波浪力作用下桥梁设计以及安全性分析

2023-11-17李建强

城市道桥与防洪 2023年10期

李建强，方聪

[1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092 ；2.中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙 410011]

1 工程概况

某工程位于珠海市横琴岛西南侧的峡湾内，为外海环境。因处于风景旅游区，景观要求较高，需采用低桥位设计方案。结合周围地块景观等需求，桥面标高定为5.5 m，平均墩高约为5.0 m，海上段桥梁全长2.2 km；桥梁设计需要结合周边景观，并体现人与自然协调“亲水性”，使桥址处桥梁建设成为集防浪和娱乐观赏为一体的旅游休闲胜地。

2 建设条件

2.1 地貌

桥位处为临海地区，西侧为磨刀门水道，与南海连通，东侧为大横琴山，区域水网较发育，主要由鱼塘、河流、滩涂、少量的蕉林组成。

2.2 气象

项目场地位于北回归线以南，属南亚热带海洋性季风气候。冬夏季风交替明显，终年气温较高，偶有阵寒，年、日温差小；由于受季风变化和地形的影响，易遭受台风袭击，强台风登陆最大风力达12 级以上。

2.3 水文

项目场地为海滩地貌，地表水主要为海水，拟建场地水深0.60～5.00 m，水位受潮汐影响较大，涨落潮水位变化在1.50～2.50 m。地下水位较高，常年雨量充沛。

2.4 地质

工程沿线原始地貌为浅海地貌单元，局部为人工回填形成的陆域，覆盖层以软弱土为主，第四纪地层厚度较大。从地质钻孔揭露，地层自上而下的顺序为：人工填积层（Q4ml）、第四系湖塘相淤积层（Q4l）、第四系海相沉积层（Q4m）、第四系海陆交互相沉积层（Q4mc）、残积层（Q4el）和燕山期侵入花岗岩层（γ52（3））。

项目场址地貌见图1。

图1 项目场址地貌

3 结构体系选择和技术标准

结合该地区的地理位置和建设条件，本工程设计重难点为外海环境下，低桥位条件下需解决波浪对主梁浮托力以及波浪对立柱的水平力问题。为解决浮托力以及支座耐久性问题，最终本工程海上段采用了共计27 联预应力墩梁固结体系。矮墩预应力连续刚构桥型布置图见图2。

图2 矮墩预应力连续刚构桥型布置图（单位：cm）

主要技术标准如下：

桥梁设计荷载：城-A 级。

设计时速：80 km/h。

桥面宽度：双幅总宽50 m，单幅23.75 m。

最高潮水位：3.74 m（F=1/100）。

地震基本烈度：地震动峰值加速度0.1g，Ⅶ度区，按照地震烈度Ⅷ构造设防。

浪高：6.0 m（F=1/300）。

单幅桥上下部结构采用墩梁固结体系，上部结构采用锅底型箱型断面，下部采用桩接柱，桥墩边墩采用ϕ90，中墩采用ϕ120，桩基采用钻孔灌注桩。矮墩预应力连续刚构桥梁横断面布置图见图3。

图3 矮墩预应力连续刚构桥梁横断面布置图（单位：cm）

4 桥梁结构设计

对于跨径20 m 的连续刚构体系桥梁，一般可采用钢结构或者混凝土结构。对于近海且受波浪力影响的低桥位环岛桥梁设计而言，若桥梁主梁采用钢结构，将产生下列问题：（1）在海水环境下易腐蚀，防腐措施费用较高，若采用耐候钢则造价显著增高；（2）桥梁结构在波浪力作用下疲劳效应明显且因受到波浪上浮力，桥墩和桩基出现了受拉；（3）对于桥梁长度约2.2 km 的环岛桥梁来说，采用钢结构的造价相对较高；（4）钢结构后期养护成本高。由此可见，钢结构在此工程中不宜采用。

相比之下，混凝土结构因自重大，可减小主梁因受到波浪浮托力致使的桥墩受拉作用，因此适用于本结构，但应考虑混凝土结构腐蚀性问题。耐久性问题可以通过相关措施解决，本文不作论述。

4.1 上部结构设计

对于运营阶段受到波浪力作用的桥梁，其截面设计至关重要，常见的形式有T 梁、小箱梁、有挑臂大箱梁、无挑臂大箱梁等形式。其中的T 字型截面为开口型，T 肋对迎击而来的波浪有一定的阻碍，结构形式不利于对波浪卸力。为此选择有、无挑臂的大箱梁截面形式进行对比，见图4。由于桥梁方案梁底标高低于最高潮水位，主梁需要承受较大的波浪浮托力，而斜腹板断面主梁挑臂较大，在波浪力作用下不满足受力要求。经过多次对比论证，主梁断面应采用流线型断面，以减小波浪浮托力影响。

图4 预应力混凝土大箱梁截面

4.2 下部结构设计

对于混凝土现浇梁，下部结构可以采用群桩基础桥墩、排架墩等形式。

分析认为，群桩基础桥墩的刚度较大，在受力方面不能满足长联、边墩固结的桥梁方案；同时群桩基础施工需要进行大范围的围堰，而桥址位置处于水中，致使围堰施工费用较高。另外，对于墩梁固结刚构体系，结构1 联长度和跨径大小、混凝土收缩和徐变、温度、预应力次内力、桥桩沉降等变化对桥墩影响均较大[1]。

