承臺(tái)高程提高對大跨度公鐵兩用斜拉橋的影響分析

謝華燦，郭輝

(1.福建福平鐵路有限責(zé)任公司，福建福州350000;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

承臺(tái)高程提高對大跨度公鐵兩用斜拉橋的影響分析

謝華燦1，郭輝2，3

(1.福建福平鐵路有限責(zé)任公司，福建福州350000;2.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081; 3.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

海域環(huán)境下，承臺(tái)高程是橋梁設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，對結(jié)構(gòu)整體靜動(dòng)力特性、施工組織和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等均存在影響。以平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋主跨532 m斜拉橋的N03號主墩為例，研究橋墩承臺(tái)頂高程從-16.5 m提高至+5.0 m對大跨度公鐵兩用斜拉橋的影響。結(jié)果表明:承臺(tái)高程提高后，各設(shè)計(jì)荷載作用下的塔底內(nèi)力發(fā)生較大變化，而塔頂位移、主梁內(nèi)力和位移變化較小;樁基自由長度增大，全橋縱向剛度出現(xiàn)一定程度降低且某些振型出現(xiàn)的順序發(fā)生了變化?？绾蛄合虏拷Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力合理性、施工方案可實(shí)施性及經(jīng)濟(jì)性等因素。

承臺(tái)高程提高 斜拉橋 整體受力 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性 施工方案

海域環(huán)境下，橋梁下部結(jié)構(gòu)的施工由于受到復(fù)雜海床地質(zhì)、基礎(chǔ)沖刷、波浪力等綜合影響，成為跨海橋梁工程面臨的巨大挑戰(zhàn)之一［1-5］。平潭海峽公鐵兩用大橋是我國首座跨海公鐵兩用橋梁，采用六車道高速公路和雙向鐵路合建方式建設(shè)，全長16.3 km。大橋從松下離岸至大練島，依次跨越元洪航道、鼓嶼門水道、大小練島水道和北東口水道。四座通航孔橋分別采用主跨為532 m，364 m，336 m雙塔鋼混結(jié)合梁斜拉橋和主孔跨徑2×168 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。斜拉橋主塔墩承臺(tái)高程在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了比選，其中低樁承臺(tái)方案(承臺(tái)頂高程為-16.5 m)與高承臺(tái)方案(承臺(tái)頂高程+5.0 m)相比可節(jié)省基礎(chǔ)投資約20%。根據(jù)后續(xù)平潭海峽公鐵兩用大橋?qū)嵤┬允┕そM織設(shè)計(jì)，低樁承臺(tái)方案將使承臺(tái)頂位于海面以下11.85～20.29 m的范圍(按1%設(shè)計(jì)極端高、低潮位考慮)，大大增加了承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工難度。為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，針對基礎(chǔ)承臺(tái)提高方案開展了大量研究工作，較系統(tǒng)地分析了承臺(tái)提高后不同樁基的施工方案及其優(yōu)缺點(diǎn)。

本文以元洪航道橋N03號主塔墩基礎(chǔ)為例，從結(jié)構(gòu)受力角度出發(fā)，研究承臺(tái)高程提高對大跨度公鐵兩用斜拉橋整體靜動(dòng)力性能的影響。

1 工程概況

元洪航道橋?yàn)闈M足5萬噸單孔雙向通航條件，推薦主跨為532 m的鋼桁結(jié)合梁斜拉橋方案，橋跨布置為(132+196+532+196+132)m，全長1 188 m。結(jié)構(gòu)體系采用墩塔固結(jié)、墩梁分離，N03墩頂設(shè)置固定支座，其它墩頂均設(shè)置活動(dòng)支座。其橋式立面見圖1。

圖1 元洪航道橋立面布置(單位:m)

N03號主塔墩結(jié)構(gòu)原施工設(shè)計(jì)如圖2所示，基礎(chǔ)采用38根直徑3.0 m鉆孔樁，C40水下混凝土，平均樁長27.3 m，縱、橫向樁距均為6.2 m。承臺(tái)為圓端啞鈴形的低樁承臺(tái)，C40混凝土，承臺(tái)頂高程-16.5 m，平面尺寸81.2 m×33.2 m。

考慮承臺(tái)高程提高采用φ4.0 m樁方案，承臺(tái)和鉆孔樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表1所示。提高方案承臺(tái)頂高程從-16.5 m提高至+5.0 m，承臺(tái)平面尺寸基本保持不變，厚度從7.5 m增加至9.0 m，混凝土材料從C40提高至C50。鉆孔樁直徑從3.0 m增加至4.0 m，樁長從27.3 m增加至47.3 m，樁數(shù)從38根減少至24根，樁距從6.2 m增大至8.2 m，鉆孔樁水下混凝土從C40提高至C45。

圖2 元洪航道橋施工圖設(shè)計(jì)N03號主塔墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(單位:m)

