唐 斌 王東暉 別業(yè)山

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430056)

港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋組合梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

唐 斌 王東暉 別業(yè)山

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430056)

港珠澳大橋淺水區(qū)非通航孔橋采用85 m連續(xù)組合梁橋形式，非通航孔85 m跨下部結(jié)構(gòu)是控制工期的關(guān)鍵工程。文章結(jié)合港珠澳大橋工程實(shí)踐，詳細(xì)闡述了85m連續(xù)組合梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對預(yù)制墩身、鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)、埋置式承臺新技術(shù)等方面進(jìn)行探討，承臺和墩身均采用預(yù)制施工法，具有施工速度快、質(zhì)量有保證、結(jié)構(gòu)耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。港珠澳大橋采用的全世界首例預(yù)制承臺墩身整體設(shè)計(jì)、吊裝施工方法，埋置式承臺、鋼管復(fù)合樁的設(shè)計(jì)理念為今后的跨海大橋建設(shè)提供可靠的技術(shù)支持，具有重要的工程實(shí)踐意義。

港珠澳大橋； 預(yù)制墩身； 濕接縫； 埋置式承臺； 鋼管復(fù)合樁

1 概述

1.1 工程概況

港珠澳大橋是中國首座涉及“一國兩制”、粵港澳三地首次統(tǒng)一使用國際建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、共同建設(shè)的具有重要戰(zhàn)略意義的世界級跨海通道。港珠澳大橋設(shè)計(jì)使用壽命為120年，東接香港大嶼山，經(jīng)大澳，跨越珠江口，西接廣東省珠海市和澳門特別行政區(qū)。淺水區(qū)非通航孔橋采用85 m連續(xù)組合梁，5～6孔一聯(lián)，全長為5 440 m[3]。九洲航道橋以東布置53孔，以西布置11孔。橋面總寬為33.1 m，采用整墩分幅組合梁布置型式，兩幅主梁中心距16.8 m，橋梁中心線處梁縫寬為0.5 m，單幅橋面寬16.3 m，主梁中心處梁高4.3 m，橋面橫坡2.5%。主梁采用“開口鋼箱+混凝土橋面板”的組合結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)采用整體式布置，鋼管復(fù)合樁基礎(chǔ)，埋置式承臺[2]，承臺和墩身均采用預(yù)制施工。

1.2 水文與氣象概況

橋區(qū)天氣特點(diǎn)溫暖潮濕，氣溫年相差不大，降水量多且強(qiáng)度大。設(shè)計(jì)高水位3.82 m，設(shè)計(jì)低水位-1.63 m。有車風(fēng)按照橋面VZ=25 m/s。地表分類：A類，地表粗糙度系數(shù)α=0.1；靜陣風(fēng)系數(shù)取1.38；橋址基準(zhǔn)風(fēng)速Vs10=47.2 m/s。

1.3 地質(zhì)情況

本橋址屬第四系覆蓋層按成因時(shí)代及巖性特征劃分為5大層，1層為主要全新統(tǒng)海積相淤泥、淤泥質(zhì)土，2、3層為晚更新統(tǒng)海河交互相黏性土夾砂層，4層為晚更新統(tǒng)河流沖積相黏性土夾砂，5層花崗巖風(fēng)化殘積土。

基巖為晚侏羅世燕山第三期花崗巖，巖面較平緩，基巖全強(qiáng)風(fēng)化發(fā)育，風(fēng)化差異顯著，全強(qiáng)風(fēng)化基巖中常夾有中微風(fēng)化殘留體，中微風(fēng)化巖面起伏大，局部地段基巖受構(gòu)造擠壓影響，裂隙發(fā)育，巖體軟硬不均。局部發(fā)育安山玢巖巖脈。

1.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

(1)公路等級：高速公路；

(2)設(shè)計(jì)速度：海中橋梁設(shè)計(jì)速度為100 km/h；

(3)行車道數(shù)：雙向六車道；

(4)設(shè)計(jì)使用壽命：120 年；

(5)建筑限界：橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度33.1 m，凈高5.1 m；

(6)最大縱坡：≤3.5%；

(7)橋面橫坡：2.5%；

(8)設(shè)計(jì)荷載：將現(xiàn)行交通運(yùn)輸部頒JTG D60-2004《公路橋梁設(shè)計(jì)通用規(guī)范》第4.3.1條規(guī)定的汽車荷載中規(guī)定的汽車荷載(公路-Ⅰ級)提高25%用于本項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算。按香港《United Kingdom Highways Aency’s Departmental Standard BD37/01》規(guī)定的汽車荷載進(jìn)行計(jì)算復(fù)核。

