獨塔斜拉橋弧線形索塔基礎設計

【中圖分類號】：U443.38 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）02-39-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.02.009

Design of Curved Cable Tower Foundation for Single Tower Cable-stayed Bridge

LIUBohai，XIEQi

【Abstract】：Aiming at thecomplex stressproblemofthecurved cable tower foundation，takingthe main bridgeof Tarim Bridge as an example，considers some factors such as geological conditions，structural force，reasonable economy，convenience in building and soonto determine the reasonable scheme of the pylon foundation after multiple rounds of comparisonand selection.It also analysis the effect of the stiffness deformation of the pile cap onthe group-piles foundation byusing the finite element model.At the same time，the outcome helps to optimize the scheme.The final scheme meets the requirement of structural stress with different effects combination.

[Keywords】：cable stayed bridge with single tower；arc shape of the tower column；group-piles foundatior

大跨度斜拉橋、懸索橋基礎的受力通常比普通梁橋更加復雜，其基礎布置型式與索塔的造型特點有很大關系，設計中需要考慮的因素較多，設計過程繁瑣。本文以新疆生產建設兵團塔里木大橋主橋項目為研究背景，對弧線形索塔基礎的設計方法進行了研究整理，為相關類型的項目設計提供參考和幫助。

1工程概況

塔里木大橋主橋為獨塔雙跨斜拉橋，主梁為整體式鋼箱梁，拉索為扇形布置的空間雙索面。索塔為雙柱式變截面弧線形混凝土塔，總高 125m 。索塔位置設置2個薄壁空心墩，用于設置主梁的支座及約束體系。見圖1。

2建設條件

2.1地形地貌

大橋位于塔里木河流域沖積平原上，地形開闊，地勢變化小，西高東低，南北高中間低，海拔在 。塔里木河河床寬且淺，河道內心灘、邊灘較發育，主河道右側河漫灘發育，屬游蕩性河谷地貌。

2.2水文條件

塔里木河主要是天山融雪補給，受氣候影響變幅較大，枯水期在每年的4一5月，豐水期在7一9月。設計最高水位為 1010.859m （百年一遇），一般沖刷深度4.42m ，局部沖刷深度 2.46m ，沖止高程 1003.979m 。

2.3工程地質

橋址處地層為第四系全新統沖積、化學堆積層，主要由黃色（上部）＼～灰色（下部）粉土、粉質黏土、粉砂、細砂、中砂等構成，厚度達 150m 以上，主要分布在塔里木河流域范圍。其中 層細砂，密實，工程性能良好，承載力高，低壓縮性。該土層及其下土層可作為基礎持力層利用。

2.4地震

橋址處于強震區，地震動峰值加速度 0.1g ，地震基本烈度7度，抗震設防措施等級為8級，屬于抗震不利地段。地層存在液化現象，液化等級中等＼～嚴重，地震時地層易發生液化現象，對擬建構筑物有一定程度的影響。

3基礎設計

3.1基礎型式選取

斜拉橋這類大跨徑橋梁的索塔基礎需具有較大承載能力，適合的深基礎型式主要有沉并基礎和群樁基礎。

沉井基礎具有埋深較大、整體性強、穩定性好，能承受較大垂直和水平荷載的特點；其缺點是施工周期較長，細砂及粉砂類土在井內抽水易出現流砂。橋址所在地塔里木河沖洪積平原地層巖性以粉砂、細砂為主，在較長時間地下水作用下易出現“流泥”、“流砂”等不良地質現象，在沉井下沉過程中容易發生傾斜，施工質量不易控制，因此不建議采用沉井基礎。

群樁基礎是通過承臺把若干根樁的頂部連接成整體，共同承受動靜荷載的一種深基礎。其中大直徑鉆孔灌注樁是國內外大跨徑橋梁結構普遍采用的一種基礎型式，承載能力高、適應性強，可用于各種復雜的不良地質條件，設計、施工工藝均比較成熟。