表1 元洪航道橋N03號主塔墩基礎(chǔ)的不同方案

針對N03號主塔墩基礎(chǔ)，不考慮防船撞設(shè)施和混凝土涂裝增加的費(fèi)用，承臺(tái)頂高程從-16.5 m變化至+5.0 m后，帶來的鉆孔樁變化和承臺(tái)變化需增加投資約2 300萬元左右。

2 承臺(tái)高程提高前后結(jié)構(gòu)整體靜力性能變化

2.1 荷載取值

研究元洪航道橋承臺(tái)高程提高前后結(jié)構(gòu)整體靜力性能變化前，首先給出了各單項(xiàng)荷載的具體取值規(guī)定［6］。

1)恒載:包括一期恒載、二期恒載、混凝土壓重和索力。其中，一期恒載根據(jù)設(shè)計(jì)考慮結(jié)構(gòu)合理構(gòu)造系數(shù)后通過程序自動(dòng)計(jì)算;公路及鐵路二期恒載共計(jì)289 kN/m(鐵路二期恒載為163 kN/m，公路二期恒載為126 kN/m)。混凝土壓重布置在N02號及N05號輔助墩兩側(cè)各3個(gè)節(jié)間范圍內(nèi)，壓重荷載為264 kN/m。

2)活載:鐵路活載按“中—活載”圖式加載，公路活載按公路—Ⅰ級車道荷載考慮。

3)支座沉降:主塔墩基礎(chǔ)2.0 cm;邊墩及輔助墩基礎(chǔ)1.5 cm，并考慮不同支座沉降的最不利組合。

4)列車橫向搖擺力:取100 kN以水平方向垂直于線路中心線，作用于跨中鋼軌頂面。

5)制動(dòng)力:列車制動(dòng)力按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定考慮;汽車制動(dòng)力考慮單側(cè)三個(gè)車道同時(shí)制動(dòng)，為公路—I級車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值在加載長度上計(jì)算的總重力的10%，并不小于165 kN，同向行駛?cè)嚨赖闹苿?dòng)力按單個(gè)車道的2.34倍進(jìn)行折減。

6)溫度荷載考慮整體升、降溫工況，其中混凝土和鋼取不同升、降溫值。

7)風(fēng)荷載:橫向極限風(fēng)Vs10=44.8 m/s，有車風(fēng)V10=30 m/s。主桁桿件風(fēng)荷載按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》計(jì)算。主塔及斜拉索風(fēng)荷載根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值。計(jì)算時(shí)分為橫向極限風(fēng)、橫向有車風(fēng)、縱向極限風(fēng)、縱向有車風(fēng)四種工況。

2.2 內(nèi)力變化

研究N03，N04號主塔墩承臺(tái)頂高程從-16.5 m變化至+5.0 m后，單項(xiàng)荷載作用對主桁結(jié)構(gòu)軸力、主塔塔底彎矩的影響。結(jié)果表明，承臺(tái)高程提高后，恒載、整體升降溫作用下的主桁最大軸拉/最大軸壓力增大，但增大幅度很小。而在活載、橫向搖擺力、制動(dòng)力、風(fēng)荷載等各分項(xiàng)荷載作用下，主桁最大軸拉/最大軸壓力減小，變化率一般在5%左右。同時(shí)，承臺(tái)高程提高對支座沉降引起的主桁軸力影響很小。

承臺(tái)高程提高后，主塔塔底順橋向彎矩變化如表2所示。列車橫向搖擺力和橫向風(fēng)荷載作用效應(yīng)受承臺(tái)高程提高的影響最為明顯，承臺(tái)提高后塔底橫向彎矩值減少約30%，這主要是因?yàn)橹魉叨认鄳?yīng)減小造成的。豎向活載引起的主塔塔底順橋向彎矩在承臺(tái)高程提高后減小約8%，其它單項(xiàng)荷載如支座沉降、溫度荷載對應(yīng)的主塔塔底彎矩均減小，變化率分別為1.7%，3.6%，影響程度不大。

