株洲清水塘大橋雙層鋼桁拱橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蔡夢(mèng)非，顧民杰，吳萬(wàn)忠，夏睿杰

[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]

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(jí)高且航線復(fù)雜，對(duì)大橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)程的構(gòu)造設(shè)計(jì)，可以有效降低工程造價(jià)、減小施工難度、減少對(duì)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(jì)通航標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ（3）級(jí)航道（2 000噸級(jí)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(jì)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?shī)A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(jí)為IV級(jí)。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(jì)，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(shí)該巖層抗壓強(qiáng)度較低，根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，也可采用樁基礎(chǔ)形式。考慮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(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2015）對(duì)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(jì)河床底標(biāo)高24 m，設(shè)計(jì)常水位標(biāo)高35.0 m，設(shè)計(jì)洪水位標(biāo)高43.51 m。

（2）設(shè)計(jì)流速V0：2 m/s。

（3）頻率為P%的設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)基礎(chǔ)穩(wěn)定有較大風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)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(guò)10 m。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)低樁承臺(tái)和高樁承臺(tái)方案進(jìn)行了比較。

低樁方案優(yōu)點(diǎn)：

承臺(tái)與樁基低于低水位，水位漲落不影響橋梁景觀。施工時(shí)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(tái)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(shì)，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(tái)位置較高，受船舶撞擊或在地震作用下對(duì)樁基不利。施工過(guò)程受水位影響較大[2]，尤其承臺(tái)施工措施較為復(fù)雜。

可見(jiàn)兩種承臺(tái)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(gè)橋墩處于泄洪過(guò)水?dāng)嗝嬷小８鶕?jù)橋位處水利規(guī)劃，本工程實(shí)施前百年一遇過(guò)水?dāng)嗝婧拥缹?35 m、面積14 712 m2，經(jīng)計(jì)算高承臺(tái)布置阻水率5.2%；低承臺(tái)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(zhǎng)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(jì)選擇將水中橋墩承臺(tái)埋入現(xiàn)狀河床底。現(xiàn)場(chǎng)需對(duì)現(xiàn)狀河床爆破開(kāi)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(wú)底鋼圍堰圍護(hù)結(jié)構(gòu)，使承臺(tái)橋墩處于干作業(yè)環(huán)境進(jìn)行施工。通過(guò)查閱并統(tǒng)計(jì)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(jì)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(tái)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(duì)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(jì)

3.1 船舶撞擊作用計(jì)算方法比較

綜合考慮擬建橋梁所在航段船舶通航實(shí)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(jì)算方法包括經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法、動(dòng)力數(shù)值模擬法、有限元瞬態(tài)動(dòng)力分析法，本工程通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值的比較，并參考本工程船撞專題研究中有限元方法計(jì)算的結(jié)果如表2所示，最終確定合理的撞擊力設(shè)計(jì)值。

表2 設(shè)計(jì)船舶撞擊力取值比較

可見(jiàn)，AASHTO規(guī)范的設(shè)計(jì)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(jì)的近似估算方法。但是，AASHTO規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式只規(guī)定了橫橋向設(shè)計(jì)值，縱橋向設(shè)計(jì)值可根據(jù)《公規(guī)》經(jīng)驗(yàn)值規(guī)律和《鐵規(guī)》經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果，取橫橋向設(shè)計(jì)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(tái)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(shí)，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(huì)產(chǎn)生較大彎矩設(shè)計(jì)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(jì)的立柱底兩個(gè)方向彎矩值都會(huì)超過(guò)截面承載力設(shè)計(jì)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鶎挾龋挥绊懽杷剩坏B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(jì)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(duì)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(dòng)防撞（技術(shù)防撞）和被動(dòng)防撞（物理防撞）。主動(dòng)防撞由監(jiān)控中心、業(yè)務(wù)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)過(guò)往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實(shí)施有效監(jiān)控，防止船撞橋事件的發(fā)生。

3 000 t級(jí)船舶船舶撞擊主墩最危險(xiǎn)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(dòng)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(guò)型材、板材、肘板等組成骨架，內(nèi)外部通過(guò)焊接形成一個(gè)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(guò)釋能附體自身的結(jié)構(gòu)變形屈曲和壓潰等來(lái)吸收船舶撞擊能量，同時(shí)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(dòng)，以阻止失控船舶的撞擊。

4 主墩構(gòu)造設(shè)計(jì)

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(jì)算采用實(shí)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(jì)，順橋向?qū)? m，橫橋向長(zhǎng)34.4 m，總高21 m，標(biāo)準(zhǔn)墩壁厚1 m，頂部支座平臺(tái)設(shè)防浪濺構(gòu)造和泄水孔。主墩承臺(tái)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(tái)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(gè)主墩與承臺(tái)建立實(shí)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(zhǎng)1 m，樁底平面按固結(jié)約束；

（3）單個(gè)支座豎向力85 000 kN。

4.3 計(jì)算結(jié)果與樁基比選

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果主墩立剖面豎向應(yīng)力的比較（見(jiàn)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(guò)程中承臺(tái)需單獨(dú)承受橋墩恒載，同時(shí)樁基在鋼圍堰抗浮設(shè)計(jì)中發(fā)揮有利作用[3]（見(jiàn)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(tái)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(duì)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(shí)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(shí)，逐步在梁端進(jìn)行配重[5]。針對(duì)這兩項(xiàng)關(guān)鍵施工工藝，主墩支座平臺(tái)設(shè)置局部擴(kuò)頭構(gòu)造，預(yù)留施工過(guò)程中支座的順橋向滑動(dòng)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(guò)程中作為張拉錨點(diǎn)傳遞臨時(shí)壓重。

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

5 結(jié) 語(yǔ)

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

（1）水位落差較大時(shí)，水中橋墩設(shè)計(jì)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(tái)埋入河床底，并可在洪水位以上豐富外形設(shè)計(jì)，減少對(duì)泄洪的影響；

（2）三級(jí)及以上等級(jí)的內(nèi)河航道船舶撞擊作用設(shè)計(jì)值《公規(guī)》并未給出，可參考AASHTO規(guī)范中的計(jì)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(yàn)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(tái)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(guò)程，永久構(gòu)造若能為施工臨時(shí)措施提供便利將進(jìn)一步提高全過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。