随着我国跨江、跨河及跨海大桥的修建，大型水上施工作业日益增多，其中承台施工是水上作业必不可少的环节。在进行承台施工时，承台混凝土重量由封底混凝土承担^{[1, 2, 3]}。目前，由于封底结构承载力的限制，大体积承台混凝土浇注过程中大多选择分层浇注^{[4, 5, 6]}。若选择一次浇注将大大缩短工期，节约成本，而一次浇注封底混凝土和桩基之间的握裹力往往不足以承受承台混凝土的重量。

一直以来，针对封底及承台承载力的研究，主要集中在承台施工前混凝土与钢护筒间的握裹力及承台施工后对承载力不足的承台进行加固两方面^{[7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]}。杨红等通过对苏通大桥承台封底混凝土与钢护筒间握裹力的试验研究与施工现场检测，提出钢护筒与承台封底混凝土间的握裹力系数取0.37 MPa，安全、快速地完成了南主塔墩基础的施工^[15]。李杰从桥梁承台的一般设计理论与方法出发，采用撑系杆体系计算模式，对两座桥梁承台进行受力分析，并且针对承载能力严重不足的承台提出了预应力承台加固法及墩身加宽法^[16]。现有研究，主要通过增加封底和钢护筒间的握裹力系数或加固封底来提高封底支撑力，具有局限性。

本文结合汕头外砂河大桥主墩承台施工项目，寻求封底结构之外的支撑力，研究一次浇注成型的新型承台结构设计优化理论，并对承台施工中承台支撑系统的力学机制进行试验研究。

外砂河大桥及互通工程是汕头东部城市经济带规划中的滨海大道跨越外砂河的一座特大桥，长1 887.2 m(不包括匝道)，起止桩号为K9+715.126~ K11+602.326，标准段桥面宽单幅宽18.75 m，中央分隔带为2.5 m。其中主桥(35~38^#墩)为(61+108+61) m三跨梁拱组合式桥。

外砂河大桥主桥承台为35~38^#，其中36^#和37^#为主墩，35^#和38^#为过渡墩。单个主墩承台由2个尺寸14.2 m×14.2 m×4.5 m的小承台与一个尺寸为6 m×5.1 m×4.5 m系梁连接而成。单个主墩共有直径2 m的灌注桩18根。承台混凝土为C35的海工高性能混凝土，总浇注量约1 927.42 m³。封底混凝土为水下不离析C30混凝土，厚度为2 m，单个墩承台封底方量约为812 m³。主墩承台平面结构如图 1所示。

图 1 主墩承台平面图(单位：cm) Fig. 1 Plan view of main pier cap(unit: cm)

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外砂河大桥主墩承台原设计施工方案分两次浇注承台混凝土，第1层浇注2 m，第2层浇注2.5 m，第2层混凝土在第1层混凝土强度达到设计强度时浇注。考虑到工期紧，提出一次性浇注承台。分别对封底混凝土与钢护筒的握裹力、中部支座强度及中部支座与拉压杆焊缝进行计算，结果表明承台一次浇注成型时封底混凝土与钢护筒的握裹力不足以承受承台混凝土重量。针对这一问题，经过施工现场多次勘察，利用封底混凝土顶面的30 cm找平层，提出在封底混凝土结构和承台结构之间设置钢-混组合过渡层结构，优化承台结构设计。

为了充分挖掘钢-混组合过渡层结构承载力，除了利用封底找平层外，还将原设计的承台厚度由450 cm减小到430 cm，设计过渡层厚为50 cm。钢-混组合过渡层采用型钢，将钢护筒与钢套箱侧壁、钢护筒与护筒之间连接起来，其中钢护筒之间用2~3根型钢连接，具体如图 2所示。型钢位置尽可能低，保证型钢顶面以上混凝土厚度大于15 cm，在型钢上铺设直径22 mm的Ⅱ级钢筋网，钢筋横向、纵向间距均为200 mm，并将钢筋与型钢焊接，钢筋网在经过桩基时与桩基钢护筒及桩基钢筋焊接联系。

图 2 承台结构优化示意图 Fig. 2 Schematic diagram of pier cap structure optimization

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承台结构优化设计以过渡层和封底整体承载力为目标，关键技术为：(1)分析过渡层中型钢受力分析；(2)研究承台混凝土浇注过程中过渡层和封底结构共同作用机理。具体优化设计流程见图 3。

图 3 优化设计流程图 Fig. 3 Flowchart of optimization design

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本案例中过渡层型钢选用工25a，工25a为Q235-B,采用对接焊缝焊接，焊缝达到一级检验标准。在承台混凝土浇注过程中，工25a受到的荷载通过焊缝作用到桩基钢护筒。假设对接焊缝的应力分布情况与焊件相同，可用计算焊件的方法进行计算，对接焊缝的计算截面如图 4所示。

图 4 对接焊缝计算截面图(单位：mm) Fig. 4 Section of butt weld calculation(unit:mm)

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根据对接焊缝截面特性及承台混凝土特性，得到焊缝承载力计算参数如表 1所示。

将表 1数据代入式(1)与式(2)计算焊缝最大正应力与最大剪应力。

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根据式(1)和式(2)得

式中f_t^w,f_v^w为对接焊缝的抗拉设计强度和抗剪设计强度。

由于上翼缘和腹板交接处A点易破坏，用式(3)和式(4)计算“A”点正应力与剪应力。

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根据式(3)和式(4)得σ₁=188.35 MPa，τ₁=14.18 MPa，由于A点受有较大的正应力和剪应力，经验算其折算应力小于1.1 f_t^w。由计算结果可知对接焊缝理论受力满足设计强度要求，每个焊缝处桩基钢护筒提供反向支撑力，将数据代入式(5)计算支撑力:

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分析上述计算结果，承台混凝土浇注完成后过渡层每根工25型钢理论上提供承载力174.244 kN。

在低潮位-0.2 m时，完成承台混凝土施工，其荷载组合为：波浪吸力(向下)+钢吊箱自重(向下)+封底混凝土重(向下)+过渡层重(向下)+承台钢筋混凝土重量(向下)+钢吊箱存水重量(向下)+水浮力(向上)+封底混凝土握裹力(向上)+过渡层混凝土握裹力(向上)+过渡层工25型钢承载力 (向上)，各荷载具体值见表 2。

表 2中F₂=3.14×2.3×1.5×15×18=28 665 kN，F₃=3.14×2.3×0.45×30×18=17 199 kN。根据表 2具体数值，向下荷载总和N₁=G₁+G₂+G₃+G₄+G₅+G₆=77 748.8 kN，向上荷载总和N₂=F₁+F₂+F₃= 73 901.8 kN，分以下3种情况讨论一次性浇注承台混凝土时的抗滑安全系数：

(1)不设计过渡层时，抗滑安全系数K₁=F₁+F₂/G₁+G₂+G₃+G₅+G₆=0.78 ＜1.1，显然承台混凝土不能进行一次性浇注。

(2)设计过渡层，不考虑工25a型钢承载力时，抗滑安全系数 K₂=N₂/N₁=0.95 ＜1.1，不满足要求。

(3)设计过渡层且考虑工25a型钢承载力，假设抗滑安全系数为临界值1.1时，型钢焊接数量n=1.1N₁－N₂/17.78×9.8=65。

经过上述计算，低潮位时若使承台混凝土一次性浇注成功，需设置过渡层且过渡层工25a型钢数量不少于65。

本实例中，过渡层共焊接工25a型钢68根。随着浇注量的增加，承台混凝土重量由过渡层结构传递到封底结构，其中过渡层结构由钢－混凝土共同承重，封底结构由封底混凝土与钢护筒间的握裹力承重。按照这个作用机理，当承台混凝土浇注完成时，过渡层和封底理论承重比为:

γ=1.01。

过渡层施工过程中，在封底和过渡层顶面埋设轴力计，试验研究承台混凝土浇注过程中的封底结构和过渡层结构受力特性，分析二者共同承重机理。

按图 5位置安装压力传感器20个，封底混凝土顶面9个，过渡层混凝土顶面9个，桩顶2个。封底压力传感器与封底接触面尽量平整，如不平整用C30水泥砂浆找平后进行安装，过渡层顶面混凝土压力传感器在过渡层混凝土浇注时以嵌入混凝土形式安装，以确保传感器顶面水平。过渡层顶面轴力计测量点如图 5所示，封底顶面轴力计测量点位置与过渡层相同。

图 5 过渡层顶面轴力计位置示意图 Fig. 5 Schematic diagram of axial force meter positions on top of transition layer

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承台混凝土浇注过程中务必严格按照观测频率和观测要求进行观测。承台混凝土浇注之前测试初始值，之后每浇注180 m³观测1次，直到浇注完成，浇注完毕后每4 h测一次，直到相邻两次数值不变。

根据实测试验数据，绘制承台混凝土浇注量与测量点应力变化关系，分析承台施工过程过渡层和封底承重比;通过试验进一步验证并校验承台结构优化设计的合理性。

将轴力计测得频率数据进行筛选，过渡层顶部测量点2，6，8，9测量编号分别为318，306，301及310，封底顶部相同位置测量编号分别为309，308，312及302，此8组测量数据有效，把有效数据代入式(6)，计算各测量点轴力。

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式中，i为轴力计测量号；F_i是测量点轴力；f_i为测量点实时测量频率；f₀为测量点初始频率。将计算得到的轴力代入式(7)，计算各测量点应力。

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式中，F_i为测量点实时轴力；A为轴力计接触面面积。整理计算所得各测量点应力，得到过渡层混凝土顶面测量点应力变化如表 3所示，封底混凝土顶面测量点应力变化如表 4所示。

结合表 3及表 4绘制过渡层顶面和封底顶面 对应测量点混凝土浇注方量-应力变化曲线见图 6。 由图 6可直观看出，承台混凝土浇注过程中，各测量点应力变化规律基本一致，过渡层和封底共同承担了承台混凝土重量。对过渡层顶部及封底混凝土顶部对应测量点在混凝土浇注过程中的应力变化进行比较分析可知，承台混凝土浇注量为540 m³时,过渡层和封底的承重比约为3∶2；随着承台混凝土浇注方量的增加，过渡层和封底的承重比变化范围为3∶7~2∶3；当承台混凝土浇注完成时，过渡层和封底承重比约为1∶1，与理论计算承重比接近。这表明，过渡层有效承担了承台混凝土重量。

图 6 混凝土浇注方量-应力变化曲线 Fig. 6 Curves of concrete pouring volume vs. stress

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本文提出一种在封底混凝土结构和承台结构之间设置钢-混组合过渡层结构的主墩大体积承台结构设计优化方法，解决了承台混凝土一次性浇注封底承载力不足的问题，大大缩短工期。通过理论分析和试验研究得出：

(1)承台结构优化设计过渡层和封底理论承重比为1.01，与试验结果吻合验证了承台结构优化理论的可靠性与实用性。

(2)研究成果对解决承台及封底承载力不足等问题提供了新的解决方法，可以考虑在类似工程中推广。