表2 承臺(tái)高程提高前后的主塔塔底彎矩變化

2.3 位移變化

由承臺(tái)高程提高前后主梁對應(yīng)的靜活載位移計(jì)算結(jié)果可知:承臺(tái)提高前，鐵路活載作用引起的邊跨、次邊跨和主梁豎向撓度最小值分別為-46，-88和-653 mm;承臺(tái)提高后，鐵路活載作用下各跨豎向撓度最小值依次為-38，-86和-640 mm，變化率分別為17%，2.3%和2.0%，對邊跨的影響較其余跨大。對公路活載作用，承臺(tái)提高前各跨豎向撓度最小值分別為-11，-23和-156 mm;承臺(tái)提高后為-11，-23和-155 mm，兩者差別很小。對梁端轉(zhuǎn)角，承臺(tái)提高前鐵路活載對應(yīng)N01號，N06號墩梁端轉(zhuǎn)角最大分別為1.031‰，-0.968‰;承臺(tái)提高后，該值變?yōu)?.971‰，-0.971‰，N01號墩變化率為5.8%，N06號墩基本一致。而公路活載對應(yīng)N01號墩梁端最大轉(zhuǎn)角在承臺(tái)提高前后基本不變。對梁端位移，承臺(tái)提高前鐵路活載作用下N01號墩、N06號墩對應(yīng)最大值分別為59，-21 mm;承臺(tái)提高后變?yōu)?2，-21 mm，N01號墩梁端位移變化率為11.9%，而N06號墩沒有變化。承臺(tái)提高前，公路活載作用下N01號墩、N06號墩梁端最大位移分別為13，-5 mm，承臺(tái)提高后變?yōu)?2，-5 mm;N01號墩梁端位移變化率為7.7%，但絕對量值差別很小，N06號墩基本沒有變化。

以上分析了承臺(tái)高程提高前后，鐵路及公路活載作用下主梁的豎向撓度、梁端轉(zhuǎn)角和梁端位移結(jié)果。對于附加力等荷載，整體升、降溫對承臺(tái)高程提高前后主梁豎向位移影響較大，其變化率在15%左右，而對應(yīng)承臺(tái)高程提高前后的縱向位移變化率很小。支座沉降、列車橫向搖擺力和制動(dòng)力單獨(dú)作用下，承臺(tái)高程提高前后引起的主梁對應(yīng)方向的位移變化很小，兩者基本一致。橫向風(fēng)荷載作用下，承臺(tái)提高后的主梁橫向位移較提高前減小約3.8%，其中橫向極限風(fēng)對應(yīng)絕對差值在14.7 mm，橫向有車風(fēng)對應(yīng)絕對差值在6.7 mm?？v向風(fēng)荷載作用下，承臺(tái)提高后的主梁縱向位移較提高前減小約2%，絕對差值很小。

各項(xiàng)荷載對承臺(tái)提高前后的主塔塔頂縱向位移的影響如表3所示。從表中可見，各項(xiàng)荷載對塔頂縱向位移的影響在-2.2%～3.8%之間變化，絕對差值很小。對塔頂橫向位移的影響主要來自橫向風(fēng)荷載，變化率在2.8%左右，絕對差值對于橫向極限風(fēng)和橫向有車風(fēng)而言分別為7.1，3.3 mm。

表3 承臺(tái)高程提高前后各分項(xiàng)荷載作用下的主塔塔頂位移

3 承臺(tái)高程提高前后結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化

動(dòng)力特性分析時(shí)，同時(shí)考慮了邊墩、輔助墩及主塔墩承臺(tái)高程變化對結(jié)構(gòu)自振特性的影響，結(jié)果如表4所示。從表中可見，承臺(tái)提高、樁基自由長度增大后，結(jié)構(gòu)自振特性出現(xiàn)一定變化。前5階振型中，變化最大的是第2階振型，自振頻率由0.255 Hz減小至0.245 Hz，這主要是因?yàn)槌信_(tái)提高、樁基自由長度增大后主塔墩縱向剛度降低造成的。同時(shí)，第6，第7階振型均為主桁橫彎，但承臺(tái)提高后對應(yīng)自振頻率略有增大，而第8～第10階自振頻率減小，第8，第9階振型出現(xiàn)順序交換，主桁反對稱豎彎振型從第8階變?yōu)榈?階。扭彎頻率比減小。

表4 承臺(tái)高程提高前后結(jié)構(gòu)自振特性的變化

4 承臺(tái)高程提高前后施工方案分析

針對承臺(tái)頂高程-16.5 m的低樁承臺(tái)方案，經(jīng)實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)提出以下兩種施工方案進(jìn)行研究，即先圍堰后平臺(tái)方案和先平臺(tái)后圍堰方案。

先圍堰后平臺(tái)方案具體施工流程為:圍堰在工廠分節(jié)制造→拼裝成整體后下水浮運(yùn)至墩位→采用錨碇系統(tǒng)精確定位→圍堰內(nèi)灌水下沉著床就位→澆筑艙壁混凝土→插打鋼護(hù)筒→澆筑封底混凝土→解除錨碇→施工鉆孔樁→抽水施工承臺(tái)。先平臺(tái)后圍堰方案具體施工流程為:搭設(shè)鉆孔平臺(tái)→插打鋼護(hù)筒、施工鉆孔樁→圍堰在工廠分節(jié)制造→底節(jié)圍堰下水浮運(yùn)至墩位→浮吊起吊下放就位→中節(jié)、頂節(jié)圍堰分塊接高→圍堰內(nèi)灌水下沉著床就位→澆筑艙壁混凝土、封底混凝土→抽水施工承臺(tái)。以上兩種施工方案均存在拋設(shè)錨碇影響通航，圍堰承受波浪力大以及深水區(qū)大體積水下封底混凝土施工質(zhì)量較難保證等技術(shù)難題。

