跨海桥梁下部桩柱设计

张帅锋

摘要：海域桥梁不仅承受了汽车、温度、风、地震等陆域桥梁经常受到的作用外，还受到海域复杂的波浪、波流、以及飓风的影响，与陆域桥梁不同，波浪力参与的作用组合，往往控制着海域桥梁下部墩柱设计。本文依托某项目海域桥梁，应用有限元程序建立模型，通过对海域桥梁下部墩柱分析，以供设计人员参考。

关键词：下部墩柱；波浪力

1.桥梁背景

某海域大桥，上部采用等截面单箱单室斜腹板预应力混凝土连续箱梁结构，下部采用墙式墩+现浇承台+钻孔灌注桩。墩身尺寸采用4.8mx2.5m（横桥向x顺桥向），实心矩形倒圆角断面。承台为矩形，平面尺寸8.4mx8.4m。承台底设置4根直径1.8m的钻孔灌注桩。墩身采用C40混凝土，承台采用C35混凝土，桩基采用C35水下混凝土。

2计算模型及作用条件

2.1计算模型

桥梁下部结构桥墩采用弹性空间梁单元进行模拟。桥梁基础采用了用三维梁单元模拟实际的桩基础，用土弹簧单元模拟桩周围土抗力的影响。桥梁墩柱的计算模型如右图。

2.2作用

（1）永久作用

上部恒载作用力19200kN。

（2）可变作用

汽车荷载最大值6100kN，最小值-1320kN。

温度作用：按照整体升降温20℃考虑。

风荷载：桥上有车行驶时，按桥面处设计基准风速25m/s计算，极限风速按照40.44 m/s计算。

波浪力：按波浪力专题报告结论取用。

（3）荷载组合

桥墩按照柔性墩进行设计，顺桥向水平力和横桥向风荷载按集成刚度分配法分配，桥墩钻孔灌注桩按照摩擦桩设计。桥墩及桩基础按控制断面内力正常使用状态和承载能力极限状态进行配筋和计算。

荷载组合采用以下七中荷载组合：

组合一：永久作用+汽车荷载

组合二：永久作用+汽车荷载+温度组合+十年一遇顺桥向波流力+运营顺风

组合三：永久作用+汽车荷载+温度组合+十年一遇横桥向波流力+运营横风

组合四：永久作用+百年顺风+温度组合+百年一遇顺桥向波流力

组合五：永久作用+百年横风+温度组合+百年一遇顺横桥向波流力

组合六：永久作用+地震荷载（纵向+竖向）

组合七：永久作用+地震荷载（横向+竖向）

其中，组合一至七采用承载能力极限状态设计，组合一至五同时采用正常使用极限状态设计。

2.3计算结果及分析

（1）桥墩：

由于桥梁支座采用了高阻尼减隔震支座，地震荷载经减隔震支座减弱后不控制设计，桥墩墩身在高墩永久作用+汽车荷载+温度组合+十年一遇纵向波流力+活载顺风时控制设计，此时，墩底设计轴力24900kN，墩底设计弯矩15300kN.m，截面抗压承载力70579 kN，抗弯承载力41053kN.m，强度满足要求。抗裂验算时，短期轴力30573kN，短期弯矩10186kN.m，截面处于全截面受压状态，结构抗裂满足要求。

（2）桩基

桥墩桩基在永久作用+汽车荷载+温度组合+十年一遇纵向波流力+活载顺风时控制设计，此时，桩基设计轴力2800kN，桩基最大设计弯矩6500kN.m，截面抗壓承载力3540 kN，抗弯承载力8100 kN.m，强度满足要求。抗裂验算时，短期轴力3500kN，短期弯矩5059kN.m，最大裂缝宽度0.15mm，结构抗裂满足要求。

由于桥墩采用了群桩基础，同时采用了高阻尼减隔震支座，桩基础处受力最为不利，此时波浪力组合成为了控制桥墩设计的主要因素。在承台与海底冲刷线之间，桩基弯矩存在反弯点，位于露出海底以上桩基1/2处以上，反弯点以上桩基以与承台相接处最为不利。反弯点以下，在海底冲刷线以下约6m处，出现桩基反向最大弯矩。二处最不利荷载组合均为永久作用+汽车荷载+温度组合+十年一遇纵向波流力+活载顺风控制。

3.基本结论

本文通过对某海域大桥下部墩柱计算，显示了在海域，波浪力的组合为控制桥梁墩设计，这些组合中，以永久作用+汽车荷载+温度组合+十年一遇纵向波流力+活载顺风组合最为不利。

需要指出的是，计算中的波浪力采用了单桩最大力加载在作用位置上，而在实际中，波浪力大小受波浪波长周期的影响，同时也受桥墩尺寸的影响，桥墩尺寸越大，波浪力越大，墩柱截面形式的变化，也会导致波浪力的变化。波浪作用于墩柱时，波浪力在墩柱垂直深度上的分布规律是，从波浪与墩柱接触面向下沿着墩柱底部逐渐减小，在距离墩底某个深度后波浪力趋向于零，波浪力从最大值到零的这个深度较小，只占整个墩柱的长度较小的部分。计算采用的简化方法虽可满足要求，但在可能时，应采用更符合实际的波浪力模型加载。

参考文献：

[1]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2004；

[2]《公路桥涵地基与基础设计规范》JTG D63-2007；

[3]《桥墩基础上波流力研究》.第十二届中国海岸工程学术讨论会论文集，2005，10兰雅梅，刘桦，薛雷平.