結合該地區的地質土層特性和施工條件并調研了橋位周邊既有的橋梁結構，索塔最終采用大直徑鉆孔灌注樁群樁基礎。

3.2樁徑的擬定

樁基尺寸應滿足承載能力和變形等要求，同時要兼顧經濟合理性及施工便利性。設計過程中分別對1.8，2.0，2.5m 共3種不同直徑的樁基布置型式進行比較。由于單側塔柱底部橫橋向水平力和彎矩較大，基礎按整體式矩形承臺進行布置，以減小群樁基礎在外力作用下的橫橋向反力。見圖2。

根據規范要求，驗算樁基長度，傳至承臺底的作用效應采用短期效應組合。不同樁徑的基礎布置方案見表1。

樁徑 1.8，2.0m 的群樁基礎混凝土用量比樁徑2.5m 的群樁基礎混凝土用量少。樁徑 2.0m 的樁基數比樁徑 1.8m 的樁基數少，在施工組織上更有優勢。綜合考慮，索塔下基礎采用直徑 2.0m 的鉆孔灌注樁。

3.3承臺剛度

多排樁單樁樁頂反力的計算方法中假定承臺絕對剛性，考慮土的變形，按照結構力學位移法進行求解。大橋索塔基礎承受外力作用大，承臺平面尺寸大且傳力復雜，宜按照承臺實際剛度考慮自身變形對樁頂反力的影響。采用有限元分析軟件midasFEA建立樁徑 2.0m 基礎方案承臺實體模型，并與規范算法進行對比分析。

有限元模型中，在塔座及墩底位置建立節點單元，與承臺剛性連接，荷載通過這些節點單元施加到承臺上，塔柱傳下來的軸向力按面荷載傳到塔座上，剪力和彎矩按集中力傳到塔座頂面形心位置。承臺樁基考慮側面土的水平抗力，每根樁基通過在其對應的位置建立彈簧單元來進行模擬2，彈簧剛度按 ”法結合地勘資料采用經驗公式計算得到。見圖3和圖4。

傳至承臺底的作用效應采用短期效應組合，2種計算方法的結果見表2。

規范算法得出的 和 最大值（ 為絕對值）小于有限元分析的最大值，而 和 的最小值（ 為絕對值）大于有限元分析的最小值。這是因為：

1）規范算法中假定承臺絕對剛性，未考慮承臺自身的變形協調，使得距離塔座較遠的樁基分擔了更多的傳至承臺底的作用效應；

2）索塔采用弧線形塔柱，兩肢塔柱在靜力工況下傳遞到承臺頂的橫橋向彎矩大且作用方向相反，規范算法把承臺視為剛體，橫橋向彎矩效應無法傳遞到承臺底，導致計算得到的樁頂反力偏小。

本項目斜拉橋弧線形雙肢塔柱根部距離大、承臺尺寸大、群樁數量多、單肢塔柱下橫向作用效應大，按規范算法得出的最大樁頂反力值偏小，驗算樁基長度時是偏不安全的。

3.4承臺外形比較

索塔基礎需承受塔柱和墩柱傳遞下來的荷載，不同樁基布置采用的承臺外形、尺寸不同，樁頂反力的分配也不同。采用直徑 2.0m 的樁基，分別對矩形承臺和啞鈴形承臺進行比較。啞鈴形承臺采用midasFEA建立實體有限元模型。見圖5和圖6。

短期效應組合下，矩形承臺和啞鈴形承臺布置方案見表3。

在滿足上部結構承載力的要求下，啞鈴形承臺混凝王用量（樁基 + 承臺）比矩形承臺節約 13% ，啞鈴形承臺的尺寸較小，樁基數較少，樁長較小，在施工組織上更加有利。

3.5樁基布置優化

群樁效應導致基樁軸力在平面上分布不均勻，這種不均勻分布特征是樁基礎設計優化時關注的重點[3]。

承臺豎向位移沿順橋向變化較大，而承臺中間連接段的豎向位移較小。根據力與變形相協調的規律，可以判斷樁頂反力沿順橋向差異較大，承臺中間連接段樁頂反力較小，未能充分發揮承載能力。見圖7。

樁頂反力與前述判斷相吻合：最大單樁樁頂反力為 14836kN ，出現在順橋向承臺邊緣；最小單樁樁頂反力為 7708kN ，出現在承臺中間連接段。這是由于索塔及墩柱傳至承臺的順橋向彎矩較大，為基礎的主受力方向；中間連接段樁基對塔柱傳下來的作用效應承擔較小。見圖8。