承臺(tái)高程提高后，鋼圍堰考慮整體吊裝下放。圍堰頂設(shè)置限位環(huán)與周圈鉆孔樁間頂部鋼護(hù)筒連成整體，圍堰底板與鋼護(hù)筒間抄墊密實(shí)，施工過程中圍堰波浪力傳至鋼護(hù)筒由鉆孔樁承受。采用先平臺(tái)后圍堰施工方案，圍堰為工廠整體制造后浮運(yùn)下水。主要施工流程:搭設(shè)鉆孔平臺(tái)→插打鋼護(hù)筒、施工鉆孔樁→圍堰工廠制造→下水浮運(yùn)至墩位→浮吊整體起吊下放就位→澆筑封底混凝土→抽水施工承臺(tái)。該方案優(yōu)點(diǎn)為:大直徑樁自身剛度較大，承臺(tái)提高后樁數(shù)減少較多;圍堰波浪力可由鉆孔樁承受，不需拋設(shè)錨錠系統(tǒng)。存在的技術(shù)難題為缺乏φ4.0 m及以上大直徑鉆孔樁施工經(jīng)驗(yàn)(目前國內(nèi)鐵路橋梁最大樁徑為天興洲大橋采用的φ3.4 m)，大直徑樁的施工工藝、成樁質(zhì)量等關(guān)鍵問題有待進(jìn)一步研究解決。同時(shí)，高樁承臺(tái)方案將增加項(xiàng)目投資，對項(xiàng)目管理造成一定風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

我國雖已建設(shè)了眾多的跨海大橋如杭州灣跨海大橋、東海大橋等，積累了一定的工程經(jīng)驗(yàn)，但由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，橋梁下部結(jié)構(gòu)施工仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。本文通過對元洪航道橋承臺(tái)高程提高前后結(jié)構(gòu)整體受力性能、施工方案等的分析，得出以下結(jié)論:

1)海域環(huán)境條件下，橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮水文氣象(潮位、海流、波浪、氣象等)及工程地質(zhì)條件、施工方案可實(shí)施性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等多重因素。

2)承臺(tái)頂高程從-16.5 m提高至+5.0 m后，主塔塔底高程也相應(yīng)提高，列車橫向搖擺力、制動(dòng)力和風(fēng)荷載引起的主塔塔底彎矩明顯減小，變化率在30%左右，其它豎向荷載和溫度荷載引起的塔底彎矩變化相對較小。此外，各單項(xiàng)荷載對應(yīng)的塔頂位移、主梁軸力和位移的變化均較小?？紤]斜拉橋合理成橋狀態(tài)，承臺(tái)頂高程提高后，應(yīng)根據(jù)塔底彎矩和塔頂變位情況，適當(dāng)進(jìn)行索力調(diào)整。

3)對本橋而言，低樁承臺(tái)調(diào)整為高樁承臺(tái)后，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性也相應(yīng)出現(xiàn)一些變化。如體系一階縱漂自振頻率降低約4%，主桁扭轉(zhuǎn)頻率降低約5%，某些振型出現(xiàn)的先后順序發(fā)生變化等。對于類似情況，當(dāng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性變化較大時(shí)，還需要進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。

4)承臺(tái)高程的變化影響結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能、下部結(jié)構(gòu)施工方案以及工程投資規(guī)模，在設(shè)計(jì)過程中需全面客觀論證分析，合理比較選擇，以保證項(xiàng)目的順利推進(jìn)。

［1］中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建福州至平潭鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋施工圖［Z］.武漢:中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2015.

［2］Honshu-Shikoku Bridge Authority.The Akashi-Kaikyo Bridge: Design and Construction of the World's Longest Bridge［R］. Kobe:Honshu-Shikoku Bridge Authority，1998.

［3］COMBAULT J，TEYSSANDIER J P.The Rion-Antirion Bridge: Concept，Design and Construction［C］//Proceedings of the 2005 Structures Congress and the 2005 Forensic Engineering Symposium.New York:ASCE，2005:1-12.

［4］本州四國連絡(luò)橋公団.南·北備讃瀬戸大橋［J］.橋梁と基礎(chǔ)，1988，22(8):42-47.

［5］劉春陽，王開民.廈門杏林大橋樁基施工工藝及質(zhì)量控制措施［J］.鐵道建筑，2008(1):42-45.

［6］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

(責(zé)任審編趙其文)

U448.27;U443.25

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.02

1003-1995(2015)05-0005-04

2014-08-12;

2015-03-26

謝華燦(1965—)，男，福建寧化人，工程師。