海洋环境对桥梁下部结构的影响.doc

近几十年来,随着我国交通事业的发展,相继在海上建设了许多跨海桥梁。桥梁墩台基础均在地面或水面以下,其施工条件及受力状况与上部结构不同,尤其是海洋中修筑埋于海底很深的大型桥梁墩台基础的技术特别复杂,修筑好后又淹埋于水、土中,进行检查和修补很困难,属于隐蔽工程。跨海桥梁由于其特殊的海洋环境,在设计及施工上需要特别注意一些事项。所以对其进行认真研究和考虑是极为重要的。本文将对这些事项进行讨论。1 海洋环境的影响因素1.1 风荷载虽然处于地下的基础不直接承受风荷载,其间接传递到下部基础的力在上部结构的计算中已经考虑,但对于跨海桥梁,不仅其水中基础有露出水面的高桩承台、管柱基础和多柱基础等会直接受到风荷载的作用,而且海上施工时,下沉基础在未达到标高时,一部分长期露出水面,加之施工时所用的作业平台、船舶、起吊设备以及锚碇靠泊设施等都直接处于风荷载作用之下,这使风荷载对于桥梁下部结构成为一项非常重要、甚至有时是控制某一单项设计的主要荷载。1.2 波浪力波浪一般由风和潮汐引起,船舶行驶与地震作用也可能产生暂时的附加波浪。由于桥梁的基础对波浪的推进起了阻碍作用,致使波浪对基础产生波浪压力,所以,波浪力的大小不仅与波浪有关,还与基础类型、形状及结构有关。1.3 气温与冰压力海水的垂直温差产生的密度差产生海水对结构的垂直对流作用力。在分析冰对结构的作用,特别是冰对桥梁基础的侧压时,除先要确定冰的厚度、强度与流动速度外,还要计及现场条件、基础形状、冰移动时的冰力和冰的作用方式等因素。一般情况下,需分别计算流冰所产生的动力冰力、大面积冰层低速移动时产生的静压力、流冰壅塞力、温度冰力和竖向冰力等有关冰力。海冰与结构物相互作用是一个极其复杂的过程。预测作用在结构上的冰荷载通常是以冰与结构物的接触为出发点。作用于结构物上的冰荷载包括总荷载与局部荷载。总荷载代表作用于结构物上冰力的总和;而局部荷载代表作用于结构物一截面上的冰压力。冰荷载大小可能取决于冰与结构界面上冰强度,也可能取决于远离结构物的环境驱动力,因此,预测海冰荷载主要取决于下列因素:(1)结构物的类型、形状、大小及刚度;(2)海冰的特性,如海冰的类型、大小和移动速度以及海冰的物理力学特性等;(3)海冰与结构物相互作用的惯性影响、接触程度和偏心以及摩擦力等;(4)驱动冰体的最大环境力及水位的变动等。1.4 船撞力船撞力问题对于水上桥梁结构是普遍存在的。船撞桥的力学研究涉及到船型、船舶结构、撞击速度、撞击角度、桥梁结构、航道水深等多种因素。大量的船撞桥事故调查分析以及模型试验表明,问题的焦点集中在船舶的撞击动能、船撞力、船舶结构的形变势能、桥墩防撞装置的吸能能力等方面。1.5 海水腐蚀跨海桥梁及沿海地区桥梁的钢筋混凝土容易受到海水的侵蚀而破坏,海洋大气中含有少量盐分,这也使海洋环境中的建筑物腐蚀程度大于陆上建筑物。和陆上建筑物一样,海洋中常用的建筑材料也是混凝土和钢材。因此需要在材料和施工方面综合考虑下部基础的设计和施工方式。1.6 气象和环境海洋桥梁深水基础,由于恶劣的海洋和气象条件所产生的环境荷载力要比其他桥梁基础大得多,因而在设计与施工时,由飓风、巨浪、大潮所产生的巨大水平力往往构成计算的控制条件。