高海拔地区复杂地质条件下的桥梁结构选型与设计方案探讨

邹茗地

(1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041；2.四川省公路院工程监理有限公司，四川成都 610041)

随着国家的发展，西部高海拔地区发展加快。该区域具有地质条件复杂、昼夜温差大、年降雨量少、缺氧、多风的特点，对桥梁的设计与建造具有前所未知的困难。前期相关研究中得出了一定的研究成果，如应采取定量与定性的分析结合[1]；需要与周边环境相协调[2]；结合相应的施工地质、地形、地貌等条件[3-4, 6]；结合现场施工环境温度与荷载的耦合[5]等研究。本文依托位于青海省与四川省交界的金沙江桥梁项目，提出3种桥型方案，分析各方案的优缺点，对桥梁进行选型与分析,为同类桥梁项目建设提供参考。

1 地质条件

1.1 地形地貌

项目区属青藏高原东部边缘地带构造剥蚀侵蚀高山峡谷地貌，地形切割剧烈，山高谷深。拟建桥梁垂直横跨金沙江，该段金沙江从北西向南东径流，该段河床宽40～50 m，区内相对高点为北东侧山梁，海拔约4 500 m，相对低点为金沙江河床，海拔约3 420 m，相对高差约1 000 m(图1)。

图1 项目区地形地貌

1.2 复杂不良地质

桥址区内存在不良地质为危岩带，该危岩带坡度约70°～80°，危岩带长约70 m，高20～40 m，坡面岩性为板岩、变质砂岩等。为逆向坡，斜坡整体稳定，受一组外倾节理(76°∠61°)及卸荷裂隙发育的控制，偶有小规模倾倒式、错断式崩塌发生，一般崩落粒径0.1～0.5 m，个别达1.5 m。

覆盖层由上更新统冲洪积层组成，为河流相冲积层，主要以砂卵石为主，覆盖层厚度20～30 m，受地震及强降雨作用的影响，边坡存在失稳滑移的风险，对桥台的稳定性造成严重威胁。

1.3 地域特征

项目区域海拔在3 500 m以上，属于高寒性气侯，且昼夜温差在25 ℃以上。

桥址区为峡谷地貌，风力普遍达到8级以上。

场地属青藏高原强烈隆起区东南部，新构造运动十分明显，桥址距南西侧的甘孜-玉树活动断裂约500 m，场地地震基本烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度为0.15g，场地稳定性较差，存在发生崩塌、滑坡的危险性。

2 桥梁结构选型对比

根据金沙江大桥的地形、地质等特点，结合高海拔地区气候与施工的特点提出3种方案进行论证，即连续刚构方案、上承式钢筋混凝土箱拱方案和钢-混组合简支梁方案。

2.1 各桥型方案

2.1.1 连续刚构方案

主桥孔跨布置为(47+85+47) m的连续刚构桥，单箱单室箱型截面，三向预应力结构。主墩采用双肢薄壁墩。最大墩高42.9 m(图2、图3)。

图2 连续刚构方案立面(单位:cm)

图3 连续刚构标准断面(单位:cm)

2.1.2 上承式钢筋混凝土箱拱方案

主桥孔跨布置为120 m的上承式钢筋混凝土箱拱，主拱圈为等截面悬链线无铰拱，净跨120 m，矢跨比1/4.5，拱轴系数m=2。拱座为钢筋混凝土结构，嵌入除去中风化破碎层后的新鲜完整基岩内(图4)。

图4 上承式箱拱方案立面(单位:cm)

2.1.3 钢混组合梁方案

主桥孔跨布置为4×50 m，结构形式为钢-混组合简支箱梁。最大墩高为最高67 m，高墩墩身采用矩形钢筋混凝土空心墩结构(图5)。

图5 钢混组合梁方案立面(单位:cm)

