深水庫(kù)區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁主墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

蔣建軍

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川成都 610041)

深水庫(kù)區(qū)的水位漲落大，對(duì)橋梁基礎(chǔ)施工帶來(lái)極大困難。合理的橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可減小施工難度，降低施工措施費(fèi)。庫(kù)區(qū)內(nèi)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋梁的主墩基礎(chǔ)體積大，樁基數(shù)量多，低樁承臺(tái)與高樁承臺(tái)方案的比選，以及承臺(tái)高程的合理確定均需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。高樁承臺(tái)橋墩的抗震性能及抗船撞能力是否滿足要求，需要進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算。

1 工程概況

宣漢龔家明月壩后河大橋位于宣漢縣后河江口電站庫(kù)區(qū)航道內(nèi)，通航等級(jí)為Ⅶ級(jí)。大橋跨越后河，橋位處河面寬約200 m，水深一般為10～30 m，最大水深約為40 m。江口電站正常蓄水位330.00 m，設(shè)計(jì)洪水位H1/100=330.62 m[1]。

大橋孔跨布置為4×30 mT梁+(72 m+130 m+72 m)連續(xù)剛構(gòu)+4×30 mT梁，主橋長(zhǎng)274 m，引橋長(zhǎng)254 m，全橋長(zhǎng)528 m[1]，主橋立向布置見(jiàn)圖1。

圖1 主橋立面布置(單位：cm)

主橋采用整幅設(shè)計(jì)，橋面寬21 m。主墩采用雙薄壁墩，寬13 m，壁厚2 m，凈距4 m，圓端型。主墩基礎(chǔ)型式為承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)。承臺(tái)尺寸為寬17 m、長(zhǎng)15 m、高4.6 m，每個(gè)承臺(tái)底下設(shè)置9根直徑2.2 m鉆孔樁，樁基順橋向間距為5 m，橫橋向間距為6 m，主墩基礎(chǔ)布置見(jiàn)圖2。

圖2 主墩基礎(chǔ)立面布置(單位：cm)

大橋建成通車(chē)后現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖3。

圖3 大橋通車(chē)后照片

2 主墩承臺(tái)底面標(biāo)高合理取值分析

江口湖由江口電站蓄水形成。從2000～2007年，每年4～10月，由于排洪和發(fā)電需要，江口湖水位落差較大，單月最大落差達(dá)15.84 m，全年平均落差為5.42 m。

針對(duì)江口湖庫(kù)區(qū)單月水位落差較大的情況，基礎(chǔ)型式和承臺(tái)底面高程的確定對(duì)施工組織方案、工期及造價(jià)影響非常大。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)低樁承臺(tái)方案和高樁承臺(tái)方案進(jìn)行了比較。低樁承臺(tái)方案，就是將承臺(tái)底面設(shè)置在河床面以下。高樁承臺(tái)方案，就是將承臺(tái)大部分露出水面，樁基一部分位于巖土中，另外一部分位于水中。

2.1 低樁承臺(tái)方案的優(yōu)點(diǎn)

(1)承臺(tái)和樁基常年均在水面以下，橋梁景觀不受水位漲落影響。

(2)施工時(shí)，按照最高水位控制鋼圍堰頂面高程，樁基、承臺(tái)和墩柱施工受水位漲落影響較小。

(3)橋墩剛度一致,有利于抗震設(shè)計(jì)。

2.2 低樁承臺(tái)方案的缺點(diǎn)

(1)必須設(shè)置高約26 m的雙壁鋼圍堰，基礎(chǔ)施工措施費(fèi)高。

(2)位于斜坡位置的主墩處，鋼圍堰底部難以全部嵌入基巖，圍堰止水防漏技術(shù)復(fù)雜。

(3)橋墩位于水中，受船撞的風(fēng)險(xiǎn)高，且容易出現(xiàn)撞擊損傷。

2.3 高樁承臺(tái)方案的優(yōu)點(diǎn)

(1)樁基礎(chǔ)施工僅需要搭設(shè)棧橋和鉆孔平臺(tái)，承臺(tái)施工時(shí)設(shè)置鋼吊箱，施工措施費(fèi)低。

(2)基礎(chǔ)施工工藝成熟，斜坡地段樁基施工時(shí)，鋼護(hù)筒防漏漿較好處理。

(3)承臺(tái)剛度大，抗船撞能力強(qiáng)，且通過(guò)對(duì)承臺(tái)尺寸的優(yōu)化可以降低船只與承臺(tái)的損傷程度。

2.4 高樁承臺(tái)方案的缺點(diǎn)

