株洲清水塘大桥双层钢桁拱桥下部结构设计

2022-09-23蔡梦非顾民杰吴万忠夏睿杰

城市道桥与防洪 2022年9期

蔡梦非，顾民杰，吴万忠，夏睿杰

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

清水塘大桥位于湖南省株洲市，主桥上跨湘江，湘江水位涨落差大、泄洪需求高，且桥位紧邻工业码头，通航等级高且航线复杂，对大桥下部结构设计提出较高的要求，合理的基础形式、合适的标高、以及统筹考虑施工过程的构造设计，可以有效降低工程造价、减小施工难度、减少对周边环境的影响。

1 工程概况

株洲清水塘大桥跨湘江主桥采用L=100+408+100 m的双层钢桁架拱桥，三跨连续结构，拱脚墩顶设置球钢支座，上层桥面宽32 m，车行道净宽24.5，双向6车道；下层布置慢行人非道，吊杆区净宽10 m。湘江设计通航标准为Ⅱ（3）级航道（2 000吨级船舶），最高通航水位41.96 m，通航净高10 m，通航宽度包含码头水域和通航水域，总宽不小于377 m。湘江三百年一遇设计水位44.51 m，低水位30.0 m，主航道河床底标高22~24 m，河漫滩标高30~40 m，如图1。

图1 清水塘大桥立面布置（单位：m）

2 下部结构方案比选

2.1 工程地质

拟建桥位出露的岩性为红砂岩，组成岩性为粉砂岩夹泥质粉砂岩或粉砂岩与泥质粉砂岩互层，中细砂岩及砂砾岩多以夹层的型式存在，其中风化带在河床区域直接出露，岩石结构及层理清晰，岩质较新鲜，节理裂隙较发育，岩体完整性较好，岩芯钻采芯率较高，岩芯呈柱状。土、石类别为软石，土、石等级为IV级。层顶高程为18.37~45.89 m，厚度为21.50~37.00 m。中风化红砂岩天然湿度单轴抗压强度标准值9 MPa。

2.2 主桥下部结构方案比选

2.2.1 桥墩基础冲刷与基础形式选择

根据本桥总体设计，主桥主墩、边墩和水中引桥桥墩位于湘江河道内，河床中风化岩层露出，可作为桥梁基础的持力层，桥墩基础可以选择扩大基础形式，同时该岩层抗压强度较低，根据当地工程经验，也可采用桩基础形式。考虑到湘江流域泄洪需求高、泄洪流量较大、汛期含沙量高等特点，按照《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）对扩大基础桥墩冲刷深度进行初步估算，水利参数如下：

（1）本工程设计河床底标高24 m，设计常水位标高35.0 m，设计洪水位标高43.51 m。

（2）设计流速V0：2 m/s。

（3）频率为P%的设计流量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。

主墩冲刷后最大水深约20 m，冲刷深度至现状河床底约10 m，冲刷深度较深，若采用扩大基础，会对基础稳定有较大风险，因此水中桥墩采用桩基础。

2.2.2 桥墩基础埋深比选

根据株洲水文站观测资料，湘江每年3—7月为丰水期，多发生洪水，10—12月为枯水期，全年水位高差超过10 m。设计时对低桩承台和高桩承台方案进行了比较。

低桩方案优点：

承台与桩基低于低水位，水位涨落不影响桥梁景观。施工时由钢围堰控制施工条件，受水位涨落影响小。

低桩方案缺点：

施工需采用钢围堰、承台封底混凝土，措施费用较高[1]。

高桩方案优点：

在河床地形复杂区域具有优势，桥梁下部整体施工措施费用较低，钢护筒桩基施工工艺成熟。

高桩方案缺点：

承台位置较高，受船舶撞击或在地震作用下对桩基不利。施工过程受水位影响较大[2]，尤其承台施工措施较为复杂。

可见两种承台标高方案各有优劣，但本工程从总投资规模和经济效益考虑，主桥仅跨越通航水域，仍有部分引桥布置于水中，共有7个桥墩处于泄洪过水断面中。根据桥位处水利规划，本工程实施前百年一遇过水断面河道宽835 m、面积14 712 m2，经计算高承台布置阻水率5.2%；低承台布置阻水率3.7%。

按照《湖南省涉河桥梁水利技术规定》的规定，长株潭城区阻水率不大于3.5%，湘江干流城市段不大于5%，综合考虑阻水率、船舶碰撞和施工工艺等因素，最终设计选择将水中桥墩承台埋入现状河床底。现场需对现状河床爆破开挖后，采用钢围堰施工下部结构。

2.3 主墩钢围堰方案

主墩采用矩形双壁无底钢围堰围护结构，使承台桥墩处于干作业环境进行施工。通过查阅并统计桥位处近十年的水位，高于36 m的比率仅占0.81%，钢围堰顶标高设计值取37 m，底标高与封底混凝土底齐平，总高20 m，共分为4节。

围堰壁厚1.5 m，在承台间预留1 m施工空间，内壁和外壁板厚均为8 mm，并设置水平对撑、水平斜撑、水平围檩、竖梁等加劲措施。

3 下部结构防撞设计

3.1 船舶撞击作用计算方法比较

综合考虑拟建桥梁所在航段船舶通航实际状况、船型规划情况及港口规划和航道发展规划等，根据《内河通航标准》（GB 50139—2014）本工程船舶撞击力标准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

船舶撞击力的计算方法包括经验公式计算法、动力数值模拟法、有限元瞬态动力分析法，本工程通过对国内外规范经验值的比较，并参考本工程船撞专题研究中有限元方法计算的结果如表2所示，最终确定合理的撞击力设计值。

