李建強(qiáng)，方 聰

[1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092 ；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410011]

1 工程概況

某工程位于珠海市橫琴島西南側(cè)的峽灣內(nèi)，為外海環(huán)境。因處于風(fēng)景旅游區(qū)，景觀要求較高，需采用低橋位設(shè)計(jì)方案。結(jié)合周圍地塊景觀等需求，橋面標(biāo)高定為5.5 m，平均墩高約為5.0 m，海上段橋梁全長2.2 km；橋梁設(shè)計(jì)需要結(jié)合周邊景觀，并體現(xiàn)人與自然協(xié)調(diào)“親水性”，使橋址處橋梁建設(shè)成為集防浪和娛樂觀賞為一體的旅游休閑勝地。

2 建設(shè)條件

2.1 地貌

橋位處為臨海地區(qū)，西側(cè)為磨刀門水道，與南海連通，東側(cè)為大橫琴山，區(qū)域水網(wǎng)較發(fā)育，主要由魚塘、河流、灘涂、少量的蕉林組成。

2.2 氣象

項(xiàng)目場地位于北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。冬夏季風(fēng)交替明顯，終年氣溫較高，偶有陣寒，年、日溫差小；由于受季風(fēng)變化和地形的影響，易遭受臺(tái)風(fēng)襲擊，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)登陸最大風(fēng)力達(dá)12 級(jí)以上。

2.3 水文

項(xiàng)目場地為海灘地貌，地表水主要為海水，擬建場地水深0.60～5.00 m，水位受潮汐影響較大，漲落潮水位變化在1.50～2.50 m。地下水位較高，常年雨量充沛。

2.4 地質(zhì)

工程沿線原始地貌為淺海地貌單元，局部為人工回填形成的陸域，覆蓋層以軟弱土為主，第四紀(jì)地層厚度較大。從地質(zhì)鉆孔揭露，地層自上而下的順序?yàn)椋喝斯ぬ罘e層（Q4ml）、第四系湖塘相淤積層（Q4l）、第四系海相沉積層（Q4m）、第四系海陸交互相沉積層（Q4mc）、殘積層（Q4el）和燕山期侵入花崗巖層（γ52（3））。

項(xiàng)目場址地貌見圖1。

圖1 項(xiàng)目場址地貌

3 結(jié)構(gòu)體系選擇和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合該地區(qū)的地理位置和建設(shè)條件，本工程設(shè)計(jì)重難點(diǎn)為外海環(huán)境下，低橋位條件下需解決波浪對(duì)主梁浮托力以及波浪對(duì)立柱的水平力問題。為解決浮托力以及支座耐久性問題，最終本工程海上段采用了共計(jì)27 聯(lián)預(yù)應(yīng)力墩梁固結(jié)體系。矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋型布置圖見圖2。

圖2 矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋型布置圖（單位：cm）

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

橋梁設(shè)計(jì)荷載：城-A 級(jí)。

設(shè)計(jì)時(shí)速：80 km/h。

橋面寬度：雙幅總寬50 m，單幅23.75 m。

最高潮水位：3.74 m（F=1/100）。

地震基本烈度：地震動(dòng)峰值加速度0.1g，Ⅶ度區(qū)，按照地震烈度Ⅷ構(gòu)造設(shè)防。

浪高：6.0 m（F=1/300）。

單幅橋上下部結(jié)構(gòu)采用墩梁固結(jié)體系，上部結(jié)構(gòu)采用鍋底型箱型斷面，下部采用樁接柱，橋墩邊墩采用?90，中墩采用?120，樁基采用鉆孔灌注樁。矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁橫斷面布置圖見圖3。

圖3 矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于跨徑20 m 的連續(xù)剛構(gòu)體系橋梁，一般可采用鋼結(jié)構(gòu)或者混凝土結(jié)構(gòu)。對(duì)于近海且受波浪力影響的低橋位環(huán)島橋梁設(shè)計(jì)而言，若橋梁主梁采用鋼結(jié)構(gòu)，將產(chǎn)生下列問題：（1）在海水環(huán)境下易腐蝕，防腐措施費(fèi)用較高，若采用耐候鋼則造價(jià)顯著增高；（2）橋梁結(jié)構(gòu)在波浪力作用下疲勞效應(yīng)明顯且因受到波浪上浮力，橋墩和樁基出現(xiàn)了受拉；（3）對(duì)于橋梁長度約2.2 km 的環(huán)島橋梁來說，采用鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)相對(duì)較高；（4）鋼結(jié)構(gòu)后期養(yǎng)護(hù)成本高。由此可見，鋼結(jié)構(gòu)在此工程中不宜采用。

相比之下，混凝土結(jié)構(gòu)因自重大，可減小主梁因受到波浪浮托力致使的橋墩受拉作用，因此適用于本結(jié)構(gòu)，但應(yīng)考慮混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕性問題。耐久性問題可以通過相關(guān)措施解決，本文不作論述。

