波浪力作用下橋梁設計以及安全性分析

李建強，方 聰

[1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092 ；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410011]

1 工程概況

某工程位于珠海市橫琴島西南側的峽灣內(nèi)，為外海環(huán)境。因處于風景旅游區(qū)，景觀要求較高，需采用低橋位設計方案。結合周圍地塊景觀等需求，橋面標高定為5.5 m，平均墩高約為5.0 m，海上段橋梁全長2.2 km；橋梁設計需要結合周邊景觀，并體現(xiàn)人與自然協(xié)調“親水性”，使橋址處橋梁建設成為集防浪和娛樂觀賞為一體的旅游休閑勝地。

2 建設條件

2.1 地貌

橋位處為臨海地區(qū)，西側為磨刀門水道，與南海連通，東側為大橫琴山，區(qū)域水網(wǎng)較發(fā)育，主要由魚塘、河流、灘涂、少量的蕉林組成。

2.2 氣象

項目場地位于北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風氣候。冬夏季風交替明顯，終年氣溫較高，偶有陣寒，年、日溫差小；由于受季風變化和地形的影響，易遭受臺風襲擊，強臺風登陸最大風力達12 級以上。

2.3 水文

項目場地為海灘地貌，地表水主要為海水，擬建場地水深0.60～5.00 m，水位受潮汐影響較大，漲落潮水位變化在1.50～2.50 m。地下水位較高，常年雨量充沛。

2.4 地質

工程沿線原始地貌為淺海地貌單元，局部為人工回填形成的陸域，覆蓋層以軟弱土為主，第四紀地層厚度較大。從地質鉆孔揭露，地層自上而下的順序為：人工填積層（Q4ml）、第四系湖塘相淤積層（Q4l）、第四系海相沉積層（Q4m）、第四系海陸交互相沉積層（Q4mc）、殘積層（Q4el）和燕山期侵入花崗巖層（γ52（3））。

項目場址地貌見圖1。

圖1 項目場址地貌

3 結構體系選擇和技術標準

結合該地區(qū)的地理位置和建設條件，本工程設計重難點為外海環(huán)境下，低橋位條件下需解決波浪對主梁浮托力以及波浪對立柱的水平力問題。為解決浮托力以及支座耐久性問題，最終本工程海上段采用了共計27 聯(lián)預應力墩梁固結體系。矮墩預應力連續(xù)剛構橋型布置圖見圖2。

圖2 矮墩預應力連續(xù)剛構橋型布置圖（單位：cm）

主要技術標準如下：

橋梁設計荷載：城-A 級。

設計時速：80 km/h。

橋面寬度：雙幅總寬50 m，單幅23.75 m。

最高潮水位：3.74 m（F=1/100）。

地震基本烈度：地震動峰值加速度0.1g，Ⅶ度區(qū)，按照地震烈度Ⅷ構造設防。

浪高：6.0 m（F=1/300）。

單幅橋上下部結構采用墩梁固結體系，上部結構采用鍋底型箱型斷面，下部采用樁接柱，橋墩邊墩采用?90，中墩采用?120，樁基采用鉆孔灌注樁。矮墩預應力連續(xù)剛構橋梁橫斷面布置圖見圖3。

圖3 矮墩預應力連續(xù)剛構橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

4 橋梁結構設計

對于跨徑20 m 的連續(xù)剛構體系橋梁，一般可采用鋼結構或者混凝土結構。對于近海且受波浪力影響的低橋位環(huán)島橋梁設計而言，若橋梁主梁采用鋼結構，將產(chǎn)生下列問題：（1）在海水環(huán)境下易腐蝕，防腐措施費用較高，若采用耐候鋼則造價顯著增高；（2）橋梁結構在波浪力作用下疲勞效應明顯且因受到波浪上浮力，橋墩和樁基出現(xiàn)了受拉；（3）對于橋梁長度約2.2 km 的環(huán)島橋梁來說，采用鋼結構的造價相對較高；（4）鋼結構后期養(yǎng)護成本高。由此可見，鋼結構在此工程中不宜采用。

相比之下，混凝土結構因自重大，可減小主梁因受到波浪浮托力致使的橋墩受拉作用，因此適用于本結構，但應考慮混凝土結構腐蝕性問題。耐久性問題可以通過相關措施解決，本文不作論述。

