平潭海峽大橋連續(xù)剛構(gòu)主橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

■洪錦祥

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004)

1 概述

平潭海峽大橋跨越福建省海壇海峽，項(xiàng)目起于福清市的小山東岸，經(jīng)北青嶼，終于平潭縣的娘宮岸，大橋與省道305順接，路線全長(zhǎng)約4976m，其中橋梁總長(zhǎng)3510m，主橋560m，引橋2950m。主橋橋型布置如圖1所示，橋跨布置為100+2×180+100m，采用變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)箱梁。大橋按雙向兩車道二級(jí)公路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)速度80km/h，橋梁寬度17m，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，地震基本烈度Ⅶ度。橋下通航5000噸級(jí)海輪，單孔通航凈空為123×38m，雙孔單向航道。

海壇海峽自然條件惡劣，水深、潮差大、風(fēng)浪大、夏季多受臺(tái)風(fēng)影響，覆蓋層厚度變化較大，殘積類土及強(qiáng)風(fēng)化巖厚度及埋深變化也較大，中風(fēng)化-微風(fēng)化基巖面除少數(shù)地段埋存較淺外，一般均較深，這造成大橋的基礎(chǔ)規(guī)模大，設(shè)計(jì)難度高。

2 主要建設(shè)條件

2.1 地形地貌

通航主橋位于海峽主航道所處的沖刷溝槽的槽底平坦段。沖刷溝槽寬800余米，走向近南北向，槽底平坦寬闊，達(dá)500余米，海底高程一般為-25～-28m，最深處海底高程為-29.2m。

2.2 地質(zhì)

主橋區(qū)段工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，各土層物理力學(xué)性質(zhì)和厚度變化均較大，軟土層分布較厚。

42#墩上部海積層主要為粉砂、亞粘土和粘土，海積層底標(biāo)高一般分布于-45m附近，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度約25m，基巖面起伏變化較大，巖性為凝灰熔巖，局部夾有風(fēng)化巖核。

43#主墩上部海積層主要為淤泥質(zhì)粘土、中粗砂、粘土，海積層底標(biāo)高一般分布于-56m左右，基巖強(qiáng)風(fēng)化層厚度約10～20m，基巖面標(biāo)高主要分布在-68～-75m之間，巖性為凝灰熔巖，局部夾有風(fēng)化巖核。

44#主墩上部海積層主要為含砂淤泥、細(xì)砂、粘土、亞粘土，海積層底標(biāo)高一般分布于-50～-52m之間，基巖風(fēng)化層厚度約9～17m，巖面起伏大，基巖面標(biāo)高主要分布在-59～-70m之間，巖性為凝灰熔巖，局部夾有風(fēng)化巖核。

圖1 平潭大橋連續(xù)剛構(gòu)主橋橋型布置示意圖

45#主墩上部海積層主要為含砂淤泥、細(xì)砂、淤泥質(zhì)粘土、亞粘土，海積層底標(biāo)高一般分布于-42～-49m之間，基巖風(fēng)化層厚度較厚，約25m左右，基巖面標(biāo)高主要分布在-67～-71m之間，巖性為凝灰熔巖，局部夾有直徑近10m的風(fēng)化巖核。

46#墩上部海積層主要為含砂淤泥、淤泥質(zhì)粘土、含淤泥砂，海積層底標(biāo)高一般分布于-41m左右，基巖風(fēng)化層厚度約10m左右，基巖面標(biāo)高主要分布在-59～-60m之間，巖性為凝灰熔巖。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告：對(duì)工程場(chǎng)地穩(wěn)定性而言，區(qū)內(nèi)發(fā)育的構(gòu)造和巖脈帶不會(huì)構(gòu)成太大影響，但對(duì)工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中的工程地質(zhì)問(wèn)題應(yīng)予以考慮；場(chǎng)區(qū)海域20m內(nèi)部分飽和砂類土，在Ⅶ度地震作用下，存在砂土液化現(xiàn)象；場(chǎng)區(qū)海域中第四系軟土層淤泥、含砂淤泥，在地震基本烈度為Ⅶ度作用下，局部可能會(huì)產(chǎn)生震陷，海域第四系沉積的軟土為欠固結(jié)土，樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮負(fù)摩阻力影響。

2.3 氣象

歷年最大風(fēng)速39m/s，成橋狀態(tài)100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速43.3m/s，施工階段20年重現(xiàn)期基本風(fēng)速38.8m/s；年平均臺(tái)風(fēng)影響次數(shù)3.5次(≥8級(jí))。

