深水庫區大跨徑連續剛構橋梁主墩基礎設計

蔣建軍

(四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司， 四川成都 610041)

深水庫區的水位漲落大，對橋梁基礎施工帶來極大困難。合理的橋墩基礎設計可減小施工難度，降低施工措施費。庫區內大跨徑連續剛構橋梁的主墩基礎體積大，樁基數量多，低樁承臺與高樁承臺方案的比選，以及承臺高程的合理確定均需要進行技術經濟論證。高樁承臺橋墩的抗震性能及抗船撞能力是否滿足要求，需要進行詳細分析計算。

1 工程概況

宣漢龔家明月壩后河大橋位于宣漢縣后河江口電站庫區航道內，通航等級為Ⅶ級。大橋跨越后河，橋位處河面寬約200 m，水深一般為10～30 m，最大水深約為40 m。江口電站正常蓄水位330.00 m，設計洪水位H1/100=330.62 m[1]。

大橋孔跨布置為4×30 mT梁+(72 m+130 m+72 m)連續剛構+4×30 mT梁，主橋長274 m，引橋長254 m，全橋長528 m[1]，主橋立向布置見圖1。

圖1 主橋立面布置(單位：cm)

主橋采用整幅設計，橋面寬21 m。主墩采用雙薄壁墩，寬13 m，壁厚2 m，凈距4 m，圓端型。主墩基礎型式為承臺+群樁基礎。承臺尺寸為寬17 m、長15 m、高4.6 m，每個承臺底下設置9根直徑2.2 m鉆孔樁，樁基順橋向間距為5 m，橫橋向間距為6 m，主墩基礎布置見圖2。

圖2 主墩基礎立面布置(單位：cm)

大橋建成通車后現場照片見圖3。

圖3 大橋通車后照片

2 主墩承臺底面標高合理取值分析

江口湖由江口電站蓄水形成。從2000～2007年，每年4～10月，由于排洪和發電需要，江口湖水位落差較大，單月最大落差達15.84 m，全年平均落差為5.42 m。

針對江口湖庫區單月水位落差較大的情況，基礎型式和承臺底面高程的確定對施工組織方案、工期及造價影響非常大。設計時對低樁承臺方案和高樁承臺方案進行了比較。低樁承臺方案，就是將承臺底面設置在河床面以下。高樁承臺方案，就是將承臺大部分露出水面，樁基一部分位于巖土中，另外一部分位于水中。

2.1 低樁承臺方案的優點

(1)承臺和樁基常年均在水面以下，橋梁景觀不受水位漲落影響。

(2)施工時，按照最高水位控制鋼圍堰頂面高程，樁基、承臺和墩柱施工受水位漲落影響較小。

(3)橋墩剛度一致,有利于抗震設計。

2.2 低樁承臺方案的缺點

(1)必須設置高約26 m的雙壁鋼圍堰，基礎施工措施費高。

(2)位于斜坡位置的主墩處，鋼圍堰底部難以全部嵌入基巖，圍堰止水防漏技術復雜。

(3)橋墩位于水中，受船撞的風險高，且容易出現撞擊損傷。

2.3 高樁承臺方案的優點

(1)樁基礎施工僅需要搭設棧橋和鉆孔平臺，承臺施工時設置鋼吊箱，施工措施費低。

(2)基礎施工工藝成熟，斜坡地段樁基施工時，鋼護筒防漏漿較好處理。

(3)承臺剛度大，抗船撞能力強，且通過對承臺尺寸的優化可以降低船只與承臺的損傷程度。

2.4 高樁承臺方案的缺點

(1)樁基和承臺位于水位波動區域，存在樁基外露的問題，當水位較低時影響橋梁景觀。

(2)承臺施工受水位影響大，若水位較低，則可以在支架上鋪設預制封底混凝土板后干處澆筑承臺；若水位較高，則必須采用鋼吊箱施工承臺。

(3)大體積承臺位置高，其集中質量在地震作用下產生較大的慣性力，對樁基、墩柱的抗震不利，適用于地震烈度不高的地區。

通過對兩個方案的優缺點進行綜合比較，最終選擇了高樁承臺方案。通過對庫區水位進行調查分析，江口湖庫區一般在3～5月時水位最低，是承臺施工的最佳時機。承臺底面高程的確定需要采用概率分析的理論，確保承臺底部在3～5月位于水面以上的概率不低于80 %，這樣既能減小鋼吊箱的高度，節約造價，又能兼顧橋梁景觀。

3 主墩抗震計算

橋位區新構造運動現活動微弱，無災害地震記載。據GB 18036-2015《中國地震動參數區劃圖》，本區地震動峰值加速度為0.05g，地震反應譜特征周期為0.35 s，地震基本烈度為Ⅵ度，屬基本穩定區域。由于樁基、承臺和部分墩柱位于水中，開裂后修復處理困難，因此該橋的抗震設計提出了更高要求，即在罕遇地震(50年超越概率2 %)作用下，樁基和墩柱保持彈性不能出現塑性鉸。

該橋抗震計算的關鍵問題在于如何考慮墩—水耦聯振動問題。現有研究表明，地震作用下水中結構的運動會引起結構周圍水體的輻射波浪運動。由于結構與水的相對運動，水會在結構水下部分作用有動水壓力作用。該動水壓力不僅會改變結構的動力特性，還會影響結構的動力響應。深水橋墩在水中震動引起的動水附加慣性力可能會對下部結構乃至全橋的動力特性和內力反應產生較大的影響。JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》給出了地震時作用于橋墩上的地震動水壓力計算 ，并按水深h和橋墩寬度b的比值分為3個區域。

