原山区公路地形、地质条件复杂，建设施工及养护难易程度是决定方案选择的重要性因素，必须充分结合场区环境条件选取适宜的施工方法。

4) 结合全寿命周期成本的理念，方案设计要充分考虑高原山区公路桥梁养护、维修难度大，成本高的特点。