2.4 水文

工程海域潮位為正規(guī)半日潮，設(shè)計(jì)水位和水文條件見(jiàn)表 1～表 4。

表1 設(shè)計(jì)高、低水位(單位：m)

表2 主橋設(shè)計(jì)流速(單位：m/s)

表3 主橋橫橋向設(shè)計(jì)波浪要素

表4 主橋順橋向設(shè)計(jì)波浪要素

2.5 沖刷

主橋基礎(chǔ)沖刷深度列于表5。

表5 主橋基礎(chǔ)沖刷深度(單位：m)

2.6 波流力

在波浪和水流共同作用下，主橋42#交界墩和44#主墩基礎(chǔ)所受波流力分別見(jiàn)表6和表7。

表6 42#交界墩波流力計(jì)算結(jié)果(單位：kN)

表7 44#主墩波流力計(jì)算結(jié)果(單位：kN)

2.7 船撞力

主橋橋下通航5000T級(jí)海輪，單孔雙向通航，主墩和交界墩的船撞力列于表8。

表8 主墩和交界墩船撞力(單位：MN)

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和計(jì)算

3.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

平潭海峽大橋主橋基礎(chǔ)受水流和波浪力的影響，且建設(shè)條件差、水深、沖刷深，是大橋設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在保證結(jié)構(gòu)受力需要和滿足構(gòu)造要求的前提下，設(shè)計(jì)上以盡量減小基礎(chǔ)尺寸，降低水流和波浪力的影響作為指導(dǎo)原則。

主墩采用鉆孔灌注樁和菱形承臺(tái)基礎(chǔ)(圖2)，承臺(tái)平面尺寸為34.7m×21.5m，厚5m，另設(shè)墩座厚2.5m，封底厚2.0m。樁基布置為22根變直徑鉆孔灌注樁。強(qiáng)風(fēng)化層以上部分樁基直徑2.8m，強(qiáng)風(fēng)化層及強(qiáng)風(fēng)化層以下部分樁基直徑2.5m。交界墩采用鉆孔灌注樁和矩形承臺(tái)基礎(chǔ)(圖3)，承臺(tái)平面尺寸32.7m×15.9m，厚5m，另設(shè)墩座厚2m，封底厚2.0m。樁基布置為15根變直徑鉆孔灌注樁。強(qiáng)風(fēng)化層以上部分樁基直徑2.8m，強(qiáng)風(fēng)化層及強(qiáng)風(fēng)化層以下部分樁基直徑2.5m。

圖2 主墩基礎(chǔ)構(gòu)造尺寸(單位：cm)

為降低船舶撞擊基礎(chǔ)可能造成的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失程度，主墩、邊墩基礎(chǔ)防撞采用承臺(tái)套箱作為防撞消能結(jié)構(gòu)。承臺(tái)套箱采用外掛方式與承臺(tái)連接，外側(cè)安裝橡膠件(圖 4)。

主墩和交界墩，樁頂15m范圍內(nèi)鋼護(hù)筒和樁基共同受力，形成組合受力樁，護(hù)筒采用Q345C鋼材，外徑Φ3.0m，壁厚25mm。樁頂15m以下鋼護(hù)筒采用Q235B鋼材，護(hù)筒壁厚根據(jù)穿過(guò)土質(zhì)及護(hù)筒壁受力情況合理確定，具體壁厚由施工單位根據(jù)工程實(shí)際情況合理取用。采取切割鋼護(hù)筒的措施來(lái)保證鋼護(hù)筒頂端深入承臺(tái)部分與承臺(tái)結(jié)合良好。按約30cm間距將鋼護(hù)筒切割成最小寬度不小于12cm的條型鋼帶，鋼帶外扳和樁身成15°夾角，每根鋼帶外側(cè)焊接2根Φ36mm的HRB400鋼筋。

圖3 交界墩基礎(chǔ)構(gòu)造尺寸(單位：cm)

圖4 主墩鋼套箱布置(單位：cm)

3.2 基礎(chǔ)計(jì)算

根據(jù) 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[1]和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)[2]規(guī)定，分別對(duì)短暫狀況、持久狀況和偶然狀況三種設(shè)計(jì)狀況下順橋向和橫橋向各自的作用效應(yīng)組合計(jì)算并進(jìn)行相應(yīng)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)(注：本橋現(xiàn)已運(yùn)營(yíng)通車，設(shè)計(jì)時(shí)上述兩本規(guī)范尚為有效版)。

