摘 要：分析了预应力混凝土连续刚构桥对深水库区环境的适应性，表明高墩深水大跨度刚构桥是库区和浅海环境的优选桥型。针对水的作用对桥墩的影响进行了研究综述，对现有设计解决方案的优缺点进行了比较。在此基础上，以一座（81+3×150+81）m预应力混凝土连续刚构桥为例，比较了以往类似桥墩设计方法，提出了无承台设计方案，进行了全面验算，重点对动水作用下的抗震性能进行了分析，结果表明，无承台设计方案具有便于施工、传力明确、抗震性能优越等特点。无承台设计方案对类似的高墩深水大跨度刚构桥的设计具有重要参考价值，也可为其他深水基础提供参考。
关键词：大跨度刚构桥；高墩；深水；无承台；地震响应
中图分类号：U 文献标识码：A 文章编号：
Design the high pier deep-water long-span rigid frame bridge without caps
(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan 610031)
Abstract: The adaptability of the prestressed concrete continuous rigid frame bridge to the environment of deep reservoir area is analyzed. It is shown that the high pier deep-water long-span rigid frame bridge is the preferred bridge type in reservoir area and shallow sea environment. In this paper, the influence of water on piers is reviewed, and the advantages and disadvantages of existing design solutions are compared. On this basis, taking a (81+3*150+81) m prestressed concrete continuous Rigid frame bridge as an example, this paper compares the similar pier design methods in the past, puts forward the design scheme without caps, carries out a comprehensive check calculation, and focuses on the analysis of seismic performance under dynamic water action. The results show that the design scheme without caps has the characteristics of convenient construction, clear force transmission, superior seismic performance etc. The design scheme without caps has important reference value for similar high pier deep-water long-span rigid frame bridges, and can also provide reference for other deep-water foundations.
Key words: long span rigid frame bridge; high pier; deep-water; no cap; seismic response