2 淺水區(qū)非通航孔橋下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)制墩身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵構(gòu)造

淺水區(qū)非通航孔橋采用85 m 跨整墩分幅組合連續(xù)梁，墩身采用預(yù)制拼裝方案。墩身采用矩形空心墩，內(nèi)部設(shè)縱向腹板1道，墩身四周設(shè)倒角。為適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)分離式主梁布置，橋墩自墩頂以下6 m處橫向逐漸加寬至墩頂處的23.5 m，構(gòu)成展翅結(jié)構(gòu)。

為滿足墩帽結(jié)構(gòu)受力，墩帽橫向配置預(yù)應(yīng)力鋼束。墩身采用濕接縫，高墩區(qū)橋墩共設(shè)置2道接縫。第1道接縫設(shè)置在高程+8 m處，位于浪濺區(qū)以上；第2道接縫距墩頂8 m。低墩區(qū)橋墩共設(shè)置1道接縫，設(shè)置在高程+8 m處，位于浪濺區(qū)以上。其中低墩區(qū)中間墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 低墩區(qū)中間墩基礎(chǔ)(cm)

底節(jié)墩身與承臺一起預(yù)制安裝，墩身接縫采用濕接頭進(jìn)行連接，在濕接頭處設(shè)置千斤頂可調(diào)整承臺安裝引起的傾斜度，確保墩頂平面位置準(zhǔn)確；施工可操作性強(qiáng)，并且采用墩身濕接頭連接更為可靠。結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)動力性能好，同時(shí)也避免了因采用預(yù)應(yīng)力連接方案時(shí)預(yù)應(yīng)力鋼束腐蝕或失效的風(fēng)險(xiǎn)。墩身現(xiàn)澆濕接頭混凝土外側(cè)設(shè)置預(yù)制擋墻，主要考慮了預(yù)制與現(xiàn)澆混凝土存在色差的問題，改善墩身外觀。其中低墩區(qū)墩身頂部濕接縫連接構(gòu)造如圖2所示。

圖2 低墩區(qū)墩身濕接縫連接構(gòu)造圖(cm)

2.2 預(yù)制承臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了盡量減少基礎(chǔ)的阻水率，港珠澳大橋非通航孔橋基礎(chǔ)均采用埋床法預(yù)制。預(yù)制承臺技術(shù)減小了施工難度，加快了施工進(jìn)度，也提高了基礎(chǔ)的耐久性。高墩區(qū)承臺平面尺寸(16.8×12.1)m(橫橋向×縱橋向)，低墩區(qū)承臺平面尺寸(15.6×11.4)m(橫橋向×縱橋向)，厚度均為4.5 m，四周倒以圓角，以利脫模。承臺預(yù)制部分采用C45海工耐久混凝土；現(xiàn)澆部分采用C45微膨脹海工耐久混凝土。底節(jié)墩身和承臺一起預(yù)制，高墩區(qū)承臺及其底節(jié)墩身最大重量為2 650 t。低墩區(qū)預(yù)制承臺及其底節(jié)墩身最大重量為2 350 t。預(yù)制承臺采用四點(diǎn)吊裝,吊點(diǎn)布置在承臺4根角樁預(yù)留孔，吊點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在承臺預(yù)制時(shí)一起制作。預(yù)制承臺、底節(jié)墩身構(gòu)件如圖3所示。

圖3 預(yù)制承臺、底節(jié)墩身構(gòu)件示意圖

2.3 預(yù)制墩身和承臺耐久性措施

高程+8.0 m以上，預(yù)制墩身混凝土僅外表面采用硅烷浸漬進(jìn)行防腐涂裝。高程+8.0 m以下，預(yù)制墩身內(nèi)外表面采用硅烷浸漬進(jìn)行防腐涂裝。預(yù)制承臺的頂、側(cè)面涂硅烷浸漬，這種方法使表面具有低吸水率、低Cl-滲透率的一種混凝土結(jié)構(gòu)表面防腐方法。墩身浪濺區(qū)及以下(高程+8.0 m以下)的外層豎向主筋及外圈箍筋采用不銹鋼鋼筋[1]。

2.4 鋼管復(fù)合樁設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

2.4.1 鋼管復(fù)合樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及創(chuàng)新

高墩區(qū)基礎(chǔ)采用6根鋼管復(fù)合樁，有鋼管段直徑220 cm，無鋼管段直徑200 cm，鋼管長度15～25 m，樁長27～78 m；低墩區(qū)基礎(chǔ)同樣采用6根鋼管復(fù)合樁，有鋼管段直徑200 cm，無鋼管段直徑180 cm，鋼管長度4.5～35.5 m，樁長12～85 m；樁基按行列式布置。樁底持力層為中風(fēng)化或微風(fēng)化花崗巖，嵌巖深度不小于4 m。鋼管材質(zhì)為Q345C，鋼管制作按照主體鋼結(jié)構(gòu)要求執(zhí)行。