4.1 上部結構設計

對于運營階段受到波浪力作用的橋梁，其截面設計至關重要，常見的形式有T 梁、小箱梁、有挑臂大箱梁、無挑臂大箱梁等形式。其中的T 字型截面為開口型，T 肋對迎擊而來的波浪有一定的阻礙，結構形式不利于對波浪卸力。為此選擇有、無挑臂的大箱梁截面形式進行對比，見圖4。由于橋梁方案梁底標高低于最高潮水位，主梁需要承受較大的波浪浮托力，而斜腹板斷面主梁挑臂較大，在波浪力作用下不滿足受力要求。經(jīng)過多次對比論證，主梁斷面應采用流線型斷面，以減小波浪浮托力影響。

圖4 預應力混凝土大箱梁截面

4.2 下部結構設計

對于混凝土現(xiàn)澆梁，下部結構可以采用群樁基礎橋墩、排架墩等形式。

分析認為，群樁基礎橋墩的剛度較大，在受力方面不能滿足長聯(lián)、邊墩固結的橋梁方案；同時群樁基礎施工需要進行大范圍的圍堰，而橋址位置處于水中，致使圍堰施工費用較高。另外，對于墩梁固結剛構體系，結構1 聯(lián)長度和跨徑大小、混凝土收縮和徐變、溫度、預應力次內(nèi)力、橋樁沉降等變化對橋墩影響均較大[1]。

由于本項目中橋梁方案采用邊墩固結形式，從受力方面考慮，橋梁下部結構選擇縱橋向柔度較大的排架墩結構更為合適。

5 波浪力計算

工程位于磨刀門左側的凹氹內(nèi)，受橫琴島的保護。在極端條件下，大萬山站常浪向SE（東南向波浪）、強浪向S（南向波浪）、SW（西南向波浪）等對工程區(qū)水域有影響。

工程上一般對實測水文資料進行處理，采用波浪最大波高Hmax、超越概率為4%的波高H4%、超越概率為13%的波高H13%來描述波浪。非工作狀態(tài)、災難狀態(tài)分別按照50 a、100 a、300 a 重現(xiàn)期確定[2]。

主要計算SE、S、SW 這3 個方向的波浪。其橋位處設計波要素見表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 表示平均波長）。

表1 橋位處設計波要素表

依據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015），明確設計需考慮波浪力的作用。波浪對橋梁結構的作用分為2 類：（1）對上部結構產(chǎn)生的浮托力；（2）對下部橋墩的水平力。

5.1 浮托力計算

本文通過對斜坡上尾部封閉的水平面板波浪力產(chǎn)生的類型、條件和機理進行綜合分析，最終選擇按《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145—2015）來計算梁底的波浪浮托力。計算式為：

式中：F1%為累積頻率為1%的波高作用下梁底縱向長度的最大浮托力；γ 為水的重度；x1%為梁底波浪作用寬度；η1%為H1%波高對應的波峰在靜水面以上的高度；Ls為有效波長；h 為靜水面高度；Δh 為梁底在靜水面以上的高度；B 為沿波浪傳播方向的梁底寬度；g 為重力加速度；TS為平均周期；FF為累計頻率為F 的波高作用下梁底縱向單位長度的最大浮托力；KF為梁底不同累積頻率F 的波浪總浮托力換算系數(shù)；H1%為入射波波高；d 為前沿水深；K1為梁底寬度影響系數(shù)。

5.2 橋墩水平力計算

波浪對橋墩的作用力采用莫里森公式計算。該公式認為作用在小直徑樁上的波浪荷載由2 項組成：由水平加速度引起的慣性力、由水平速度引起的阻力。其表達式為：

式中：P 為柱在某一深度處長度上的波浪力，由慣性力P1和阻力Pd組成；Cm為慣性力系數(shù)；Cd為阻力系數(shù)；r 為柱截面半徑；u 為波浪運動水平速度。本工程Cm=1.2、Cd=2.0。

