山地城市高架桥梁地震灾害与控制方法最新章节_刘雪山著

第1章
山地城市交通系统特点综述

从地球表面地形地质上看，所有的陆地地表土地均可以分为山地、平原、高原和丘陵 4 种主要类型。其中，“山地”被定义为起伏较大、地势较高的山区，其广泛分布在陆地地貌中，通常位于地质运动活跃、地质构造复杂的地区。在全球地形地貌中，山地面积占陆地面积的绝大部分，是全球陆地的重要组成部分。

城市作为一种人类文明的高级聚居模式，其形态受到地形地貌的影响较大，按照地形地貌通常可以分为“平原城市”和“山地城市”两种主要类型。“山地城市”是指选址建设在山地区域，以及修建在地形坡度大于 5°的起伏不平的坡地上的城市，在国外也称为“斜面城市”或“坡地城市”等。例如，瑞士日内瓦、法国戛纳、美国旧金山等都是世界著名的山地城市，我国比较有代表性的山地城市包括香港、重庆、兰州、温州、绵阳等。有些城市选址和建设虽然在平坦区域，但是城市内部或者周围的复杂地形与自然环境条件对城市空间结构和发展有重大影响，也可以视为山地城市，如我国的昆明、贵阳、呼和浩特、太原等。

由于受地形地貌等多重因素影响限制，山地城市的空间形态和交通特点与平原城市迥然不同。以重庆为例，重庆位于我国西南部，地处青藏高原与长江中下游平原的过渡地带，地势由南北向长江、嘉陵江河谷地区逐级降低，城区最高海拔 1 421 m，最低 152 m，所在区域呈现出三山夹两江的地形形态。特殊的地形条件使得城市空间布局受阻、城市建设用地紧张、城市功能高度聚集，从而形成了重庆“多中心、组团式”的城市空间形态。受山水地势分割与阻隔影响，中心城区城市道路以“逢山开路，遇水架桥”顺势而为向外延伸，桥梁隧道成为片区、组团之间交通连接的“咽喉”通道。

1.1 山地城市的空间结构布局

自然地形环境是城市形态的母体，山地城市所在区域的基本地形从根本上决定了城市空间形态的发展方向。而山地城市的地形地貌复杂多变，使得山地城市的用地面积受到了极大的限制，其空间布局形成与发展在不同时期具有不同特征。从近半个世纪的发展来看，山地城市空间布局经历了从团状发展到带状或散点状发展再到多中心组团式布局结构结构的变化历程。

围绕四周的高山、穿城而过的河流以及两岸高低起伏的地形是比较典型的山地城市发展环境。在山地城市形成的初期，复杂的地形地貌阻断了城市向四周扩张，人们一般选择河谷地带或缓山坡面作为城市建设的主要用地，此阶段的城市多为团状布局，城市服务设施等公共中心位于团状区域中心，与其他区域的连通性较高。这种形式下的城市道路多为依照地势、顺应自然的原始道路系统，交通方式以步行出行为主，城市梯道系统比较发达，而车行出行较少。

随着原有的城市用地不断扩展，山地城市发展轴开始沿着发展阻力最小的河岸或谷底纵向延伸，同时垂直方向上则从河谷开阔地坝沿山坡向山上扩展，这一阶段的山地城市逐步呈现出带状布局。带状布局的主要特点是平面结构较顺畅和交通流的方向性较强，然而由于道路两侧的交通来源并不均等，容易在局部形成狭窄区域，造成交通瓶颈。因此，城市交通组织和设施设置开始根据实际地形灵活布置，并适度考虑未来发展弹性空间，路网逐步呈现出内部为不规则与规则并存的路网布局形式。

随着人们大规模地聚集、活动范围的扩大和交通基础设施的完善，原有带状或散点状的山地城市布局已不能满足城市发展的需求，此时的山地城市有必要跳出原有河谷地带，向外围寻求支撑点，扩散过程中受到山、水条件的阻隔而与老城区隔离，城市组团内部的相对集中与山水隔离的分散相结合，最终发展成为多中心、组团式的空间格局。此阶段外围组团内部功能逐步完善、部分组团合并、组团规模扩大，组团内部道路整体格局已完善，组团间交通瓶颈也逐步减少，组团内路网呈现“高密度、低路幅”的特征。组团之间比较分散，但距离通常不长，组团之间的交通联系比较密切，依托城市主干道网体系进行连接联系。