對原啞鈴形承臺基礎方案進行優化調整，減小最大單樁樁頂反力，使群樁樁頂反力分布更加均勻，每根樁的承載能力可以盡可能大的發揮作用。通過增加順橋向樁基排數，增大順橋向承臺尺寸，提高基礎對主受力方向彎矩的抵抗能力；減少橫橋向樁基排數，減小橫橋向承臺尺寸，使中間連接段樁基可以承擔更多的作用效應。調整后樁基數量仍為62根，承臺體量與原方案基本相當。見圖9。

采用midasFEA建立有限元模型對優化方案進行分析。優化方案的承臺豎向變形更為均勻，豎向位移極值由原來的-6.696～-3.229mm 變為 -5.091～ -2.093mm 。最大單樁樁頂反力為 11435kN ，出現在順橋向承臺內側角點邊緣；最小單樁樁頂反力為5594kN ，出現在承臺橫橋向外側角點邊緣；而承臺中間連接段的單樁樁頂反力有所增大，為 10453kN 。與原方案對比，優化方案最大單樁樁頂反力變小，群樁樁頂反力差減小，傳至承臺的作用效應在各樁的分配更均勻，承臺中間連接段樁基承擔的作用效應更大。見圖10和圖11。

短期效應組合下，矩形、啞鈴形及優化后的啞鈴形承臺方案對比見表4。

啞鈴形承臺2個方案混凝土用量較矩形承臺少，其中啞鈴形承臺優化方案經濟性最好。同時，優化方案的樁基長度較小，在施工組織上優勢更明顯。索塔基礎最終設計方案采用啞鈴形承臺優化方案。

3.6抗震驗算

對索塔基礎進行地震偶然作用組合（E1、E2）下的抗震驗算4，將從斜拉橋整體計算模型的分析結果中提取的永久作用和抗震分析模型中提取的地震作用進行組合（分別考慮順橋向 X 和橫橋向Y兩個方向）。分別將E1、E2地震作用組合加載至索塔基礎有限元模型中，同時調整模擬樁基的彈簧剛度 取2倍 ），計算獲得單樁樁頂反力并進行單樁豎向承載力和樁身抗彎承載力的驗算。見表5-表8。

注：設計樁長考慮了河水沖刷作用及地震液化土層的影響；E2工況下單樁容許承載力考慮了JTG/TB02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》中的地基抗震容許承載力調整系數。

注：設計樁長考慮了河水沖刷作用及地震液化土層的影響；E2工況下單樁容許承載力考慮了JTG/TB02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》中的地基抗震容許承載力調整系數。

索塔樁基在E1、E2地震作用組合下均滿足結構設計需要。

4結語

塔里木大橋主橋索塔采用了目前較為少見的變截面弧線形混凝土塔柱，傳至索塔基礎的外部作用效應大且傳力復雜，采用大直徑鉆孔灌注樁群樁基礎，通過合理的樁徑選擇和樁基布置，能很好地滿足基礎結構受力要求，并有較好的經濟性和施工便利性。

在索塔基礎設計過程中，建立了三維實體有限元模型，并與常規的規范算法做了比較分析，結果表明，大型群樁基礎中承臺自身剛度變形對各樁基樁頂反力的分配有著顯著影響，規范算法計算得到的樁頂反力偏小，有限元方法所得結果更接近真實情況，對于橋梁結構更加安全。有限元技術的運用，更準確地展示了大型承臺群樁基礎的受力特征，為大橋設計提供了可靠的理論指導。

參考文獻：

[1]中交公路規劃設計院有限公司.公路橋涵地基與基礎設計規范：JTG3363—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.

[2]袁洪.樁基結構模擬方法[J].公路，2000，（4）：7-12.

[3]張雄文，董學武，李鎮.蘇通大橋主塔墩基礎群樁效應研究[J].河海大學學報（自然科學版），2006，（2）：200-203.

[4]招商局重慶交通科研設計院有限公司.公路橋梁抗震設計規范：JTG/T2231-01—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

收稿日期：2023-11-06作者簡介：劉博海（1983一），男，碩士，天津市人，正高級工程師，從事橋梁結構工程設計工作。