楊 揚,胡彥卿

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

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跨海大橋非通航孔橋梁跨徑的設計研究

楊 揚1,胡彥卿2

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

簡要介紹了非通航孔橋的設計在整個橋梁設計項目中占有重要地位，并以廣深沿江高速非通航孔橋設計項目為例,介紹在進行跨徑設計方案選擇時需考慮的主要因素。認為從方案選擇時就從施工與設計兩方面考慮,合理選擇造價經(jīng)濟、施工便捷的結(jié)構類型,就可獲得明顯的綜合效益。

非通航孔;預制拼裝;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工程中占很大比例,因此無論設計、施工還是運營養(yǎng)護,都將其作為主要項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重要。

整孔預制大跨預應力混凝土箱梁結(jié)構作為跨海大橋工程非通航孔的上部結(jié)構具有較為明顯的優(yōu)勢。一方面該結(jié)構具有受力性能優(yōu)良、經(jīng)濟指標較高(尤其在淺海海域)和耐久性能好等優(yōu)點；另一方面其可采用預制化、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制吊裝的大跨預應力混凝土箱梁為橋梁上部結(jié)構。

加拿大諾森伯蘭跨海大橋[1]其上部結(jié)構就采用了大規(guī)模的預制預應力混凝土箱梁構件來架設與拼裝,該橋為跨度250 m的預應力混凝土梁,由小型預制節(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跨徑的預應力混凝土等高度連續(xù)箱梁結(jié)構。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計都選擇了這一結(jié)構類型。

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,其建設對珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟發(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)工程前期進行的詳細的地質(zhì)勘查,結(jié)合該地區(qū)的地理位置和建設條件,本工程在進行設計時需要特別關注以下幾點：

1)橋梁工程規(guī)模大,外部條件復雜;

2)車道多,荷載大,等級高;

3)臺風、大風影響較大;

4)海洋環(huán)境侵蝕腐蝕嚴重;

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和橋位建設條件的前提下,結(jié)合國內(nèi)外橋梁工程建設實踐經(jīng)驗進行的,主要遵循以下設計原則：

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

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

3)協(xié)調(diào)統(tǒng)一原則 由于項目通過區(qū)域的沿線有海上田園風光風景區(qū)、寶安國際機場、規(guī)劃海濱大道及港區(qū)碼頭等多個景觀,因此在設計方案選擇時應做到：大方得體,整體性強,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)科學創(chuàng)新原則 即在規(guī)避風險的前提下,積極采用新結(jié)構、新技術、新工藝、新材料,在施工質(zhì)量、結(jié)構耐久、橋梁美學等方面展開創(chuàng)新研究。

5)標準化原則 即在設計階段就將工廠化、裝配化的預制安裝方案作為研究內(nèi)容,設計、施工有機結(jié)合,合理確定橋型方案及施工方案的指導思想,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)已有的建橋設備,選擇優(yōu)勢資源,為項目的建設服務。

7)符合原則 即設計方案全面貫徹國家有關的法規(guī)及相關的技術政策[3-4],真正落實“技術先進、安全可靠、適用耐久、經(jīng)濟合理”的設計理念。

3 結(jié)構施工方案比選

一般而言,橋梁的上部結(jié)構方案同其施工方案有密切的關系。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)風險大、施工速度慢、質(zhì)量不容易控制、工期長的特點,所以并不適宜采用現(xiàn)澆施工方案。相對而言,預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制方案。目前,常見的預制方案主要包括節(jié)段預制拼裝和整孔預制吊裝兩種[2]。

3.1 節(jié)段預制拼裝方案

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

1)預制節(jié)段整孔拼裝施工方法(圖1)：預制節(jié)段采用海上運輸,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)段利用架橋機多吊點分別起吊,一次性整孔拼裝,每孔需設濕接頭。該施工方法主要適用于中小跨徑橋梁,在國外應用廣泛,國內(nèi)應用較少。其好處是施工速度較快,1臺架橋機架設1孔(單幅)約7 d，但要完成近20 km的海上橋梁的架設需多套架橋機才能滿足工期要求。