空间紧凑发展模式是山地城市空间为适应了地形地质复杂、土地资源稀缺、人口密度高的特点而形成的，主要通过自然资源的有效保护、交通空间的合理利用以及建成空间的紧凑开发来实现。空间紧凑发展模式可以防止城市无序蔓延扩张，减轻建设投资压力，从而挖掘城市用地潜力，提高城市空间利用率。同时，随着交通技术水平的提高，多种交通方式的应用为组团内部纵向交通的发展提供了动力，对山地城市多中心组团式结构的发展和成熟起到了积极的支撑和推动作用。

1.2 山地城市交通的特殊性

1.2.1 山地城市交通特征

从山地城市的空间布局发展历程来看，城市的交通系统与城市布局同步形成，自始至终贯彻于山地城市的发展过程。山地城市交通系统与城市空间布局相互依托、相互适应，城市布局与形态成为影响城市交通的重要因素。现代山地城市的空间结构大多数为多中心组团式布局，其交通系统在道路线形、路网布局、交通方式构成、交通流特征等方面与平原城市存在明显不同，二者对比见表 1.1。

表 1.1 山地城市与平原城市交通特征对比

山地城市地质复杂，地形起伏大，其路网建设一般是结合自然地形，采用自由式路网结构布局，这就决定了山地城市道路具有非直线系数较大的特点。此外，由于地形限制，山地城市不规则弯曲路段较多，道路绕行距离较大，行车速度慢。与平原城市相比，山地城市的用地资源十分紧缺，紧缺的用地资源造就了路网“高密度，低路幅”的特征。随着城市经济的快速发展，各组团之间的联系也日益紧密，彼此之间的交通需求将会急剧增长，各组团片区之间常用城市主干道、快速路、桥梁、隧道和轨道交通等方式相互串联，形成片区之间的“大动脉”。这些“大动脉”就组成了山地城市跨片区、跨组团出行的通道系统。

山地城市用地多被山峦或溪河等分割形成分片区的布局模式，因此交通方式相比平原城市有所不同，呈现出多样化、立体化的特征。山地城市除了拥有步行、地面公交、出租车、私家车、轨道交通等常规的交通方式外，还以室外自动扶梯、索道、吊车、梯道、渡轮等作为辅助交通方式，为竖向交通提供了便利。通过将山地地形特征与现代交通技术相结合，利用不同的地势高差发展多样性的立体交通，从而克服地形障碍，形成山地城市特有的爬坡式立体交通空间。

从山地城市布局可知，山地城市用地较为分散，往往形成多组团和多中心的结构，因此各片区中心之间往往存在桥梁、隧道、轨道以及快速路相互连接。在高峰时段，跨片区、组团出行的交通量都集中在这些通道上，使这些“重要通道”往往承受巨大的交通压力，交通流呈现出明显的潮汐特性，早晚高峰时段流量较大，而组团内用地的同一性和均质化又使得组团内部出行量相对较小。

1.2.2 山地城市交通设计特点

由于山地城市的高低起伏较大，交通就是连接山地城市各个空间的一个重要纽带。山地城市的交通设计主要包括桥梁、隧道、公路以及水系等设计。这些交通形式往往是交替使用的，所以在对山地城市的交通进行设计的过程中，不仅仅需要考虑桥梁、隧道、公路以及水系单体的设计，而且还需要注重不同的交通形式之间的连接，才能在山地城市中构筑一个完善的交通体系。因此，山地城市的交通设计相比于平原城市的路网布置要复杂得多，而且在进行相关基础设施建设的过程中，由于受到地形地貌的限制，也使得建设活动面临很多的困难，使之成为一个多维度的系统性网络。

山地城市的交通设计应注重道路连通度，以满足道路网络容量需求。由于山地城市地形的复杂性，城市道路的竖向联系较为困难，许多复杂地形下的道路由于高差原因不能连通，致使车行交通的绕行距离较长，道路的整体连通度较低。在复杂的地理环境和交通设施的多样化兼容下，交通系统规划特别注重线路之间的良好连接，获得快速顺畅的交通。在山地城市道路设计中，要在有限的宽度空间内合理安排各功能区的位置，选择合适的宽度标准，注意土地的整合和集约利用。对于道路周边场地的垂直变化，需要在设计中系统考虑，不断尝试，力求满足各个区域的交通出行需求。对于条件特别困难的地区，可结合路网布局采取合理的交通引导措施。

