東莞槎馬大橋主橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊智貴

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510080）

1 工程概況

中洪路位于東莞市西北部，呈南北走向，起于東莞市中堂鎮(zhèn)進(jìn)園大道，終于洪梅鎮(zhèn)洪屋渦水道，路線全長約19.396 km。該項(xiàng)目可改善周邊區(qū)域的出行條件，平衡整個(gè)路網(wǎng)的交通量，減少路網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間，建成后將成為東莞市西北部南北向重要干道。現(xiàn)場已完成主橋基礎(chǔ)及零號塊施工，如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場施工情況

槎馬大橋跨越倒運(yùn)海水道，主橋橋塔采用風(fēng)帆造型，與東莞水鄉(xiāng)文化相呼應(yīng)，將成為展現(xiàn)東莞城市魅力的創(chuàng)新名片。大橋起點(diǎn)樁號K2+146.0，終點(diǎn)樁號K2+828.5，橋梁全長682.5 m。主橋采用90 m+160 m+90 m 矮塔斜拉橋，主橋橋?qū)?3.7 m，橋面以上主塔高32.738 m，有效塔高25.95 m，塔高跨徑比1/6.17，該指標(biāo)在常規(guī)斜拉橋和經(jīng)典矮塔斜拉橋之間[2]，主墩墩高13.7 m，墩高跨徑比1/11.68。主橋采用塔梁墩固結(jié)體系，為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。主橋橋型立面圖如圖2 所示，主橋效果圖如圖3 所示。

圖2 主橋橋型立面圖（單位：m）

圖3 主橋效果圖示意

2 建設(shè)條件

2.1 地形與水文

該項(xiàng)目位置屬于珠江三角洲沖積平原邊緣地帶，位于東莞斷陷盆地中，可劃分為侵蝕堆積平原地貌單元。地面標(biāo)高一般在0.50～5.10 m 之間，總體地勢較平坦。

該區(qū)地處東江北支流與南支流之間河網(wǎng)區(qū)，地勢低平，河汊交錯(cuò)，倒運(yùn)海水道受潮汐影響，具有半日潮特點(diǎn)。河水受潮汐漲落影響，潮差1～2 m。水道兩側(cè)堤壩為片石擋墻結(jié)構(gòu)，整體完整，水利設(shè)施優(yōu)良。

2.2 地質(zhì)條件

橋位處地層包括第四系（Q）覆蓋層的填土（Qml4）層、海陸交互相沉積層（Qmc4）層、殘積（Qel）層和基巖的上第三紀(jì)（N）粉砂質(zhì)泥巖地層。

河槽處土層有灰黑色飽和淤泥，飽和中砂，飽和圓礫，強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。巖層埋深約20 m，主橋持力層為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，其巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度建議值6 MPa，承載力基本容許值800 kPa。

2.3 通航條件

根據(jù)航道等級規(guī)劃，橋址處倒運(yùn)海水道為內(nèi)河Ⅳ級航道，通行500 t 級船舶。單向通航孔凈寬不小于45 m，雙向通航孔凈寬不小于90 m，通航凈高不小于8 m。

槎馬大橋的通航凈空采用單孔雙向通航標(biāo)準(zhǔn)，凈寬不小于140 m，凈高不小于8 m。通航水位采用洪水重現(xiàn)期10 a 一遇洪水位3.464 m。

3 主墩設(shè)計(jì)

3.1 主墩設(shè)計(jì)

主墩墩身采用八角形實(shí)心墩，主墩根部橫橋向?qū)?2.0 m，頂寬14.0 m，兩側(cè)為直線變化，墩厚3.5 m?？紤]到主墩較矮，主墩抗推剛度大，為減小溫度力、收縮徐變效應(yīng)及預(yù)應(yīng)力鋼束二次效應(yīng)等的影響，主墩采用雙肢布置，單肢厚度1.74 m。為保證主墩在縱向剛度和防撞能力間取得協(xié)調(diào)，雙肢主墩間用一塊2 cm厚橡膠板分隔（墩頂1 m 范圍內(nèi)不設(shè)），兼作施工模板，確保主墩縱向柔度。橡膠板材料特性須嚴(yán)格保證，橡膠板作施工內(nèi)模用途形成雙肢薄臂墩,施工時(shí)須涂脫模劑，成橋后橡膠板永存。墩身采用C50 混凝土。

