跨海大橋施工結構設計要點

馬曉東

(中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430000)

1 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋是我國第一座公鐵兩用跨海大橋，橋梁起于長樂市松下鎮(zhèn)，從松下港規(guī)劃的山前作業(yè)區(qū)與牛頭灣作業(yè)區(qū)之間入海，經石蓮山、人嶼島，跨越元洪航道、鼓嶼門水道，再依次

通過長嶼島和小練島，跨越大、小練島水道抵達大練島，再跨越北東口水道上平潭島[1]，大橋全長約16.3 km。福平鐵路站前工程FPZQ-3標段的工程范圍為長樂岸-大練島，全長約11.15 km，占整座跨海大橋長度的7/10，也是整座大橋施工條件最惡劣的區(qū)段。該標段內橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：m)

本標段含主跨532,364和336 m通航孔橋各一座，均為雙塔鋼桁混合梁斜拉橋結構；40.7 m跨非通航孔引橋共46孔(其中公路橋46孔，鐵路為38孔+324.8 m鐵路路基)，49.2 m跨非通航孔引橋73孔(其中鐵路單建段39孔)，橋型為混凝土梁橋；80 m和88 m跨非通航孔引橋34孔(其中80 m跨26孔，88 m跨8孔)，橋型為簡支鋼桁結合梁橋。全橋鐵路梁共160孔，公路梁共129孔。

2 建設條件

2.1 氣象

工程區(qū)域為典型的海洋性季風氣候，主要災害性天氣有：熱帶氣旋、大風、暴雨、雷暴、霧等。風向季節(jié)性變化明顯，橋址區(qū)百年重現(xiàn)期10 min平均最大風速44.8 m/s，全年有6級以上大風天氣300 d以上。

2.2 海洋水文

工程海域潮型屬正規(guī)半日潮，20年重現(xiàn)期內的最大高潮位為+4.33 m，設計最大流速為2.95 m/s。

2.3 工程地質

橋址區(qū)屬閩東南沿海低山丘陵，地形起伏較大。海床面基巖埋藏淺，大多地段為裸露的風化巖，僅長樂岸部分區(qū)段、元洪航道與鼓嶼門水道之間的部分區(qū)段有覆蓋層。

3 施工結構設計要點

3.1 設計荷載

鑒于本橋惡劣的施工環(huán)境，下部結構施工方案的出發(fā)點是海上施工盡量脫離海浪的影響，爭取盡可能多的有效作業(yè)時間，故基礎施工利用棧橋與墩位平臺相結合，將海上施工全部轉化為棧橋及平臺施工。

波浪力對海中施工結構的作用明顯，經計算分析，波浪力對此部分施工結構的影響在橫向力中占主導地位。

對于小尺度結構的波浪力，可以用Morison方程進行計算，將波浪力認為是由速度力和慣性力兩方面組成的荷載，具體為

式中：PD為波浪力速度分力;PI為波浪力慣性分力；γ為水的重度；CD速度力系數(shù)；CM為慣性力系數(shù)；D，A分別為柱體的直徑和斷面積；u為水質點速度。

不規(guī)則大尺度構件，國際上目前尚沒有統(tǒng)一有效的計算方法，主要借助規(guī)范及數(shù)值模型分析進行計算。數(shù)值模型計算較先進的分析計算方法是選取計算域并進行網格設置后，建立數(shù)值模型，通過分析三維波面圖、波浪力時程曲線等，得到構件所受最大波浪力。

主塔、上部結構施工結構的設計主要考慮風荷載的影響，尤其是臺風荷載的作用，計算時取10年一遇臺風風速VS10為36.7 m/s。

3.2 棧橋、鉆孔平臺設計要點

棧橋及鉆孔平臺采用“鋼管樁+分配梁+桁架梁”的結構形式，支承鋼管樁直徑為1.2～2.4 m不等，單樁所受的波浪力為59.4～274.5 kN。同排鋼管樁的橫向間距宜盡量加大，有覆蓋層區(qū)段可將鋼管樁設計為斜樁，以增強鋼管樁基橫向抗傾覆的能力。無覆蓋層區(qū)段，由于鋼管樁自身難以在海浪中站立，且鋼管樁難以插打，故采用“直樁+錨樁的結構形式”，即鋼管樁插打以后，先安裝上部結構形成板凳平臺，然后在平臺上利用鋼管樁作為鋼護筒進行“短鉆孔樁”施工，將鋼管樁“栽樁”至海床面，以達到樁底固結。

