结合项目现场的建设条件，综合考虑技术、造价、工期、美观、施工难易程度等影响，阐述了桥梁的布跨原则和结构方案综合比选，并建立有限元模型，对静力、动力进行计算，为高墩大跨度桥梁设计提供参考。
1 工程概况
本桥梁位于淇河乡村旅游度假区桑园小镇西侧，盘石头水库下游约 5 km 处，桥位区属侵蚀剥蚀低山丘陵地貌，地形起伏较大，桥位区地面标高约 158.10~256.4 m。根据对桥位地形、地貌、水文、地质等方面建设条件的分析，初步确定的桥位及主跨跨径，并综合考虑技术、造价、工期、美观、施工难易程度等影响。
2 桥位分析
从拟建桥位分析图(见图 1)来看，区域 A、B 均为较为陡峭的山体，后期墩台施工难度极大。因此，这 2 个区域不推荐布置墩台。另外，区域 C 为旅游步道和淇河河岸交接位置，本项目推荐线路在此处具备景观道改道的空间，C 区域具备布置桥墩的条件。图 D 区域地势较为平坦且不在淇河河道的影响范围，该区域也具备布置桥墩的条件。
3 方案比选
主要桥型方案比选如下： 1)连续刚构：预应力混凝土连续刚构桥在 120~250 m 跨径范围内是一种经济合理的桥型，更适合于跨越深谷和江河。其设计理论明确，施工工艺成熟、安全，施工场地占用不大，运营期行车舒适、养护费用少[1]。但连续刚构桥对墩高有一定要求，利用桥墩的柔性以适应结构在建成后的各种变形产生的内力。本桥梁处于高烈度区且桥墩较高，桥墩具有较大的抗弯、抗扭能力更有利于抗震的设计。连续刚构桥为本桥桥型之一。 2)独塔斜拉：斜拉桥索塔布置灵活，大跨度桥梁的立面布置通常按照河道或者深谷中心线确定主孔跨度和位置。深槽区及河道偏向北岸，在满足防洪要求的同时，左半跨跨越淇河河道及北侧山体，右半跨跨越河滩及南侧山体，对称的桥跨布置形式与桥位周边比较协调。但造价高，因此，本项目不推荐。 3)拱桥方案：可考虑设置单跨上承式拱桥，本桥平面位于曲线范围内，对于上承式拱桥方案，主拱受力不利;其次，桥台位置处于灰岩发育区，上承式钢筋混凝土拱桥方案基础存在一定安全隐患，且位于陡坡施工不便。因此，本项目不推荐。综合分析，连续刚构工程造价低，工期短，运营期维养简单，因此，拟建桥位可考虑在 C、D 区域布置主墩的连续刚构方案，通过主跨的调整确保边跨跨越山体陡峭的 A、B 区域后落桥台。具体设计如下。 1)桥跨布置及结构体系在淇河河道北侧景观道和河岸交接位置及淇河南岸的河滩区域布置主墩，另外考虑边跨一次跨越两侧的陡峭山体。主跨 142 m 的情况下，两侧边跨采用 0.6 的边中跨比可以一跨在挖方段落台。本方案采用预应力混凝土连续刚构，桥跨布置为 85 m+ 142 m+85 m，边中跨之比为 0.6∶1，桥台设竖向支承。主梁分幅设计，采用大挑臂翼缘板的单箱单室混凝土变截面箱梁。每幅箱梁顶板宽 12.56 m，主墩采用单肢空心墩。基础为桩基础。桥型布置和断面如图 2 和图 3 所示。 2)主梁方案：推荐采用施工较为便捷、成熟的预应力混凝土箱梁。 3)主墩方案：连续刚构常用墩形有单肢薄壁墩、空心薄壁墩、双肢薄壁墩等。鉴于本项目墩高较高(①号墩 66.7 m，②号墩 59.9 m)，主墩抗震能力满足要求的前提下，推荐采用矩形薄壁空心墩。 4)连续刚构设计方案综述：本桥平面分别位于圆曲线 (半径：1 100 m，左偏)，缓和曲线(参数 A：432.435，左偏)，缓和曲线(参数 A：479.062，右偏)上，纵断面纵坡 2.4%;墩台径向布置。本桥采用预应力混凝土变截面连续刚构，分幅式布置。2幅桥面标准宽度为 25.56 m。桥面横坡服从道路总体设置。本桥桥跨布置为 85 m+ 142 m+85 m，桥梁总长 320 m。单幅箱梁尺寸：顶板宽 12.56 m，底板宽 6.5 m，主梁悬臂长度为 3.03 m;梁高：根部 8.8 m，高跨比为 1∶16.1;跨中 4.0 m，高跨比为 1∶35.5;梁底变化曲线：2 次抛物线;顶板厚度：0.3 m;腹板厚度：0.50 m—0.65 m—0.8 m;底板厚度：根部 0.9 m，跨中 0.32 m，变化规律同梁底。主梁采用 C55 混凝土。纵向预应力：顶板束采用采用 21 根直径为 15 mm 钢绞线，腹板束采用采用 19 根直径为 15 mm 钢绞线;采用顶板束直接锚固和腹板束下弯相结合的方式克服主拉应力;边跨与中跨的底板合龙束采用 15 根直径为 15 mm 钢绞线和 19 根直径为 15 mm 钢绞线。横向预应力束：采用 3 根直径为 15 mm 钢绞线，单端交错张拉。竖向预应力束：采用 3 根直径为 15 mm 钢绞线，钢束张拉采用低回缩二次张拉预应力锚固系统。