承臺(tái)為圓端矩形承臺(tái)，考慮到其增加主墩的高度及減小阻水的影響，將承臺(tái)底沉入河床以下。承臺(tái)平面尺寸為14.9 m×23.1 m（順×橫），厚度為5 m?；A(chǔ)由12 根D2.5 m 樁組成，按嵌巖樁設(shè)計(jì)，樁頂嵌入承臺(tái)內(nèi)10 cm。 承臺(tái)采用C40 混凝土，樁基礎(chǔ)采用C35 混凝土，在澆筑承臺(tái)前在基坑內(nèi)澆注1m 厚封底混凝土，如圖4 所示。

圖4 主墩構(gòu)造圖（單位：m）

3.2 主墩靜力計(jì)算

主墩采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，進(jìn)行承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計(jì)算，同時(shí)應(yīng)滿足構(gòu)造及工藝要求。主墩計(jì)算考慮荷載主要有8 500 kN 頂推力，收縮徐變，制動(dòng)力，整體升降溫，風(fēng)荷載等。采用有限元軟件MIDAS 建立單梁模型進(jìn)行分析，該模型共計(jì)396 個(gè)單元，485 個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖5 所示。

圖5 全橋有限元模型（單位：m）

經(jīng)計(jì)算，在承載力極限狀態(tài)下主墩縱橋向彎矩為84 184 kN·m，橫橋向彎矩為49 066 kN·m，軸力為21 953 kN，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[3]可求得正截面抗壓承載力為27 195 kN，安全系數(shù)為1.24，大于規(guī)范值1.1。在正常使用極限狀態(tài)下主墩縱橋向彎矩為56 254 kN·m，軸力40 965 kN，裂縫寬度0.17 mm，小于規(guī)范值0.2 mm，各項(xiàng)驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

3.3 主墩抗震分析

根據(jù)地震動(dòng)區(qū)劃圖，橋位處抗震設(shè)防烈度為VI度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，本工程的地基土類型為軟弱地基土，建筑場地類別為Ⅲ類場地，該工程的設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。E1 地震調(diào)整系數(shù)為0.61，E2 地震調(diào)整系數(shù)為2.2[4]。根據(jù)計(jì)算，主墩在E1、E2 地震作用下均處于彈性工作范圍，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足抗震要求。

3.4 主墩船撞分析

主橋橋位地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，主墩存在船撞風(fēng)險(xiǎn)。通過對主墩的船撞動(dòng)力學(xué)計(jì)算，確定全橋損傷概率。研究在加裝防撞設(shè)施前后船舶撞擊情況，對大橋的設(shè)計(jì)和后期的安全運(yùn)營具有重大意義。

該計(jì)算利用有限元軟件，采用500 t 級貨船作為船撞船進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，如圖6 所示，考慮該船滿載狀態(tài)時(shí)，在最低、最高通航水位下正撞或者側(cè)撞橋墩。

圖6 船撞有限元模型圖

計(jì)算結(jié)果表明，安裝防撞設(shè)施后，船舶撞擊力顯著降低，其中主墩低水位最大撞擊力由5.35 MN 降低至4.19 MN，降低21.68%，船首變形，由1.39 m 下降為1.17 m。撞擊后橋墩表面應(yīng)力分布均勻，混凝土表面破壞的情況大幅下降，防撞設(shè)施做到了船- 橋雙保護(hù)。

4 過渡墩設(shè)計(jì)

為保證過渡墩與主墩風(fēng)格統(tǒng)一，過渡墩采用分離式板式實(shí)心墩，八角實(shí)腹截面，如圖4 所示，橫橋向根部寬6.0 m，頂寬8.0 m，兩側(cè)為直線變化，厚度為2 m。墩身采用C40 混凝土。

承臺(tái)為分離式矩形承臺(tái)，單個(gè)承臺(tái)平面尺寸為7.2 m×7.2 m（順×橫），厚度為2.5 m。單個(gè)承臺(tái)基礎(chǔ)由4 根D1.8 m 樁組成，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 語

本文介紹東莞槎馬大橋主橋下部設(shè)計(jì)方案，結(jié)合此類橋型的受力特點(diǎn)，詳細(xì)描述了下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和過程，可為類似工程的下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

圖7 過渡墩構(gòu)造圖（單位：m）