蔡夢非，顧民杰，吳萬忠，夏睿杰

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

清水塘大橋位于湖南省株洲市，主橋上跨湘江，湘江水位漲落差大、泄洪需求高，且橋位緊鄰工業(yè)碼頭，通航等級高且航線復(fù)雜，對大橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計提出較高的要求，合理的基礎(chǔ)形式、合適的標(biāo)高、以及統(tǒng)籌考慮施工過程的構(gòu)造設(shè)計，可以有效降低工程造價、減小施工難度、減少對周邊環(huán)境的影響。

1 工程概況

株洲清水塘大橋跨湘江主橋采用L=100+408+100 m的雙層鋼桁架拱橋，三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，拱腳墩頂設(shè)置球鋼支座，上層橋面寬32 m，車行道凈寬24.5，雙向6車道；下層布置慢行人非道，吊桿區(qū)凈寬10 m。湘江設(shè)計通航標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ（3）級航道（2 000噸級船舶），最高通航水位41.96 m，通航凈高10 m，通航寬度包含碼頭水域和通航水域，總寬不小于377 m。湘江三百年一遇設(shè)計水位44.51 m，低水位30.0 m，主航道河床底標(biāo)高22~24 m，河漫灘標(biāo)高30~40 m，如圖1。

圖1 清水塘大橋立面布置（單位：m）

2 下部結(jié)構(gòu)方案比選

2.1 工程地質(zhì)

擬建橋位出露的巖性為紅砂巖，組成巖性為粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖或粉砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層，中細(xì)砂巖及砂礫巖多以夾層的型式存在，其中風(fēng)化帶在河床區(qū)域直接出露，巖石結(jié)構(gòu)及層理清晰，巖質(zhì)較新鮮，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性較好，巖芯鉆采芯率較高，巖芯呈柱狀。土、石類別為軟石，土、石等級為IV級。層頂高程為18.37~45.89 m，厚度為21.50~37.00 m。中風(fēng)化紅砂巖天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值9 MPa。

2.2 主橋下部結(jié)構(gòu)方案比選

2.2.1 橋墩基礎(chǔ)沖刷與基礎(chǔ)形式選擇

根據(jù)本橋總體設(shè)計，主橋主墩、邊墩和水中引橋橋墩位于湘江河道內(nèi)，河床中風(fēng)化巖層露出，可作為橋梁基礎(chǔ)的持力層，橋墩基礎(chǔ)可以選擇擴(kuò)大基礎(chǔ)形式，同時該巖層抗壓強(qiáng)度較低，根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗，也可采用樁基礎(chǔ)形式?？紤]到湘江流域泄洪需求高、泄洪流量較大、汛期含沙量高等特點(diǎn)，按照《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30—2015）對擴(kuò)大基礎(chǔ)橋墩沖刷深度進(jìn)行初步估算，水利參數(shù)如下：

（1）本工程設(shè)計河床底標(biāo)高24 m，設(shè)計常水位標(biāo)高35.0 m，設(shè)計洪水位標(biāo)高43.51 m。

（2）設(shè)計流速V0：2 m/s。

（3）頻率為P%的設(shè)計流量Qp：P=1%，23 900 m3/s。

（4）多年平均含沙量：0.09 kg/m3，汛期含沙量ρ=0.62 kg/m3。

主墩沖刷后最大水深約20 m，沖刷深度至現(xiàn)狀河床底約10 m，沖刷深度較深，若采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，會對基礎(chǔ)穩(wěn)定有較大風(fēng)險，因此水中橋墩采用樁基礎(chǔ)。

2.2.2 橋墩基礎(chǔ)埋深比選

根據(jù)株洲水文站觀測資料，湘江每年3—7月為豐水期，多發(fā)生洪水，10—12月為枯水期，全年水位高差超過10 m。設(shè)計時對低樁承臺和高樁承臺方案進(jìn)行了比較。