(1)樁基和承臺(tái)位于水位波動(dòng)區(qū)域，存在樁基外露的問(wèn)題，當(dāng)水位較低時(shí)影響橋梁景觀。

(2)承臺(tái)施工受水位影響大，若水位較低，則可以在支架上鋪設(shè)預(yù)制封底混凝土板后干處澆筑承臺(tái)；若水位較高，則必須采用鋼吊箱施工承臺(tái)。

(3)大體積承臺(tái)位置高，其集中質(zhì)量在地震作用下產(chǎn)生較大的慣性力，對(duì)樁基、墩柱的抗震不利，適用于地震烈度不高的地區(qū)。

通過(guò)對(duì)兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行綜合比較，最終選擇了高樁承臺(tái)方案。通過(guò)對(duì)庫(kù)區(qū)水位進(jìn)行調(diào)查分析，江口湖庫(kù)區(qū)一般在3～5月時(shí)水位最低，是承臺(tái)施工的最佳時(shí)機(jī)。承臺(tái)底面高程的確定需要采用概率分析的理論，確保承臺(tái)底部在3～5月位于水面以上的概率不低于80 %，這樣既能減小鋼吊箱的高度，節(jié)約造價(jià)，又能兼顧橋梁景觀。

3 主墩抗震計(jì)算

橋位區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)現(xiàn)活動(dòng)微弱，無(wú)災(zāi)害地震記載。據(jù)GB 18036-2015《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為Ⅵ度，屬基本穩(wěn)定區(qū)域。由于樁基、承臺(tái)和部分墩柱位于水中，開(kāi)裂后修復(fù)處理困難，因此該橋的抗震設(shè)計(jì)提出了更高要求，即在罕遇地震(50年超越概率2 %)作用下，樁基和墩柱保持彈性不能出現(xiàn)塑性鉸。

該橋抗震計(jì)算的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何考慮墩—水耦聯(lián)振動(dòng)問(wèn)題?，F(xiàn)有研究表明，地震作用下水中結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起結(jié)構(gòu)周?chē)w的輻射波浪運(yùn)動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)與水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，水會(huì)在結(jié)構(gòu)水下部分作用有動(dòng)水壓力作用。該動(dòng)水壓力不僅會(huì)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。深水橋墩在水中震動(dòng)引起的動(dòng)水附加慣性力可能會(huì)對(duì)下部結(jié)構(gòu)乃至全橋的動(dòng)力特性和內(nèi)力反應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》給出了地震時(shí)作用于橋墩上的地震動(dòng)水壓力計(jì)算 ，并按水深h和橋墩寬度b的比值分為3個(gè)區(qū)域。

墩—水耦聯(lián)振動(dòng)的本質(zhì)為液固耦合問(wèn)題，現(xiàn)有液固耦合問(wèn)題的解決方法主要有解析法、數(shù)值分析法和混合分析法。目前比較可行的辦法是采用混合分析法，也稱等效附加質(zhì)量法，即建立無(wú)水情況下的全橋結(jié)構(gòu)有限元分析模型，然后得到各橋墩水下部分的地震動(dòng)水力的解析解表達(dá)式，最后將該動(dòng)水力的解析式代入全橋有限元模型進(jìn)行全橋的有水動(dòng)力響應(yīng)分析。本橋采用等效附加質(zhì)量法來(lái)考慮動(dòng)水作用。承臺(tái)和墩柱迎水面為矩形，在縱橋向和橫橋向不同，因此等效附加質(zhì)量在兩個(gè)方向上是有差異的。橋梁抗震計(jì)算采用Midas Civil空間有限元程序，樁基、墩柱、主梁均采用梁?jiǎn)卧?。樁基采用土彈簧約束，其剛度由“m”法計(jì)算，非巖石地基水平力抗力系數(shù)的比例系數(shù)m根據(jù)地勘資料和JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，并考慮動(dòng)力效應(yīng)擴(kuò)大2～3倍[2]?？紤]動(dòng)水壓力時(shí)，樁基等效附加質(zhì)量在縱橋向和橫橋向每米各設(shè)置一個(gè)；墩柱和承臺(tái)的等效附加質(zhì)量設(shè)置在其高度的一半處?？臻g計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 橋梁抗震計(jì)算模型

表1給出了是否考慮墩—水耦聯(lián)振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)振型的影響。

從表1可以看出，考慮墩—水耦聯(lián)振動(dòng)，使得相同振型的自振周期適當(dāng)延長(zhǎng)。

以6號(hào)主墩為例，表2給出了采用反應(yīng)譜法計(jì)算的地震作用下是否考慮墩—水耦聯(lián)振動(dòng)對(duì)墩柱和樁基內(nèi)力的影響。

