蔣仕持

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

1 工程概況

金簡(jiǎn)仁快速路二期沱江大橋段位于成都市簡(jiǎn)陽市及東部新區(qū)，起點(diǎn)樁號(hào)K 26+100，止點(diǎn)樁號(hào)K 30+400，長(zhǎng)4.3 km。道路等級(jí)為一級(jí)公路兼城市快速路，雙向10 車道，主線設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h,輔道設(shè)計(jì)時(shí)速40 km/h；城鎮(zhèn)段標(biāo)準(zhǔn)路基寬度64 m，非城鎮(zhèn)段標(biāo)準(zhǔn)路基寬度48 m。

跨沱江特大橋是全線的景觀亮點(diǎn)工程，承載著成都“東進(jìn)第一橋”的重要使命，建成后的沱江大橋?qū)⑹菛|部新城的重要地標(biāo)建筑。主橋起點(diǎn)樁號(hào)K 27+322，終點(diǎn)樁號(hào)K 28+285，主橋、引橋全長(zhǎng)963 m。主橋?yàn)椋?5+185+238+45）m=513 m 空間非對(duì)稱曲線形獨(dú)塔扭索面斜拉橋，標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?4 m，橋面以上主塔高140 m，橋面以下主塔高33.2 m。主橋采用塔梁全固結(jié)體系，主塔及主梁均采用鋼結(jié)構(gòu)，主塔基礎(chǔ)、輔助墩、過渡墩均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。引橋上部采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力小箱梁結(jié)構(gòu)，下部采用蓋梁+立柱+樁基礎(chǔ)形式。主橋立面布置見圖1，三維空間模型示意見圖2。

圖1 主橋立面布置（單位：m）

圖2 主橋三維空間模型示意

2 建設(shè)條件

2.1 地形與水文

橋位處于簡(jiǎn)陽市長(zhǎng)江一級(jí)支流沱江中游，地貌屬沱江一級(jí)階地河流沖積平壩、丘陵地貌，地層主要為新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積層。橋位處沱江左岸（東側(cè)）為凸岸，受淤積岸坡較緩，為大片的農(nóng)田；右岸為凹岸，受沖刷岸坡較陡。

沱江屬非閉合流域，流域內(nèi)徑流主要來自降水。橋址處河段枯水期河面寬在160～400 m，平均寬度為230 m，測(cè)量時(shí)水面寬度約275 m，水流較緩，水深最大約16.0 m，汛期為每年的5—9月。主橋設(shè)計(jì)采用300 a 一遇洪水位為399.94 m，施工水位采用20 a 一遇洪水位398.13 m，常水位為392.3 m。

2.2 地質(zhì)條件

橋位處地層主要有第四系人工填土（Qml4），第四系全新統(tǒng)沖洪積（Qal+pl4）成因的粉質(zhì)黏土、粉土、卵石及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3P）強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、粉砂巖及中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

河槽處頂層部分區(qū)域?yàn)槁咽?，部分區(qū)域?yàn)槁懵兜闹蟹只百|(zhì)泥巖或粉砂巖，下臥層中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖和粉砂巖豎向間隔分布（見圖3）。中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3.0 MPa，地基承載力特征值400 kPa；中風(fēng)化粉砂巖分別為11 MPa 和1 000 MPa。

圖3 主橋地質(zhì)剖面圖

2.3 航道條件與船撞設(shè)計(jì)值

通航標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃為內(nèi)河V 級(jí)航道，通航凈空105×8 m；最高、最低通航水位分別為396.32 m 與390.54 m。

主通航孔基礎(chǔ)防撞能力按500 t船舶的撞擊力作為設(shè)計(jì)值，橫橋向撞擊力設(shè)計(jì)值為400 kN，順橋向撞擊力設(shè)計(jì)值為350 kN。

3 主塔基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 基礎(chǔ)荷載計(jì)算

通過Midas 建立全橋三維有限元分析模型，施加的荷載包括恒載、汽車荷載、汽車制動(dòng)力、人群荷載、溫度荷載（分別考慮整體升降溫、橋面板梯度溫度、雙塔間溫差、索塔溫差）、風(fēng)荷載和船撞荷載。另外，單獨(dú)建模計(jì)算地震荷載。上游側(cè)塔底反力見表1。