短暫狀況考慮最大懸臂階段不均衡施工荷載、20年一遇風(fēng)荷載、波浪力和水流力參與作用(工況1)。持久狀況不僅考慮常遇風(fēng)荷載(橋面風(fēng)速25m/s)、常遇波浪力和常遇水流力參與作用效應(yīng)組合的工況(工況2)，還考慮百年一遇的風(fēng)荷載、波浪力和水流力參與的工況(工況3)。由于100年一遇風(fēng)、浪和流在結(jié)構(gòu)使用期間出現(xiàn)的概率很小，一旦出現(xiàn)其持續(xù)的時(shí)間也較短，對(duì)該工況只進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，不進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算。偶然狀況則分別考慮船舶撞擊力(工況4)和地震作用參與作用的工況。其中，地震作用工況考慮了兩級(jí)地震水準(zhǔn)：50年超越概率10%的地震(E1地震，工況5)和50年超越概率2%的地震(E2地震，工況6)。表9～12分別給出了交界墩和主墩在上述工況作用下墩身和樁基最不利截面的內(nèi)力及驗(yàn)算結(jié)果，其中，對(duì)于工況6作用下樁基的強(qiáng)度也進(jìn)行了驗(yàn)算。

表9 交界墩墩身最不利截面驗(yàn)算

表10 主墩墩身最不利截面驗(yàn)算

表11 交界墩樁基最不利截面驗(yàn)算

表12 主墩樁基最不利截面驗(yàn)算

對(duì)于E2地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，需要考慮結(jié)構(gòu)的非線性行為。根據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)，連續(xù)剛構(gòu)體系橋梁在E2地震作用下，結(jié)構(gòu)的非線性行為應(yīng)主要出現(xiàn)在橋墩上。按照抗震設(shè)防目標(biāo)的要求，此時(shí)應(yīng)保證整體結(jié)構(gòu)在大震下不發(fā)生嚴(yán)重破壞和倒塌，為此，采用截面M-φ分析方法對(duì)各橋墩的變形能力(主要是延性)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果列于表13。

表13 工況6各墩變形能力驗(yàn)算

4 耐久性設(shè)計(jì)

平潭海峽大橋處于海洋環(huán)境中，下部基礎(chǔ)極易遭受風(fēng)浪、海水鹽度等多種不利因素影響，造成結(jié)構(gòu)損傷，縮短使用壽命。根據(jù)橋址區(qū)的實(shí)際情況，海峽的東面有平潭島，西面有福清小山東半島為屏障，南北口門(mén)均有眾多的島嶼掩護(hù)，具有一定的掩護(hù)條件，但由于橋址處的環(huán)境比較惡劣，仍按無(wú)掩護(hù)條件的海水環(huán)境來(lái)劃分環(huán)境分區(qū)：大氣區(qū)(高程 7.5m 以上)、浪濺區(qū)(高程 7.5～0.1m)、水位變動(dòng)區(qū)(高程 0.1～-4.00 m)及水下區(qū)(高程-4.00m 以下)。 設(shè)計(jì)根據(jù)大橋所處環(huán)境條件和使用功能要求，對(duì)不同部位根據(jù)環(huán)境不同采取相應(yīng)的耐久措施：

(1)墩身

采用海工高性能混凝土，增加保護(hù)層厚度到75mm，處于浪濺區(qū)和水位變動(dòng)區(qū)的墩身采用混凝土表面涂裝并添加阻銹劑，涂層保護(hù)年限不小于20年，裂縫寬度按0.1mm控制。

(2)承臺(tái)

采用海工高性能混凝土，增加保護(hù)層厚度到85mm，采用混凝土表面涂裝并添加阻銹劑，涂層保護(hù)年限不小于20年。

(3)樁基

采用海工高性能混凝土，增加保護(hù)層厚度到85mm，鋼護(hù)筒在施工完成后作為犧牲厚度保護(hù)鉆孔樁上段混凝土不被侵蝕，樁頂15mm范圍內(nèi)鋼護(hù)筒采用涂層防腐，涂層保護(hù)年限不小于30年，裂縫寬度按0.1mm控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

平潭海峽大橋跨越海壇海峽，所處的自然條件比較惡劣，下部結(jié)構(gòu)的建設(shè)規(guī)模較大，應(yīng)在安全可靠的結(jié)構(gòu)受力和合理的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間尋求平衡。本文簡(jiǎn)要介紹平潭海峽大橋連續(xù)剛構(gòu)主橋基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的建設(shè)條件、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和采取的耐久性措施，并對(duì)基礎(chǔ)在各種可能最不利荷載工況作用下的受力進(jìn)行分析，可供類似工程設(shè)計(jì)和計(jì)算參考。