作为大跨度梁式桥的代表，具有跨越能力强、内力分布合理、经济性能良好以及外形简洁优美等优点，大跨度连续刚构桥已成为跨越地形复杂的深沟峡谷和沟壑纵横地区的重要桥梁结构形式。同时，由于这些地区往往江河众多，高坝深库密布，不少桥位不得不放在深水之中，如庙子坪岷江特大桥、重庆江津长江大桥、漭街渡大桥等。如果桥址又处于抗震设防的高烈度地区的话，则对这些高墩大跨度连续刚构桥的设计要求会更高，如在2008年汶川地震中，强震就导致了庙子坪桥水中墩开裂及简直跨落梁等严重震害[1]。
针对深水刚构桥，相关学者开展了一些研究。刘振宇[2]等采用一致激励分析了动水压力对深水刚构桥地震响应的影响；李忠献[3]等基于辐射波浪理论求解动水压力，讨论了行波效应对深水刚构桥地震响应的影响特性；李锐[4]等和杨万里[5]等分别采用Morison方程法和流固耦合方法，研究了大跨深水刚构桥的动水效应。在研究的支持下，对此类桥下部设计有深水承台、高桩承台等作法。在水下施工大体积混凝土的承台，耗时费钱，质量也较难保证。本文以广元市昭化区南流嘉陵江大桥为对象，在深入计算分析的基础上，提出了一种无承台的高墩深水大跨度连续刚构桥设计方案，分析表明各项指标满足相关规范要求，为同类桥型的设计提供了一种新的解决方案。
1 工程的基本概况
南流嘉陵江大桥位于广元市昭化区虎跳镇、陈江乡境内，横跨嘉陵江，是XH06线(太柏路)上改渡为桥的重点跨江工程项目，也是亭子口库区公路建设规划中的重点工程项目。主桥采用81+3×150+81米预应力混凝土连续刚构桥跨越嘉陵江，同时采用2×13+5×40和2×40+2×13米预应力混凝土T梁和现浇实心板桥连接两岸引道。
1.1 技术标准
（1）公路等级：二级公路；
（2）设计速度：60Km/h；
（3）设计荷载：汽车为公路-I级、人群为2.5kN/m2；
（4）桥面横坡：行车道2.0%，人行道2.0%；
（5）通航等级：Ⅲ-(3)级；
（6）抗震设防基本烈度：Ⅵ度，设计基本地震加速度值为0.05g；
（7）①设计洪水频率：大桥、中桥1/100、路基、涵洞为1/50；
②南流嘉陵江大桥设计洪水位：458.56m；
（8）结构设计使用年限：
①主体结构设计使用年限：大桥100年；
②可更换部件结构使用年限：栏杆、伸缩缝、支座等15年；
（9）南流嘉陵江大桥桥梁宽度：13.0m；
（10）桥面铺装：行车道：10cmC40砼+防水粘结层+10cm厚(6cmAC-20C下面层+4cmAC-13C上面层)沥青砼，人行道：防水粘结层+10cmC40砼。
1.2 桥型方案的比选
在方案阶段进行了桥型比选，与预应力混凝土连续刚构桥比对的桥型是混凝土斜拉桥。
斜拉桥方案采用主跨(142m+328m+142m)预应力混凝土斜拉桥方案，平行双索面，接引桥处各设置1个交界墩。主桥桥面为双向两车道，并设有人行道，横桥向斜拉索布置间距为14.1m；主桥主梁采用PC梁，顺桥向锚固标准索距为8m；斜拉索按扇形布置，一个索塔索面由21对高强度平行钢丝拉索组成，共2×21对斜拉索。
主桥采用“半飘浮”结构支承体系，塔下横梁处设一对竖向减隔震支座；交界墩处设置竖向活动减隔震支座。
相比较刚构桥，斜拉桥主要的优点：
①通航条件较好。
②桥梁造型雄伟壮观,梁体轻盈飘逸，与周边环境协调，利于营造景观。
③技术成熟可行,柔性结构,其抗震性能较好。
斜拉桥主要的缺点：
①百米高塔施工风险较大，桥梁技术复杂、施工难度大。
②斜拉索后期维护费用较高。
③主墩基本位于湖中,为深水基础施工,施工难度较大,施工工期较长。
④工程投资较大。
而刚构桥的主要优点：
①连续刚构以主梁线形为基调,梁底曲线与水中倒影交相辉映,充分体现了线形简洁、明快的时代感。
②连续刚构桥型施工技术成熟,施工风险较小,刚构桥型桥梁高度相对较小，工程投资相对较低。
③连续刚构桥型后期养护费用较低,具有全寿命成本低的优点。
④连续刚构桥型上部构造采用挂篮施工,施工与通航无明显冲突。
刚构桥的主要缺点：
①连续刚构桥型桥梁深水基础桥墩较多。
②连续刚构悬浇长度较大,施工难度较大。
③桥梁自重较大,抗震性能一般。
并且，进行了详细的经济可行性比较之后，表明预应力混凝土连续刚构桥是此类库区（或者浅海地区）的优选桥型。
1.3 确定的桥型方案