表1 上游側(cè)塔底反力

由于獨(dú)特的索塔構(gòu)造，導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。從表1 可知塔底反力有如下特點(diǎn)：恒載反力占總荷載的比例大；恒載軸力縱橫向偏心大，縱向偏心2.48 m，橫向偏心0.79 m；存在可觀的扭矩。另外，索力的調(diào)整會(huì)顯著影響塔底縱橫向剪力、彎矩，可使剪力和彎矩比表1 中值增大一倍。

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D 60—2015）[1]進(jìn)行荷載組合，除承載能力極限狀態(tài)基本組合和正常使用極限狀態(tài)外，還包含偶然組合（100 a 風(fēng)、船撞工況）和地震組合等。每個(gè)組合分別按Pmax、Pmin和Mmax為目標(biāo)得出一組子組合并進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)算。

3.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

3.2.1 基礎(chǔ)方案擬定

主塔基礎(chǔ)縱向尺寸主要受如下兩方面控制：一是錨固架尺寸，鋼主塔通過錨固架傳遞荷載到基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸應(yīng)大于錨固架尺寸；二是要控制橋梁占用的河道行洪斷面以滿足防洪要求。

考慮到此處水深較淺，可將基礎(chǔ)埋置于河床內(nèi)，通過塔座將基礎(chǔ)與主塔相連，塔座內(nèi)置錨固架。

由于河床基巖埋深淺，沉井基礎(chǔ)下沉困難，不考慮采用沉井基礎(chǔ)。若采用擴(kuò)大基礎(chǔ)方案，考慮沖刷深度后基礎(chǔ)宜埋入巖面深度4 m 以上。此處上層中風(fēng)化粉砂巖層僅5 m 多，基礎(chǔ)只能置于承載力較差的中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖上，基礎(chǔ)平面尺寸需要40 m×35 m，導(dǎo)致材料用量和開挖方量均比樁基礎(chǔ)大，故最后采用樁基礎(chǔ)方案，將樁基嵌入中風(fēng)化粉砂巖中。

3.2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

塔座基本尺寸按照錨固架尺寸適當(dāng)加大，為方便泄洪，在水流方向設(shè)置分水肩，形成了六邊形構(gòu)造。結(jié)合主塔外形，塔座設(shè)置成類“鵝卵石”的上小下大的六邊形帶圓弧倒角斷面。塔座縱向尺寸28.5 m，橫向尺寸12.1～19.7 m，上塔座高5 m，下塔座高5.9 m。

按照承載力需求擬定了兩種基礎(chǔ)尺寸：20 根直徑2.8 m 灌注樁，承臺(tái)尺寸34.6 m×23 m×5.5 m（長(zhǎng)×寬×高）；30 根直徑2.2 m 灌注樁,承臺(tái)尺寸34.6 m×23 m×4.5 m。直徑2.8 m 灌注樁方案具有施工周期短、樁抗彎抗剪能力大等優(yōu)點(diǎn)，因此采用此方案。

另外，主塔橫橋向類似于拱結(jié)構(gòu)，上下游側(cè)塔底存在相反的水平推力和彎矩，采用系梁將兩塔基礎(chǔ)連接來平衡水平推力，系梁尺寸45.4 m×8 m×5.5 m。由于系梁已置于中風(fēng)化巖層，系梁底部不另設(shè)樁基。

主塔基礎(chǔ)三維模型、塔基礎(chǔ)平面及立面尺寸見圖4、圖5。

圖4 主塔基礎(chǔ)三維模型

圖5 主塔基礎(chǔ)平面及立面尺寸

3.3 基礎(chǔ)計(jì)算分析

3.3.1 常規(guī)荷載計(jì)算

按照3.1 節(jié)的荷載組合分別按照《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》[2]和《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]對(duì)塔座、承臺(tái)和樁基進(jìn)行計(jì)算。

塔座截面較大，計(jì)算按一排直徑32@ 100 的HRB 400 縱筋時(shí)即可滿足要求且正常使用狀態(tài)下無裂縫。實(shí)際按照偏壓構(gòu)件0.5% 的最小配筋率要求配置鋼筋，縱筋主要布置于截面外側(cè)和塔底錨固架周圍，部分鋼筋與塔底鋼結(jié)構(gòu)焊接。

