平潭海峡大桥连续刚构主桥基础设计

■洪锦祥

(福建省交通规划设计院，福州 350004)

1 概述

平潭海峡大桥跨越福建省海坛海峡，项目起于福清市的小山东岸，经北青屿，终于平潭县的娘宫岸，大桥与省道305顺接，路线全长约4976m，其中桥梁总长3510m，主桥560m，引桥2950m。主桥桥型布置如图1所示，桥跨布置为100+2×180+100m，采用变高度预应力混凝土连续刚构箱梁。大桥按双向两车道二级公路设计，设计速度80km/h，桥梁宽度17m，设计荷载为公路—Ⅰ级，地震基本烈度Ⅶ度。桥下通航5000吨级海轮，单孔通航净空为123×38m，双孔单向航道。

海坛海峡自然条件恶劣，水深、潮差大、风浪大、夏季多受台风影响，覆盖层厚度变化较大，残积类土及强风化岩厚度及埋深变化也较大，中风化-微风化基岩面除少数地段埋存较浅外，一般均较深，这造成大桥的基础规模大，设计难度高。

2 主要建设条件

2.1 地形地貌

通航主桥位于海峡主航道所处的冲刷沟槽的槽底平坦段。冲刷沟槽宽800余米，走向近南北向，槽底平坦宽阔，达500余米，海底高程一般为-25～-28m，最深处海底高程为-29.2m。

2.2 地质

主桥区段工程地质条件较复杂，各土层物理力学性质和厚度变化均较大，软土层分布较厚。

42#墩上部海积层主要为粉砂、亚粘土和粘土，海积层底标高一般分布于-45m附近，基岩强风化层厚度约25m，基岩面起伏变化较大，岩性为凝灰熔岩，局部夹有风化岩核。

43#主墩上部海积层主要为淤泥质粘土、中粗砂、粘土，海积层底标高一般分布于-56m左右，基岩强风化层厚度约10～20m，基岩面标高主要分布在-68～-75m之间，岩性为凝灰熔岩，局部夹有风化岩核。

44#主墩上部海积层主要为含砂淤泥、细砂、粘土、亚粘土，海积层底标高一般分布于-50～-52m之间，基岩风化层厚度约9～17m，岩面起伏大，基岩面标高主要分布在-59～-70m之间，岩性为凝灰熔岩，局部夹有风化岩核。

图1 平潭大桥连续刚构主桥桥型布置示意图

45#主墩上部海积层主要为含砂淤泥、细砂、淤泥质粘土、亚粘土，海积层底标高一般分布于-42～-49m之间，基岩风化层厚度较厚，约25m左右，基岩面标高主要分布在-67～-71m之间，岩性为凝灰熔岩，局部夹有直径近10m的风化岩核。

46#墩上部海积层主要为含砂淤泥、淤泥质粘土、含淤泥砂，海积层底标高一般分布于-41m左右，基岩风化层厚度约10m左右，基岩面标高主要分布在-59～-60m之间，岩性为凝灰熔岩。

根据地质勘察报告：对工程场地稳定性而言，区内发育的构造和岩脉带不会构成太大影响，但对工程设计施工过程中的工程地质问题应予以考虑；场区海域20m内部分饱和砂类土，在Ⅶ度地震作用下，存在砂土液化现象；场区海域中第四系软土层淤泥、含砂淤泥，在地震基本烈度为Ⅶ度作用下，局部可能会产生震陷，海域第四系沉积的软土为欠固结土，桩基设计时应考虑负摩阻力影响。

2.3 气象

历年最大风速39m/s，成桥状态100年重现期基本风速43.3m/s，施工阶段20年重现期基本风速38.8m/s；年平均台风影响次数3.5次(≥8级)。

2.4 水文

工程海域潮位为正规半日潮，设计水位和水文条件见表 1～表 4。

表1 设计高、低水位(单位：m)

表2 主桥设计流速(单位：m/s)

表3 主桥横桥向设计波浪要素

表4 主桥顺桥向设计波浪要素

2.5 冲刷

主桥基础冲刷深度列于表5。

表5 主桥基础冲刷深度(单位：m)

2.6 波流力

在波浪和水流共同作用下，主桥42#交界墩和44#主墩基础所受波流力分别见表6和表7。

表6 42#交界墩波流力计算结果(单位：kN)

表7 44#主墩波流力计算结果(单位：kN)

2.7 船撞力

主桥桥下通航5000T级海轮，单孔双向通航，主墩和交界墩的船撞力列于表8。

表8 主墩和交界墩船撞力(单位：MN)

3 基础设计和计算

3.1 基础设计

平潭海峡大桥主桥基础受水流和波浪力的影响，且建设条件差、水深、冲刷深，是大桥设计的重点和难点。在保证结构受力需要和满足构造要求的前提下，设计上以尽量减小基础尺寸，降低水流和波浪力的影响作为指导原则。

主墩采用钻孔灌注桩和菱形承台基础(图2)，承台平面尺寸为34.7m×21.5m，厚5m，另设墩座厚2.5m，封底厚2.0m。桩基布置为22根变直径钻孔灌注桩。强风化层以上部分桩基直径2.8m，强风化层及强风化层以下部分桩基直径2.5m。交界墩采用钻孔灌注桩和矩形承台基础(图3)，承台平面尺寸32.7m×15.9m，厚5m，另设墩座厚2m，封底厚2.0m。桩基布置为15根变直径钻孔灌注桩。强风化层以上部分桩基直径2.8m，强风化层及强风化层以下部分桩基直径2.5m。