2.2 桥型方案对比

桥型方案对比见表1。

通过对以上3种桥型的对比，桥梁选型应综合考虑桥址区的各种客观因素，如地形地貌、不良地质、环境及生态保护等因素,同时要做到施工方便、技术可靠。

拱桥的施工较为复杂，且处在欠稳定边坡处，开挖量较大，易发生边坡崩塌，对环境破坏严重，不推荐采用。

钢-混组合简支梁桥由于工厂制作，山区道路运输不便，后期养护成本高，且需要在河道中设置桥墩，不利于金沙江的生态保护，不推荐采用。

连续刚构桥具有整体性好、结构刚度大、稳定性强、造型优美、环境协调、开挖量较小、施工技术成熟、后期养护费用低等特点，故推荐采用。

2.3 桥型优化

由于桥位处于高海拔及地质情况较为复杂的区域，根据地勘成果，小里程有危石，为防止掉落，采取被动防护措施保护主墩。提升2号桥墩承台标高，减少边坡开挖。

3 桥型设计与计算分析

3.1 上部设计

箱梁顶板宽9 m，底板宽5.5 m，箱梁顶板设置成2%双向横坡。箱梁跨中及边跨现浇段梁高2.5 m，箱梁根部断面和墩顶0号梁段高为5.5 m。

主桥腹板束、顶板束、底板束采用19φs15.2 mm高强低松弛钢绞线。

3.2 下部设计

主墩采用双肢薄壁墩。最大墩高42.9 m，平面尺寸为150 cm(纵向)×550 cm(横向)，壁厚1.5 m；主墩承台厚度为3.5 m，平面尺寸为780 cm(纵向)×780 cm(横向)；主墩桩基为4根φ180 cm的钻孔灌注桩，通过承台与主墩相连。

3.3 全桥模型模拟计算

运用大型有限元软件MIDAS Civil 2021对全桥进行建模分析，考虑高海拔地区的温差及风力等荷载影响，模拟施工阶段与运营阶段的稳定性分析，获得桥梁完整施工阶段的各单元荷载与稳定性系数、主桥挠度、安全系数，以此指导桥梁的施工(图6、表2)。

图6 结构单元离散模型

表2 结构计算内力

预应力混凝土梁受弯构件抗弯承载力验算按照JTG3362-2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(以下简称为“公路混规”)计算。在承载能力极限状态下，纵梁抗弯承载力满足要求，并有一定安全富余(图7)。

图7 结构计算抗弯承载力验算包络图

使用阶段斜截面抗裂验算按照《公路混规》规定计算。表3-8所示为验算结果，大桥斜截面最小主拉应力为-0.876 MPa(拉)，大于《公路混规》规定的应力限值0.4ftk=0.4×2.85=1.14 MPa，满足规范要求。

成桥阶段正截面最大压应力为16.5 MPa，小于《公路混规》规定的应力限值0.5fck=0.5×38.5=19.25 MPa，满足规范要求。

成桥阶段斜截面最大主压应力为16.5 MPa，小于《公路混规》规定的应力限值0.6fck=0.6×38.5=23.1 MPa，满足规范要求。

对矩形截面钢筋混凝土偏心受压构件进行裂缝宽度验算，在作用频遇组合作用下计算得各墩柱最大裂缝宽度为0<0.2 mm，满足规范要求。

4 结束语

对于高海拔山区桥梁的建设往往受制于地形、地貌、地质等自然条件，同时还需要结合现场实际施工条件、运输条件。通过以上方案对比及分析，得到一些主要建议。

(1)对于高海拔复杂地质条件下的桥梁选型，应充分考虑不良地质情况，结合高海拔气候、温度、温差等因素，综合考虑得到技术可行、经济合理的各种桥型方案。

(2)桥梁横跨金沙江，应采用大跨径，避免在河道中设置桥墩，对连续刚构桥、拱桥及钢-混组合梁桥进行合理对比，考虑到山区的全寿命周期的管理与维护的影响，推荐最终的连续刚构桥方案。

(3)通过整体计算分析得出，连续刚构桥能够为适应高海拔地区的高寒、温差大、风荷载较大的特点，结构达到全预应力状态，防止由温差过大引起的施工开裂。