港珠澳大橋青州航道橋主塔墩鋼套箱設(shè)計與施工

趙傳林，劉明虎，孫鵬

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；3.中交二公局第一工程有限公司，湖北 武漢 430019）

1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門特別行政區(qū)的跨海通道，是我國繼三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)、西氣東輸、京滬高鐵之后又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項目，是具有國家戰(zhàn)略意義的世界級跨海通道。項目西接京港澳高速公路，東接香港大嶼山高速公路。

港珠澳大橋是一項“橋、隧、島”一體化多專業(yè)的世界級超大型綜合集群工程，項目包括：海中主體工程（粵港分界線至珠澳口岸之間區(qū)段）、香港界內(nèi)跨海橋梁、香港口岸、珠海—澳門口岸、香港連接線、珠海連接線及澳門連接橋。主體工程總長29.6 km，其中橋梁長約22.9 km，包括青州航道橋、江海直達(dá)船航道橋、九洲航道橋三座通航孔橋及其余非通航孔橋。

青州航道橋為港珠澳大橋跨徑最大的通航孔橋，為雙塔空間雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋跨布置為110+236+458+236+110=1 150 m（圖 1）。主梁采用扁平流線形鋼箱梁，斜拉索采用扇形式雙索面布置，索塔采用橫向H形框架結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件，上聯(lián)結(jié)系采用“中國結(jié)”造型的鋼結(jié)構(gòu)剪刀撐。基礎(chǔ)采用大直徑鋼管復(fù)合群樁、現(xiàn)澆承臺及塔身、預(yù)制墩身方案[1]。

青州航道橋56號、57號主塔墩承臺平面長83.75 m，寬36.5 m，其厚度由邊緣的5 m漸變至中央的9 m。承臺頂面高程為+7.8 m，底面高程為-1.2 m。采用C45海工耐久混凝土，單個承臺混凝土方量15 100 m3。采用2 m厚C25水下混凝土封底。

圖1 青州航道橋橋型布置示意圖

2 設(shè)計條件

2.1 設(shè)計船型

設(shè)計船型為1萬噸級散貨輪，碰撞速度為4m/s。設(shè)計船舶撞擊力標(biāo)準(zhǔn)為：橫橋向5 200 t，順橋向2 600 t。

2.2 水位

橋位潮汐類型屬不正規(guī)半日潮混合潮型，日不等現(xiàn)象明顯；水面高度不一致，一般相差30～100 cm。橋址區(qū)水深約6～8 m。設(shè)計通航水位、設(shè)計水位和潮差見表1。

表1 設(shè)計水位一覽表m

2.3 流速

施工期按20 a一遇風(fēng)暴潮取值：v=1.89 m/s。

2.4 波浪

施工期按20 a一遇取值：波高H=3.48 m，波長L=80.8 m。

3 鋼套箱設(shè)計

3.1 總體設(shè)計原則

鋼套箱主體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要遵循以下原則：

1）充分利用承臺施工臨時結(jié)構(gòu)作為防撞設(shè)施，主體結(jié)構(gòu)一體兩用，節(jié)約投資。

2）壁體結(jié)構(gòu)應(yīng)允許有較大變形，在船舶受到撞擊時能緩沖、消能，減少船舶和防撞結(jié)構(gòu)的損壞。要求防撞設(shè)施通過變形耗能將設(shè)計船撞力降低到70%。在任何水位下，船舶不允許撞擊到樁基，以此確定套箱壁體的結(jié)構(gòu)以及所需的高度。

3）在滿足其功能的前提下，應(yīng)盡可能地減少平時維修養(yǎng)護的費用，并應(yīng)考慮在被撞壞后較易于修復(fù)。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)計綜合考慮了重力、浮力、水流力、波浪力、船舶碰撞力等荷載。鋼套箱由定位系統(tǒng)、內(nèi)支撐系統(tǒng)、壁板系統(tǒng)及護舷、底板及加勁系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)（吊耳）、懸掛系統(tǒng)等幾部分組成。套箱掛腿采用橡膠支座，套箱與承臺側(cè)表面之間設(shè)置20 mm厚平板橡膠，起緩沖作用[2-3]。

