波浪荷載作用下跨海橋梁群樁基礎(chǔ)方案研究

何海峰，魏 凱，張明金

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

近年來，我國橋梁建設(shè)逐漸由陸地向海洋發(fā)展。相比于跨越陸地江河的橋梁，跨海橋梁橋址區(qū)往往水深、浪高、流急，波浪荷載對跨海橋梁設(shè)計和施工的影響很大[1]。同時，惡劣的天氣加上較高的通航要求，大幅縮短了有效作業(yè)時間[2]，給橋梁施工帶來了巨大挑戰(zhàn)[3]。

群樁基礎(chǔ)是我國跨江、跨海橋梁常用的基礎(chǔ)形式之一[4]，通常采用圍堰進行施工。在江河水深較淺區(qū)域，圍堰受到的水動力作用不強，采用低承臺方案即可，且有利于結(jié)構(gòu)受力和抗震。若在海洋橋址區(qū)采用低承臺群樁基礎(chǔ)，雖然有利于減小基礎(chǔ)的波浪荷載，但是施工圍堰入水深度和承受的波浪荷載將急劇增大。圍堰作為施工過程中的一種臨時結(jié)構(gòu)，其設(shè)計強度一般較低[5]，更容易受到海洋波浪荷載的影響。因此，海洋中采用低樁承臺方案不僅會大幅度增加工程造價，影響航道通航，還會給群樁基礎(chǔ)帶來巨大的施工難度和風(fēng)險[6]。因此，跨海大橋常常采用高樁承臺基礎(chǔ)，但是承臺高程提高后，如何選擇合適的高樁承臺基礎(chǔ)形式以滿足基礎(chǔ)在受力、施工及經(jīng)濟方面的要求，一直是橋梁工程師高度關(guān)注的問題。

本文以平潭海峽大橋元洪航道橋的主橋群樁基礎(chǔ)為研究背景，建立全橋上部結(jié)構(gòu)的有限元模型，計算上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的作用力。采用Morison方程[7]計算樁基所受波浪荷載，采用繞射理論[8-9]計算承臺及圍堰所受波浪荷載。通過建立群樁基礎(chǔ)有限元模型，研究承臺高程、樁數(shù)、樁徑等關(guān)鍵參數(shù)對群樁基礎(chǔ)受力性能的影響，并結(jié)合主要工程量及施工可行性，討論波浪荷載作用下跨海橋梁群樁基礎(chǔ)的設(shè)計原則。

1 工程概況

平潭海峽大橋元洪航道橋為公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋，橋跨布置為(132+196+532+196+132)m。本文研究對象為N03主塔基礎(chǔ)，如圖1所示。N03主塔基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)形式，樁基為C40混凝土鉆孔樁，海底為基巖，承臺為C50混凝土，采用啞鈴形布置，如圖2所示。圍堰為雙壁鋼吊箱鋼圍堰，如圖3所示。百年一遇設(shè)計波高H=9.69 m，周期T=10.8 s，波數(shù)k=0.037，橋址區(qū)沖刷后水深d=45 m。在基礎(chǔ)強度滿足要求的前提下，給出了N03主塔基礎(chǔ)的4種設(shè)計方案，如表1所示。

圖1 橋梁立面(單位：m)

圖2 N03主塔基礎(chǔ)立面及平面示意(單位：m)

圖3 圍堰平面示意(單位：mm)

m

2 計算方法及分析模型

2.1 上部結(jié)構(gòu)作用力

利用ANSYS軟件建立橋梁上部結(jié)構(gòu)和橋塔的空間桿系有限元模型。邊墩與輔助墩簡化為支座約束?？紤]結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、橫向風(fēng)荷載、汽車荷載及ZK活載對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響。計算不同工況下N03承臺頂所受作用力，計算結(jié)果如表2所示。需要說明的是，表中所得數(shù)據(jù)是根據(jù)初步設(shè)計階段的恒載索力確定的。采用該索力計算在恒載作用下的縱橋向彎矩可能過大，會與實際不符。

2.2 下部結(jié)構(gòu)波浪荷載

2.2.1 模型簡化

計算群樁基礎(chǔ)波浪荷載時，需要對計算模型做適當(dāng)?shù)暮喕?，群樁簡化分析模型見圖4。結(jié)構(gòu)分析時，將上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的荷載施加于承臺頂節(jié)點，F(xiàn)S，F(xiàn)h分別為承臺頂受到的總豎向力及總橫橋向水平力,Mh為承臺頂受到的橫橋向總力矩。由于塔柱位于水中的部分仍然受到波浪荷載的影響，將塔柱、承臺和樁基受到的波浪荷載通過平行移軸原理分別簡化至承臺頂和樁頂，圖4中FH，MH分別為樁基所受波浪荷載和波浪力矩。計算樁基、塔柱及承臺受到的水平波浪力時，不考慮承臺、樁基、塔柱等構(gòu)件的相互影響。

