跨海橋梁下部樁柱設計

張帥鋒

摘要：海域橋梁不僅承受了汽車、溫度、風、地震等陸域橋梁經常受到的作用外，還受到海域復雜的波浪、波流、以及颶風的影響，與陸域橋梁不同，波浪力參與的作用組合，往往控制著海域橋梁下部墩柱設計。本文依托某項目海域橋梁，應用有限元程序建立模型，通過對海域橋梁下部墩柱分析，以供設計人員參考。

關鍵詞：下部墩柱；波浪力

1.橋梁背景

某海域大橋，上部采用等截面單箱單室斜腹板預應力混凝土連續箱梁結構，下部采用墻式墩+現澆承臺+鉆孔灌注樁。墩身尺寸采用4.8mx2.5m（橫橋向x順橋向），實心矩形倒圓角斷面。承臺為矩形，平面尺寸8.4mx8.4m。承臺底設置4根直徑1.8m的鉆孔灌注樁。墩身采用C40混凝土，承臺采用C35混凝土，樁基采用C35水下混凝土。

2計算模型及作用條件

2.1計算模型

橋梁下部結構橋墩采用彈性空間梁單元進行模擬。橋梁基礎采用了用三維梁單元模擬實際的樁基礎，用土彈簧單元模擬樁周圍土抗力的影響。橋梁墩柱的計算模型如右圖。

2.2作用

（1）永久作用

上部恒載作用力19200kN。

（2）可變作用

汽車荷載最大值6100kN，最小值-1320kN。

溫度作用：按照整體升降溫20℃考慮。

風荷載：橋上有車行駛時，按橋面處設計基準風速25m/s計算，極限風速按照40.44 m/s計算。

波浪力：按波浪力專題報告結論取用。

（3）荷載組合

橋墩按照柔性墩進行設計，順橋向水平力和橫橋向風荷載按集成剛度分配法分配，橋墩鉆孔灌注樁按照摩擦樁設計。橋墩及樁基礎按控制斷面內力正常使用狀態和承載能力極限狀態進行配筋和計算。

荷載組合采用以下七中荷載組合：

組合一：永久作用+汽車荷載

組合二：永久作用+汽車荷載+溫度組合+十年一遇順橋向波流力+運營順風

組合三：永久作用+汽車荷載+溫度組合+十年一遇橫橋向波流力+運營橫風

組合四：永久作用+百年順風+溫度組合+百年一遇順橋向波流力

組合五：永久作用+百年橫風+溫度組合+百年一遇順橫橋向波流力

組合六：永久作用+地震荷載（縱向+豎向）

組合七：永久作用+地震荷載（橫向+豎向）

其中，組合一至七采用承載能力極限狀態設計，組合一至五同時采用正常使用極限狀態設計。

2.3計算結果及分析

（1）橋墩：

由于橋梁支座采用了高阻尼減隔震支座，地震荷載經減隔震支座減弱后不控制設計，橋墩墩身在高墩永久作用+汽車荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風時控制設計，此時，墩底設計軸力24900kN，墩底設計彎矩15300kN.m，截面抗壓承載力70579 kN，抗彎承載力41053kN.m，強度滿足要求。抗裂驗算時，短期軸力30573kN，短期彎矩10186kN.m，截面處于全截面受壓狀態，結構抗裂滿足要求。

（2）樁基

橋墩樁基在永久作用+汽車荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風時控制設計，此時，樁基設計軸力2800kN，樁基最大設計彎矩6500kN.m，截面抗壓承載力3540 kN，抗彎承載力8100 kN.m，強度滿足要求。抗裂驗算時，短期軸力3500kN，短期彎矩5059kN.m，最大裂縫寬度0.15mm，結構抗裂滿足要求。

由于橋墩采用了群樁基礎，同時采用了高阻尼減隔震支座，樁基礎處受力最為不利，此時波浪力組合成為了控制橋墩設計的主要因素。在承臺與海底沖刷線之間，樁基彎矩存在反彎點，位于露出海底以上樁基1/2處以上，反彎點以上樁基以與承臺相接處最為不利。反彎點以下，在海底沖刷線以下約6m處，出現樁基反向最大彎矩。二處最不利荷載組合均為永久作用+汽車荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風控制。

3.基本結論

本文通過對某海域大橋下部墩柱計算，顯示了在海域，波浪力的組合為控制橋梁墩設計，這些組合中，以永久作用+汽車荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風組合最為不利。

需要指出的是，計算中的波浪力采用了單樁最大力加載在作用位置上，而在實際中，波浪力大小受波浪波長周期的影響，同時也受橋墩尺寸的影響，橋墩尺寸越大，波浪力越大，墩柱截面形式的變化，也會導致波浪力的變化。波浪作用于墩柱時，波浪力在墩柱垂直深度上的分布規律是，從波浪與墩柱接觸面向下沿著墩柱底部逐漸減小，在距離墩底某個深度后波浪力趨向于零，波浪力從最大值到零的這個深度較小，只占整個墩柱的長度較小的部分。計算采用的簡化方法雖可滿足要求，但在可能時，應采用更符合實際的波浪力模型加載。

參考文獻：

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[2]《公路橋涵地基與基礎設計規范》JTG D63-2007；

[3]《橋墩基礎上波流力研究》.第十二屆中國海岸工程學術討論會論文集，2005，10蘭雅梅，劉樺，薛雷平.