另外,海上桥梁深水基础允许在水上施工作业时间的长短主要取决于气象条件,因而所能使用的水上连续施工期是不定的,也是很短的,所以必须把施工阶段中不稳定状态的时间压缩到最短。2 海洋环境对下部结构设计的影响2.1 基础选择根据工程的地质条件,基础采用相应的结构。桥梁基础的施工通常是整个工程工期的控制因素,尤其对于长度动辄数公里的跨海大桥而言更为突出。在施工工程中要面临气象、水文等方面的不利条件,要及时应对随时可能出现的复杂情况,与干施工相比,水上施工所面临的问题和难度都是不可相提并论的。桩基设计应充分体现特大型跨海桥梁的特点,选择质量可靠、便于施工、经久耐用和维护方便的桩型。钻孔灌注桩是目前国内使用最为广泛的桩基型式,在桥梁、房屋等建筑物中应用较多。但在跨海大桥中如果大量使用,面临的不利因素较多:灌注桩施工期间需要在每个桥墩处搭设临时水上工作平台,增加了现场作业的时间,不利于全面展开工作,施工速度无法保证;对于工程区堆积层较厚的情况,为避免淤泥层中的坍塌问题,采用钻孔灌注桩势必要使用长钢套管维护,从而增加了造价和施工的难度;外海施工中如出现大风、大浪等不良天气。施工撤离比较困难,就可能受到较大的损失,施工风险也较大;如果采用海上移动平台进行钻孔灌注桩施工,虽然可以采用大直径钻孔灌注桩减少桩基数量,但工期较长,费用也较高。因此,对于非通航孔桥,在水深达到一定程度后,一般不主张采用钻孔灌注桩,而采用施工速度较快、成桩质量稳定的打入桩。打入桩可以采用打桩船水上打桩,施工方便,沉桩速度快;如出现大风、大浪等不利施工条件,可根据天气预报及时撤离;打入桩还可以施打斜桩,提高结构的抗水平荷载能力,有利于控制桥体位移量4。根据桩基材质的不同,工程中常用的打入桩包括钢管桩和混凝土桩。当然,钢管桩无论从施工可行性和质量保证方面都比较理想,可以比较容易地打到设计深度,有较高的施工工效,施工安全和材料供给也均有可靠的保障,但钢管桩的材料成本较高,且防腐措施的费用比较昂贵。另一种可采用的打入桩是预应力混凝土管桩,预应力混凝土大管桩(或者性能相当的PHC管桩)具有比较大的垂直和水平承载力,在一般深水结构中能充分发挥其优势;预应力混凝土管桩本身具有较好的抗腐蚀能力,维护费用较低。但在实际工程中,经常出现预应力混凝土管桩的桩头在打入过程中破坏情况,而且在施工过程中,由于施工船只碰撞等造成的桩身的损伤也属于不可修复的破坏,因此在实际工程中,预应力混凝土管桩的应用有限。各种类型桩的综合比较见表1。表1一般桥墩钻孔灌注桩、钢管桩、预应力混凝土管桩的综合比较桩型钻孔灌注桩钢管桩预应力混凝土管桩力学性能单桩承载力高,抗弯能力强单桩承载力高,抗弯能力强单桩承载力较高,抗弯能力较强耐久性能自身耐久性能相对较差,可采用加大钢筋保护层厚度及钢套管等措施满足耐久性的要求自身耐久性较差,须通过防腐涂层、预留腐蚀量、阴极保护等措施提高耐久性,防腐成本较高混凝土密实性较好,自身防腐性能比较好,并可采用高性能混凝土及辅助措施满足耐久性要求成桩质量桩身质量可靠性相对较差,孔底沉积物不易清除干净,因而单桩承载力有一定的变化,必须采取严格的施工质量保证措施桩身工厂预制,质量有保证桩身工厂预制,质量有保证施工速度施工速度较慢,须采取措施防止坍塌,发生事故难处理,大规模采用灌注桩时施工进度得不到保证施工速度快,进度有保证施工速度较快,进度可保证,但桩头易破损施工条件需现场先施工水上工作平台 (或有特殊的外海灌注桩施工设备)后方可进行灌注桩施工,施工条件比较复杂,对外海的恶劣天气适应性差采用打桩船直接水上施工,施工条件好,施工期安全有保证,桩基可贯入性好采用打桩船直接水上施工,施工条件好,撤离也较方便承台构件单座承台用桩数少,承台混凝土节省承台混凝土用量居中承台混凝土用量较多综合评价可作为打入桩施工有困难、不控制施工进度区段或通航孔桥基础的桩型可作为水平荷载大的桥墩(如高墩)或通航孔桥基础的比较桩型一般非通航孔桥基础的可选桩型对于水平力作用位置较高的部分高墩,如果采用预应力混凝土管桩,由于桩基抗弯能力的限制,单座基础所用的桩数较多,承台面积也较大,而采用钢管桩可以发挥其抗弯能力大的优势,且单座基础投资增加不大。由于这类桥墩数量较少,建议采用钢管桩作为这部分桥墩的设计桩型。当上部荷载较大,基础需要埋置较深时,沉井基础也是常用的基础类型之一。沉井基础刚度大,能承受对基础作用的较大的弯矩,且有较大的承载面积,在下沉过程中,可以自身放水,避免了桩和管柱基础中的放水围堰。但是沉井基础受潮汐影响大,施工过程中会出现井身偏斜、下沉困难、下沉过快和井外土砂涌入的现象,对于施工控制要求较高。希腊Rion-Antirion桥运用了一种新的沉井形式。由于海床20 m深范围的土层力学性能不好,为提高土的性能,用钢管进行土体加固,每墩下有250根左右钢管桩。为了允许基础与地基之间的滑动,在钢管上面辅设反滤沙层,其上辅设鹅卵石层,最上面辅设碎石层。桥梁基础直接与垫层摆放在上砂砾层上,基础和砂砾层间没有连接,可以在地震时产生向上及左右移动(但在运营期及小地震时不会滑动),同时起了隔震的作用。每个支撑在加固土壤上的基础均由钢筋混凝土沉箱构成。由于沉箱尺寸较大,采用放射状梁进行加劲。在此基础上,桥墩直径从底部的38 m过渡到上端27 m的圆锥形构架,组成水下基础的上半部分。除上述桩基及沉井基础外,还可以应用管柱基础。管柱基础与大直径的桩基础或小直径的沉井基础的主要区别在于管柱的柱底是钻孔嵌岩,借柱底嵌入岩层和柱顶嵌入刚性承台来减少柱的自由长度,并提高整个基础的刚度。由于这一基础工程制造技术不需大型和特殊的机械设备就能在复杂的海洋地质条件下进行施工,这就使工程造价大大降低,同时还大大缩短了工期,减少台风对施工的影响。2.2 承台设计承台长期承受较大的水流、波浪等荷载作用,且水流力、波浪力的作用方向并不单一,外形应优先考虑圆形或流线型结构,在以水流力、波浪力为基础结构主要可变荷载的非通航孔桥一般采用圆形结构。对于通航孔桥两侧的中、高墩区,可采用矩形或多边形联合承台结构,但需在承台角位置设置圆弧形倒角。2.3 桥墩结构设计跨海段桥墩最低高度是根据主梁底最低标高确定的,主要考虑了高潮位、波浪、浪溅和海平面上升等条件后,桥梁支座和上部结构梁底不受浪溅,并留有富裕高度,同时从桥梁建筑景观角度考虑,并结合有关船只尺寸统计资料来确定墩顶最低标高,保证在小型渔船或其他小型船只失控或违章通过桥孔时,梁体不会被撞击,有利于梁体的安全。墩柱下段一般暴露在浪溅区海蚀环境中,上段处于大气区。设计中可将墩柱间的裂缝避开浪溅区海蚀环境,并