株洲清水塘大橋雙層鋼桁拱橋下部結構設計

蔡夢非，顧民杰，吳萬忠，夏睿杰

[上海市政工程設計研究總院（集團）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，且橋位緊鄰工業碼頭，通航等級高且航線復雜，對大橋下部結構設計提出較高的要求，合理的基礎形式、合適的標高、以及統籌考慮施工過程的構造設計，可以有效降低工程造價、減小施工難度、減少對周邊環境的影響。

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，三跨連續結構，拱腳墩頂設置球鋼支座，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，吊桿區凈寬10 m。湘江設計通航標準為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。湘江三百年一遇設計水位44.51 m，低水位30.0 m，主航道河床底標高22~24 m，河漫灘標高30~40 m，如圖1。

圖1 清水塘大橋立面布置（單位：m）

2 下部結構方案比選

2.1 工程地質

擬建橋位出露的巖性為紅砂巖，組成巖性為粉砂巖夾泥質粉砂巖或粉砂巖與泥質粉砂巖互層，中細砂巖及砂礫巖多以夾層的型式存在，其中風化帶在河床區域直接出露，巖石結構及層理清晰，巖質較新鮮，節理裂隙較發育，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。中風化紅砂巖天然濕度單軸抗壓強度標準值9 MPa。

2.2 主橋下部結構方案比選

2.2.1 橋墩基礎沖刷與基礎形式選擇

根據本橋總體設計，主橋主墩、邊墩和水中引橋橋墩位于湘江河道內，河床中風化巖層露出，可作為橋梁基礎的持力層，橋墩基礎可以選擇擴大基礎形式，同時該巖層抗壓強度較低，根據當地工程經驗，也可采用樁基礎形式。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，按照《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）對擴大基礎橋墩沖刷深度進行初步估算，水利參數如下：

（1）本工程設計河床底標高24 m，設計常水位標高35.0 m，設計洪水位標高43.51 m。

（2）設計流速V0：2 m/s。

（3）頻率為P%的設計流量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，沖刷深度至現狀河床底約10 m，沖刷深度較深，若采用擴大基礎，會對基礎穩定有較大風險，因此水中橋墩采用樁基礎。

2.2.2 橋墩基礎埋深比選

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

低樁方案優點：

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：

施工需采用鋼圍堰、承臺封底混凝土，措施費用較高[1]。

高樁方案優點：

在河床地形復雜區域具有優勢，橋梁下部整體施工措施費用較低，鋼護筒樁基施工工藝成熟。

高樁方案缺點：

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雜。

可見兩種承臺標高方案各有優劣，但本工程從總投資規模和經濟效益考慮，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斷面中。根據橋位處水利規劃，本工程實施前百年一遇過水斷面河道寬835 m、面積14 712 m2，經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規定》的規定，長株潭城區阻水率不大于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，最終設計選擇將水中橋墩承臺埋入現狀河床底。現場需對現狀河床爆破開挖后，采用鋼圍堰施工下部結構。

2.3 主墩鋼圍堰方案

主墩采用矩形雙壁無底鋼圍堰圍護結構，使承臺橋墩處于干作業環境進行施工。通過查閱并統計橋位處近十年的水位，高于36 m的比率僅占0.81%，鋼圍堰頂標高設計值取37 m，底標高與封底混凝土底齊平，總高20 m，共分為4節。

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

3 下部結構防撞設計

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、船型規劃情況及港口規劃和航道發展規劃等，根據《內河通航標準》（GB 50139—2014）本工程船舶撞擊力標準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驗公式計算法、動力數值模擬法、有限元瞬態動力分析法，本工程通過對國內外規范經驗值的比較，并參考本工程船撞專題研究中有限元方法計算的結果如表2所示，最終確定合理的撞擊力設計值。

表2 設計船舶撞擊力取值比較

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

3.2 橋墩構造措施

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置系梁形成了框架結構，但在橫橋向巨大的撞擊作用下柱底仍會產生較大彎矩設計值，此外在順橋向作用下，根據橋墩的空間桿系有限元模型分析結果顯示，被撞擊的單根立柱要承擔70%的作用，相鄰立柱只能分擔30%，僅按上述常規構造設計的立柱底兩個方向彎矩值都會超過截面承載力設計值。