山地城市的地形地质条件复杂，需要充分考虑多模式的交通体系。山地城市地形条件复杂，可用平地较少，土地资源矛盾非常突出，城市建设用地也非常稀缺。在山地城市规划中，基本都是以比较平坦宽阔的土地作为建设用地，而城市道路预留用地往往是有限的，所以和平原地区相比，相同等级道路的红线宽度要小很多。受地形影响，每个街区往往地势变化较大，高程变化比较剧烈，对道路布局影响很大。交通技术的发展对城市的形成和发展起到了重要作用。汽车交通形成了以城市快速路系统和高速公路系统为主的现代城市空间结构，地铁轻轨、高架快速路等交通形态与山城立体地形相结合，打造出更丰富的多维城市空间。山地城市的地形地貌导致山地城市道路形态复杂，连接这些道路的立交更为复杂，相比平原城市的常规立交，也有人和立交这样复杂的立交桥。由于山地城市缺乏外部通道，道路功能定位混乱，路网连通性差，这使得山地城市的交通流量更加依赖高速公路和城市快速路。

山地城市的交通系统必须注重投资控制，提高资金利用效率。山地城市交通设计必须结合山地地形和河流走向，因地制宜确定设计方案。与平原城市相比，山地城市的地形在相同等级道路、相同设计车速的条件下，允许坡度比平原城市高。如果建设像平原城市一样的平坦道路，需要大量的开挖和填方，这就需要一方面考虑城市的地势，另一方面考虑建设的投入成本，在地形高差特别大的地区，宜设置人、车分开的两套道路系统；在确定道路走向和宽度时，尤其要注意节约用地和投资费用。山地城市道路选线还要注意所经地段的工程地质条件，线路应选在土质稳定、地下水位较深的地段，尽量绕过地质和水文地质不良地段。

山地城市的交通系统必须注重自然环境，应进行全面的生态环保设计。在山地城市建设中，要特别注意自然环境和城市景观的保护。特别是在交通工程建设中，应避免深挖高填，破坏整体环境现象。道路设计人员应采取综合治理措施，适应地形地貌特点。例如，断面可以是分开的，也可以是多步的，这样既节省了工程成本，又不会过度影响城市景观，同时，更能适应两侧道路的交通需求。遇到深挖高填时，尽量利用明洞、高架桥、栈桥等，以免破坏原有山体，并结合土地利用规划，绿化边坡，避免过多的人工痕迹。在交通设计中，对周边环境的保护被放在了比较重要的位置，应遵循因地制宜的原则，最大限度地保护山体地貌和自然环境。

山地城市的交通系统内桥梁、隧道、边坡等构筑物复杂，应对构筑物进行精细化和创新设计。由于山地城市的地形地貌复杂，路网以不规则曲折的形式存在，并以高密度路网的形式表现出来，因此，城市组团内连接密集，建立了密集的主干道和次干道，主干路、支路被山水阻隔，群落之间的联系主要依靠桥梁和隧道，通行渠道少，可替代性差。一旦发生交通拥堵，就会迅速蔓延，影响相接道路。由于桥梁和隧道的建设成本远高于普通道路，山地城市的跨江桥梁和隧道数量不可能像普通道路一样多。因此，多条道路往往连接在一座桥梁或隧道上，一旦多条道路的交通量趋于汇聚，就会使得桥梁或隧道的交通量在短时间内迅速增加，造成交通拥堵。此外，山地城市地形复杂，部分道路两侧边坡较高，而高边坡的不稳定性使得山地城市道路受到滑坡、失稳和倒塌而中断的概率增加。因此，桥梁、隧道、边坡等构筑物增加了山地城市道路的脆弱性，必须要高度重视相应构筑物的设计和创新。

1.3 山地城市高架桥梁的特点

为了构建山地城市的交通网络，山地城市必须在复杂山区环境中建设高架桥梁工程。从山地城市的空间布局和交通特征可知，多中心组团式的城市布局下，桥梁作为跨片区、跨组团出行通道系统的“大动脉”，往往承受较大的交通压力。此外，桥梁受到自然灾害后破坏的概率较大，破坏后恢复的时间较长，这也使得山地城市交通系统中桥梁的脆弱性较大。由此可见，山地城市的道路基础设施中，高架桥梁有举足轻重的作用。由于自然环境的复杂性，山地城市高架桥梁建设在项目选址、上下结构形式和配套施工工艺等方面都遇到了很大的困难。

山地城市高架桥梁对安全要求更高。山地城市的地形地质条件复杂，地面高差大，变化频繁，泥石流、山崩、塌岸、山洪、有害气体等不良地质灾害时有发生。如果桥位和走线选择不当，桥梁结构将始终处于危险环境之中，人们的生命财产安全得不到保障。桥位应尽量避开断层、滑坡、泥石流、强岩溶以及其他不良地质的地段，选在两岸有山嘴或高地的河岸稳固和基岩、坚硬土层外露或埋藏较浅、地质条件良好的稳定河段，协调解决好桥梁各细部构造与地形地质之间的关系。