4.1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于運(yùn)營階段受到波浪力作用的橋梁，其截面設(shè)計(jì)至關(guān)重要，常見的形式有T 梁、小箱梁、有挑臂大箱梁、無挑臂大箱梁等形式。其中的T 字型截面為開口型，T 肋對(duì)迎擊而來的波浪有一定的阻礙，結(jié)構(gòu)形式不利于對(duì)波浪卸力。為此選擇有、無挑臂的大箱梁截面形式進(jìn)行對(duì)比，見圖4。由于橋梁方案梁底標(biāo)高低于最高潮水位，主梁需要承受較大的波浪浮托力，而斜腹板斷面主梁挑臂較大，在波浪力作用下不滿足受力要求。經(jīng)過多次對(duì)比論證，主梁斷面應(yīng)采用流線型斷面，以減小波浪浮托力影響。

圖4 預(yù)應(yīng)力混凝土大箱梁截面

4.2 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于混凝土現(xiàn)澆梁，下部結(jié)構(gòu)可以采用群樁基礎(chǔ)橋墩、排架墩等形式。

分析認(rèn)為，群樁基礎(chǔ)橋墩的剛度較大，在受力方面不能滿足長聯(lián)、邊墩固結(jié)的橋梁方案；同時(shí)群樁基礎(chǔ)施工需要進(jìn)行大范圍的圍堰，而橋址位置處于水中，致使圍堰施工費(fèi)用較高。另外，對(duì)于墩梁固結(jié)剛構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)1 聯(lián)長度和跨徑大小、混凝土收縮和徐變、溫度、預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力、橋樁沉降等變化對(duì)橋墩影響均較大[1]。

由于本項(xiàng)目中橋梁方案采用邊墩固結(jié)形式，從受力方面考慮，橋梁下部結(jié)構(gòu)選擇縱橋向柔度較大的排架墩結(jié)構(gòu)更為合適。

5 波浪力計(jì)算

工程位于磨刀門左側(cè)的凹?xì)雰?nèi)，受橫琴島的保護(hù)。在極端條件下，大萬山站常浪向SE（東南向波浪）、強(qiáng)浪向S（南向波浪）、SW（西南向波浪）等對(duì)工程區(qū)水域有影響。

工程上一般對(duì)實(shí)測水文資料進(jìn)行處理，采用波浪最大波高Hmax、超越概率為4%的波高H4%、超越概率為13%的波高H13%來描述波浪。非工作狀態(tài)、災(zāi)難狀態(tài)分別按照50 a、100 a、300 a 重現(xiàn)期確定[2]。

主要計(jì)算SE、S、SW 這3 個(gè)方向的波浪。其橋位處設(shè)計(jì)波要素見表1（表中H1%表示概率超越1%的波高、H 表示波浪高度、T 表示平均周期、L 表示平均波長）。

表1 橋位處設(shè)計(jì)波要素表

依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015），明確設(shè)計(jì)需考慮波浪力的作用。波浪對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的作用分為2 類：（1）對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的浮托力；（2）對(duì)下部橋墩的水平力。

5.1 浮托力計(jì)算

本文通過對(duì)斜坡上尾部封閉的水平面板波浪力產(chǎn)生的類型、條件和機(jī)理進(jìn)行綜合分析，最終選擇按《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145—2015）來計(jì)算梁底的波浪浮托力。計(jì)算式為：

式中：F1%為累積頻率為1%的波高作用下梁底縱向長度的最大浮托力；γ 為水的重度；x1%為梁底波浪作用寬度；η1%為H1%波高對(duì)應(yīng)的波峰在靜水面以上的高度；Ls為有效波長；h 為靜水面高度；Δh 為梁底在靜水面以上的高度；B 為沿波浪傳播方向的梁底寬度；g 為重力加速度；TS為平均周期；FF為累計(jì)頻率為F 的波高作用下梁底縱向單位長度的最大浮托力；KF為梁底不同累積頻率F 的波浪總浮托力換算系數(shù)；H1%為入射波波高；d 為前沿水深；K1為梁底寬度影響系數(shù)。

5.2 橋墩水平力計(jì)算

波浪對(duì)橋墩的作用力采用莫里森公式計(jì)算。該公式認(rèn)為作用在小直徑樁上的波浪荷載由2 項(xiàng)組成：由水平加速度引起的慣性力、由水平速度引起的阻力。其表達(dá)式為：

式中：P 為柱在某一深度處長度上的波浪力，由慣性力P1和阻力Pd組成；Cm為慣性力系數(shù)；Cd為阻力系數(shù)；r 為柱截面半徑；u 為波浪運(yùn)動(dòng)水平速度。本工程Cm=1.2、Cd=2.0。