4 主要计算结论
4.1 主梁静力计算主梁静力计算结果：依据空间梁格-杆系理论，采用 Midas Civil 2020 软件进行计算分析，均满足规范要求。持久状况正截面抗弯验算包络图如图 4 所示。
4.2 稳定性计算 1)施工最大悬臂状态稳定性验算[2] 施工最大悬臂状态时按照以下工况验算其稳定性。工况 1：自重——稳定特征值为 16.59;工况 2：自重 + 横桥向风力——稳定特征值为 16.59;工况 3：自重 + 纵桥向风力——稳定特征值为 16.59;工况 4：自重 + 梁段自重差 + 施工不平衡荷载 + 挂篮(正常)——稳定特征值为 16.01;工况 5：自重 + 梁段自重差 + 施工不平衡荷载 + 挂篮跌落(冲击系数取 2.0)——稳定特征值为 16.46。 2)成桥稳定性分析成桥状态按照以下几种工况进行稳定性验算。工况 1：自重 + 二期荷载——稳定特征值为 20.84;工况 2：自重 + 二期荷载 + 使高墩顶产生最不利轴力的车辆荷载——稳定特征值为 20.14;工况 3：自重 + 二期荷载 + 使高墩顶产生最不利弯矩的车辆荷载——稳定特征值为 19.91由以上结果可知：各工况下的稳定性均满足规范要求
4.3 抗震计算 1)抗震设防性能目标根据淇河大桥主桥结构的重要性，以及震后对桥梁结构的性能要求、修复(抢修)的难易程度，相应于 E1 和 E2 地震作用，主桥的性能目标如下所示： E1 地震：结构各构件不受损坏或不经修复可继续使用。 E2 地震：上部结构和塔身、墩身、基础等关键构件允许发生轻微损伤;支座允许出现剪切失效和移位失效，但保证不落梁;允许发生不影响桥梁正常通行的残余位移。 2)地震动参数及地震输入地震峰值加速度为 0.20g，抗震设防烈度为Ⅷ度。根据 JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》的 5.2.4 条规定，阻尼比取值为 0.05。本项目桥梁属于非规则桥梁，抗震分析采用非线性时程计算方法。依据空间梁格 - 杆系理论，采用 Midas Civil 2020 软件进行计算分析，对结构模型进行反应谱分析计算，分析中采用前 100 阶反应进行组合，模态组合采用多重 Ritz 向量法，边界条件及荷载组合如下：全桥考虑土 + 下部结构 + 上部结构的共同协同工作抵抗纵、横桥向地震作用。通过土弹簧模拟桩-土相互作用，取动力作用下地基坑力系数 m 动等于 2.5 倍静力作用下地基抗力系数 m 静，真实模拟桩基础。基础考虑冲刷后，并考虑砂土液化的影响。荷载组合Ⅰ(顺桥向 + 竖向)：永久作用 + Ex 2 +Ez 2 ■ 地震作用。荷载组合Ⅱ(横桥向 + 竖向)：永久作用 + Ey 2 +Ez 2 ■ 地震作用。其中，Ex、Ey、Ez 分别为顺桥向、横桥向、竖向地震作用的最大效应[3]。 3)地震作用结构强度验算本项目桥梁结构验算按照 E2 地震控制设计，最不利位置为②号墩底顺桥向，安全系数为 1.35。
5 结语
山区桥梁在设计过程中，应考虑桥位地形、地貌、水文、地质等方面建设条件，初步确定的桥位及主跨跨径，需综合考虑技术、造价、工期、美观、施工难易程度等影响。确定桥型方案后，根据结构特点，考虑静力验算，稳定性验算，且本项目处于高烈度区，应按照规范进行相应的抗震验算。依据空间梁格-杆系理论建模所得结果，为桥梁方案的确定提供了重要依据。
【参考文献】
[1]邵旭东，程翔云，李立峰.桥梁设计与计算[M].北京:人民交通出版社, 2007.
[2] 刘效尧.徐岳. 梁桥[M].北京:人民交通出版社,2012.
[3] 中华人民共和国交通运输部. 公路桥梁抗震设计规范:JTG/T 2231- 01—2020[S].北京:人民交通出版社,2020.
《某山区高墩大跨桥梁设计与探讨》来源：《工程建设与设计》，作者：吴红莉
