承台高程提高对大跨度公铁两用斜拉桥的影响分析

谢华灿，郭辉

(1.福建福平铁路有限责任公司，福建福州350000;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 3.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)

承台高程提高对大跨度公铁两用斜拉桥的影响分析

谢华灿1，郭辉2，3

(1.福建福平铁路有限责任公司，福建福州350000;2.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 3.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081)

海域环境下，承台高程是桥梁设计和施工中的关键技术指标之一，对结构整体静动力特性、施工组织和技术经济性等均存在影响。以平潭海峡公铁两用大桥元洪航道桥主跨532 m斜拉桥的N03号主墩为例，研究桥墩承台顶高程从-16.5 m提高至+5.0 m对大跨度公铁两用斜拉桥的影响。结果表明:承台高程提高后，各设计荷载作用下的塔底内力发生较大变化，而塔顶位移、主梁内力和位移变化较小;桩基自由长度增大，全桥纵向刚度出现一定程度降低且某些振型出现的顺序发生了变化。跨海桥梁下部结构设计时应综合考虑结构受力合理性、施工方案可实施性及经济性等因素。

承台高程提高 斜拉桥 整体受力 结构动力特性 施工方案

海域环境下，桥梁下部结构的施工由于受到复杂海床地质、基础冲刷、波浪力等综合影响，成为跨海桥梁工程面临的巨大挑战之一［1-5］。平潭海峡公铁两用大桥是我国首座跨海公铁两用桥梁，采用六车道高速公路和双向铁路合建方式建设，全长16.3 km。大桥从松下离岸至大练岛，依次跨越元洪航道、鼓屿门水道、大小练岛水道和北东口水道。四座通航孔桥分别采用主跨为532 m，364 m，336 m双塔钢混结合梁斜拉桥和主孔跨径2×168 m的预应力混凝土连续刚构桥。斜拉桥主塔墩承台高程在施工图设计时进行了比选，其中低桩承台方案(承台顶高程为-16.5 m)与高承台方案(承台顶高程+5.0 m)相比可节省基础投资约20%。根据后续平潭海峡公铁两用大桥实施性施工组织设计，低桩承台方案将使承台顶位于海面以下11.85～20.29 m的范围(按1%设计极端高、低潮位考虑)，大大增加了承台结构施工难度。为降低施工风险，针对基础承台提高方案开展了大量研究工作，较系统地分析了承台提高后不同桩基的施工方案及其优缺点。

本文以元洪航道桥N03号主塔墩基础为例，从结构受力角度出发，研究承台高程提高对大跨度公铁两用斜拉桥整体静动力性能的影响。

1 工程概况

元洪航道桥为满足5万吨单孔双向通航条件，推荐主跨为532 m的钢桁结合梁斜拉桥方案，桥跨布置为(132+196+532+196+132)m，全长1 188 m。结构体系采用墩塔固结、墩梁分离，N03墩顶设置固定支座，其它墩顶均设置活动支座。其桥式立面见图1。

图1 元洪航道桥立面布置(单位:m)

N03号主塔墩结构原施工设计如图2所示，基础采用38根直径3.0 m钻孔桩，C40水下混凝土，平均桩长27.3 m，纵、横向桩距均为6.2 m。承台为圆端哑铃形的低桩承台，C40混凝土，承台顶高程-16.5 m，平面尺寸81.2 m×33.2 m。

考虑承台高程提高采用φ4.0 m桩方案，承台和钻孔桩结构设计如表1所示。提高方案承台顶高程从-16.5 m提高至+5.0 m，承台平面尺寸基本保持不变，厚度从7.5 m增加至9.0 m，混凝土材料从C40提高至C50。钻孔桩直径从3.0 m增加至4.0 m，桩长从27.3 m增加至47.3 m，桩数从38根减少至24根，桩距从6.2 m增大至8.2 m，钻孔桩水下混凝土从C40提高至C45。

