跨海大橋非通航孔橋梁跨徑的設(shè)計(jì)研究

楊 揚(yáng),胡彥卿

(1.江蘇開放大學(xué),江蘇 南京 210036;2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 南京 210014)

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跨海大橋非通航孔橋梁跨徑的設(shè)計(jì)研究

楊 揚(yáng)1,胡彥卿2

(1.江蘇開放大學(xué),江蘇 南京 210036;2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,江蘇 南京 210014)

簡要介紹了非通航孔橋的設(shè)計(jì)在整個橋梁設(shè)計(jì)項(xiàng)目中占有重要地位，并以廣深沿江高速非通航孔橋設(shè)計(jì)項(xiàng)目為例,介紹在進(jìn)行跨徑設(shè)計(jì)方案選擇時需考慮的主要因素。認(rèn)為從方案選擇時就從施工與設(shè)計(jì)兩方面考慮,合理選擇造價經(jīng)濟(jì)、施工便捷的結(jié)構(gòu)類型,就可獲得明顯的綜合效益。

非通航孔;預(yù)制拼裝;整孔吊裝;混凝土箱梁;跨徑

1 非通航孔橋梁現(xiàn)狀

跨海大橋工程一般可分為通航孔工程和非通航孔工程兩部分。其中非通航孔工程的總跨度和工程量一般在整項(xiàng)工程中占很大比例,因此無論設(shè)計(jì)、施工還是運(yùn)營養(yǎng)護(hù),都將其作為主要項(xiàng)目之一特別予以重視。作為跨海大橋,其橋位區(qū)域通常存在著水文、氣象、地質(zhì)條件復(fù)雜,有效施工作業(yè)時間短等問題,因此合理選擇非通航孔橋的橋型顯得至關(guān)重要。

整孔預(yù)制大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)作為跨海大橋工程非通航孔的上部結(jié)構(gòu)具有較為明顯的優(yōu)勢。一方面該結(jié)構(gòu)具有受力性能優(yōu)良、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高(尤其在淺海海域)和耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)；另一方面其可采用預(yù)制化、工廠化、大型化、變海上施工為陸上施工的施工方案,這樣既能緩解海上有效施工時間短、環(huán)境惡劣等問題,又可較好地保證工程質(zhì)量。因此,一些已建成的、在建的和擬建中的跨海大橋,只要橋位水文條件合適,其非通航孔工程都選取整孔預(yù)制吊裝的大跨預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為橋梁上部結(jié)構(gòu)。

加拿大諾森伯蘭跨海大橋[1]其上部結(jié)構(gòu)就采用了大規(guī)模的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁構(gòu)件來架設(shè)與拼裝,該橋?yàn)榭缍?50 m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁,由小型預(yù)制節(jié)段先組拼成兩個單元。我國東海大橋是目前國內(nèi)最長、也是第一座真正意義上的跨海大橋。東海大橋的非通航孔橋占橋梁全長的92%,采用了60 m、70 m跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土等高度連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。除此以外,巴林水道橋、杭州灣大橋等眾多國內(nèi)外跨海橋梁的非通航孔設(shè)計(jì)都選擇了這一結(jié)構(gòu)類型。

2 工程背景

廣深沿江高速公路起于廣州黃埔,終于深圳南山,向南通過深港西部通道與香港相接,是繼廣深高速公路之后,珠江三角洲地區(qū)又一條重要的南北通道,其建設(shè)對珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與開發(fā)及完善區(qū)域公路網(wǎng),解決區(qū)域交通壓力具有重要意義。根據(jù)工程前期進(jìn)行的詳細(xì)的地質(zhì)勘查,結(jié)合該地區(qū)的地理位置和建設(shè)條件,本工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)時需要特別關(guān)注以下幾點(diǎn)：

1)橋梁工程規(guī)模大,外部條件復(fù)雜;

2)車道多,荷載大,等級高;

3)臺風(fēng)、大風(fēng)影響較大;