從表2可以看出，對(duì)于高樁承臺(tái)，當(dāng)墩柱只有很小一部分位于水中時(shí)，地震作用下墩底內(nèi)力會(huì)有所減小，其原因在于結(jié)構(gòu)自振周期延長(zhǎng)，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)地震力的減小；樁基彎矩有所增加，但幅度有限。等效附加質(zhì)量相對(duì)體積龐大的上部結(jié)構(gòu)而言非常微小，因此其對(duì)地震力的貢獻(xiàn)也有限，但是動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利，抗震計(jì)算時(shí)需要考慮。

表1 是否考慮墩—水耦聯(lián)振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)振型的影響

表2 地震作用下是否考慮墩—水耦聯(lián)振動(dòng)對(duì)墩柱和樁基內(nèi)力的影響

4 主墩抗船撞計(jì)算

宣漢龔家明月壩后河大橋的通航凈空尺度要求為：凈寬32 m、凈高4.5 m、上底寬27 m、側(cè)高2.8 m。通航等級(jí)為Ⅶ級(jí)，對(duì)應(yīng)橫橋向撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值為150 kN，順橋向船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)值為125 kN。橋位所在區(qū)段的現(xiàn)狀船只主要有運(yùn)砂船、機(jī)動(dòng)客船、快艇、手搖船，船舶噸位最大為50 t。為了安全起見(jiàn)，船舶撞擊力采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值，撞擊位置分別取墩柱、樁基進(jìn)行計(jì)算。撞擊力采用集中力，作用位置分別為承臺(tái)頂面以上4.6 m(約為正常蓄水位以上2 m)和承臺(tái)底面以下4.0 m。船撞墩柱時(shí)，在橫橋向撞擊力作用下，墩柱的最大剪力為75 kN，最大彎矩為1 712 kN·m；在順橋向撞擊力作用下，墩柱的最大剪力為100 kN，最大彎矩為329 kN·m。船舶撞擊時(shí)，在橫橋向撞擊力作用下，樁基的最大剪力為131 kN，最大彎矩為230 kN·m；在順橋向撞擊力作用下，樁基的最大剪力為107 kN，最大彎矩為209 kN·m。就墩柱而言，船撞墩柱時(shí)，船撞產(chǎn)生的剪力遠(yuǎn)小于其他作用產(chǎn)生剪力，但橫向撞擊產(chǎn)生的彎矩較大；就樁基而言，船撞墩柱時(shí)，對(duì)樁基產(chǎn)生的剪力很小，但產(chǎn)生的彎矩不可忽視；船撞樁基時(shí)，對(duì)樁基產(chǎn)生的剪力和彎矩與其他作用相比，數(shù)量相當(dāng)，不可忽視。經(jīng)驗(yàn)算，本橋在船撞力作用下，墩柱和墩基均可保持彈性。

在防船撞設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如何減輕船撞橋造成的損傷，做好橋梁船撞防護(hù)系統(tǒng)[3]，采取的技術(shù)措施有：

(1)首先，保留樁基施工鉆孔平臺(tái)的鋼管樁，防止船舶直接撞擊樁基。

(2)適當(dāng)加厚樁基鋼護(hù)筒鋼板厚度，防撞船撞時(shí)傷及樁基混凝土。

(3)加大承臺(tái)尺寸，防止船舶直接撞擊墩柱。

(4)對(duì)承臺(tái)四周進(jìn)行倒圓處理、上部1.5 m高范圍四周做成斜坡?tīng)畈⒌箞A，加大船撞時(shí)接觸面積，減小局部集中受力。

(5)承臺(tái)四周設(shè)置粘滯性耗能防撞圈。

5 指導(dǎo)性施工組織方案

主墩高樁承臺(tái)+群樁基礎(chǔ)施工的主要步驟為：

(1)插打鋼管樁，搭設(shè)棧橋和鉆孔平臺(tái)，要求鉆孔平臺(tái)頂面位于正常蓄水位以上至少1 m。

(2)插打樁基鋼護(hù)筒，定位，采用沖擊鉆沖孔。

(3)澆筑樁基水下混凝土。

(4)鋼吊箱逐節(jié)下放，澆筑水下封底混凝土，然后綁扎承臺(tái)鋼筋，干處澆筑承臺(tái)混凝土。

6 結(jié)束語(yǔ)

在滿足通航和行洪要求的條件下，深水庫(kù)區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋的主墩基礎(chǔ)采用高樁承臺(tái)方案可以節(jié)約造價(jià)、縮短工期。進(jìn)行橋梁抗震計(jì)算時(shí)，對(duì)于高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，應(yīng)考慮墩—水耦聯(lián)振動(dòng)對(duì)墩柱和樁基內(nèi)力的影響。橋梁抗船撞計(jì)算表明：船撞對(duì)樁基受力不利，且對(duì)樁基產(chǎn)生的剪力和彎矩與其他作用相比，數(shù)量相當(dāng)，不可忽視；應(yīng)做好防船撞保護(hù)措施，減輕船撞橋造成的損傷。