图2 元洪航道桥施工图设计N03号主塔墩基础结构(单位:m)

表1 元洪航道桥N03号主塔墩基础的不同方案

针对N03号主塔墩基础，不考虑防船撞设施和混凝土涂装增加的费用，承台顶高程从-16.5 m变化至+5.0 m后，带来的钻孔桩变化和承台变化需增加投资约2 300万元左右。

2 承台高程提高前后结构整体静力性能变化

2.1 荷载取值

研究元洪航道桥承台高程提高前后结构整体静力性能变化前，首先给出了各单项荷载的具体取值规定［6］。

1)恒载:包括一期恒载、二期恒载、混凝土压重和索力。其中，一期恒载根据设计考虑结构合理构造系数后通过程序自动计算;公路及铁路二期恒载共计289 kN/m(铁路二期恒载为163 kN/m，公路二期恒载为126 kN/m)。混凝土压重布置在N02号及N05号辅助墩两侧各3个节间范围内，压重荷载为264 kN/m。

2)活载:铁路活载按“中—活载”图式加载，公路活载按公路—Ⅰ级车道荷载考虑。

3)支座沉降:主塔墩基础2.0 cm;边墩及辅助墩基础1.5 cm，并考虑不同支座沉降的最不利组合。

4)列车横向摇摆力:取100 kN以水平方向垂直于线路中心线，作用于跨中钢轨顶面。

5)制动力:列车制动力按《铁路桥涵设计基本规范》的相关规定考虑;汽车制动力考虑单侧三个车道同时制动，为公路—I级车道荷载标准值在加载长度上计算的总重力的10%，并不小于165 kN，同向行驶三车道的制动力按单个车道的2.34倍进行折减。

6)温度荷载考虑整体升、降温工况，其中混凝土和钢取不同升、降温值。

7)风荷载:横向极限风Vs10=44.8 m/s，有车风V10=30 m/s。主桁杆件风荷载按《铁路桥涵设计基本规范》计算。主塔及斜拉索风荷载根据《公路桥梁抗风设计规范》取值。计算时分为横向极限风、横向有车风、纵向极限风、纵向有车风四种工况。

2.2 内力变化

研究N03，N04号主塔墩承台顶高程从-16.5 m变化至+5.0 m后，单项荷载作用对主桁结构轴力、主塔塔底弯矩的影响。结果表明，承台高程提高后，恒载、整体升降温作用下的主桁最大轴拉/最大轴压力增大，但增大幅度很小。而在活载、横向摇摆力、制动力、风荷载等各分项荷载作用下，主桁最大轴拉/最大轴压力减小，变化率一般在5%左右。同时，承台高程提高对支座沉降引起的主桁轴力影响很小。

承台高程提高后，主塔塔底顺桥向弯矩变化如表2所示。列车横向摇摆力和横向风荷载作用效应受承台高程提高的影响最为明显，承台提高后塔底横向弯矩值减少约30%，这主要是因为主塔高度相应减小造成的。竖向活载引起的主塔塔底顺桥向弯矩在承台高程提高后减小约8%，其它单项荷载如支座沉降、温度荷载对应的主塔塔底弯矩均减小，变化率分别为1.7%，3.6%，影响程度不大。