套箱主體結(jié)構(gòu)采用Q235B鋼材。鋼套箱長90.39 m，寬43.14 m，底標(biāo)高-3.2 m，頂標(biāo)高+5.3 m，總高8.5 m。中部系梁套箱厚度3.1 m，其余部分厚度3.3 m?？傮w布置見圖2～圖3。

3.2.1 水平定位系統(tǒng)

為確保套箱安裝平面位置滿足設(shè)計要求，設(shè)置水平定位系統(tǒng)對其進(jìn)行調(diào)整。水平定位系統(tǒng)共設(shè)置2層，每層設(shè)置8個水平定位點，每個定位點設(shè)置2臺32 t螺旋千斤頂。

3.2.2 內(nèi)支撐系統(tǒng)

套箱設(shè)置8根φ820 mm×12 mm鋼管支撐，確保吊裝過程中的整體穩(wěn)定性及施工階段的水壓力和波壓力穩(wěn)定。

3.2.3 壁板

為方便制作，鋼套箱壁板分26個節(jié)段，單個節(jié)段長度4～11 m，最大節(jié)段重量約42 t。壁板厚12 mm，水平橫隔板厚10 mm，豎向橫隔板、橫肋板厚10 mm、12 mm。節(jié)段連接板板厚20 mm。節(jié)段之間采用不銹鋼螺栓連接。套箱壁板橫斷面見圖4。

圖2 主塔墩鋼套箱平面布置（單位：mm）

圖3 主塔墩鋼套箱立面布置（單位：mm）

圖4 套箱壁板橫斷面（單位：mm）

3.2.4 底板及加勁系統(tǒng)

底板縱橋向設(shè)置2HN400×200主梁，橫橋向設(shè)置HN400×200次梁，主梁之間設(shè)置 [20a底板分配梁，面板采用6 mm鋼板。底板在承臺范圍內(nèi)設(shè)置4個桁架，寬3.9 m，高2.5 m；系梁范圍內(nèi)設(shè)置2個桁架，寬1 m，高2 m。底板及加勁系統(tǒng)平面布置見圖5。

圖5 鋼套箱底板及加勁桁架布置圖（單位：mm）

3.2.5 懸吊系統(tǒng)

懸吊系統(tǒng)包括壁體懸吊系統(tǒng)（臨時掛腿）及底板懸吊系統(tǒng)（吊桿）。

臨時掛腿共計14個，其中2個半圓形承臺范圍共計10個，掛于復(fù)合樁鋼管頂。系梁范圍4個，掛于平臺臨時鋼管樁頂，構(gòu)造見圖6。

圖6 鋼套箱掛腿平面布置

吊桿采用][20a型鋼，一端焊接于底板主梁，頂端焊接于復(fù)合樁鋼管上，構(gòu)造見圖7。

圖7 吊桿布置圖（單位：mm）

3.3 結(jié)構(gòu)計算分析

3.3.1 船舶撞擊計算分析

采用LS-DYNA動力有限元分析軟件，用代表型船舶對鋼套箱的防船撞性能進(jìn)行了數(shù)值模擬與性能分析，碰撞有限元分析模型見圖8。塔墩、代表型船舶與防撞鋼套箱分別采用實體單元、shell單元模擬，并以最不利的航船正撞方式進(jìn)行撞擊分析，對塔墩設(shè)置鋼套箱后的撞擊力及鋼套箱的防撞性能進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：塔墩設(shè)置的鋼套箱能有效地降低撞擊力，達(dá)原設(shè)計撞擊力的70%左右，具有很好的防撞效果，且鋼套箱在受撞部位損傷較大，但在其它部位結(jié)構(gòu)完好，對受撞鋼套箱節(jié)段進(jìn)行更換或維修即可。

圖8 船-鋼套箱-塔墩碰撞有限元分析模型

3.3.2 施工階段計算分析

采用MIDAS軟件整體建模計算，其中，套箱內(nèi)外壁板、水平環(huán)板、豎向隔板、豎向加勁肋、底板面板等采用板單元模擬，底板主、次梁型鋼、鋼管內(nèi)支撐采用梁單元模擬；吊裝鋼絲繩采用索單元模擬。主要計算工況及結(jié)果見表2。

