青海地区峡谷梁式桥设计要点探析

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　　摘    要：本文以青海大循高速卧龙沟4号峡谷梁式为案例，从温度应力、风荷载、抗震三个方面对薄壁高墩的设计要点进行分析，为青海地区峡谷桥类型设计提供参考方向。
　　关键词： 峡谷梁式桥;卧龙沟4号桥;设计要点
　　1  峡谷桥简介
　　峡谷梁式桥的力学特征跟普通梁式桥一样通过支座将上部结构荷载传递到下部结构。根据梁式桥受力特点，将桥梁布置于峡谷谷岸地质构造良好，无断裂，基岩稳定的地基上，保证桥墩有得足够的刚度。
　　本文选取国道310线大力加山（省界）至循化段公路工程项目（以下简称大循高速）卧龙沟4号桥就属于典型的峡谷梁式桥;卧龙沟4号桥地处青海大力加山垭口东南约6.2km处，接卧龙沟2号隧道终点，为分离式路基，分左右两幅，设计车速80km/h，汽车荷载为公路-I级。桥位区沟谷呈“U”字形，最高墩长104.18m，其余墩高如表1所示。
　　2  卧龙沟4号桥工程概述
　　卧龙沟4号大桥，桥位区地貌单元属山麓斜坡堆积地貌，微地貌为山间凹地，沟谷呈“U”字形，沟底段地势较为平坦，河谷内常年流水，受季节影响雨水多集中夏秋季5～9月，冬季基本无雨，地下水位埋深变化较大，稳定水位为1.12m～11.7m。桥区附近海拔介于2958.0m～3074.0m之间，地形起伏较大，最大桥高104.18m。本桥左幅桥长564m;桥面宽度由12.3m变化至12m。右幅桥长564m，桥面宽度12m。上部结构为（3×40+8×40+3×40）m装配式预应力混凝土T梁，第1、3联采用先简支后连续结构体系，第2联采用先简支后墩梁固结结构体系;下部结构采用一字桥台、桥台采用扩大基础;柱式墩、空心墩、桥墩采用桩基础。
　　桥位区内多南风，大风集中于2、3月，最大风速24m/s，环境类别为II类。
　　桥址区无断层通过，碎石揭示层厚度11.1m～16.1m，下伏地层砂岩及黄岗岩连续、稳定。
　　卧龙沟4号大桥桥梁抗震设防类别为B类，抗震设防措施烈度为8，地震动峰值加速度为0.10g，反应谱特征周期为0.35s。
　　3  关于峡谷梁式桥设计要点探析
　　卧龙沟4号桥的建设条件为高原、高寒（极端温度34.1℃～19.8℃）、高温差（最大温差30℃）、高紫外线、低湿干燥（全年降雨量平均只有264.4mm）;地质条件极好，基岩外露，持力层为中风后花岗岩。在峡谷桥设计过程中需要考虑的因素很多，本次只从以下三点进行浅谈。
　　3.1  薄壁高桥墩日照温度效应明显
　　在不减弱墩截面惯性矩，减小截面中间部分冗余部分，不但可以节省材料，而且降低墩身自重。因而薄壁空心墩在高大桥墩中应用的非常广泛，更重要的是它在比较稳定的基础上较重力式桥墩有更大的柔性能够满足上部结构的位移需要。混凝土的导热系数小，表面因环境温度的变化，内部温度变化缓慢或者基本不变，在混凝土内外表面形成了较大的温度梯度，产生较大的温度应力。在夏天，当云层稀薄，风速较低时，此时太阳辐射很强烈，温度应力更加显著。温度应力导致桥梁产生裂缝并加速其发展，加速桥梁病害的出现，降低了桥梁的使用寿命，重大病害会严重影响到桥梁的服役安全。在青海高海拔地区，昼夜温差大、日照时间长等自然条件使薄壁墩身两侧之间产生温差更为明显，会使整个结构向温度较低的一侧倾斜，墩身轴线位置发生偏移。当温差等引起的局部应力和约束应力时导致桥墩内外壁混凝土表面产生裂缝，并且这种温差应力再自然界中无法避免[3]。