低樁方案優(yōu)點(diǎn)：

承臺與樁基低于低水位，水位漲落不影響橋梁景觀。施工時由鋼圍堰控制施工條件，受水位漲落影響小。

低樁方案缺點(diǎn)：

施工需采用鋼圍堰、承臺封底混凝土，措施費(fèi)用較高[1]。

高樁方案優(yōu)點(diǎn)：

在河床地形復(fù)雜區(qū)域具有優(yōu)勢，橋梁下部整體施工措施費(fèi)用較低，鋼護(hù)筒樁基施工工藝成熟。

高樁方案缺點(diǎn)：

承臺位置較高，受船舶撞擊或在地震作用下對樁基不利。施工過程受水位影響較大[2]，尤其承臺施工措施較為復(fù)雜。

可見兩種承臺標(biāo)高方案各有優(yōu)劣，但本工程從總投資規(guī)模和經(jīng)濟(jì)效益考慮，主橋僅跨越通航水域，仍有部分引橋布置于水中，共有7個橋墩處于泄洪過水?dāng)嗝嬷?。根?jù)橋位處水利規(guī)劃，本工程實施前百年一遇過水?dāng)嗝婧拥缹?35 m、面積14 712 m2，經(jīng)計算高承臺布置阻水率5.2%；低承臺布置阻水率3.7%。

按照《湖南省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定》的規(guī)定，長株潭城區(qū)阻水率不大于3.5%，湘江干流城市段不大于5%，綜合考慮阻水率、船舶碰撞和施工工藝等因素，最終設(shè)計選擇將水中橋墩承臺埋入現(xiàn)狀河床底?，F(xiàn)場需對現(xiàn)狀河床爆破開挖后，采用鋼圍堰施工下部結(jié)構(gòu)。

2.3 主墩鋼圍堰方案

主墩采用矩形雙壁無底鋼圍堰圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使承臺橋墩處于干作業(yè)環(huán)境進(jìn)行施工。通過查閱并統(tǒng)計橋位處近十年的水位，高于36 m的比率僅占0.81%，鋼圍堰頂標(biāo)高設(shè)計值取37 m，底標(biāo)高與封底混凝土底齊平，總高20 m，共分為4節(jié)。

圍堰壁厚1.5 m，在承臺間預(yù)留1 m施工空間，內(nèi)壁和外壁板厚均為8 mm，并設(shè)置水平對撐、水平斜撐、水平圍檁、豎梁等加勁措施。

3 下部結(jié)構(gòu)防撞設(shè)計

3.1 船舶撞擊作用計算方法比較

綜合考慮擬建橋梁所在航段船舶通航實際狀況、船型規(guī)劃情況及港口規(guī)劃和航道發(fā)展規(guī)劃等，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014）本工程船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)及防撞方案研究的通航代表船型如表1所示。

表1 通航代表船型尺度表

船舶撞擊力的計算方法包括經(jīng)驗公式計算法、動力數(shù)值模擬法、有限元瞬態(tài)動力分析法，本工程通過對國內(nèi)外規(guī)范經(jīng)驗值的比較，并參考本工程船撞專題研究中有限元方法計算的結(jié)果如表2所示，最終確定合理的撞擊力設(shè)計值。

表2 設(shè)計船舶撞擊力取值比較

可見，AASHTO規(guī)范的設(shè)計值最接近有限元方法模擬得到的結(jié)果，可以作為工程設(shè)計的近似估算方法。但是，AASHTO規(guī)范的經(jīng)驗公式只規(guī)定了橫橋向設(shè)計值，縱橋向設(shè)計值可根據(jù)《公規(guī)》經(jīng)驗值規(guī)律和《鐵規(guī)》經(jīng)驗公式的計算結(jié)果，取橫橋向設(shè)計值的0.5~0.8倍。