4)海洋環(huán)境侵蝕腐蝕嚴(yán)重;

5)施工組織難度大。

橋梁跨徑布置方案的比選研究主要是在充分考慮工程的特點(diǎn)和橋位建設(shè)條件的前提下,結(jié)合國內(nèi)外橋梁工程建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的,主要遵循以下設(shè)計(jì)原則：

1)優(yōu)化原則 即選擇與水文、地質(zhì)、河道條件相適應(yīng)的橋梁跨度布置方案。

2)吸收原則 即選用結(jié)構(gòu)成熟、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、結(jié)構(gòu)安全的橋梁跨徑布置方案,貫徹“適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀”的技術(shù)方針。

3)協(xié)調(diào)統(tǒng)一原則 由于項(xiàng)目通過區(qū)域的沿線有海上田園風(fēng)光風(fēng)景區(qū)、寶安國際機(jī)場、規(guī)劃海濱大道及港區(qū)碼頭等多個景觀,因此在設(shè)計(jì)方案選擇時應(yīng)做到：大方得體,整體性強(qiáng),孔跨布置均衡協(xié)調(diào),與城市環(huán)境和自然景觀相協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4)科學(xué)創(chuàng)新原則 即在規(guī)避風(fēng)險的前提下,積極采用新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)、新工藝、新材料,在施工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)耐久、橋梁美學(xué)等方面展開創(chuàng)新研究。

5)標(biāo)準(zhǔn)化原則 即在設(shè)計(jì)階段就將工廠化、裝配化的預(yù)制安裝方案作為研究內(nèi)容,設(shè)計(jì)、施工有機(jī)結(jié)合,合理確定橋型方案及施工方案的指導(dǎo)思想,最大限度減少水上作業(yè)和現(xiàn)場作業(yè)的工作量,提高作業(yè)效率,加快施工速度。

6)可實(shí)施原則 即選擇合理的施工方案和施工工藝[2],充分利用國內(nèi)已有的建橋設(shè)備,選擇優(yōu)勢資源,為項(xiàng)目的建設(shè)服務(wù)。

7)符合原則 即設(shè)計(jì)方案全面貫徹國家有關(guān)的法規(guī)及相關(guān)的技術(shù)政策[3-4],真正落實(shí)“技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟(jì)合理”的設(shè)計(jì)理念。

3 結(jié)構(gòu)施工方案比選

一般而言,橋梁的上部結(jié)構(gòu)方案同其施工方案有密切的關(guān)系。目前,水中區(qū)引橋上部可以采用的施工方法有現(xiàn)澆和預(yù)制兩大類,對于大規(guī)模的海上長距離橋梁,無論采用懸臂現(xiàn)澆施工或是移動模架現(xiàn)澆施工,其混凝土連續(xù)箱梁均有海上作業(yè)風(fēng)險大、施工速度慢、質(zhì)量不容易控制、工期長的特點(diǎn),所以并不適宜采用現(xiàn)澆施工方案。相對而言,預(yù)制施工可以減少海上作業(yè)工序及現(xiàn)場施工作業(yè)量,同時,混凝土質(zhì)量易于保證,工期控制相對簡便,故施工方案宜采用預(yù)制方案。目前,常見的預(yù)制方案主要包括節(jié)段預(yù)制拼裝和整孔預(yù)制吊裝兩種[2]。

3.1 節(jié)段預(yù)制拼裝方案

節(jié)段預(yù)制拼裝在本工程中比較可行的施工方案主要有：預(yù)制節(jié)段整孔拼裝施工方法和預(yù)制節(jié)段逐孔懸拼施工方法。目前這兩種施工方法技術(shù)均比較成熟。