图2 主墩基础构造尺寸(单位：cm)

为降低船舶撞击基础可能造成的人员伤亡及财产损失程度，主墩、边墩基础防撞采用承台套箱作为防撞消能结构。承台套箱采用外挂方式与承台连接，外侧安装橡胶件(图 4)。

主墩和交界墩，桩顶15m范围内钢护筒和桩基共同受力，形成组合受力桩，护筒采用Q345C钢材，外径Φ3.0m，壁厚25mm。桩顶15m以下钢护筒采用Q235B钢材，护筒壁厚根据穿过土质及护筒壁受力情况合理确定，具体壁厚由施工单位根据工程实际情况合理取用。采取切割钢护筒的措施来保证钢护筒顶端深入承台部分与承台结合良好。按约30cm间距将钢护筒切割成最小宽度不小于12cm的条型钢带，钢带外扳和桩身成15°夹角，每根钢带外侧焊接2根Φ36mm的HRB400钢筋。

图3 交界墩基础构造尺寸(单位：cm)

图4 主墩钢套箱布置(单位：cm)

3.2 基础计算

根据 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)[1]和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[2]规定，分别对短暂状况、持久状况和偶然状况三种设计状况下顺桥向和横桥向各自的作用效应组合计算并进行相应的极限状态设计(注：本桥现已运营通车，设计时上述两本规范尚为有效版)。

短暂状况考虑最大悬臂阶段不均衡施工荷载、20年一遇风荷载、波浪力和水流力参与作用(工况1)。持久状况不仅考虑常遇风荷载(桥面风速25m/s)、常遇波浪力和常遇水流力参与作用效应组合的工况(工况2)，还考虑百年一遇的风荷载、波浪力和水流力参与的工况(工况3)。由于100年一遇风、浪和流在结构使用期间出现的概率很小，一旦出现其持续的时间也较短，对该工况只进行强度验算，不进行裂缝宽度验算。偶然状况则分别考虑船舶撞击力(工况4)和地震作用参与作用的工况。其中，地震作用工况考虑了两级地震水准：50年超越概率10%的地震(E1地震，工况5)和50年超越概率2%的地震(E2地震，工况6)。表9～12分别给出了交界墩和主墩在上述工况作用下墩身和桩基最不利截面的内力及验算结果，其中，对于工况6作用下桩基的强度也进行了验算。

表9 交界墩墩身最不利截面验算

表10 主墩墩身最不利截面验算

表11 交界墩桩基最不利截面验算

表12 主墩桩基最不利截面验算

对于E2地震作用下结构的地震反应分析，需要考虑结构的非线性行为。根据抗震概念设计，连续刚构体系桥梁在E2地震作用下，结构的非线性行为应主要出现在桥墩上。按照抗震设防目标的要求，此时应保证整体结构在大震下不发生严重破坏和倒塌，为此，采用截面M-φ分析方法对各桥墩的变形能力(主要是延性)进行验算，结果列于表13。

表13 工况6各墩变形能力验算

4 耐久性设计

平潭海峡大桥处于海洋环境中，下部基础极易遭受风浪、海水盐度等多种不利因素影响，造成结构损伤，缩短使用寿命。根据桥址区的实际情况，海峡的东面有平潭岛，西面有福清小山东半岛为屏障，南北口门均有众多的岛屿掩护，具有一定的掩护条件，但由于桥址处的环境比较恶劣，仍按无掩护条件的海水环境来划分环境分区：大气区(高程 7.5m 以上)、浪溅区(高程 7.5～0.1m)、水位变动区(高程 0.1～-4.00 m)及水下区(高程-4.00m 以下)。 设计根据大桥所处环境条件和使用功能要求，对不同部位根据环境不同采取相应的耐久措施：

(1)墩身

采用海工高性能混凝土，增加保护层厚度到75mm，处于浪溅区和水位变动区的墩身采用混凝土表面涂装并添加阻锈剂，涂层保护年限不小于20年，裂缝宽度按0.1mm控制。

(2)承台

采用海工高性能混凝土，增加保护层厚度到85mm，采用混凝土表面涂装并添加阻锈剂，涂层保护年限不小于20年。

(3)桩基

采用海工高性能混凝土，增加保护层厚度到85mm，钢护筒在施工完成后作为牺牲厚度保护钻孔桩上段混凝土不被侵蚀，桩顶15mm范围内钢护筒采用涂层防腐，涂层保护年限不小于30年，裂缝宽度按0.1mm控制。

5 结束语

平潭海峡大桥跨越海坛海峡，所处的自然条件比较恶劣，下部结构的建设规模较大，应在安全可靠的结构受力和合理的经济指标之间寻求平衡。本文简要介绍平潭海峡大桥连续刚构主桥基础设计的建设条件、设计要点和采取的耐久性措施，并对基础在各种可能最不利荷载工况作用下的受力进行分析，可供类似工程设计和计算参考。