险境之中见智慧——由雅西高速公路引发对山区桥梁设计的思考

雅西高速公路是国家高速公路网北京至昆明高速公路中的一部分，2007年4月开工，2012年4月通车，历时5年。曾被媒体称为“云端上的高速”和“逆天工程”。雅西高速公路起于雅安，途经荥经、汉源、石棉、冕宁等县，全长240公里。其中，桥梁总长91公里。雅西高速翻越了两座大山——泥巴山和拖乌山，经过3大水系和4个气候区。它处在从四川盆地向青藏高原的过渡地带，因此具有地形变化剧烈、短距离大高差的特点。深切峡谷多，地壳活动频繁，导致地质灾害频发。在总长91公里的桥梁中，共有7种类型。其中，简支梁占到90%以上；大跨度预应力连续刚构5座，最大跨径200m，最高桥墩182.5m；大跨度的T构2座；高低塔斜拉桥1座；矮塔斜拉桥1座；钢管混凝土连续桁架梁桥1座（长1811m，最大墩高107m，地震基本烈度接近Ⅸ度）。因此，雅西高速路上的桥梁特点可以归纳为——“三多”：桥梁数量多、类型多、大跨度桥梁多；“两高”：地震烈度高、桥墩高；“三难”：材料运输难、施工难、抗震技术难。

抗震需技术创新

在选择桥位时，始终把桥梁的防灾减灾摆在第一位。对于大型不良地质体，尽可能“躲”。对于桥梁的抗震设计，坚持概念设计优先，始终贯彻基于性能设计的指导思想，采用了基于有限位移的“梁式桥抗震新方法”。汶川地震发生后，我们对雅西高速上桥梁的抗震技术进行了全面的梳理和改进，形成了整套的桥梁抗震体系。

针对高烈度地震区的桥梁，我们从两个方面入手：一是从结构方面，尽可能选择轻型、传力明确、整体性好、施工便利的结构。第二从材料方面，选择高强材料，能达到轻型化的目标。选择高延性材料，可以改善抗震性能。因此，针对高墩大跨连续刚构，如果采用传统的混凝土墩身，由于自重非常大，导致下部结构工程规模大，而抗震性能又差，需要我们创新结构。因此，我们开发了一种钢管混凝土组合高墩。它的基本思路是框架剪力墙的思想，利用钢管混凝土的高强作为承压柱减小截面尺寸，减轻自重，减小地震响应；同时利用钢管混凝土高延性，提高抗震能力。若仅是框架结构，桥梁的水平刚度太小，水平变位将会很大，无法满足正常使用的要求，在强震下的水平变位也将难以容忍，因此将四根钢管混凝土柱外包混凝土形成矩形箱。设计时考虑外包混凝土仅提供刚度，不考虑其强度贡献，在高烈度地震下允许开裂、损伤。在这种情况下，柱子越强越好，因此钢管内用C80自密实混凝土，而外包混凝土采用C30。采用这种结构后，自重减轻了28%，抗震安全系数提高了165%以上。目前从使用情况来看，效果非常好。

特殊桥位 特殊设计

干海子大桥处在小半径S形曲线上，这条路最小半径386m就处在这座桥上，而桥墩高达107m，位于Ⅸ度地震区。从桥梁结构来说，处在小半径S形平面曲线上时，只能用小跨径。如果用传统的混凝土结构，会导致桥梁的下部结构规模大，不仅不经济，而且抗震性能也差。因此，我们开发了梁体和桥墩均采用钢管混凝土的桁架结构。与传统T梁相比，节省了三分之二的混凝土使用量，14万方只要用5万方就够了。而钢材还节省了20%，经济优势明显，环保效益非常显著。值得一提的是，这里面有几个关键技术：一般钢管混凝土是用在拱或者柱子等受压构件上，但是这座桥用于梁体。这种桁架梁，受拉钢管内要不要灌混凝土？节点的疲劳强度怎么样？整体的力学行为如何？都需要我们一一回答，我们为此开展了大量的研究，得到了一个结论，就是受拉钢管内灌混凝土比不灌好，主要对节点的疲劳性能起到巨大的改善作用，疲劳强度能提高80%以上。

这座桥的桥墩高低差异大，最高的墩有107m，矮的只有几米，该如何来分联？我们提出了基于抗震性能最优的分联方式，将整座桥分成长短不一的三联，目标是在地震条件下，每个墩子都能同时参与作用，且同时达到一种破坏方式。因此，有的联长只有280m，最长的却超过1000m。桥墩和梁的连接方式也不一样，有固接，有铰接，有滑动。因此，开发了有限位移的阻尼支座，力求在地震作用下桥墩同时达到破坏状态。另外，在这个小半径的S形曲线上梁体怎么安装施工？这个也非常困难，一是采用小型分离的工地工厂，克服了场地狭小的问题；第二把长联变短段，逐段拖拉就位，再连接成整联的方式，解决了小半径复杂曲线连续桁架梁的安装难题。但是从施工情况看，这座桥仍有些不足的地方。一是由于处在曲线上，三角形桁架的腹杆长度变化多，加工放样工作量大，影响工效；另外混凝土桥面板的底模板安装拆卸困难。我们后来做了改进，把三角形的桁架变成平面桁架，把混凝土桥面板改为带底钢板的钢混组合桥面板，省去了额外的模板，桥墩采用钢管混凝土，这样可以达到一个目标，一座现场不需要模板施工的桥梁。这个技术现在正在汶川到马尔康高速公路上采用，施工起来更加便利，更易保证质量，施工速度也快。

新材料的开发应用

材料的进步是桥梁技术进步的关键要素之一，能够改善桥梁的耐久性，还能节省投资。对于使用量巨大、司空见惯的混凝土，我们以雅西高速公路工程为依托，通过系统研究，形成了高强度、高流态、高耐久性、体积变化小的高性能混凝土的制备技术。根据使用部位、使用环境、施工方式等所需的性能目标来配相应的混凝土，形成了地方规范《高性能混凝土制备技术指南》。如：检查发现，许多桥梁的桥面破坏主要是下层水泥混凝土桥面铺装的破坏，往往这一层大家不太重视。因此，我们对整个桥面铺装技术进行了系统的研究，从材料的配比，到施工、养护，形成了整套的工艺。实践证明，效果非常好。通过大量的现场应用来看，从未发现裂缝。现在已使用几年，检查也没有发生任何病害。因此，形成了一个地方规范《水泥混凝土桥面铺装技术指南》。

山区公路桥梁设计中需要考虑的因素很多，我们必须坚守因地制宜的原则，实现“安全、经济、耐久、和谐、便利”的桥梁设计目标。我们必须从施工的角度来反思设计，从而对桥梁的设计做出更多的改进。“理想很美好，现实很骨感”。我个人认为，山区公路桥梁需要研究的东西还有很多，特别是快速化施工的问题。近年来，我院以山区桥梁所面临的施工技术、工程耐久、养护便利和造价经济等方面的问题为导向，进行了一些设计改进和探索。我的总体感觉是，对于桥梁而言，适宜的就是先进的，先进的一定是适宜的。

本文刊载 /《桥梁》杂志 2016年 第1期 总第69期

作者 / 庄卫林

作者原系四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院总工程师

现系西南交通大学教授