承臺(tái)按照拉壓桿模型進(jìn)行極限承載力計(jì)算，并按規(guī)范公式進(jìn)行沖切計(jì)算。承臺(tái)底部縱、橫向均配置3 排直徑32@ 150 的HRB 400 縱筋時(shí)即可滿足要求。

承臺(tái)系梁通過Midas 建立如圖4 所示計(jì)算模型，通過線彈簧考慮巖土對(duì)樁基的約束作用，求得系梁的設(shè)計(jì)值并進(jìn)行驗(yàn)算。

樁基按嵌巖樁計(jì)算承載力，樁基嵌入中風(fēng)化粉砂巖2D。由于巖層傾斜，上游側(cè)承臺(tái)樁基長(zhǎng)18.5 m，下游側(cè)14 m。

3.3.2 樁基扭轉(zhuǎn)荷載計(jì)算

由于獨(dú)特的索塔構(gòu)造和拉索布置方式，導(dǎo)致拉索水平面合力方向無法通過基礎(chǔ)中心，因而必然產(chǎn)生扭矩。但目前并無規(guī)范對(duì)單軸扭轉(zhuǎn)承載力和群樁扭轉(zhuǎn)計(jì)算作出相應(yīng)的規(guī)定。

現(xiàn)假設(shè)樁基礎(chǔ)在扭轉(zhuǎn)荷載下發(fā)生一轉(zhuǎn)角φ，則承臺(tái)和所有樁基樁頂均產(chǎn)生轉(zhuǎn)角φ，非基礎(chǔ)中心樁還會(huì)產(chǎn)生水平位移，其值約等于L×φ（L 為樁到扭轉(zhuǎn)中心的距離）（見圖6）。因此，樁基扭轉(zhuǎn)荷載T 可以分解為如下三部分：

圖6 樁基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)示意

式中：kTC為承臺(tái)的抗扭剛度（為土體約束產(chǎn)生的名義剛度，非承臺(tái)自身扭轉(zhuǎn)剛度，下同）；kTZi為第i 根樁的樁頂抗扭剛度；kDZi為第i 根樁的樁頂抗推剛度；Li為第i 根樁到基礎(chǔ)中心的距離。

從上式可以看出，承受扭轉(zhuǎn)荷載的三部分均為扭轉(zhuǎn)角的函數(shù)，具體分配的扭轉(zhuǎn)值則是按剛度進(jìn)行分配。由于土體的材料非線性和復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，上述兩樁基剛度非完全獨(dú)立的，因此隨著荷載的變化，同一樁基上述三部分分配的比例也是不斷變化的。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)單樁和群樁的扭轉(zhuǎn)問題做了許多理論和試驗(yàn)研究。在單樁扭轉(zhuǎn)方面，Stoll[4]在沙土中對(duì)兩根圓形鋼管樁進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，得到了沙土中樁頂扭矩-轉(zhuǎn)角曲線，曲線存在非線性上升段、平臺(tái)段和急劇破壞段。Poulos[5]利用彈性理論建立了均質(zhì)土、剪切模量和黏聚力隨深度線性增加的土的樁基扭矩-轉(zhuǎn)角公式，并在高嶺土中進(jìn)行單樁扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，結(jié)果表明公式在線性段吻合很好。Misra[6]等通過數(shù)值法迭代求解出單樁多層土體的扭轉(zhuǎn)問題。周新軍[7-9]給出了非均勻單層地基中單樁處于彈性、部分塑性和完全塑性的解析解，隨后通過鋁合金管模擬樁基進(jìn)行小比例尺模型試驗(yàn)，研究了單樁在豎向和扭轉(zhuǎn)荷載共同作用下在多層不同土體的特性，試驗(yàn)表明表層土體對(duì)單樁極限承載力貢獻(xiàn)最大，存在扭矩時(shí)樁的豎向極限承載力會(huì)下降，軸力在不同土層分布時(shí)對(duì)樁扭轉(zhuǎn)承載力有正面或負(fù)面的影響。程昊等[8]對(duì)扭轉(zhuǎn)荷載下嵌巖樁的扭轉(zhuǎn)特性進(jìn)行了研究。在群樁扭轉(zhuǎn)方面，劉云云等[10]對(duì)8 個(gè)小比例尺嵌巖樁基礎(chǔ)模型進(jìn)行了試驗(yàn)，荷載包含軸力、彎矩、剪力和扭矩，結(jié)果表明嵌巖樁中單樁轉(zhuǎn)動(dòng)抗扭承載的扭矩占比較小，建議為16%～20%；孔令剛[11-12]等對(duì)1×2、2×2和3×3 的樁基礎(chǔ)在松砂和密砂中進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)離心機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)群樁基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)承載力無明顯的峰值，單樁轉(zhuǎn)動(dòng)抗扭承載的扭矩占比隨著樁基規(guī)模變大而變小，在3×3 的樁基中占比25% 以下，樁基扭轉(zhuǎn)也存在“陰影效應(yīng)”。