表2 承台高程提高前后的主塔塔底弯矩变化

2.3 位移变化

由承台高程提高前后主梁对应的静活载位移计算结果可知:承台提高前，铁路活载作用引起的边跨、次边跨和主梁竖向挠度最小值分别为-46，-88和-653 mm;承台提高后，铁路活载作用下各跨竖向挠度最小值依次为-38，-86和-640 mm，变化率分别为17%，2.3%和2.0%，对边跨的影响较其余跨大。对公路活载作用，承台提高前各跨竖向挠度最小值分别为-11，-23和-156 mm;承台提高后为-11，-23和-155 mm，两者差别很小。对梁端转角，承台提高前铁路活载对应N01号，N06号墩梁端转角最大分别为1.031‰，-0.968‰;承台提高后，该值变为0.971‰，-0.971‰，N01号墩变化率为5.8%，N06号墩基本一致。而公路活载对应N01号墩梁端最大转角在承台提高前后基本不变。对梁端位移，承台提高前铁路活载作用下N01号墩、N06号墩对应最大值分别为59，-21 mm;承台提高后变为52，-21 mm，N01号墩梁端位移变化率为11.9%，而N06号墩没有变化。承台提高前，公路活载作用下N01号墩、N06号墩梁端最大位移分别为13，-5 mm，承台提高后变为12，-5 mm;N01号墩梁端位移变化率为7.7%，但绝对量值差别很小，N06号墩基本没有变化。

以上分析了承台高程提高前后，铁路及公路活载作用下主梁的竖向挠度、梁端转角和梁端位移结果。对于附加力等荷载，整体升、降温对承台高程提高前后主梁竖向位移影响较大，其变化率在15%左右，而对应承台高程提高前后的纵向位移变化率很小。支座沉降、列车横向摇摆力和制动力单独作用下，承台高程提高前后引起的主梁对应方向的位移变化很小，两者基本一致。横向风荷载作用下，承台提高后的主梁横向位移较提高前减小约3.8%，其中横向极限风对应绝对差值在14.7 mm，横向有车风对应绝对差值在6.7 mm。纵向风荷载作用下，承台提高后的主梁纵向位移较提高前减小约2%，绝对差值很小。

各项荷载对承台提高前后的主塔塔顶纵向位移的影响如表3所示。从表中可见，各项荷载对塔顶纵向位移的影响在-2.2%～3.8%之间变化，绝对差值很小。对塔顶横向位移的影响主要来自横向风荷载，变化率在2.8%左右，绝对差值对于横向极限风和横向有车风而言分别为7.1，3.3 mm。

表3 承台高程提高前后各分项荷载作用下的主塔塔顶位移

3 承台高程提高前后结构动力特性变化

动力特性分析时，同时考虑了边墩、辅助墩及主塔墩承台高程变化对结构自振特性的影响，结果如表4所示。从表中可见，承台提高、桩基自由长度增大后，结构自振特性出现一定变化。前5阶振型中，变化最大的是第2阶振型，自振频率由0.255 Hz减小至0.245 Hz，这主要是因为承台提高、桩基自由长度增大后主塔墩纵向刚度降低造成的。同时，第6，第7阶振型均为主桁横弯，但承台提高后对应自振频率略有增大，而第8～第10阶自振频率减小，第8，第9阶振型出现顺序交换，主桁反对称竖弯振型从第8阶变为第9阶。扭弯频率比减小。

表4 承台高程提高前后结构自振特性的变化

4 承台高程提高前后施工方案分析

针对承台顶高程-16.5 m的低桩承台方案，经实施性施工组织设计提出以下两种施工方案进行研究，即先围堰后平台方案和先平台后围堰方案。

先围堰后平台方案具体施工流程为:围堰在工厂分节制造→拼装成整体后下水浮运至墩位→采用锚碇系统精确定位→围堰内灌水下沉着床就位→浇筑舱壁混凝土→插打钢护筒→浇筑封底混凝土→解除锚碇→施工钻孔桩→抽水施工承台。先平台后围堰方案具体施工流程为:搭设钻孔平台→插打钢护筒、施工钻孔桩→围堰在工厂分节制造→底节围堰下水浮运至墩位→浮吊起吊下放就位→中节、顶节围堰分块接高→围堰内灌水下沉着床就位→浇筑舱壁混凝土、封底混凝土→抽水施工承台。以上两种施工方案均存在抛设锚碇影响通航，围堰承受波浪力大以及深水区大体积水下封底混凝土施工质量较难保证等技术难题。

