山区大跨径桥梁的设计探讨与技术应用

市政·交通·水利工程设计Municipal窑Traffic窑WaterResourcesEngineeringDesign山区大跨径桥梁的设计探讨与技术应用DesignResearchandTechnicalApplicationofLong-SpanBridgesinMountainArea陈吉军昆明650206）（中交铁道设计研究总院有限公司昆明分公司，CHENJi-jun(CCCCRailwayConsultantsGroupCo.Ltd.,KunmingBranch,Kunming650206,China)【摘要】对大跨高墩桥梁结构的施工建造工艺、抗震安全问题、使用耐久性等进行了设计探分析了山区桥梁高墩大跨的结构特点，讨与分析，明确了山区高墩大跨桥梁的设计难点与要点。重点归纳总结了山区大跨径桥梁的抗震减震技术和耐久性设计技术，在提高山区桥梁设计质量的同时，提高了其运营安全性和使用寿命。揖Abstract铱Thispaperanalyzesthestructuralcharacteristicsofhigh-pierandlong-spanformountainbridgesindetail,discussesthedesignoflongspanandhighpierbridgestructurefromtheaspectsofconstructiontechnology,seismicsafety,durabilityandsoon,clearsthedesigndifficultiesandkeypointsofhigh-pierlong-spanbridgesinmountainousarea.Finally,papersummarizesthetechnologiesfortheimprovementofseismicsafetyanddurabilityforhigh-pierlong-spanbridgesinmountainousarea,toimprovethedesignqualityofmountainbridgesandextenditsservicelife.【关键词】大跨径；设计探讨；技术应用山区桥梁；揖Keywords铱mountainbridge;long-span;designdiscussion;technicalapplication【中图分类号】U442.5；U442.5+5【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2019.03.032【文献标志码】B【文章编号】1007-9467（2019）03-0107-031引言路网结近20年来，我国交通运输产业得到了快速发展，构体系在不断地建设与完善，这使得需要在各种复杂环境下在我国，东西建设桥梁才能满足人们通行和货物运输的需求。公部经济发展存在明显的差别，为了消除区域发展的不平衡，路运输的发展就非常关键，因此需要在西南山区环境建设公路桥梁结构，以促进东西部经济的协同发展。由于山区环境的存在不良地质灾害的概率大，因此往往需要地形起伏变化大，采用高墩、大跨、连续桥跨结构型式才能更加经济地跨越障碍为了适应山区公路线路的规划，可能物实现通行；另一方面，此外，山需要建设曲线梁桥结构型式来更好地适应路线设计；区环境桥梁的管理和养护成本很高，因此不仅仅要关注桥梁的安全问题例如抗震安全性，还需要对其使用性能和耐久性进行特别关注[1,2]。本文针对山区大跨径桥梁建设的基本特点，总结其设计分析山区大跨径桥梁的结构特性内容及关键技术应用。首先，耐久性寿与设计内容，针对高墩构造、大跨桥施工、抗震安全、命等问题进行详细剖析；其次，分析大跨径桥梁设计的关键技术问题及其解决策略，重点对山区高墩大跨径桥梁的抗震安全性能和桥梁耐久性构造与设计2个问题进行阐述，总结技术应用方法，为山区桥梁的设计与建造提供参考。