墩—水耦聯振動的本質為液固耦合問題，現有液固耦合問題的解決方法主要有解析法、數值分析法和混合分析法。目前比較可行的辦法是采用混合分析法，也稱等效附加質量法，即建立無水情況下的全橋結構有限元分析模型，然后得到各橋墩水下部分的地震動水力的解析解表達式，最后將該動水力的解析式代入全橋有限元模型進行全橋的有水動力響應分析。本橋采用等效附加質量法來考慮動水作用。承臺和墩柱迎水面為矩形，在縱橋向和橫橋向不同，因此等效附加質量在兩個方向上是有差異的。橋梁抗震計算采用Midas Civil空間有限元程序，樁基、墩柱、主梁均采用梁單元。樁基采用土彈簧約束，其剛度由“m”法計算，非巖石地基水平力抗力系數的比例系數m根據地勘資料和JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》取值，并考慮動力效應擴大2～3倍[2]。考慮動水壓力時，樁基等效附加質量在縱橋向和橫橋向每米各設置一個；墩柱和承臺的等效附加質量設置在其高度的一半處。空間計算模型見圖4。

圖4 橋梁抗震計算模型

表1給出了是否考慮墩—水耦聯振動對結構振型的影響。

從表1可以看出，考慮墩—水耦聯振動，使得相同振型的自振周期適當延長。

以6號主墩為例，表2給出了采用反應譜法計算的地震作用下是否考慮墩—水耦聯振動對墩柱和樁基內力的影響。

從表2可以看出，對于高樁承臺，當墩柱只有很小一部分位于水中時，地震作用下墩底內力會有所減小，其原因在于結構自振周期延長，導致上部結構地震力的減小；樁基彎矩有所增加，但幅度有限。等效附加質量相對體積龐大的上部結構而言非常微小，因此其對地震力的貢獻也有限，但是動水壓力對結構抗震不利，抗震計算時需要考慮。

表1 是否考慮墩—水耦聯振動對結構振型的影響

表2 地震作用下是否考慮墩—水耦聯振動對墩柱和樁基內力的影響

4 主墩抗船撞計算

宣漢龔家明月壩后河大橋的通航凈空尺度要求為：凈寬32 m、凈高4.5 m、上底寬27 m、側高2.8 m。通航等級為Ⅶ級，對應橫橋向撞擊力標準值為150 kN，順橋向船舶撞擊力標準值為125 kN。橋位所在區段的現狀船只主要有運砂船、機動客船、快艇、手搖船，船舶噸位最大為50 t。為了安全起見，船舶撞擊力采用規范標準值，撞擊位置分別取墩柱、樁基進行計算。撞擊力采用集中力，作用位置分別為承臺頂面以上4.6 m(約為正常蓄水位以上2 m)和承臺底面以下4.0 m。船撞墩柱時，在橫橋向撞擊力作用下，墩柱的最大剪力為75 kN，最大彎矩為1 712 kN·m；在順橋向撞擊力作用下，墩柱的最大剪力為100 kN，最大彎矩為329 kN·m。船舶撞擊時，在橫橋向撞擊力作用下，樁基的最大剪力為131 kN，最大彎矩為230 kN·m；在順橋向撞擊力作用下，樁基的最大剪力為107 kN，最大彎矩為209 kN·m。就墩柱而言，船撞墩柱時，船撞產生的剪力遠小于其他作用產生剪力，但橫向撞擊產生的彎矩較大；就樁基而言，船撞墩柱時，對樁基產生的剪力很小，但產生的彎矩不可忽視；船撞樁基時，對樁基產生的剪力和彎矩與其他作用相比，數量相當，不可忽視。經驗算，本橋在船撞力作用下，墩柱和墩基均可保持彈性。

在防船撞設計時，應重點關注如何減輕船撞橋造成的損傷，做好橋梁船撞防護系統[3]，采取的技術措施有：

(1)首先，保留樁基施工鉆孔平臺的鋼管樁，防止船舶直接撞擊樁基。

(2)適當加厚樁基鋼護筒鋼板厚度，防撞船撞時傷及樁基混凝土。

(3)加大承臺尺寸，防止船舶直接撞擊墩柱。

(4)對承臺四周進行倒圓處理、上部1.5 m高范圍四周做成斜坡狀并倒圓，加大船撞時接觸面積，減小局部集中受力。

(5)承臺四周設置粘滯性耗能防撞圈。

5 指導性施工組織方案

主墩高樁承臺+群樁基礎施工的主要步驟為：

(1)插打鋼管樁，搭設棧橋和鉆孔平臺，要求鉆孔平臺頂面位于正常蓄水位以上至少1 m。

(2)插打樁基鋼護筒，定位，采用沖擊鉆沖孔。

(3)澆筑樁基水下混凝土。

(4)鋼吊箱逐節下放，澆筑水下封底混凝土，然后綁扎承臺鋼筋，干處澆筑承臺混凝土。

6 結束語

在滿足通航和行洪要求的條件下，深水庫區大跨徑連續剛構橋的主墩基礎采用高樁承臺方案可以節約造價、縮短工期。進行橋梁抗震計算時，對于高樁承臺基礎，應考慮墩—水耦聯振動對墩柱和樁基內力的影響。橋梁抗船撞計算表明：船撞對樁基受力不利，且對樁基產生的剪力和彎矩與其他作用相比，數量相當，不可忽視；應做好防船撞保護措施，減輕船撞橋造成的損傷。