如圖2所示，本工程在兩立柱底部之間設置了橫向連墻，連墻頂標高略高于低水位但低于常水位，不影響橋梁景觀；連墻順橋向寬度小于立柱寬度，不影響阻水率；但連墻的設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

主橋防撞系統包含主動防撞（技術防撞）和被動防撞（物理防撞）。主動防撞由監控中心、業務現場及應急中心三部分組成預警與碰撞取證系統，系統對過往船舶、工程船舶、靠離泊船舶實施有效監控，防止船撞橋事件的發生。

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。

根據橋位處水位變化和橋墩自身結構，被動防撞建議主墩采用浮式釋能附體防撞設施，由鋼板組成，內部通過型材、板材、肘板等組成骨架，內外部通過焊接形成一個整體附著在橋墩外側，并填充吸能材料。防撞設施的保護機理是通過釋能附體自身的結構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、船舶和防撞設施的損傷。

其他水中引橋橋墩自身結構抗撞能力較低，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 主墩構造設計

4.1 主墩構造

清水塘大橋主橋主墩根據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，迎水面采用圓形設計，順橋向寬8 m，橫橋向長34.4 m，總高21 m，標準墩壁厚1 m，頂部支座平臺設防浪濺構造和泄水孔。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 主橋主墩構造（單位：mm）

4.2 主墩與承臺有限元模型

主墩樁基根數、布置和樁徑的選擇與上部支反力在橋墩中的傳力機理密切相關，因此將整個主墩與承臺建立實體有限元模型，分析比較在標準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域。模型基本參數如下：

（1）混凝土彈性模量32 500 MPa，容重25 kN/m3；

（2）建模樁長1 m，樁底平面按固結約束；

（3）單個支座豎向力85 000 kN。

4.3 計算結果與樁基比選

通過對計算結果主墩立剖面豎向應力的比較（見圖5），雖然本橋主墩較高，但支反力經墩身傳遞后仍集中作用于支座整下方區域，支座正下方樁頂中心豎向壓應力5.4 MPa、中間樁3.7 MPa。綜合考慮到施工過程中承臺需單獨承受橋墩恒載，同時樁基在鋼圍堰抗浮設計中發揮有利作用[3]（見表3），結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域，左右各9根，承臺中心設置2根，支座正下方樁頂中心豎向壓應力4.8 MPa、中間樁4.6 MPa。

圖5 主墩立剖面豎向應力對比（單位：MP a）

表3 主墩鋼圍堰抗浮安全系數比較

4.4 橋墩構造與施工措施

主橋施工擬在主橋三角區支架安裝后，進行拱肋、邊跨鋼桁架吊裝，邊墩采取臨時預降，北岸桁架梁主墩支座往主跨預偏600 mm[4]。在后續施工流程吊裝拱肋時，逐步在梁端進行配重[5]。針對這兩項關鍵施工工藝，主墩支座平臺設置局部擴頭構造，預留施工過程中支座的順橋向滑動預偏值和施工設備操作空間。邊墩系梁端部作局部加強處理，可供施工過程中作為張拉錨點傳遞臨時壓重。

在施工圖設計階段充分考慮施工臨時措施、鋼圍堰等主要施工工藝，在永久結構設計中作適當處理，可以進一步提高工程全過程的經濟性并降低實施過程中的風險[6]。

5 結 語

通過對清水塘大橋主橋下部結構設計方法的介紹，為今后類似特大跨徑橋梁設計中總結了如下經驗：

（1）水位落差較大時，水中橋墩設計應綜合考慮基礎沖刷、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計，減少對泄洪的影響；

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

（3）大噸位支座反力在橋墩中并不一定均勻擴散至承臺底，樁基布置方案應根據傳力路徑合理選取。此外橋墩構造細節應充分考慮特大橋的施工過程，永久構造若能為施工臨時措施提供便利將進一步提高全過程的經濟性。