刚构桥方案在方案阶段，对下部结构的设计为：主跨采用双肢薄壁墩、承台接群桩基础,过渡墩采用矩形空心墩、承台接群桩基础,桩基础均以中风化岩层作持力层。边跨采用柱式墩接桩基础。两岸桥台结合地形地质情况均采用重力式桥台。深水桩基础施工采用浮箱平台、桩基护筒跟进打入基岩后由桩基护筒形成钢管桩平台进行冲孔和桩基浇筑，护筒作为桩基模板不予以拆除护筒按一次性消耗入建设成本，混凝土采用泵送方式。
考虑到深水承台施工难度、环境影响、工期因素等等，最终确定该桥采用双排双柱墩无承台设计。主墩采用实心圆柱墩，横桥向中心间距6.5米，顺桥向中心间距为8.0米，主墩平均墩高为60米，墩柱和桩基直径均为3.0米，钢筋混凝土盖梁。要求桩底中风化基岩天热抗压强度标准值frk≥6MPa，嵌入中风化基岩的深度不小于5倍桩径。
主梁采用单箱单室截面，箱梁顶板宽13.0米，底板宽7.5米，外翼板悬臂长2.75米，箱梁顶板设置成2.0%双向横坡，底板水平。箱梁跨中及边跨现浇段梁高3.5米（箱梁高均以梁体中心为准），桥墩与箱梁相接的根部断面及墩顶0号梁段高9.6米。箱梁从跨中至根部的梁高以1.8次抛物线变化。箱梁腹板厚度由0号截面125厘米渐变至75厘米，1号截面至9号截面腹板厚度均为75厘米，10号梁段截面腹板由75厘米渐变为65厘米。11号截面至14号截面腹板厚度均为65厘米，15号梁段截面腹板由65厘米渐变为55厘米。其余梁段腹板厚度为55厘米。箱梁顶板除在墩顶0号块范围由60厘米外，其余箱梁顶板厚均为30厘米。箱梁底板厚除墩顶范围为350厘米外，其余箱梁底板厚度以1.8次抛物线从120厘米变至跨中截面的32厘米。箱梁的0号段长14.0米，每个主墩“T”构纵桥向划分为2个挂篮对称现浇梁段，边跨主梁现浇段长4.2米，梁端设置2.0米边跨合龙段。梁段数及梁段长度从主墩至两侧分别为14.0米(0号段),9×3.0米，10×4.0米，2.0米(合龙段)。1号～19号梁段采用挂篮悬臂浇注施工，悬臂浇注梁段最大控制重量2067kN，挂篮设计自重900kN。全桥共有5个合龙段，合龙段长度均为2.0米(采用型钢桁架做合龙段劲性骨架)。每个节段腹板上设一对Φ6厘米的通风孔，在边跨现浇块梁端位置设置相应人孔便于检查和通行。
梁体顶板纵向预应力钢束分三类,均为两端对称张拉，第一类是悬臂浇筑时逐段张拉的钢束，采用M15-22（19、17）大吨位锚固体系，锚固在腹板和腹板与顶板交界处；第二类是中跨合龙束，顶板采用M15-22（19、17）大吨位锚固体系，锚固在上齿板；第三类是边跨合龙束，采用M15-19大吨位锚固体系，锚固在上齿板和梁端。中跨底板束采用M15-19、21大吨位锚固体系，锚固在下齿板上。边跨底板束采用M15-17大吨位锚固体系，锚固在下齿板和梁端。
0号梁段横隔板和端横梁上下缘横向预应力筋采用M15-15预应力钢绞线；竖向预应力钢筋，在全桥箱梁各梁段的腹板上沿纵桥向50厘米左右设置一束M15-4竖向预应力钢绞线，顶板横向预应力采用M15-2预应力钢绞线。
2 结构设计静力计算结果
主桥上部结构采用全预应力构件设计，采用桥梁专用有限元程序建模计算。
2.1 计算模型的基本情况
采用三维梁单元建立从桩基到上部梁体带施工阶段的全桥分析模型。桩-土相互作用采用零长度等代土弹簧单元模拟，在冲刷线以下各土层侧面沿桩横向和纵向设置，弹簧刚度按照M法计算。其他主要计算参数如下：
(1)活载计算
箱梁计算时按二车道进行加载验算，考虑1.15的偏载系数；两侧人群荷载分别按宽度为1.5米加载，计算总制动力为678.6kN，基于墩柱的抗推刚度分配于4个主墩上。
(2)砼容重取26kN/m3，二期恒载（计入铺装、护栏、灯柱）取96.3kN/砼结构的收缩徐变按《公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范》取值计算；
(3)温差
根据气象资料，全桥结构体系温差取+16℃和-21℃，桥面板上、下缘温差按规范取值计算；
(4)连续箱梁主梁结构计算挂蓝重量为90吨；
(5)基础不均匀沉降
主墩基础按2cm考虑。
(6)合龙温度
根据气象资料，全桥结构合龙体系温度取值为17℃，实际合龙温度可在15℃～20℃间选取。
在汽车活载（不计冲击力）作用下，主梁的挠度最大绝对值为：
(9.96+23.31)=33.27*1.4125=46.99mm<l/400=150000/400=375mm