將相關(guān)數(shù)值代入式（1）～（7），可得在極端高水位3.74 m 情況下，橋墩截面在3 個(gè)方向的波向參數(shù)、浮托力和水平力，見表2。

表2 各波向參數(shù)以及浮托力和水平力

由表2 可知：（1）主梁浮托力以SW 向最大，達(dá)69.8 kN/m；在W 向風(fēng)浪時(shí)，主梁受到的浮托力最大達(dá)77.2 kN/m。（2）橋墩水平力以SW 向最大，達(dá)126.9 kN/m；在W 向風(fēng)浪時(shí)，橋墩受到的水平力最大達(dá)130.5 kN/m。

6 橋梁結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算

本橋采用國內(nèi)常用的有限元軟件建立空間橋梁結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析，主梁、橋墩、樁基均采用空間梁單元模擬。模型建立需要考慮的因素為：

（1）有限元模擬上部結(jié)構(gòu)箱梁時(shí)，需考慮預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力對(duì)下部橋墩的影響。

（2）樁土效應(yīng)模擬時(shí)，將樁周土的作用看成線彈性土彈簧，采用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）中“m 法”來解決樁基的模擬。

6.1 上部結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算

波浪對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的上浮力與常規(guī)現(xiàn)澆梁所受的荷載不同，不僅要保證無波浪力情況下的結(jié)構(gòu)安全，而且要保證有波浪力情況下的結(jié)構(gòu)安全。為了抵抗波浪上浮力作用，主梁配束除常規(guī)的腹板束以外，還在上下緣配通長鋼束。抵抗上浮力的通長鋼束結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 抵抗上浮力的通長鋼束結(jié)構(gòu)

施工階段，主梁在未考慮波浪力與考慮波浪力情況下的應(yīng)力云圖見圖6。由圖6 可知，在施工階段，考慮波浪力以后，主梁上下緣應(yīng)力變化約0.6 MPa，施工階段應(yīng)力滿足《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 3362—2018）中對(duì)于壓應(yīng)力的要求：

圖6 主梁施工階段正應(yīng)力云圖（單位：MP a）

運(yùn)營階段，主梁在未考慮波浪力與考慮波浪力情況下的應(yīng)力云圖見圖7。由圖7 可知，在運(yùn)營階段，考慮波浪力以后，主梁上下緣應(yīng)力變化約1.5 MPa，頻遇組合下滿足《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》中對(duì)于應(yīng)力σst的要求：

圖7 主梁運(yùn)營階段正應(yīng)力云圖（單位：MP a）

式中：σpc為混凝土截面邊緣預(yù)壓應(yīng)力；σst為混凝土截面邊緣法向拉應(yīng)力；ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

6.2 下部結(jié)構(gòu)安全性驗(yàn)算

波浪對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的影響主要是波浪水平力以及波浪產(chǎn)生的上浮力是否導(dǎo)致橋墩受拉。對(duì)于橋墩受力來說，考慮波浪力工況是最不安全工況，因此本文僅驗(yàn)算波浪力工況下的下部結(jié)構(gòu)安全性。

建立有限元模型，提取出頻遇組合下橋墩立柱與樁基最不利截面位置的內(nèi)力，見表3。

表3 頻遇組合下橋墩立柱和樁基最不利截面位置內(nèi)力匯總

依據(jù)《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》，計(jì)算橋墩立柱和樁基最不利截面裂縫寬度和承載力，結(jié)果見表4。

考慮波浪力作用下，橋墩結(jié)構(gòu)滿足《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》要求。矮墩預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)所呈現(xiàn)出的受力特點(diǎn)有：（1）邊柱最不利截面處裂縫寬度達(dá)到0.134 mm（限值0.150 mm）；中柱全截面受壓，表明在波浪力作用下，橋墩不會(huì)出現(xiàn)受拉狀態(tài)。（2）邊樁最不利截面處裂縫寬度達(dá)到0.102 mm；中樁全截面受壓。（3）邊柱（樁）、次柱（樁）、中柱（樁）在頻遇組合下，結(jié)構(gòu)裂縫寬度由大變小，但均滿足《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》限值（0.150 mm）要求。

7 結(jié)語

（1）對(duì)于橋面標(biāo)高受限且受波浪力影響的環(huán)島橋梁設(shè)計(jì)，須保證橋梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)滿足使用功能。

（2）主梁采用鍋底型斷面、立柱采用圓柱形排架墩，可以有效地解決波浪力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響，為環(huán)島低橋位海上橋梁的設(shè)計(jì)提供了參考。

（3）采用墩梁固結(jié)體系，避免了后期養(yǎng)護(hù)成本。

（4）對(duì)于受波浪力橋梁設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量采取加大梁體自重、縮小跨徑、增加受力鋼筋等措施。

（5）進(jìn)行低橋位環(huán)島跨海橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，需合理設(shè)計(jì)聯(lián)長，邊墩建議采用柔度較大的排架墩。