1)預(yù)制節(jié)段整孔拼裝施工方法(圖1)：預(yù)制節(jié)段采用海上運(yùn)輸,墩頂節(jié)段利用浮吊吊裝,并與墩身臨時固接,其余所有節(jié)段利用架橋機(jī)多吊點(diǎn)分別起吊,一次性整孔拼裝,每孔需設(shè)濕接頭。該施工方法主要適用于中小跨徑橋梁,在國外應(yīng)用廣泛,國內(nèi)應(yīng)用較少。其好處是施工速度較快,1臺架橋機(jī)架設(shè)1孔(單幅)約7 d，但要完成近20 km的海上橋梁的架設(shè)需多套架橋機(jī)才能滿足工期要求。

圖1 預(yù)制節(jié)段整孔拼裝施工方法

2)預(yù)制節(jié)段逐孔懸拼施工方法：采用可以行走的架橋機(jī)進(jìn)行逐孔懸臂拼裝施工,架橋機(jī)支承于前一個橋墩及已架設(shè)完成的梁上,箱梁預(yù)制節(jié)段不斷對稱懸臂拼裝,形成最大單懸臂狀態(tài)后,完成中間合攏段的施工；然后整體移動架橋機(jī)至前一墩頂。該施工方法主要適用于較大跨徑橋梁(一般為45～200 m),在國外已有30多年的歷史(圖2為孟加拉賈木納橋采用平衡伸臂懸拼法的場景,該橋跨度為99.375 m,共49跨,全長4.8 km,架梁歷時570 d)。用懸拼法施工每臺架橋機(jī)每孔梁約需10 d。架設(shè)海上引橋需要8～10臺架橋機(jī)才能滿足工期要求。

圖2 預(yù)制節(jié)段逐孔懸拼施工方法

以上兩種施工方案的共同特點(diǎn)是：可多點(diǎn)作業(yè),并已有成熟的施工技術(shù),不需要大型起吊、運(yùn)輸設(shè)備。但為滿足長達(dá)近20 km的海上橋梁的架設(shè)工期要求,需要數(shù)量較多的架橋機(jī)及相應(yīng)的運(yùn)輸駁船,海上作業(yè)繁忙,施工組織困難,可靠性差,若出現(xiàn)惡劣氣候條件時,施工安全難以得到保證。

兩種預(yù)制節(jié)段拼裝方案相較而言,由于預(yù)制節(jié)段逐孔懸拼的施工方法施工速度較慢,需要投入更多的施工設(shè)備才能滿足工期要求；而預(yù)制節(jié)段整孔拼裝方法施工速度相對較快,投入的施工設(shè)備數(shù)量較少,因此對于預(yù)制節(jié)段拼裝方案,多采用預(yù)制節(jié)段整孔拼裝施工方法。

3.2 整孔預(yù)制架設(shè)方案

箱梁在預(yù)制加工廠整孔預(yù)制,采用運(yùn)、架一體化的大型浮吊整孔吊裝,根據(jù)對橋址處水文、氣象條件的研究,整孔吊裝設(shè)備在可作業(yè)天氣情況下,1臺專用浮吊平均進(jìn)度可以達(dá)到每天安裝1.5片梁(最快1 d可安裝2片梁),按每年180個有效工作日測算,從第二年一月到第四年一月期間,1臺專用運(yùn)、架一體化的大型浮吊可以完成540片梁的架設(shè)工作。這種施工方案的主要特點(diǎn)是施工簡捷、作業(yè)效率高、工期易得到保證；同時,不需要多點(diǎn)作業(yè),施工組織較易。所以對處于特殊海域環(huán)境條件下的跨海大橋,采用整孔預(yù)制吊裝是一個非常適宜的施工方案。但是,需要指出的是該施工方案需要大型專用施工設(shè)備進(jìn)行施工作業(yè),見圖3。

圖3 整孔預(yù)制架設(shè)施工

采用整孔預(yù)制吊裝方案完成架梁任務(wù)較易,架梁工作不是控制工期的關(guān)鍵因素,所以不存在風(fēng)險,同時整孔預(yù)制對結(jié)構(gòu)耐久性有利。相對而言,若采用節(jié)段預(yù)制逐孔拼裝方案完成架梁任務(wù)則需要多臺架橋機(jī),架梁需嚴(yán)格控制工期,存在諸多風(fēng)險,同時節(jié)段拼裝接縫多,對結(jié)構(gòu)耐久性不利。所以綜合考慮,施工采用吊、運(yùn)、架一體化整孔預(yù)制吊裝方案是比較經(jīng)濟(jì)合理的。