在超深水區(qū)(水深>35 m的區(qū)段)，由于樁身長、橫向水平力大，導致基礎的橫向穩(wěn)定性不能滿足抗傾覆的要求，故棧橋、鉆孔平臺下部結構采用“簡易導管架”的形式進行建立，導管架基礎的棧橋布置見圖2。

圖2 導管架基礎棧橋布置圖(單位：m)

由于橋址區(qū)的海床面大部分為風化巖裸露，故棧橋宜做大跨結構，以盡量減少支承樁的數(shù)量，降低棧橋建設的難度。桁架梁在設計時選用了“大橋1號桁梁”，棧橋最大跨度達到了36 m，可滿足1 000 kN履帶吊吊裝作業(yè)及1 500 kN履帶吊通行。

桁架梁及面板暴露在海洋環(huán)境中，處于浪濺區(qū)，腐蝕嚴重。對制式常備桿件，須著重加強涂裝的要求，建議按照JT/T 722-2008 《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》涂裝體系涂裝。大部分棧橋、鉆孔平臺的面板采用了混凝土面板，一方面是可以規(guī)避鋼結構的腐蝕問題，另一方面可以加大結構的自重，增強結構的橫向抗傾覆能力。

3.3 圍堰設計要點

海中承臺的鋼圍堰主要承受水頭差的壓力、水流力、波浪力的作用，風力的影響很小。

由于潮差的影響，設計時需要計算高潮位和低潮位2個水位的工況組合，較一般內河圍堰多一個計算水位。除計算圍堰結構的強度和剛度外，一般高潮位時需重點驗算圍堰的整體抗浮，低潮位時需要重點計算圍堰的整體抗沉。水平波浪力對圍堰的整體作用，引起群樁基礎豎向力的變化，在計算圍堰封底混凝土粘結力時需要考慮此影響。

圍堰底板接近入水且底板距離水面的高度在半個波高以內時，浮托力荷載為最大，計算時可參考JTS 145-2-2013 《海港水文規(guī)范》[2]中關于離岸式高樁碼頭面板底部波浪浮托力進行計算。

式中：P為最大總浮托力，kN/m；x為面板底部的波浪作用寬度，m；K1為面板寬度影響系數(shù)；H為入射波波高，m，采用累計頻率1%值；Δh為底板

在靜水面以上的高度m；η為波峰的高度，m。

經計算，個別圍堰下放工況的底板處浮托力可達約27 kN/m2，在圍堰封底混凝土澆筑階段，圍堰底板的浮托力相對較小，但其對底板的擾動會影響鋼護筒周邊封底混凝土的質量，進而影響封底混凝土的黏結力。故一般在鋼護筒上設置剛性拉壓桿，既可承擔混凝土的自重，也可消除浮托力的影響。

主塔墩圍堰設計原則是與主體防撞箱結合，側板利用防撞箱，施工圍堰其他結構(包括底龍骨、底板、限位導向等)與防撞箱間的連接均考慮可以拆除，不影響主體防撞箱的維修與更換，主塔墩圍堰布置見圖3。

圖3 主塔墩圍堰布置圖(單位：m)

3.4 主塔橫撐設計要點

通航孔橋為鋼桁混合梁斜拉橋，其主塔最大高度為200 m。臺風荷載將對主塔及塔吊產生巨大的水平風荷載，上橫梁施工完成前的施工階段需要設置主塔橫撐形成框架結構，增加整體剛度以降低施工過程中主塔下橫梁處根部混凝土的拉應力。主塔的橫撐須有足夠的剛度，才可以起到“臨時橫梁”的作用，故本橋橫撐采用2排桁架式結構，桁高9.0 m，上下弦桿采用直徑1 000 mm、壁厚12 mm鋼管，主塔橫撐布置見圖4。

圖4 主塔橫布置圖(單位：m)