2山区大跨径桥梁结构特点与设计探讨根据山区的地形与地质特点，山区大跨径桥梁的建设往（2）往具有如下特点[3,4]：（1）采用高墩大跨结构；施工方法以悬（3）（4）浇、顶推或逐跨施工为主；抗震安全问题显著；结构耐久性问题显著。针对上述结构特点，桥梁的设计就需要采用针对性的措施。【作者简介】陈吉军（1984～），男，湖南衡阳人，工程师，从事路桥设计研究。2.1高墩大跨的结构特点山区环境的公路建设最显著的难题是需要设计合理的公107工程建设与设计Construction&DesignForProject路路线，使得道路结构既能够满足行车平稳与安全的需求，又能够充分考虑现有的地形与地势特点，因此往往采用高墩大跨结构型式。高墩结构可能很好地满足地形起伏情况下保证道路纵向坡度和线性的设计合理性，大跨径结构则可以尽可能减少下部结构的施工工作量，甚至可以方便地跨越山谷和江河等障碍物。然而，高墩结构的使用使得桥梁的横向稳定问题非常突出，特别是在采用连续钢构结构型式的情况下。此外，高墩大跨径结构的结构体系柔度大，地震作用下结构的安全性问题比较突出，因此需要关注地震作用在高墩墩柱的侧移变形问题，可能会引起上部结构的落梁和本身的墩柱强度破坏。2.2施工工艺要求高山区环境地形地势复杂，这决定了山区桥梁的建造工艺要求较高。一方面，因为道路通行困难或者建设桥梁区域修建栈道需要花费较大的成本，预制装配式的建造工艺难以适用；另一方面，山区环境的建造材料丰富，例如砂石等，应该尽可能地充分利用当地建造材料，降低原材料的成本。综合来说，山区环境可供选择的建造工艺有悬臂施工、顶推施工和架桥机逐跨施工。1）悬臂施工能够适用于一般的大跨径桥梁结构，通过挂篮等临时结构或者斜拉索使得梁段从支座位置平衡悬臂施工到跨中，最后通过合拢完成结构体系的转换。2）顶推施工则是在首跨桥梁位置施工完成下一梁段的施工，并通过顶推的方法将梁段安装到需要位置从而实现逐跨桥梁的施工。3）架桥机逐跨施工则是通过架桥机直接在空中作业，不用考虑地形状况，在架桥机主体结构中进行梁体施工，实现跨越。2.3抗震安全问题显著桥梁结构的设计应该能够抵御一定等级的地震作用，我国西南和西北山区环境属于地震多发地带，再加上高墩大跨结构一旦出现地震破坏将产生非常严重的影响，因此抗震安全问题需要特别关注。通过以往我国西南区域地震震害的分析，发现桥梁结构的主要地震损害表现为梁体移位及落梁、支座破坏和桥墩破坏。1）梁体移位及落梁。桥跨结构出现地震作用下垮损破坏的案例很少，因为地震能量是从下部通过桥墩和支座传递到上部结构的，因此，上部结构吸收的地震能量相对较小，使得108其出现强度失效的几率较低。桥跨结构的典型震害是梁体碰撞、移位和落梁，如图1所示。梁桥结构在地震作用下往往使得梁体之间出现碰撞破坏，或者梁体与桥台之间发生碰撞，这种碰撞破坏仅仅对端部结构产生一定的损伤，并不对桥跨整体结构产生影响。梁体移位严重的是汶川地震中庙子坪岷江特大桥的落梁事件，大部分梁体移位是部分位移及挡块的破坏，并未引起整体桥梁的跨损。图1地震作用下桥梁落梁事故2）支座震害。支座破坏是地震作用下桥梁结构的最为典型破坏型式，主要表现为支座塑性变形和局部锚固失效，这主要是梁体移位产生很大的集中力，使得支座局部塑性变形导致损伤累积，导致支座失效且锚固构件破坏。3）墩柱损伤破坏。地震作用下墩柱的破坏最为显著，既有弯曲失效问题又有剪切失效：弯曲失效主要表现为地震下的混凝土受拉区开裂和受压区压碎病害，同时存在钢筋屈服问题，如图2所示。剪切失效则主要是受力节点处的破坏、滑移和倾斜等。因此，墩柱的延性设计非常关键，特别是目前预制装配式的墩柱结构。图2地震作用下墩柱的震害图2.4重视结构耐久性山区桥梁结构的管理和维护相对于平原地区更加困难，一旦出现结构病害将需要耗费较大的成本进行维护，因此，提高山区桥梁的结构耐久性非常重要。目前，山区桥梁的建设主要以混凝土结构为主，混凝土桥梁在运营使用过程中出现的典型病害问题如梁体开裂、钢筋锈蚀、结构下挠和混凝土碳化等，很多病害虽然不直接引起桥梁的结构安全问题，但是，会对桥梁的功能和使用寿命产生显著影响，导致运营管养的成本较高。