由于本项目中桥梁方案采用边墩固结形式，从受力方面考虑，桥梁下部结构选择纵桥向柔度较大的排架墩结构更为合适。

5 波浪力计算

工程位于磨刀门左侧的凹氹内，受横琴岛的保护。在极端条件下，大万山站常浪向SE（东南向波浪）、强浪向S（南向波浪）、SW（西南向波浪）等对工程区水域有影响。

工程上一般对实测水文资料进行处理，采用波浪最大波高Hmax、超越概率为4%的波高H4%、超越概率为13%的波高H13%来描述波浪。非工作状态、灾难状态分别按照50 a、100 a、300 a 重现期确定[2]。

主要计算SE、S、SW 这3 个方向的波浪。其桥位处设计波要素见表1（表中H1%表示概率超越1%的波高、H 表示波浪高度、T 表示平均周期、L 表示平均波长）。

表1 桥位处设计波要素表

依据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015），明确设计需考虑波浪力的作用。波浪对桥梁结构的作用分为2 类：（1）对上部结构产生的浮托力；（2）对下部桥墩的水平力。

5.1 浮托力计算

本文通过对斜坡上尾部封闭的水平面板波浪力产生的类型、条件和机理进行综合分析，最终选择按《港口与航道水文规范》（JTS 145—2015）来计算梁底的波浪浮托力。计算式为：

式中：F1%为累积频率为1%的波高作用下梁底纵向长度的最大浮托力；γ 为水的重度；x1%为梁底波浪作用宽度；η1%为H1%波高对应的波峰在静水面以上的高度；Ls为有效波长；h 为静水面高度；Δh 为梁底在静水面以上的高度；B 为沿波浪传播方向的梁底宽度；g 为重力加速度；TS为平均周期；FF为累计频率为F 的波高作用下梁底纵向单位长度的最大浮托力；KF为梁底不同累积频率F 的波浪总浮托力换算系数；H1%为入射波波高；d 为前沿水深；K1为梁底宽度影响系数。

5.2 桥墩水平力计算

波浪对桥墩的作用力采用莫里森公式计算。该公式认为作用在小直径桩上的波浪荷载由2 项组成：由水平加速度引起的惯性力、由水平速度引起的阻力。其表达式为：

式中：P 为柱在某一深度处长度上的波浪力，由惯性力P1和阻力Pd组成；Cm为惯性力系数；Cd为阻力系数；r 为柱截面半径；u 为波浪运动水平速度。本工程Cm=1.2、Cd=2.0。

将相关数值代入式（1）～（7），可得在极端高水位3.74 m 情况下，桥墩截面在3 个方向的波向参数、浮托力和水平力，见表2。

表2 各波向参数以及浮托力和水平力

由表2 可知：（1）主梁浮托力以SW 向最大，达69.8 kN/m；在W 向风浪时，主梁受到的浮托力最大达77.2 kN/m。（2）桥墩水平力以SW 向最大，达126.9 kN/m；在W 向风浪时，桥墩受到的水平力最大达130.5 kN/m。

6 桥梁结构安全性验算

本桥采用国内常用的有限元软件建立空间桥梁结构模型进行分析，主梁、桥墩、桩基均采用空间梁单元模拟。模型建立需要考虑的因素为：

（1）有限元模拟上部结构箱梁时，需考虑预应力次内力对下部桥墩的影响。

（2）桩土效应模拟时，将桩周土的作用看成线弹性土弹簧，采用《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019）中“m 法”来解决桩基的模拟。

6.1 上部结构安全性验算

波浪对桥梁上部结构产生的上浮力与常规现浇梁所受的荷载不同，不仅要保证无波浪力情况下的结构安全，而且要保证有波浪力情况下的结构安全。为了抵抗波浪上浮力作用，主梁配束除常规的腹板束以外，还在上下缘配通长钢束。抵抗上浮力的通长钢束结构见图5。

图5 抵抗上浮力的通长钢束结构

施工阶段，主梁在未考虑波浪力与考虑波浪力情况下的应力云图见图6。由图6 可知，在施工阶段，考虑波浪力以后，主梁上下缘应力变化约0.6 MPa，施工阶段应力满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）中对于压应力的要求：

图6 主梁施工阶段正应力云图（单位：MP a）

运营阶段，主梁在未考虑波浪力与考虑波浪力情况下的应力云图见图7。由图7 可知，在运营阶段，考虑波浪力以后，主梁上下缘应力变化约1.5 MPa，频遇组合下满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中对于应力σst的要求：

图7 主梁运营阶段正应力云图（单位：MP a）

式中：σpc为混凝土截面边缘预压应力；σst为混凝土截面边缘法向拉应力；ftk为混凝土抗拉强度标准值。

6.2 下部结构安全性验算

波浪对桥梁下部结构的影响主要是波浪水平力以及波浪产生的上浮力是否导致桥墩受拉。对于桥墩受力来说，考虑波浪力工况是最不安全工况，因此本文仅验算波浪力工况下的下部结构安全性。

建立有限元模型，提取出频遇组合下桥墩立柱与桩基最不利截面位置的内力，见表3。

表3 频遇组合下桥墩立柱和桩基最不利截面位置内力汇总

依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，计算桥墩立柱和桩基最不利截面裂缝宽度和承载力，结果见表4。

考虑波浪力作用下，桥墩结构满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。矮墩预应力连续刚构桥下部结构所呈现出的受力特点有：（1）边柱最不利截面处裂缝宽度达到0.134 mm（限值0.150 mm）；中柱全截面受压，表明在波浪力作用下，桥墩不会出现受拉状态。（2）边桩最不利截面处裂缝宽度达到0.102 mm；中桩全截面受压。（3）边柱（桩）、次柱（桩）、中柱（桩）在频遇组合下，结构裂缝宽度由大变小，但均满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》限值（0.150 mm）要求。