跨海橋梁下部樁柱設(shè)計(jì)

張帥鋒

摘要：海域橋梁不僅承受了汽車(chē)、溫度、風(fēng)、地震等陸域橋梁經(jīng)常受到的作用外，還受到海域復(fù)雜的波浪、波流、以及颶風(fēng)的影響，與陸域橋梁不同，波浪力參與的作用組合，往往控制著海域橋梁下部墩柱設(shè)計(jì)。本文依托某項(xiàng)目海域橋梁，應(yīng)用有限元程序建立模型，通過(guò)對(duì)海域橋梁下部墩柱分析，以供設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞：下部墩柱；波浪力

1.橋梁背景

某海域大橋，上部采用等截面單箱單室斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，下部采用墻式墩+現(xiàn)澆承臺(tái)+鉆孔灌注樁。墩身尺寸采用4.8mx2.5m（橫橋向x順橋向），實(shí)心矩形倒圓角斷面。承臺(tái)為矩形，平面尺寸8.4mx8.4m。承臺(tái)底設(shè)置4根直徑1.8m的鉆孔灌注樁。墩身采用C40混凝土，承臺(tái)采用C35混凝土，樁基采用C35水下混凝土。

2計(jì)算模型及作用條件

2.1計(jì)算模型

橋梁下部結(jié)構(gòu)橋墩采用彈性空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。橋梁基礎(chǔ)采用了用三維梁?jiǎn)卧M實(shí)際的樁基礎(chǔ)，用土彈簧單元模擬樁周?chē)量沽Φ挠绊憽蛄憾罩挠?jì)算模型如右圖。

2.2作用

（1）永久作用

上部恒載作用力19200kN。

（2）可變作用

汽車(chē)荷載最大值6100kN，最小值-1320kN。

溫度作用：按照整體升降溫20℃考慮。

風(fēng)荷載：橋上有車(chē)行駛時(shí)，按橋面處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速25m/s計(jì)算，極限風(fēng)速按照40.44 m/s計(jì)算。

波浪力：按波浪力專(zhuān)題報(bào)告結(jié)論取用。

（3）荷載組合

橋墩按照柔性墩進(jìn)行設(shè)計(jì)，順橋向水平力和橫橋向風(fēng)荷載按集成剛度分配法分配，橋墩鉆孔灌注樁按照摩擦樁設(shè)計(jì)。橋墩及樁基礎(chǔ)按控制斷面內(nèi)力正常使用狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行配筋和計(jì)算。

荷載組合采用以下七中荷載組合：

組合一：永久作用+汽車(chē)荷載

組合二：永久作用+汽車(chē)荷載+溫度組合+十年一遇順橋向波流力+運(yùn)營(yíng)順風(fēng)

組合三：永久作用+汽車(chē)荷載+溫度組合+十年一遇橫橋向波流力+運(yùn)營(yíng)橫風(fēng)

組合四：永久作用+百年順風(fēng)+溫度組合+百年一遇順橋向波流力

組合五：永久作用+百年橫風(fēng)+溫度組合+百年一遇順橫橋向波流力

組合六：永久作用+地震荷載（縱向+豎向）

組合七：永久作用+地震荷載（橫向+豎向）

其中，組合一至七采用承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，組合一至五同時(shí)采用正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。

2.3計(jì)算結(jié)果及分析

（1）橋墩：

由于橋梁支座采用了高阻尼減隔震支座，地震荷載經(jīng)減隔震支座減弱后不控制設(shè)計(jì)，橋墩墩身在高墩永久作用+汽車(chē)荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風(fēng)時(shí)控制設(shè)計(jì)，此時(shí)，墩底設(shè)計(jì)軸力24900kN，墩底設(shè)計(jì)彎矩15300kN.m，截面抗壓承載力70579 kN，抗彎承載力41053kN.m，強(qiáng)度滿足要求。抗裂驗(yàn)算時(shí)，短期軸力30573kN，短期彎矩10186kN.m，截面處于全截面受壓狀態(tài)，結(jié)構(gòu)抗裂滿足要求。

（2）樁基

橋墩樁基在永久作用+汽車(chē)荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風(fēng)時(shí)控制設(shè)計(jì)，此時(shí)，樁基設(shè)計(jì)軸力2800kN，樁基最大設(shè)計(jì)彎矩6500kN.m，截面抗壓承載力3540 kN，抗彎承載力8100 kN.m，強(qiáng)度滿足要求?？沽羊?yàn)算時(shí)，短期軸力3500kN，短期彎矩5059kN.m，最大裂縫寬度0.15mm，結(jié)構(gòu)抗裂滿足要求。

由于橋墩采用了群樁基礎(chǔ)，同時(shí)采用了高阻尼減隔震支座，樁基礎(chǔ)處受力最為不利，此時(shí)波浪力組合成為了控制橋墩設(shè)計(jì)的主要因素。在承臺(tái)與海底沖刷線之間，樁基彎矩存在反彎點(diǎn)，位于露出海底以上樁基1/2處以上，反彎點(diǎn)以上樁基以與承臺(tái)相接處最為不利。反彎點(diǎn)以下，在海底沖刷線以下約6m處，出現(xiàn)樁基反向最大彎矩。二處最不利荷載組合均為永久作用+汽車(chē)荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風(fēng)控制。

3.基本結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某海域大橋下部墩柱計(jì)算，顯示了在海域，波浪力的組合為控制橋梁墩設(shè)計(jì)，這些組合中，以永久作用+汽車(chē)荷載+溫度組合+十年一遇縱向波流力+活載順風(fēng)組合最為不利。

需要指出的是，計(jì)算中的波浪力采用了單樁最大力加載在作用位置上，而在實(shí)際中，波浪力大小受波浪波長(zhǎng)周期的影響，同時(shí)也受橋墩尺寸的影響，橋墩尺寸越大，波浪力越大，墩柱截面形式的變化，也會(huì)導(dǎo)致波浪力的變化。波浪作用于墩柱時(shí)，波浪力在墩柱垂直深度上的分布規(guī)律是，從波浪與墩柱接觸面向下沿著墩柱底部逐漸減小，在距離墩底某個(gè)深度后波浪力趨向于零，波浪力從最大值到零的這個(gè)深度較小，只占整個(gè)墩柱的長(zhǎng)度較小的部分。計(jì)算采用的簡(jiǎn)化方法雖可滿足要求，但在可能時(shí)，應(yīng)采用更符合實(shí)際的波浪力模型加載。

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