东莞槎马大桥主桥下部结构设计
杨智贵
（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东 广州 510080）
中洪路位于东莞市西北部，呈南北走向，起于东莞市中堂镇进园大道，终于洪梅镇洪屋涡水道，路线全长约19.396 km。该项目可改善周边区域的出行条件，平衡整个路网的交通量，减少路网的运行时间，建成后将成为东莞市西北部南北向重要干道。现场已完成主桥基础及零号块施工，如图1 所示。
图1 现场施工情况
槎马大桥跨越倒运海水道，主桥桥塔采用风帆造型，与东莞水乡文化相呼应，将成为展现东莞城市魅力的创新名片。大桥起点桩号K2+146.0，终点桩号K2+828.5，桥梁全长682.5 m。主桥采用90 m+160 m+90 m 矮塔斜拉桥，主桥桥宽33.7 m，桥面以上主塔高32.738 m，有效塔高25.95 m，塔高跨径比1/6.17，该指标在常规斜拉桥和经典矮塔斜拉桥之间[2]，主墩墩高13.7 m，墩高跨径比1/11.68。主桥采用塔梁墩固结体系，为预应力钢筋混凝土结构，基础采用钻孔灌注桩。主桥桥型立面图如图2 所示，主桥效果图如图3 所示。
图2 主桥桥型立面图（单位：m）
图3 主桥效果图示意
2.1 地形与水文
该项目位置属于珠江三角洲冲积平原边缘地带，位于东莞断陷盆地中，可划分为侵蚀堆积平原地貌单元。地面标高一般在0.50～5.10 m 之间，总体地势较平坦。
该区地处东江北支流与南支流之间河网区，地势低平，河汊交错，倒运海水道受潮汐影响，具有半日潮特点。河水受潮汐涨落影响，潮差1～2 m。水道两侧堤坝为片石挡墙结构，整体完整，水利设施优良。
2.2 地质条件
桥位处地层包括第四系（Q）覆盖层的填土（Qml4）层、海陆交互相沉积层（Qmc4）层、残积（Qel）层和基岩的上第三纪（N）粉砂质泥岩地层。
河槽处土层有灰黑色饱和淤泥，饱和中砂，饱和圆砾，强风化粉砂质泥岩，中风化粉砂质泥岩。岩层埋深约20 m，主桥持力层为中风化粉砂质泥岩，其岩石饱和单轴抗压强度建议值6 MPa，承载力基本容许值800 kPa。
2.3 通航条件
根据航道等级规划，桥址处倒运海水道为内河Ⅳ级航道，通行500 t 级船舶。单向通航孔净宽不小于45 m，双向通航孔净宽不小于90 m，通航净高不小于8 m。
槎马大桥的通航净空采用单孔双向通航标准，净宽不小于140 m，净高不小于8 m。通航水位采用洪水重现期10 a 一遇洪水位3.464 m。
3.1 主墩设计
主墩墩身采用八角形实心墩，主墩根部横桥向宽12.0 m，顶宽14.0 m，两侧为直线变化，墩厚3.5 m。考虑到主墩较矮，主墩抗推刚度大，为减小温度力、收缩徐变效应及预应力钢束二次效应等的影响，主墩采用双肢布置，单肢厚度1.74 m。为保证主墩在纵向刚度和防撞能力间取得协调，双肢主墩间用一块2 cm厚橡胶板分隔（墩顶1 m 范围内不设），兼作施工模板，确保主墩纵向柔度。橡胶板材料特性须严格保证，橡胶板作施工内模用途形成双肢薄臂墩,施工时须涂脱模剂，成桥后橡胶板永存。墩身采用C50 混凝土。
承台为圆端矩形承台，考虑到其增加主墩的高度及减小阻水的影响，将承台底沉入河床以下。承台平面尺寸为14.9 m×23.1 m（顺×横），厚度为5 m。基础由12 根D2.5 m 桩组成，按嵌岩桩设计，桩顶嵌入承台内10 cm。
承台采用C40 混凝土，桩基础采用C35 混凝土，在浇筑承台前在基坑内浇注1m 厚封底混凝土，如图4 所示。
图4 主墩构造图（单位：m）
3.2 主墩静力计算