竖向刚度满足规范要求。
活载+温度组合作用下，主桥梁端正负最大位移量为142.9mm，考虑引桥位移量，设计中选取320型伸缩缝。
（2）主梁验算
主梁在基本组合下承载能力的验算结果示意见图6、7，典型截面的验算结果列于表1。
3 结构设计动力计算结果
该桥一个显著的特点就是下部结构设计，改双支薄壁墩+承台桩基设计为双排双柱墩+桩基（无承台）设计，该方案的稳定性和抗震性能的计算结果如下。
3.1 稳定性分析
最大悬臂阶段时主墩和交界墩状况见图9、10所示。此时考虑施工不平衡荷载10t，综合考虑结构自重，挂篮荷载进行计算。
经计算，8#～11#主墩的一阶稳定系数分别为22.38、21.23、22.28、12.88，7#、12#墩的一阶稳定系数分别为18.95、13.31，各墩的一阶屈曲模态见图11～16所示，结果表明，在最大悬臂工况，桥墩的稳定性能够得到保证，满足规范要求。
成桥阶段，考虑二期荷载、自重、移动荷载、预应力等作用下，对全桥进行稳定性分析，计算得出成桥阶段的前5阶屈曲系数见表2所列，均大于4，屈曲形态见图17～19所示，结果表明，在成桥阶段，桥墩的稳定性能够得到保证，满足规范要求。
3.2 抗震分析
本工程主桥场地地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.40s，结构阻尼比为0.05。根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02/01-2008) 5.2 条规定及上述地震动参数，得到水平设计加速反应谱如图20、21所示。
对结构进行动力特性分析，并给出了对应的前11阶频率及部分阵型图。
主梁一阶竖向弯曲振型的振动频率为0.980Hz。对结构地震反应影响较大的主墩纵桥向、横桥向弯曲振型出现在第一阶、二阶。也有出现交界墩弯扭等局部振型，表明在本结构中，交界墩可能出现比较大的地震反应。
主桥弹性反应谱分析采用多振型反应谱方法，采用完全二次型方法（CQC）计算地震作用效应。
桥墩在E1地震作用效应与永久作用效应组合后的强度，图23～25为E1地震作用下墩柱强度的验算结果图。
以上图形显示，在E1地震作用下与永久荷载效应组合下，桥墩强度满足规范要求。
桥墩在E2地震作用效应与永久作用效应组合后的最不利内力见图26～28所示，最不利内力值及屈服弯矩见表4所列。
综上，在E1地震作用下，桥墩强度满足要求，在E2地震作用下，最不利弯矩小于屈服弯矩，各桥墩满足抗震目标要求。
4 结论
通过对南流嘉陵江大桥方案的比较过程分析、模型计算分析，得到如下结论：
（1）对于库区（或浅海地区）预应力混凝土连续刚构桥是一种优选桥型。
（2）水下承台设计施工对刚构桥在深水库区的应用有制约作用。
（3）采用双排双柱墩+桩基方案代替常规刚构桥的双薄壁墩+承台+桩基方案，具有可行性。
（4）经过实例桥型的深入计算分析表明，双排双柱墩+桩基方案可以满足上部结构设计要求，并且，稳定性和抗震性能均表现良好，是高墩深水大跨度刚构桥的一种很好的改进下部结构设计方案。
参考文献
[1] 黄麟,蒋劲松,姚红兵．庙子坪岷江大桥震后主墩裂缝的成因分析以及深水修复与加固[J].西南公路，2008(4)：32-35
[2] 刘振宇,李乔,赵灿晖,等．深水连续刚构桥地震响应分析［J］．地震工程与工程振动，2009，29(4)：119-124．
[3] 李忠献,黄信．行波效应对深水连续刚构桥地震响应的影响［J］．工程力学，2013，30(3)：120-125．
[4] 李悦,王克海,李茜,等．动水对深水大跨刚构桥地震响应影响［J］．公路交通科技，2011,28(2)：76-81
[5] 杨万理,李乔．动水压力对连续刚构桥梁地震响应的影响［J］．西南交通大学学报,2012，47(3)：373-378．
论文作者:牛小平
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第13期
论文发表时间:2019/8/28
标签：深水论文; 预应力论文; 腹板论文; 锚固论文; 桩基论文; 桥墩论文; 嘉陵江论文; 《工程管理前沿》2019年第13期论文;