3.5 墩旁托架設計要點

通航孔橋的上部結構為“N形”鋼桁梁，采用“浮吊大節(jié)段吊裝+橋面吊機懸拼”的施工方法。主塔墩、輔助墩及邊墩均設置墩旁托架，便于下橫梁頂、墩頂段的鋼梁利用浮吊進行架設。墩旁托架由鋼管支架與滑道梁組成，安裝時先搭設鋼管支架，再預拉托架頂層聯(lián)結系內預應力鋼絞線，(每束預拉3 650 kN，2束為1組,共2組)，最后安裝滑道梁，墩旁托架結構見圖5。

圖5 墩旁托架結構圖(單位：m)

鋼梁最大吊裝節(jié)段重約31 000 kN，落梁工況需考慮鋼梁對墩旁托架的沖擊力。該沖擊力分為豎向沖擊荷載與水平沖擊荷載，其中豎向沖擊系數(shù)按1.2考慮，水平沖擊荷載按下述2種方法計算得到的較大值進行加載：①按鋼梁接觸滑道梁頂面摩擦系數(shù)考慮，取鋼梁自重0.5倍乘以最大靜摩擦系數(shù)0.2，則水平沖擊荷載為鋼梁自重的10%；②假定吊裝過程中，鋼梁沖擊托架時的最大平面偏差1 m，鋼絲繩吊裝豎向傾角為3°，則水平沖擊荷載取對應的結構自重的水平分力再乘以1.2倍沖擊系數(shù)。

3.6 主體相關檢算

1) 主塔薄壁受力檢算。臺風作用工況，主塔橫撐邊支點對主塔最大拉、壓力為5 509 kN，剪力為1 428.3 kN。由于主塔一般為薄壁結構，故需采用有限元軟件建立主塔局部模型進行受力分析。根據邊支點的作用范圍，將作用力換算為節(jié)點荷載進行加載。根據計算，鋼筋最大拉應力σ=129 MPa<[σ]=330 MPa,混凝土最大主壓應力σc=8.35 MPa<[σc]=13.4 MPa[3-4],滿足規(guī)范要求，圖6為主塔局部受力分析的有限元模型。

圖6 主塔局部受力計算模型

2) 鋼梁架設主體結構檢算。根據鋼梁架設總體方案，鼓嶼門水道橋輔助跨大節(jié)段鋼梁吊裝后支承于托架上，此時主塔墩及輔助墩受到最大的偏心彎矩，主塔墩旁托架和輔助墩托架受力也最為不利；邊跨大節(jié)段鋼梁吊裝后，邊墩受到最大的偏心彎矩，邊墩托架受力也最為不利。根據此施工步驟建立有限元模型進行分析，有限元計算模型見圖7。

圖7 計算模型

經計算，輔助孔鋼梁架設后，主塔墩旁托架受偏心受力影響最大，此時主塔最大彎矩為200 MN·m。下塔柱始終處于全截面受壓，最大壓應力5.4 MPa，最小壓應力0.4 MPa。輔助墩、邊墩最大彎矩153.6 MN·m，最大壓應力3.82 MPa，最大拉應力0.82 MPa。鋼梁最大應力130 MPa。輔助墩及邊墩樁基最大彎矩3 020 kN·m(根據設計院配筋圖紙計算，4.5 m樁基最小抗彎承載力約70 MN·m)。主塔墩旁托架最大應力142 MPa，輔助墩托架最大應力131 MPa，邊墩托架最大應力88 MPa，受力均滿足規(guī)范要求。

4 結語

跨海大橋的施工結構在設計荷載、構造措施的處理上都需特殊考慮，以應對波浪力、臺風荷載等非常規(guī)荷載的作用。除結構設計外，海洋環(huán)境中的防腐涂裝也值得深入研究。上述施工結構在平潭海峽公鐵兩用大橋的施工過程中均已成功應用。

[1] 頓琳.平潭海峽公鐵兩用大橋棧橋鋼管樁插打試驗分析[J]. 交通科技，2016(1)：37-40.

[2] 海港水文規(guī)范：JTS 145-2-2013[S].北京:人民交通出版社,2013.

[3] 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土結構設計規(guī)范：TB10002.3-2005[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[4] 楊吉新.潛浮式倒懸索跨海大橋設計[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2008,32(2):287-289.