表2 N03承臺頂所受作用力計算結(jié)果

圖4 群樁簡化分析模型

2.2.2 樁基、塔柱波浪力

樁基為小尺度結(jié)構(gòu)物，波浪荷載可用Morison方程計算[10]。樁基波浪荷載計算圖示如圖5，任意高度z、柱高dz上的水平波浪荷載為

圖5 樁基波浪荷載計算圖示

(1)

式中：CD，CM分別為拖曳力系數(shù)與慣性力系數(shù)；ρ，D分別為海水密度、基樁直徑；θ為波浪相位，θ=kx-ωt，ω為角頻率，x取決于坐標(biāo)系的位置，由于樁基軸向與z軸重合，本文x取為0，t為時間。

根據(jù)JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[11]，本文計算樁基所受波浪荷載時取CD=2.0,CM=1.2，海水密度取 1 025 kg/m3，并考慮群樁效應(yīng)[9]對群樁所受波浪荷載的影響。將樁基位于水中的部分劃分為若干微段，分別計算各段所受最大波浪荷載再求和，即可得到樁基受到的總波浪荷載。塔柱所受波浪荷載的計算方法與樁基類似，區(qū)別僅在于塔柱為矩形截面，此時CD=2.0，CM=2.2，D取矩形斷面垂直于波向的寬度即可。考慮沖刷后4種方案樁基入土深度均為10 m，樁基所受波浪荷載見表3。數(shù)值計算結(jié)果表明，方案1中塔柱受到的水平波浪荷載為 8 272 kN，距塔柱底12 m。其余3種方案由于h較大，塔柱位于水中的部分已經(jīng)很短，故其受到的波浪荷載可忽略不計。

表3 樁基所受波浪荷載

2.2.3 承臺及圍堰波浪荷載

承臺、圍堰均為大尺度結(jié)構(gòu)物，根據(jù)繞射理論[9]計算承臺和圍堰受到的波浪荷載，其計算圖示如圖6。直徑為2a的大直徑圓柱體，高度z處的順波向波浪荷載為

(2)

(3)

圖6 承臺和圍堰波浪荷載計算圖示

將承臺和圍堰劃分為若干微段，計算各段受到的波浪荷載再求和即得到總波浪荷載。4種方案承臺和圍堰所受波浪荷載分別見表4和表5。文中各基礎(chǔ)方案在施工過程中均采用先平臺后圍堰的施工方法，即先施工鉆孔樁，再利用主體樁作為導(dǎo)向下放鋼圍堰施工承臺，在圍堰頂設(shè)置限位環(huán)與周圍鉆孔樁頂部鋼護筒連成整體。根據(jù)橋址區(qū)水深和承臺高程計算圍堰吃水深度，方案1中圍堰吃水深度為28.5 m，其他方案均為9 m。

表4 承臺所受波浪荷載

表5 圍堰所受波浪荷載

3 基礎(chǔ)方案分析及比選

3.1 模型建立

在ANSYS軟件中采用空間桿系模型來模擬群樁基礎(chǔ)，樁和承臺均采用Beam 4單元。對于樁與承臺的連接，本文將各樁頂節(jié)點通過剛臂與承臺底相連，約束樁底節(jié)點6個自由度來模擬樁底固結(jié)。

3.2 荷載施加及分析

根據(jù)上述計算結(jié)果可知，群樁基礎(chǔ)受上部結(jié)構(gòu)荷載(考慮主力+附加力的組合)和水平波浪荷載的共同作用。將計算得到的荷載施加于群樁基礎(chǔ)有限元模型，可得到荷載作用下各方案群樁基礎(chǔ)承臺的水平位移，見表6。

表6 承臺水平位移 cm

3.3 基礎(chǔ)方案評價及比選

3.3.1 受力性能評價

一般情況下，群樁基礎(chǔ)軸向剛度大，側(cè)向剛度則相對薄弱，設(shè)計時必須引起重視[12]。本文選取承臺水平位移作為評價群樁基礎(chǔ)受力性能的標(biāo)準(zhǔn)。由表6可知，方案1中承臺的橫橋向水平位移及縱橋向水平位移均最小，因此從受力性能的角度分析，方案1為較優(yōu)方案。方案2，3，4承臺底面到海底的距離h均從16.5 m提高至36.5 m，因而荷載作用下承臺水平位移均大于方案1。為滿足受力性能的需求，方案2樁徑不變，采用增加樁數(shù)的方法，方案3和方案4則分別采用了直徑為4.0，4.5 m的大直徑樁。由表6可見，2種方法對群樁基礎(chǔ)受力性能的改善效果是不同的：荷載作用下方案2中群樁基礎(chǔ)的水平位移最大，方案3次之，方案4最小。