承台高程提高后，钢围堰考虑整体吊装下放。围堰顶设置限位环与周圈钻孔桩间顶部钢护筒连成整体，围堰底板与钢护筒间抄垫密实，施工过程中围堰波浪力传至钢护筒由钻孔桩承受。采用先平台后围堰施工方案，围堰为工厂整体制造后浮运下水。主要施工流程:搭设钻孔平台→插打钢护筒、施工钻孔桩→围堰工厂制造→下水浮运至墩位→浮吊整体起吊下放就位→浇筑封底混凝土→抽水施工承台。该方案优点为:大直径桩自身刚度较大，承台提高后桩数减少较多;围堰波浪力可由钻孔桩承受，不需抛设锚锭系统。存在的技术难题为缺乏φ4.0 m及以上大直径钻孔桩施工经验(目前国内铁路桥梁最大桩径为天兴洲大桥采用的φ3.4 m)，大直径桩的施工工艺、成桩质量等关键问题有待进一步研究解决。同时，高桩承台方案将增加项目投资，对项目管理造成一定风险。

5 结论

我国虽已建设了众多的跨海大桥如杭州湾跨海大桥、东海大桥等，积累了一定的工程经验，但由于海洋环境的复杂性，桥梁下部结构施工仍面临诸多技术挑战。本文通过对元洪航道桥承台高程提高前后结构整体受力性能、施工方案等的分析，得出以下结论:

1)海域环境条件下，桥梁下部结构设计应考虑水文气象(潮位、海流、波浪、气象等)及工程地质条件、施工方案可实施性和技术经济性等多重因素。

2)承台顶高程从-16.5 m提高至+5.0 m后，主塔塔底高程也相应提高，列车横向摇摆力、制动力和风荷载引起的主塔塔底弯矩明显减小，变化率在30%左右，其它竖向荷载和温度荷载引起的塔底弯矩变化相对较小。此外，各单项荷载对应的塔顶位移、主梁轴力和位移的变化均较小。考虑斜拉桥合理成桥状态，承台顶高程提高后，应根据塔底弯矩和塔顶变位情况，适当进行索力调整。

3)对本桥而言，低桩承台调整为高桩承台后，结构动力特性也相应出现一些变化。如体系一阶纵漂自振频率降低约4%，主桁扭转频率降低约5%，某些振型出现的先后顺序发生变化等。对于类似情况，当结构动力特性变化较大时，还需要进一步研究结构抗风、抗震性能是否满足设计要求。

4)承台高程的变化影响结构整体力学性能、下部结构施工方案以及工程投资规模，在设计过程中需全面客观论证分析，合理比较选择，以保证项目的顺利推进。

［1］中铁大桥勘测设计院集团有限公司.新建福州至平潭铁路平潭海峡公铁两用大桥施工图［Z］.武汉:中铁大桥勘测设计院集团有限公司，2015.

［2］Honshu-Shikoku Bridge Authority.The Akashi-Kaikyo Bridge: Design and Construction of the World's Longest Bridge［R］. Kobe:Honshu-Shikoku Bridge Authority，1998.

［3］COMBAULT J，TEYSSANDIER J P.The Rion-Antirion Bridge: Concept，Design and Construction［C］//Proceedings of the 2005 Structures Congress and the 2005 Forensic Engineering Symposium.New York:ASCE，2005:1-12.

［4］本州四国連絡橋公団.南·北備讃瀬戸大橋［J］.橋梁と基礎，1988，22(8):42-47.

［5］刘春阳，王开民.厦门杏林大桥桩基施工工艺及质量控制措施［J］.铁道建筑，2008(1):42-45.

［6］中华人民共和国铁道部.TB 10002.1—2005铁路桥涵设计基本规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

(责任审编赵其文)

U448.27;U443.25

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.02

1003-1995(2015)05-0005-04

2014-08-12;

2015-03-26

谢华灿(1965—)，男，福建宁化人，工程师。