　　其中104.18m高的矩形薄壁空心墩，受到太阳辐射后，沿壁厚方向的温度分布极不均匀，内部混凝土温度上升明显滞后于外表面，外表面温度变化幅度明显大于内表面，距离外表面越远的位置变温幅度越小，从外壁到内壁30cm以外的位置受到日照温度的影响很小，随着太阳辐射角度的改变，桥墩的位移变形总是向背阳面的方向倾斜。因此，温度应力对桥梁服役安全不可轻视，是设计人员在设计过程中重点考虑的因素之一。
　　3.2 动风荷载影响
　　空气流通会在峡谷口处集中且风速会陡然增大，形成大风或飓风。桥梁在风荷载下产生的振动形式一般可分为两种，一种是颤振，另一种是抖振[6]。由于颤振是风荷载致桥梁破坏最重要的原因，颤振在桥梁设计时需着重考虑，当风速过大时会造成桥上车辆发生安全事故甚至给桥梁结构带来损害。
　　卧龙沟4号桥墩高104.18m为典型高桥墩，梁体周围的自然风为近地风，风速较大的的情况多集中在2、3月份，最大风速24m/s，车辆行驶过程中，在风荷载的作用下，车辆随之发生振动;高墩桥梁的行车道标高较高，桥面风速较大;桥梁迎风的截面往往都是非线性截面，使得气流场发生改变，使其动力特性变得更复杂[4]。因此，动风荷载是设计者们在峡谷桥设计当中考虑的另一重要因素，也为桥梁在建设和运营当中提供保障。
　　3.3  高桥墩抗震
　　卧龙沟4号桥采用单肢薄壁桥墩。我国地形地貌多样，尤其在西部高山群岭的桥梁建设中高墩桥梁所占的比例很高。墩高在50m～100m之间。曲线桥梁的几何形状对地震的响应有较大的影响。独墩桥梁由于其独有的优势也会在遇到横向地震时产生强大的轴向力。加之结构的不规则会导致桥梁的受力更加复杂，高墩桥梁也会产生更大影响。桥梁在地震作用下时，矮墩的地震作用很大，很可能造成桥墩提前破坏。但是，当高墩与矮墩设计不合理时，可能会使高大桥墩在地震作用下产生较大的移位。这是引起桥梁的上部结构落梁或者支座脱落主要原因[5]。
　　4  结论
　　青海省地处高海拔地带，地势起伏大，峡谷多，在交通基础设施建设中，为了跨越这些高山深谷必将建设大量的高墩桥梁。如在青海地区已建成的峡谷桥有尕玛羊曲黄河特大桥，主桥最大墩高达111m，主跨5m×120m，为刚构连续箱梁桥，以及唐乃亥黄河特大桥、黑城河特大桥等。青海地区的高寒高海拔、干旱、多风且风力大，特别是青海地区的高原大陆性气候，昼夜温差大、气温低、降雨少而集中、日照长等特点，因此设计中对薄壁高桥墩日照温度效应、动风荷载影响、高桥墩抗震等因素必须进行必要的分析论证，针对不同的气候地形地理环境合理选择设计方案，为青海地区峡谷桥类型设计提供参考方向。
　　参考文献：
　　[1] 薛志文.“峡谷桥”术语定义实证研究[J].市政技术，2017.
　　[2] 刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京：人民交通出版社，1991.
　　[3] 谢新.高海拔峡谷地带薄壁空心高墩日照温度效应研究[J].2017.
　　[4] 同济大学桥梁工程系.公路与轨道交通合建桥梁行车安全性与舒适性研究报告[R].2009.
　　[5] 许庆鹏.浅谈高墩桥梁抗震设计[J].科技创新导报，2012.
　　[6] 趙永权.高海拔峡谷地带高墩桥梁风车桥耦合振动的研究[D].重庆交通大学，2017.
　　[7] 张伟.高海拔峡谷地带高墩桥梁选型研究[D].重庆交通大学，2017.
　　[8] 霍新，陈双全，刘旭.卧龙沟4号桥大桥方案设计及结构体系比选[J].公路，2015.
　　[9] 吕文江，李永利，解瑞松等.超高薄壁空心高墩的温度效应研究[J].公路交通科技，2014.
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