顯然，基礎(chǔ)在荷載作用下的位移是由基礎(chǔ)剛度和所受荷載大小決定的。對于群樁基礎(chǔ)側(cè)向剛度的改變，采用橫橋向等效剛度K=F/Δ(F為樁基和承臺所受橫橋向水平力之和，Δ為承臺頂橫橋向水平位移)來近似模擬群樁基礎(chǔ)側(cè)向剛度的變化趨勢。樁基和承臺所受橫橋向水平力之和的變化主要是由于橫橋向波浪荷載變化引起的，表7給出了各方案群樁基礎(chǔ)等效剛度及總水平波浪荷載的大小。

表7 等效剛度及總水平波浪荷載

由表7可知，方案1中群樁基礎(chǔ)等效剛度最大，橫橋向總水平波浪荷載最小，受力性能最好。方案2中群樁基礎(chǔ)的等效剛度最小，總水平波浪荷載最大，方案4的等效剛度最大，其總水平波浪荷載最小，方案3則位于二者之間。因此，承臺底面到海底距離h提高后，增加樁數(shù)雖然能提高基礎(chǔ)的側(cè)向剛度，但由于樁數(shù)的增大，基礎(chǔ)受到的波浪荷載也將大大增加，且波浪荷載增大的幅度大于基礎(chǔ)側(cè)向剛度增加的幅度。因此，方案2中基礎(chǔ)的水平位移仍然增幅很大，承臺的橫橋向水平位移及縱橋向水平位移較方案1分別增加了427%和172%。相比之下，方案3和方案4雖然增大樁徑導(dǎo)致了單樁波浪荷載的增大，但樁數(shù)的減少使得總水平波浪荷載減小。同時基礎(chǔ)側(cè)向剛度不斷增大，因而基礎(chǔ)承臺橫橋向及縱橋向水平位移較方案1的增幅較小。方案4中群樁基礎(chǔ)橫橋向及縱橋向水平位移較方案1分別提高了216%和106%。因此，承臺高程提高后，采用增大樁徑比增加樁數(shù)能更有效地改善群樁基礎(chǔ)的受力性能。

3.3.2 施工可行性評價

由表5可知，方案1施工過程中圍堰受到的波浪荷載高達 74 956 kN。這是因為圍堰吃水深度達到28.5 m，受到了巨大的波浪荷載，此時圍堰總高度達到52.65 m，增大了施工難度。為保證施工順利進行，一方面必須布設(shè)錨固系統(tǒng)以確保圍堰的穩(wěn)定，但錨固系統(tǒng)需根據(jù)潮位變化不斷進行收放調(diào)整，工作量大且工序繁瑣。另一方面錨固系統(tǒng)的布設(shè)需要占用通航航道，由于橋址區(qū)航道等級較高，海事部門明確表示不同意長時間封航施工。而方案2,3,4承臺底面到海底的距離較方案1有大幅度提高，施工過程中圍堰吃水深度僅為9.0 m，因而圍堰受到的波浪荷載大大減小，不需要設(shè)置錨固系統(tǒng)，施工難度大大降低。因此，從施工可行性角度分析，方案1施工難度和風(fēng)險都大，不宜采用。

3.3.3 主要工程量評價

為評價各方案的經(jīng)濟性，分別計算各方案樁基、承臺的混凝土用量、鋼圍堰的用鋼量、封底混凝土用量以及由于承臺提高導(dǎo)致主塔混凝土的變化量。表8給出了各方案主要工程數(shù)量的計算結(jié)果，其中混凝土總量為樁基、承臺以及封底混凝土用量的總和?？芍?，方案2混凝土總量最大，方案1次之。對于鋼圍堰用鋼量，方案1用量最大，方案2，3，4依次遞減。同時，由于承臺高程提高導(dǎo)致主塔高度降低，方案2，3，4的主塔混凝土用量也會減小。因此，方案4主要工程量較小，為較優(yōu)選擇。

表8 主要工程量

3.3.4 基礎(chǔ)方案比選

綜合對比各基礎(chǔ)方案在受力性能、施工可行性及主要工程數(shù)量3方面的特點可知，盡管方案1受力性能最好，但由于其施工難度及風(fēng)險過大不宜采用；方案2雖能滿足施工要求，但受力性能較差且工程量巨大，不利于控制工程投資；方案3和方案4在受力性能及施工可行性2方面均能滿足要求，但方案4在主要工程數(shù)量方面更有優(yōu)勢。因此，考慮上述3方面因素，方案4為較優(yōu)選擇。

4 結(jié)論

1)跨海大橋施工過程中波浪荷載對圍堰的影響尤為顯著，故跨海大橋的設(shè)計過程必須同施工緊密結(jié)合。

2)跨海大橋群樁基礎(chǔ)承臺高程過低會導(dǎo)致圍堰施工困難，可考慮提高承臺高程以滿足設(shè)計及施工要求。

3)承臺高程提高后，增加樁數(shù)能在一定程度上改善基礎(chǔ)受力性能，但改善效率較低，工程量大；增大樁徑，同時減少樁數(shù)，可以有效改善基礎(chǔ)的受力性能，且主要工程量較小，比增加樁數(shù)的方法更為經(jīng)濟。