圖1 預制節(jié)段整孔拼裝施工方法

2)預制節(jié)段逐孔懸拼施工方法：采用可以行走的架橋機進行逐孔懸臂拼裝施工,架橋機支承于前一個橋墩及已架設完成的梁上,箱梁預制節(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每孔梁約需10 d。架設海上引橋需要8～10臺架橋機才能滿足工期要求。

圖2 預制節(jié)段逐孔懸拼施工方法

以上兩種施工方案的共同特點是：可多點作業(yè),并已有成熟的施工技術,不需要大型起吊、運輸設備。但為滿足長達近20 km的海上橋梁的架設工期要求,需要數(shù)量較多的架橋機及相應的運輸駁船,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。

兩種預制節(jié)段拼裝方案相較而言,由于預制節(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備才能滿足工期要求；而預制節(jié)段整孔拼裝方法施工速度相對較快,投入的施工設備數(shù)量較少,因此對于預制節(jié)段拼裝方案,多采用預制節(jié)段整孔拼裝施工方法。

3.2 整孔預制架設方案

箱梁在預制加工廠整孔預制,采用運、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,整孔吊裝設備在可作業(yè)天氣情況下,1臺專用浮吊平均進度可以達到每天安裝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、架一體化的大型浮吊可以完成540片梁的架設工作。這種施工方案的主要特點是施工簡捷、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備進行施工作業(yè),見圖3。

圖3 整孔預制架設施工

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

4 非通航孔橋梁跨徑布置方案比選

4.1 建設條件

項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)構構造都發(fā)生不同程度變質(zhì),局部混合巖化形成片麻巖。強風化混合花崗巖標貫擊數(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。弱風化混合花崗巖,揭露厚度4.4 m,天然濕度單軸抗壓強度Ra=9.4～15.7 MPa,容許承載力[σ0]=1 500～2 000 kPa。圖4為機場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%,是項目的關鍵區(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,弱風化巖埋深較淺,下部結(jié)構持力層較好；

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

根據(jù)水上施工經(jīng)驗,下部結(jié)構工程費用較高,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),綜合考慮各項因素,參與方案比選的各跨徑橋型布置見圖5。

基礎方案以群樁方案為主,各橋型方案的比較見表1。

圖4 機場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,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,設備投入將達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箱梁為工廠預制,箱梁預制質(zhì)量易得到控制。架設采用水上設備整孔吊裝,目前國內(nèi)有現(xiàn)成設備可供租用。70 000 m 箱梁,約需240 d可以完成架設任務,施工速度快,工期有保障。

5.2 結(jié)構安全

工程區(qū)段處于淺海區(qū),緊鄰機場跑道與海濱大道,海濱大道后期填海是工程面臨的安全問題。由于機場跑道需要擴建的原因,工程整體向海域平移,進入珠江深水區(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計階段需要考慮的問題之一。

60 m箱梁采用4φ1.8 m基礎,40 m箱梁采用4φ1.5 m基礎。從結(jié)構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)段受機場凈空的限制,線路縱斷面設計處于較低區(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,但是60 m整孔預制架設方案具有架梁速度快、可滿足工期要求的突出優(yōu)點；對于在海域環(huán)境中施工受臺風、漲落潮等影響較大的情況下,采用整孔預制架設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險。故從工期、結(jié)構安全等綜合考慮,最后選擇了采用上部結(jié)構60 m 跨度大箱梁整體預制、整孔架設的方案。

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的施工方案。廣深沿江非通航橋梁的設計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. 淺論我國預應力混凝土梁橋的技術與發(fā)展[J]. 橋梁建設, 2001(1): 52-61．

[2] 周念先. 橋梁方案比選[M]. 上海: 同濟大學出版社,1997．

[3] 交通部公路司，中國工程建設標準化協(xié)會公路工程委員會.JTG B01—2003 公路工程技術標準[S]. 北京: 人民交通出版社,2003．

[4] 中交公路規(guī)劃設計院.JTG D60—2004公路橋涵設計通用規(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(1979—)，女，浙江樂清人，講師，從事結(jié)構工程的理論和實際應用研究。

U442.5+4

A

1008-3707(2016)11-0050-05