3.2 橋墩構(gòu)造措施

由于湘江水位的大幅漲落差，并且因阻水率將承臺埋入河床底，導(dǎo)致水中橋墩立柱高度較高，在船舶撞擊作用時，雖然主橋邊墩和引橋橋墩在柱頂設(shè)置系梁形成了框架結(jié)構(gòu)，但在橫橋向巨大的撞擊作用下柱底仍會產(chǎn)生較大彎矩設(shè)計值，此外在順橋向作用下，根據(jù)橋墩的空間桿系有限元模型分析結(jié)果顯示，被撞擊的單根立柱要承擔(dān)70%的作用，相鄰立柱只能分擔(dān)30%，僅按上述常規(guī)構(gòu)造設(shè)計的立柱底兩個方向彎矩值都會超過截面承載力設(shè)計值。

如圖2所示，本工程在兩立柱底部之間設(shè)置了橫向連墻，連墻頂標(biāo)高略高于低水位但低于常水位，不影響橋梁景觀；連墻順橋向?qū)挾刃∮诹⒅鶎挾?，不影響阻水率；但連墻的設(shè)置大幅增加了橋墩橫橋向的框架剛度，也有效減小了立柱的計算高度，使得撞擊作用下柱身和柱底內(nèi)力都明顯改善，如圖3所示，在橫向撞擊力16 400 kN作用下，柱底最大彎矩由92 475 kN/m減小至59 586 kN/m。

圖2 主橋邊墩構(gòu)造橫橋向立面（單位：mm）

圖3 橫橋向撞擊作用下主橋邊墩柱底彎矩值對比（單位：kN/m）

3.3 主橋防撞系統(tǒng)

主橋防撞系統(tǒng)包含主動防撞（技術(shù)防撞）和被動防撞（物理防撞）。主動防撞由監(jiān)控中心、業(yè)務(wù)現(xiàn)場及應(yīng)急中心三部分組成預(yù)警與碰撞取證系統(tǒng)，系統(tǒng)對過往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實施有效監(jiān)控，防止船撞橋事件的發(fā)生。

3 000 t級船舶船舶撞擊主墩最危險的情況為壓載最高通航水位撞擊和滿載最低通航水位撞擊。主墩可能遭受船舶撞擊的部位為墩身，整體的撞擊范圍為26.00~49.96 m。

根據(jù)橋位處水位變化和橋墩自身結(jié)構(gòu)，被動防撞建議主墩采用浮式釋能附體防撞設(shè)施，由鋼板組成，內(nèi)部通過型材、板材、肘板等組成骨架，內(nèi)外部通過焊接形成一個整體附著在橋墩外側(cè)，并填充吸能材料。防撞設(shè)施的保護(hù)機(jī)理是通過釋能附體自身的結(jié)構(gòu)變形屈曲和壓潰等來吸收船舶撞擊能量，同時改變船撞力的分布，以起到緩沖和消能的作用，以最大限度的減少橋墩、船舶和防撞設(shè)施的損傷。

其他水中引橋橋墩自身結(jié)構(gòu)抗撞能力較低，且處于非通航水域，可采用浮體系泊攔截體系進(jìn)行攔截，由浮體、攔截索、攔截錨鏈、錨碇沉塊等組成，可隨水位上下浮動，以阻止失控船舶的撞擊。

4 主墩構(gòu)造設(shè)計

4.1 主墩構(gòu)造

清水塘大橋主橋主墩根據(jù)橋梁景觀和總體計算采用實體空心墻式墩，如圖4所示，橋墩平面呈啞鈴形，迎水面采用圓形設(shè)計，順橋向?qū)? m，橫橋向長34.4 m，總高21 m，標(biāo)準(zhǔn)墩壁厚1 m，頂部支座平臺設(shè)防浪濺構(gòu)造和泄水孔。主墩承臺尺寸為13.6 m×41.1 m，厚度4 m，樁基嵌入基巖，采用大直徑鉆孔樁。