結(jié)合上述研究和本工程實(shí)際情況，考慮到水流沖刷，不計(jì)式（1）中的第一項(xiàng)承臺(tái)的貢獻(xiàn)。為研究后兩項(xiàng)占比，通過Midas 建立基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)分析模型。通過線彈簧考慮巖土對(duì)樁基的水平、豎向約束作用，沿樁身施加扭轉(zhuǎn)彈簧考慮巖石對(duì)樁身扭轉(zhuǎn)的約束作用，約束樁底的扭轉(zhuǎn)剛度來考慮巖石對(duì)樁底扭轉(zhuǎn)的約束作用，建立表2 四種模型（模型1、2 樁長(zhǎng)取上游側(cè)承臺(tái)樁長(zhǎng)）。角樁剪力和單樁轉(zhuǎn)動(dòng)抗扭承載的扭矩占比見表3。

表2 樁基礎(chǔ)抗扭分析模型

表3 模型結(jié)果

上述結(jié)果表明，大規(guī)模樁基扭轉(zhuǎn)荷載主要由樁頂水平剪力承載，而單樁轉(zhuǎn)動(dòng)抗扭承載的比例很小，設(shè)計(jì)上可直接按式（1）的第3 項(xiàng)計(jì)算樁頂剪力[見式（2），假設(shè)各樁kDZi一致]，本項(xiàng)目計(jì)算出的角樁剪力為925.2 kN，與模型計(jì)算結(jié)果相差很小。

疊加扭轉(zhuǎn)荷載后，單樁最大剪力和彎矩分別增大了33% 和19%?？梢娕ぞ貙?duì)樁基受力影響較大，設(shè)計(jì)上不應(yīng)忽略。

4 輔助墩、過渡墩設(shè)計(jì)

為與主塔風(fēng)格統(tǒng)一，輔助墩和過渡墩墩身均采用V 型構(gòu)造.輔助墩墩頂設(shè)置系梁，過渡墩設(shè)置蓋梁?；A(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，設(shè)置8 根1.8 m 樁，樁底進(jìn)入中分化粉砂巖2D 以上。

恒載工況下，輔助墩和過渡墩處均存在較大的水平力，為合理分配水平力，在左右幅橋墩頂均設(shè)置低模量彈性體，左右幅橋墩共同承擔(dān)水平力，從而結(jié)構(gòu)受力更合理。

5 基礎(chǔ)施工方案和防船撞措施

水中樁基采用搭設(shè)棧橋和施工平臺(tái)的方法施工，承臺(tái)圍堰采用鎖扣鋼管樁振動(dòng)錘下沉方案，圍堰高度高于20 a 一遇水位，承臺(tái)及塔座均現(xiàn)澆。岸上基礎(chǔ)采用常規(guī)現(xiàn)澆施工方法。

防船撞措施為：在主塔基礎(chǔ)和航跡線之間設(shè)置兩處三樁獨(dú)立基礎(chǔ)防撞墩，防撞系統(tǒng)之間用錨鏈連接，錨鏈上掛浮筒和重力錨。

6 結(jié)語

本文介紹了沱江大橋主橋這一空間非對(duì)稱曲線形獨(dú)塔扭索面斜拉橋的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合此橋型的受力特點(diǎn)，詳細(xì)敘述了基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的思路與過程，可為類似工程的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。另外，對(duì)群樁基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明大規(guī)模群樁基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)荷載主要由樁頂水平力承擔(dān)，樁頂水平力可按文中公式計(jì)算，設(shè)計(jì)上不應(yīng)忽略扭矩對(duì)樁基受力的影響。