將相關數(shù)值代入式（1）～（7），可得在極端高水位3.74 m 情況下，橋墩截面在3 個方向的波向參數(shù)、浮托力和水平力，見表2。

表2 各波向參數(shù)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，達69.8 kN/m；在W 向風浪時，主梁受到的浮托力最大達77.2 kN/m。（2）橋墩水平力以SW 向最大，達126.9 kN/m；在W 向風浪時，橋墩受到的水平力最大達130.5 kN/m。

6 橋梁結構安全性驗算

本橋采用國內(nèi)常用的有限元軟件建立空間橋梁結構模型進行分析，主梁、橋墩、樁基均采用空間梁單元模擬。模型建立需要考慮的因素為：

（1）有限元模擬上部結構箱梁時，需考慮預應力次內(nèi)力對下部橋墩的影響。

（2）樁土效應模擬時，將樁周土的作用看成線彈性土彈簧，采用《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363—2019）中“m 法”來解決樁基的模擬。

6.1 上部結構安全性驗算

波浪對橋梁上部結構產(chǎn)生的上浮力與常規(guī)現(xiàn)澆梁所受的荷載不同，不僅要保證無波浪力情況下的結構安全，而且要保證有波浪力情況下的結構安全。為了抵抗波浪上浮力作用，主梁配束除常規(guī)的腹板束以外，還在上下緣配通長鋼束。抵抗上浮力的通長鋼束結構見圖5。

圖5 抵抗上浮力的通長鋼束結構

施工階段，主梁在未考慮波浪力與考慮波浪力情況下的應力云圖見圖6。由圖6 可知，在施工階段，考慮波浪力以后，主梁上下緣應力變化約0.6 MPa，施工階段應力滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）中對于壓應力的要求：

圖6 主梁施工階段正應力云圖（單位：MP a）

運營階段，主梁在未考慮波浪力與考慮波浪力情況下的應力云圖見圖7。由圖7 可知，在運營階段，考慮波浪力以后，主梁上下緣應力變化約1.5 MPa，頻遇組合下滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中對于應力σst的要求：

圖7 主梁運營階段正應力云圖（單位：MP a）

式中：σpc為混凝土截面邊緣預壓應力；σst為混凝土截面邊緣法向拉應力；ftk為混凝土抗拉強度標準值。

6.2 下部結構安全性驗算

波浪對橋梁下部結構的影響主要是波浪水平力以及波浪產(chǎn)生的上浮力是否導致橋墩受拉。對于橋墩受力來說，考慮波浪力工況是最不安全工況，因此本文僅驗算波浪力工況下的下部結構安全性。

建立有限元模型，提取出頻遇組合下橋墩立柱與樁基最不利截面位置的內(nèi)力，見表3。

表3 頻遇組合下橋墩立柱和樁基最不利截面位置內(nèi)力匯總

依據(jù)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》，計算橋墩立柱和樁基最不利截面裂縫寬度和承載力，結果見表4。

考慮波浪力作用下，橋墩結構滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》要求。矮墩預應力連續(xù)剛構橋下部結構所呈現(xiàn)出的受力特點有：（1）邊柱最不利截面處裂縫寬度達到0.134 mm（限值0.150 mm）；中柱全截面受壓，表明在波浪力作用下，橋墩不會出現(xiàn)受拉狀態(tài)。（2）邊樁最不利截面處裂縫寬度達到0.102 mm；中樁全截面受壓。（3）邊柱（樁）、次柱（樁）、中柱（樁）在頻遇組合下，結構裂縫寬度由大變小，但均滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》限值（0.150 mm）要求。

7 結語

（1）對于橋面標高受限且受波浪力影響的環(huán)島橋梁設計，須保證橋梁結構在設計年限內(nèi)滿足使用功能。

（2）主梁采用鍋底型斷面、立柱采用圓柱形排架墩，可以有效地解決波浪力對橋梁結構的影響，為環(huán)島低橋位海上橋梁的設計提供了參考。

（3）采用墩梁固結體系，避免了后期養(yǎng)護成本。

（4）對于受波浪力橋梁設計，上部結構應盡量采取加大梁體自重、縮小跨徑、增加受力鋼筋等措施。

（5）進行低橋位環(huán)島跨海橋梁設計時，需合理設計聯(lián)長，邊墩建議采用柔度較大的排架墩。