如图3所示，需要对山区大跨径桥梁进行全寿命耐久性设计，延长其使用寿命。图3桥梁全寿命周期分析框架3山区大跨径桥梁关键技术应用根据山区大跨径桥梁的高墩大跨特点，以及其施工工艺、抗震安全和耐久性设计问题的探讨，需要重点解决山区高墩大跨径桥梁的抗震安全性能和桥梁耐久性构造与设计2个关键技术问题。3.1高墩大跨桥梁的抗震减震技术针对高墩大跨桥梁结构的典型震害问题，需要从桥跨结构、支座和墩柱3个方面进行抗震与减震设计[5,6]。1）上部结构的主要问题是主梁碰撞和移位。对于碰撞问题需要一定程度加强桥梁端部的构造设计，利用碰撞作用下的耗能而不产生结构破坏。对于主梁移位中的落梁问题应该设计整体性好的桥梁结构，避免多肋式桥梁或者预制装配式桥梁在连接位置处因为地震作用产生的断开，确保连接的整体性。2）支座是连接上部结构与下部墩柱结构的关键传力和受力构件，地震作用下支座的功能非常关键，而采用隔震支座可以减少能量向上部桥跨结构的传递。对于高墩桥梁的减隔震支座体系设计，首先，根据桥梁重要性及地震设计等级选择适宜的减隔震支座，常用的铅芯支座、橡胶阻尼支座、球形抗震支座等；其次，设置限位耗能装置，通过限位装置限制梁体的过大变形，并将能够传递到临时作用挡块从而减少主体结构的地震响应；最后，设置防落梁装置和构造，避免限位装置不满足耗能情况下梁体发生落梁问题，成为控制桥梁地震损害的最后一道屏障。3）高墩桥梁结构下部墩柱选型对于抗震设计非常关键，特别是桥梁结构中同时采用高墩和矮墩的方式。由于地震作用方向的不确定性，要求桥墩在不同的方向都具有较好的抗弯性能和抗扭性能，因此在墩高60m以下的情况采用T型墩较为合适，60~90m范围内采用门架墩或者空心薄壁墩。此外，桥墩受到的地震响应较大，也需要保证采用延性设计方法，保证设计配筋率和地震延性，并主要通过抗弯性能进行设计保市政·交通·水利工程设计Municipal窑Traffic窑WaterResourcesEngineeringDesign障。采用双墩柱结构的应该在横向设置连接，确保其具有较好的整体性以抵抗地震作用。3.2桥梁结构的耐久性保障技术耐久性设计与传统的基于安全的承载能力设计不同，是从使用寿命的角度进行设计考虑的，因此耐久性设计基本过程如下：1）需要明确桥梁的设计使用寿命，这是作为耐久性设计的基础。使用寿命应该综合考虑桥梁的建设水平、经济、环境等各类因素，且材料、构件、区域等不同，对应的使用寿命也不一样。2）根据耐久性极限状态计算环境效应，耐久性极限状态需要考虑适用、安全、经济等方面因素，特别是应该从全寿命角度进行分析。环境效应则主要是环境作用问题，根据耐久性所建立的极限状态主要考虑温度、湿度、冰冻、氯离子侵蚀、磨损等作用问题。3）进行耐久性计算和设计参数确定，根据耐久性分析模型及数值计算方法，分析全寿命时变过程下环境效应问题，对耐久性寿命进行精细化分析，从而确定对应的设计参数，达到保障使用寿命的目的。4结论山区因为地形地势复杂，大跨高墩桥梁结构的建造需求很大。本文详细归纳了高墩大跨桥梁的结构特点，对高墩大跨结构特点、施工建造工艺、抗震安全性和使用耐久性等设计问题进行了探讨分析，并重点阐述了高墩大跨径桥梁的抗震减震技术和耐久性设计技术，提高了山区大跨径桥梁的设计质量。【参考文献】1】杨钻.山区高速公路桥梁总体设计探讨[J].广东公路交通,2016(3):39-42.2】陈奉民,汪宏,曾辉.山区高速公路桥梁的设计体会[J].公路交通技术,2008(2):55-58.3】李振华.山区大跨径桥梁的设计和施工技术应用[J].交通世界,2017(20):105-106.4】宗周红,夏坚,徐绰然.桥梁高墩抗震研究现状及展望[J].东南大学学报:自然科学版,2013,43(2):445-452.5】王岩.山区高墩桥梁抗震概念设计探讨[J].公路交通科技(应用技术版),2013(11):112.6】徐秀丽,于兰珍,王曙光,等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