主墩采用极限状态设计，进行承载力极限状态和正常使用极限状态计算，同时应满足构造及工艺要求。主墩计算考虑荷载主要有8 500 kN 顶推力，收缩徐变，制动力，整体升降温，风荷载等。采用有限元软件MIDAS 建立单梁模型进行分析，该模型共计396 个单元，485 个节点，如图5 所示。
图5 全桥有限元模型（单位：m）
经计算，在承载力极限状态下主墩纵桥向弯矩为84 184 kN·m，横桥向弯矩为49 066 kN·m，轴力为21 953 kN，根据相关规范[3]可求得正截面抗压承载力为27 195 kN，安全系数为1.24，大于规范值1.1。在正常使用极限状态下主墩纵桥向弯矩为56 254 kN·m，轴力40 965 kN，裂缝宽度0.17 mm，小于规范值0.2 mm，各项验算均满足规范要求。
3.3 主墩抗震分析
根据地震动区划图，桥位处抗震设防烈度为VI度，设计基本地震加速度值为0.05g，本工程的地基土类型为软弱地基土，建筑场地类别为Ⅲ类场地，该工程的设计地震分组为第一组，地震反应谱特征周期为0.45 s，结构阻尼比为0.05。E1 地震调整系数为0.61，E2 地震调整系数为2.2[4]。根据计算，主墩在E1、E2 地震作用下均处于弹性工作范围，结构设计满足抗震要求。
3.4 主墩船撞分析
主桥桥位地区经济发达，主墩存在船撞风险。通过对主墩的船撞动力学计算，确定全桥损伤概率。研究在加装防撞设施前后船舶撞击情况，对大桥的设计和后期的安全运营具有重大意义。
该计算利用有限元软件，采用500 t 级货船作为船撞船进行结构建模，如图6 所示，考虑该船满载状态时，在最低、最高通航水位下正撞或者侧撞桥墩。
图6 船撞有限元模型图
计算结果表明，安装防撞设施后，船舶撞击力显著降低，其中主墩低水位最大撞击力由5.35 MN 降低至4.19 MN，降低21.68%，船首变形，由1.39 m 下降为1.17 m。撞击后桥墩表面应力分布均匀，混凝土表面破坏的情况大幅下降，防撞设施做到了船- 桥双保护。
为保证过渡墩与主墩风格统一，过渡墩采用分离式板式实心墩，八角实腹截面，如图4 所示，横桥向根部宽6.0 m，顶宽8.0 m，两侧为直线变化，厚度为2 m。墩身采用C40 混凝土。
承台为分离式矩形承台，单个承台平面尺寸为7.2 m×7.2 m（顺×横），厚度为2.5 m。单个承台基础由4 根D1.8 m 桩组成，按嵌岩桩设计。
本文介绍东莞槎马大桥主桥下部设计方案，结合此类桥型的受力特点，详细描述了下部结构的设计思路和过程，可为类似工程的下部结构设计提供参考和借鉴。
图7 过渡墩构造图（单位：m）
猜你喜欢 主桥有限元混凝土 基于扩展有限元的疲劳裂纹扩展分析舰船科学技术(2022年20期)2022-11-28混凝土试验之家现代装饰(2022年5期)2022-10-13浅谈煤矸石在固废混凝土中的应用建材发展导向(2022年18期)2022-09-22关于不同聚合物对混凝土修复的研究建材发展导向(2022年10期)2022-07-28浔江特大主桥桥型及结构优选分析西部交通科技(2022年2期)2022-04-27低强度自密实混凝土在房建中的应用建材发展导向(2021年7期)2021-07-16新型有机玻璃在站台门的应用及有限元分析上海节能(2020年3期)2020-04-13第一桥环球时报(2019-04-16)2019-04-166岁儿童骨盆有限元模型的构建和验证汽车工程学报(2017年2期)2017-07-05怀远县涡河二桥主桥加固工程结构安全验算建筑科技与经济(2016年7期)2016-08-06