4 非通航孔橋梁跨徑布置方案比選

4.1 建設(shè)條件

項(xiàng)目研究工程段地貌屬淺海區(qū),為海域與陸域交界地帶。海域海水深度5.8～6.7 m,潮差1.0～2.0 m,橋位處普遍分布淤泥,一般厚度不大,為0.5～0.8 m,局部較厚,達(dá)6.6 m。淤泥屬軟土,處于欠固結(jié)狀態(tài),在7度地震烈度下淤泥有輕微震陷。基巖為混合花崗巖,系加里東期巖漿活動的產(chǎn)物,遭受區(qū)域變質(zhì)作用的影響。巖石的礦物成分、結(jié)晶形態(tài)、結(jié)構(gòu)構(gòu)造都發(fā)生不同程度變質(zhì),局部混合巖化形成片麻巖。強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖標(biāo)貫擊數(shù)大于50擊,分布比較普遍,層厚2.4～22.0 m,平均厚度11.34 m,容許承載力[σ0]=400～800 kPa,沉樁極限摩阻力τi=150～200 kPa。弱風(fēng)化混合花崗巖,揭露厚度4.4 m,天然濕度單軸抗壓強(qiáng)度Ra=9.4～15.7 MPa,容許承載力[σ0]=1 500～2 000 kPa。圖4為機(jī)場1、2號特大橋工程地質(zhì)縱斷面圖。

4.2 方案比較

本段路線為淺海區(qū),橋梁長4.47 km,占整個橋長的14.2%,是項(xiàng)目的關(guān)鍵區(qū)段之一。

方案選擇時考慮的主要影響因素包括：

1)本段路線為淺海區(qū),橋梁施工時受漲落潮影響較大,施工條件相對復(fù)雜,工期易受影響；

2)施工基本水深大于3.0 m,潮差1.0～2.0 m,可以采用水上施工方法施工；

3)本段基本沒有被交道路,孔跨布置控制因素較少；

4)線路縱斷面受機(jī)場飛行凈空限制,橋墩高度在12～16 m之間；

5)本段地質(zhì)條件較好,覆蓋層較淺,巖面變化較大,弱風(fēng)化巖埋深較淺,下部結(jié)構(gòu)持力層較好；

6)該段與規(guī)劃的海濱大道并行,位于機(jī)場跑道外緣,橋梁景觀要求較高。

根據(jù)水上施工經(jīng)驗(yàn),下部結(jié)構(gòu)工程費(fèi)用較高,孔跨布置不宜太小,方案比選集中在40 m、50 m和60 m跨度,梁型以整體箱梁方案為主,上部結(jié)構(gòu)施工考慮移動模架、節(jié)段拼裝和整孔吊裝等方案,比選范圍確定為1200 m(K68+000～K69+200,見圖4),綜合考慮各項(xiàng)因素,參與方案比選的各跨徑橋型布置見圖5。

基礎(chǔ)方案以群樁方案為主,各橋型方案的比較見表1。

圖4 機(jī)場1、2 號特大橋工程地質(zhì)縱斷面圖

圖5 各方案的橋型立面布置圖(單位：m)

5 方案比選意見

5.1 工期及質(zhì)量

40 m箱梁采用移動模架現(xiàn)澆,按照經(jīng)驗(yàn),一般12～17 d施工一片箱梁。根據(jù)工期安排,一年一套模架最多只能施工480 m,即12孔梁。本區(qū)段按70 000 m 考慮,需要14～15套移動模架,單臺按1 000萬元/臺,設(shè)備投入將達(dá)1.4～1.5億元。移動模架現(xiàn)澆施工,現(xiàn)場作業(yè)量較大,海域施工條件較差,施工質(zhì)量及工期難以得到保證。