山地城市高架桥梁对环境保护要求更高。山地城市桥梁的建设和使用方便了交通出行，但在山地城市的特殊环境下，建设桥梁也会对周边生态环境产生影响。山地城市的地形起伏很大，在桥梁建设中，经常会遇到高填方和深基坑的情况。为了使桥梁主路段的坡度不会太大，填挖也是必不可少的。在这个过程中，要保证高填深挖正确，同时要避免入侵周围耕地土壤。例如，为减少基础开挖对山坡的影响，可采用单柱单断面设计。同时，要重视桥梁与周边自然环境的协调，力求将破坏降低到最低程度，追求实现桥梁结构全寿命期间的成本最低化和工程最优化。在跨越地质条件较好的沟谷时，可采用拱式结构，体现山区桥梁造型特色；在曲线路段可采用弯箱梁，桥墩采用桩柱式，体现桥梁结构的轻盈。

山地城市高架桥梁对施工工法要求更高。相较平原地区，山地城市的自然条件更差，复杂环境下的桥梁工程建设难以开展。山地城市地形狭窄导致预制场地狭小，甚至没有预制场地，且运输便道条件差，运输通道相互干扰使得运输受限，部分桥位大型机具、大型构件无法进入施工现场。为了适应起伏的地形，山地城市桥梁往往需要使用高墩跨越起伏的山峦和沟壑，然而崎岖不平的地形使得同一座桥梁的墩高也会不同，导致刚度差异较大，竖向温差变形不均匀，同时由于许多桥墩位于斜坡上，纵横坡陡，使基础开挖量较大，边坡防护困难，项目的施工难度也将大大增加。此外，由于环境的复杂性，在施工过程中存在许多不确定和不可预测的因素，也会影响桥梁施工的质量和进度。

山地城市高架桥梁对结构耐久性要求更高。桥梁结构的耐久性取决于材料的自身特性和结构的使用环境，并且与结构设计、施工及养护管理密切相关。山地城市自然环境极其复杂，气候多变，多雨潮湿，气温变化大，对桥梁结构的耐久性影响很大。由于材料的耐久性不足，桥梁结构发生变形或破坏的情况很多，选择合适的结构材料是提高桥梁耐久性的有效手段，因此对桥梁耐久性的研究主要集中在材料的研究上。影响桥梁结构耐久性的因素有很多，如桥梁所处的自然环境、桥梁结构设计、结构长期受力状态以及养护管理等。在复杂的山地环境中，这些影响因素往往不可控制，对桥梁结构的耐久性产生极为不利的影响。

山地城市高架桥梁对运营维护要求更高。山地自然环境复杂，桥梁结构长期暴露在复杂恶劣的自然环境中，会使桥梁病害问题更加严重，影响正常运营通车。桥梁作为山地城市交通系统的“大动脉”，一旦出现病害进入维修施工，通行能力将大幅下降，进而导致桥梁本身以及相接道路的交通拥堵，加上桥梁的维修施工难度很高，甚至可能造成整个道路网络的交通瘫痪。随着已建成桥梁数量的增加，在役桥梁的重心逐渐向加固和养护方向转移，桥梁的运营维护逐渐成为桥梁工程的主要方向。因此，必须要高度重视桥梁的运营维护，尽可能避免发生桥梁维修期间的各类风险和负面影响。

山地城市高架桥梁对地震工况下的安全运营要求更高。我国幅员辽阔，地理形态跨度大，许多山地城市属于地震多发区，地质活动频繁，地处地震烈度高的地区。特别是西部地区的山地城市地处高山、高原等复杂地理环境，也是地震多发地区。在这种环境下，高墩大跨非规则桥梁以其卓越的跨越能力而被广泛采用。此类高墩桥梁，桥墩高度高，质量大，抗震受力性能极为不利，而且由于其墩高较高，桥墩多采用空心截面，结构体系较柔，地震作用下高阶振型的影响较大，超出了现行规范的适用范围，有必要对其抗震性能进行深入研究。桥墩结构的损坏对桥梁来说是致命的，桥墩的损坏会使得整座桥梁坍塌，功能受损，且难以修复。例如，汶川地震期间，大量桥梁结构受损、倒塌，无法正常使用，阻塞了主要交通路线，造成了无法弥补的巨大损失。因此，研究山地城市高架桥梁的抗震性能势在必行。