表2 計算工況及結(jié)果

計算表明，鋼套箱在各個施工工況下的受力均滿足規(guī)范要求。

4 鋼套箱施工

4.1 施工工藝流程

鋼套箱采用在工廠分節(jié)制作、拼裝，整體運輸、整體吊裝的施工工藝。鋼套箱施工工藝流程見圖9。

主塔墩承臺分4次澆筑，分層厚度為2.5 m、2.5 m、2 m、2 m，總方量15 100 m3，屬大體積混凝土結(jié)構(gòu)，施工時對其采取了溫控措施確?；炷潦┕べ|(zhì)量。

圖9 鋼套箱施工工藝流程

4.2 鋼套箱加工

鋼套箱節(jié)段焊縫多，為控制結(jié)構(gòu)焊接整體變形，加快制作進(jìn)度，采用分塊對稱制作、單元組裝、再焊接成整體的方法。首先應(yīng)進(jìn)行焊接工藝評定試驗。套箱的尺寸精度、局部不平整度控制在5 mm以內(nèi)。

4.3 涂裝

節(jié)段加工完成后在車間內(nèi)進(jìn)行噴砂除銹及涂裝。鋼套箱內(nèi)外表面涂層按20 a壽命設(shè)計，內(nèi)外表面處理均為噴砂除銹（Sa2.5），內(nèi)表面設(shè)置底漆、中間漆和面漆各2道低表面處理樹脂漆，總厚度500 μm；外表面設(shè)置低表面處理樹脂底漆、中間漆各2道、聚氨酯面漆2道，總厚度550 μm。

4.4 裝船及運輸

鋼套箱拼裝為整體后，利用牽引滾裝上船，運輸至青州航道橋施工現(xiàn)場。

4.5 現(xiàn)場吊裝

鋼套箱重量近1 700 t，采用1 200 t及1 000 t浮吊抬吊。共布置16個吊點。選用150 t卸扣，φ120 mm鋼芯鋼絲繩。由于施工階段青州航道已改移，往來于港澳間的高速客輪對現(xiàn)場吊裝影響不大。

正式吊裝前進(jìn)行試吊，觀察卸扣、吊耳、壁板、內(nèi)支撐等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的變化情況。無異常情況后，開始正式吊裝。

浮吊緩慢起鉤，鋼套箱底面高出復(fù)合樁鋼管頂100 cm后，緊纜前移，靠近設(shè)計位置。通過4個角點處的導(dǎo)向頭，移位至設(shè)計位置正上方，由套箱內(nèi)的指揮員根據(jù)38根樁與底板開孔的位置指揮浮吊微調(diào)就位。

套箱底板完全套入鋼管樁后，浮吊緩慢落鉤，每下降50 cm，及時觀測護筒與底板間隙情況，調(diào)整套箱平面位置。

鋼套箱下放至距離設(shè)計標(biāo)高10 cm時，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，采用水平定位千斤頂對平面位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整完畢后浮吊落鉤，通過掛腿將鋼套箱掛于鋼管樁上，浮吊撤離，即完成鋼套箱現(xiàn)場吊裝。鋼套箱吊裝平面布置見圖10。

圖10 主塔墩鋼套箱吊裝平面布置（單位：cm）

5 結(jié)語

青州航道橋主塔墩鋼套箱將承臺施工臨時結(jié)構(gòu)與防船舶撞擊永久結(jié)構(gòu)結(jié)合考慮，一體兩用，構(gòu)思新穎，方案合理，節(jié)約經(jīng)濟。在設(shè)計單位已完成的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，由施工單位對底板及加勁系統(tǒng)、內(nèi)支撐、起吊系統(tǒng)等進(jìn)行了補充設(shè)計。采用兩臺浮吊整體抬吊工藝，可以縮短施工工期，降低現(xiàn)場施工風(fēng)險，確保施工質(zhì)量。

[1]港珠澳大橋主體工程橋梁DB01標(biāo)段施工圖設(shè)計：承臺防撞設(shè)施[R].北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，2011.

[2]陳衛(wèi)國，唐衡.金塘大橋索塔墩1600 t防撞鋼套箱安裝施工技術(shù)[J].公路，2009（1）：133-138.

[3]馮良平，崔冰，許航，等.南京長江第三大橋南塔鋼套箱設(shè)計[C]//中國公路學(xué)會橋梁和結(jié)構(gòu)工程學(xué)會2003年全國橋梁學(xué)術(shù)會議論文集.北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，2003：97-102.