圖4 主橋主墩構(gòu)造（單位：mm）

4.2 主墩與承臺有限元模型

主墩樁基根數(shù)、布置和樁徑的選擇與上部支反力在橋墩中的傳力機(jī)理密切相關(guān)，因此將整個主墩與承臺建立實體有限元模型，分析比較在標(biāo)準(zhǔn)組合工況豎向支反力作用下，兩種不同樁基布置的樁頂反力情況，一種為樁基平面均勻布置，另一種為樁基集中布置于支座下方區(qū)域。模型基本參數(shù)如下：

（1）混凝土彈性模量32 500 MPa，容重25 kN/m3；

（2）建模樁長1 m，樁底平面按固結(jié)約束；

（3）單個支座豎向力85 000 kN。

4.3 計算結(jié)果與樁基比選

通過對計算結(jié)果主墩立剖面豎向應(yīng)力的比較（見圖5），雖然本橋主墩較高，但支反力經(jīng)墩身傳遞后仍集中作用于支座整下方區(qū)域，支座正下方樁頂中心豎向壓應(yīng)力5.4 MPa、中間樁3.7 MPa。綜合考慮到施工過程中承臺需單獨(dú)承受橋墩恒載，同時樁基在鋼圍堰抗浮設(shè)計中發(fā)揮有利作用[3]（見表3），結(jié)合嵌巖樁單樁承載力及樁身承載力，最終確定主墩采用20根2.2 m鉆孔樁，樁基集中布置于支座正下方區(qū)域，左右各9根，承臺中心設(shè)置2根，支座正下方樁頂中心豎向壓應(yīng)力4.8 MPa、中間樁4.6 MPa。

圖5 主墩立剖面豎向應(yīng)力對比（單位：MP a）

表3 主墩鋼圍堰抗浮安全系數(shù)比較

4.4 橋墩構(gòu)造與施工措施

主橋施工擬在主橋三角區(qū)支架安裝后，進(jìn)行拱肋、邊跨鋼桁架吊裝，邊墩采取臨時預(yù)降，北岸桁架梁主墩支座往主跨預(yù)偏600 mm[4]。在后續(xù)施工流程吊裝拱肋時，逐步在梁端進(jìn)行配重[5]。針對這兩項關(guān)鍵施工工藝，主墩支座平臺設(shè)置局部擴(kuò)頭構(gòu)造，預(yù)留施工過程中支座的順橋向滑動預(yù)偏值和施工設(shè)備操作空間。邊墩系梁端部作局部加強(qiáng)處理，可供施工過程中作為張拉錨點(diǎn)傳遞臨時壓重。

在施工圖設(shè)計階段充分考慮施工臨時措施、鋼圍堰等主要施工工藝，在永久結(jié)構(gòu)設(shè)計中作適當(dāng)處理，可以進(jìn)一步提高工程全過程的經(jīng)濟(jì)性并降低實施過程中的風(fēng)險[6]。

5 結(jié) 語

通過對清水塘大橋主橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的介紹，為今后類似特大跨徑橋梁設(shè)計中總結(jié)了如下經(jīng)驗：

（1）水位落差較大時，水中橋墩設(shè)計應(yīng)綜合考慮基礎(chǔ)沖刷、阻水率、橋梁景觀、施工方法等限制要求，建議將承臺埋入河床底，并可在洪水位以上豐富外形設(shè)計，減少對泄洪的影響；

（2）三級及以上等級的內(nèi)河航道船舶撞擊作用設(shè)計值《公規(guī)》并未給出，可參考AASHTO規(guī)范中的計算方法確定順橋向撞擊力，橫橋向撞擊力可根據(jù)規(guī)范經(jīng)驗折減取值；

（3）大噸位支座反力在橋墩中并不一定均勻擴(kuò)散至承臺底，樁基布置方案應(yīng)根據(jù)傳力路徑合理選取。此外橋墩構(gòu)造細(xì)節(jié)應(yīng)充分考慮特大橋的施工過程，永久構(gòu)造若能為施工臨時措施提供便利將進(jìn)一步提高全過程的經(jīng)濟(jì)性。