表2 设计船舶撞击力取值比较

可见，AASHTO规范的设计值最接近有限元方法模拟得到的结果，可以作为工程设计的近似估算方法。但是，AASHTO规范的经验公式只规定了横桥向设计值，纵桥向设计值可根据《公规》经验值规律和《铁规》经验公式的计算结果，取横桥向设计值的0.5~0.8倍。

3.2 桥墩构造措施

由于湘江水位的大幅涨落差，并且因阻水率将承台埋入河床底，导致水中桥墩立柱高度较高，在船舶撞击作用时，虽然主桥边墩和引桥桥墩在柱顶设置系梁形成了框架结构，但在横桥向巨大的撞击作用下柱底仍会产生较大弯矩设计值，此外在顺桥向作用下，根据桥墩的空间杆系有限元模型分析结果显示，被撞击的单根立柱要承担70%的作用，相邻立柱只能分担30%，仅按上述常规构造设计的立柱底两个方向弯矩值都会超过截面承载力设计值。

如图2所示，本工程在两立柱底部之间设置了横向连墙，连墙顶标高略高于低水位但低于常水位，不影响桥梁景观；连墙顺桥向宽度小于立柱宽度，不影响阻水率；但连墙的设置大幅增加了桥墩横桥向的框架刚度，也有效减小了立柱的计算高度，使得撞击作用下柱身和柱底内力都明显改善，如图3所示，在横向撞击力16 400 kN作用下，柱底最大弯矩由92 475 kN/m减小至59 586 kN/m。

图2 主桥边墩构造横桥向立面（单位：mm）

图3 横桥向撞击作用下主桥边墩柱底弯矩值对比（单位：kN/m）

3.3 主桥防撞系统

主桥防撞系统包含主动防撞（技术防撞）和被动防撞（物理防撞）。主动防撞由监控中心、业务现场及应急中心三部分组成预警与碰撞取证系统，系统对过往船舶、工程船舶、靠离泊船舶实施有效监控，防止船撞桥事件的发生。

3 000 t级船舶船舶撞击主墩最危险的情况为压载最高通航水位撞击和满载最低通航水位撞击。主墩可能遭受船舶撞击的部位为墩身，整体的撞击范围为26.00~49.96 m。

根据桥位处水位变化和桥墩自身结构，被动防撞建议主墩采用浮式释能附体防撞设施，由钢板组成，内部通过型材、板材、肘板等组成骨架，内外部通过焊接形成一个整体附着在桥墩外侧，并填充吸能材料。防撞设施的保护机理是通过释能附体自身的结构变形屈曲和压溃等来吸收船舶撞击能量，同时改变船撞力的分布，以起到缓冲和消能的作用，以最大限度的减少桥墩、船舶和防撞设施的损伤。

其他水中引桥桥墩自身结构抗撞能力较低，且处于非通航水域，可采用浮体系泊拦截体系进行拦截，由浮体、拦截索、拦截锚链、锚碇沉块等组成，可随水位上下浮动，以阻止失控船舶的撞击。

4 主墩构造设计

4.1 主墩构造

清水塘大桥主桥主墩根据桥梁景观和总体计算采用实体空心墙式墩，如图4所示，桥墩平面呈哑铃形，迎水面采用圆形设计，顺桥向宽8 m，横桥向长34.4 m，总高21 m，标准墩壁厚1 m，顶部支座平台设防浪溅构造和泄水孔。主墩承台尺寸为13.6 m×41.1 m，厚度4 m，桩基嵌入基岩，采用大直径钻孔桩。

图4 主桥主墩构造（单位：mm）

4.2 主墩与承台有限元模型

主墩桩基根数、布置和桩径的选择与上部支反力在桥墩中的传力机理密切相关，因此将整个主墩与承台建立实体有限元模型，分析比较在标准组合工况竖向支反力作用下，两种不同桩基布置的桩顶反力情况，一种为桩基平面均匀布置，另一种为桩基集中布置于支座下方区域。模型基本参数如下：

（1）混凝土弹性模量32 500 MPa，容重25 kN/m3；

（2）建模桩长1 m，桩底平面按固结约束；

（3）单个支座竖向力85 000 kN。

4.3 计算结果与桩基比选

通过对计算结果主墩立剖面竖向应力的比较（见图5），虽然本桥主墩较高，但支反力经墩身传递后仍集中作用于支座整下方区域，支座正下方桩顶中心竖向压应力5.4 MPa、中间桩3.7 MPa。综合考虑到施工过程中承台需单独承受桥墩恒载，同时桩基在钢围堰抗浮设计中发挥有利作用[3]（见表3），结合嵌岩桩单桩承载力及桩身承载力，最终确定主墩采用20根2.2 m钻孔桩，桩基集中布置于支座正下方区域，左右各9根，承台中心设置2根，支座正下方桩顶中心竖向压应力4.8 MPa、中间桩4.6 MPa。

图5 主墩立剖面竖向应力对比（单位：MP a）

表3 主墩钢围堰抗浮安全系数比较

4.4 桥墩构造与施工措施

主桥施工拟在主桥三角区支架安装后，进行拱肋、边跨钢桁架吊装，边墩采取临时预降，北岸桁架梁主墩支座往主跨预偏600 mm[4]。在后续施工流程吊装拱肋时，逐步在梁端进行配重[5]。针对这两项关键施工工艺，主墩支座平台设置局部扩头构造，预留施工过程中支座的顺桥向滑动预偏值和施工设备操作空间。边墩系梁端部作局部加强处理，可供施工过程中作为张拉锚点传递临时压重。

在施工图设计阶段充分考虑施工临时措施、钢围堰等主要施工工艺，在永久结构设计中作适当处理，可以进一步提高工程全过程的经济性并降低实施过程中的风险[6]。