60 m箱梁為工廠預(yù)制,箱梁預(yù)制質(zhì)量易得到控制。架設(shè)采用水上設(shè)備整孔吊裝,目前國內(nèi)有現(xiàn)成設(shè)備可供租用。70 000 m 箱梁,約需240 d可以完成架設(shè)任務(wù),施工速度快,工期有保障。

5.2 結(jié)構(gòu)安全

工程區(qū)段處于淺海區(qū),緊鄰機(jī)場跑道與海濱大道,海濱大道后期填海是工程面臨的安全問題。由于機(jī)場跑道需要擴(kuò)建的原因,工程整體向海域平移,進(jìn)入珠江深水區(qū)。橋軸線與珠江水流平行,雖不存在通航的問題,但存在發(fā)生偶發(fā)事件的可能性,如：通航船舶突然失控，船舶順流因操作不當(dāng)而偏離航道，漲落潮對船舶的橫向推力等。所以,船舶撞擊荷載也是設(shè)計(jì)階段需要考慮的問題之一。

60 m箱梁采用4φ1.8 m基礎(chǔ),40 m箱梁采用4φ1.5 m基礎(chǔ)。從結(jié)構(gòu)自身抵抗水平荷載的能力來看,60 m箱梁較40 m箱梁表現(xiàn)更好。

5.3 景觀方面

工程區(qū)段受機(jī)場凈空的限制,線路縱斷面設(shè)計(jì)處于較低區(qū)段。盡管墩高大部分區(qū)段在15 m以上,但是由于水位較高,大部分時段水深在3 m以上,扣除梁高,水面以上外露的墩高只有10 m左右。墩高與跨度的比例一定程度上影響景觀效果,通過三維效果圖分析比較,60 m跨梁與40 m跨梁區(qū)別不大。

表1 橋型方案綜合比較表(單幅,B=19.65 m)

綜上分析,雖然40 m箱梁移動模架施工造價相對經(jīng)濟(jì),但是60 m整孔預(yù)制架設(shè)方案具有架梁速度快、可滿足工期要求的突出優(yōu)點(diǎn)；對于在海域環(huán)境中施工受臺風(fēng)、漲落潮等影響較大的情況下,采用整孔預(yù)制架設(shè)方案可以有效減少海上作業(yè)時間及工作面,從而大大降低施工風(fēng)險。故從工期、結(jié)構(gòu)安全等綜合考慮,最后選擇了采用上部結(jié)構(gòu)60 m 跨度大箱梁整體預(yù)制、整孔架設(shè)的方案。

6 結(jié) 語

跨海大橋非通航孔跨徑布置方案受海洋環(huán)境、工程設(shè)備能力、施工工期等多種因素影響,施工方案的選用,需要因地制宜,綜合考慮各種因素對施工條件的影響,最終才能確定各個區(qū)段最合理的跨徑布置和相應(yīng)的施工方案。廣深沿江非通航橋梁的設(shè)計(jì)方案正是出于以上各因素綜合比較才確定的。

[1] 呂志濤, 劉釗, 孟少平. 淺論我國預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的技術(shù)與發(fā)展[J]. 橋梁建設(shè), 2001(1): 52-61．

[2] 周念先. 橋梁方案比選[M]. 上海: 同濟(jì)大學(xué)出版社,1997．

[3] 交通部公路司，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會公路工程委員會.JTG B01—2003 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 人民交通出版社,2003．

[4] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社,2004．

Design Study on the Non-Traffic-Channel Bridge Span of the Cross Sea Bridge

YANGYang1,HUYanqing2

2016-05-09;

2016-09-18

楊 揚(yáng)(1979—)，女，浙江樂清人，講師，從事結(jié)構(gòu)工程的理論和實(shí)際應(yīng)用研究。

U442.5+4

A

1008-3707(2016)11-0050-05