鋼管復(fù)合樁是一種創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)，鋼管約束了混凝土，可延緩混凝土受壓時(shí)的縱向開裂，而且混凝土可以延緩或者避免鋼管過早的發(fā)生局部屈曲，可以很好地發(fā)揮鋼材和混凝土2種材料的力學(xué)特性。鋼管使得核心混凝土受力和變形得到明顯改善，在荷載作用下，混凝土壓應(yīng)力比無鋼管時(shí)明顯減小。鋼管復(fù)合樁具有良好的塑性和韌性，抗震性能好。

剪力環(huán)使鋼管復(fù)合樁中鋼管的受力及變形顯著增加, 剪力環(huán)則使其抵抗橫向變形能力顯著提高[8]。鋼管內(nèi)設(shè)置多道剪力環(huán)，即根據(jù)受力需要在鋼管內(nèi)壁按照一定間距，焊接多道環(huán)形鋼板，保障鋼管和混凝土之間豎向不發(fā)生相對滑移，傳遞混凝土與鋼管之間的剪力。剪力環(huán)增強(qiáng)了鋼管復(fù)合樁的整體性能，提高了其抗彎和抗壓剛度。在澆筑水下混凝土過程中，防止部分泥皮可能滯留在剪力環(huán)下方區(qū)域內(nèi)，將剪力環(huán)設(shè)成梯形，從而更充分地發(fā)揮鋼管與混凝土的鑲嵌作用。剪力環(huán)如圖4所示。

圖4 剪力環(huán)示意圖(cm)

2.4.2 鋼管復(fù)合樁防腐措施

港珠澳大橋首次提出設(shè)計(jì)年限為120 年, 由于處于海洋環(huán)境, 鋼管復(fù)合樁如不采取防腐措施, 腐蝕會相當(dāng)嚴(yán)重, 以至于影響結(jié)構(gòu)安全, 縮短使用壽命[4]。為確保大橋使用年限, 必須對鋼管復(fù)合樁采取安全、可靠、完善、有效的防腐系統(tǒng)及相應(yīng)的陰極保護(hù)監(jiān)測分析系統(tǒng)。陰極保護(hù)措施是目前對水下區(qū)和泥下區(qū)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)時(shí)應(yīng)用最廣泛、最成熟有效的措施[5-7]。

鋼管外壁防腐分別對水中區(qū)和泥下區(qū)進(jìn)行設(shè)計(jì)，即承臺以下約20 m范圍，采用高性能復(fù)合加強(qiáng)雙層熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂層，內(nèi)層≥300 μm，面層≥700 μm，加強(qiáng)雙層環(huán)氧粉末涂層厚度為≥1 000 μm。其余部位采用高性能復(fù)合普通雙層熔融結(jié)合環(huán)氧粉末涂層，內(nèi)層≥300 μm，面層≥350 μm，復(fù)合普通雙層環(huán)氧粉末涂層厚度≥650 μm。內(nèi)層為耐腐蝕型涂層，面層為抗劃傷耐磨涂層。

鋼管內(nèi)壁防腐方案按照普通級防腐涂層設(shè)計(jì)，全長范圍內(nèi)壁均采用高性能無溶劑液體環(huán)氧涂層，涂層厚度≥200 μm；為了提高內(nèi)防腐涂層與鋼管內(nèi)部灌注混凝土的相對粘結(jié)強(qiáng)度，在內(nèi)壁防腐涂層上再噴涂一層耐磨防滑涂層，涂層厚度≥50 μm。涂層具有耐蝕型、抗劃傷耐磨特性。

除了在鋼管內(nèi)外表面噴涂防腐涂層外，鋼管復(fù)合樁還采用犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)，犧牲陽極布置在墩身上，保證全天候浸泡于海水中，通過混凝土中預(yù)埋的電纜與海泥下的鋼管連接，能滿足港珠澳大橋120年使用壽命耐久性要求。該方案滿足橋梁主體結(jié)構(gòu)和耐久性要求，對自然環(huán)境有良好的適應(yīng)性，滿足港珠澳大橋工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3 淺水區(qū)非通航孔下部結(jié)構(gòu)施工

采用專門設(shè)計(jì)的可調(diào)式導(dǎo)向架，以保證鋼管樁施工精確定位。打樁船施打鋼管樁至設(shè)計(jì)深度后，采用輕型優(yōu)質(zhì)環(huán)保泥漿護(hù)壁、回旋鉆氣舉反循環(huán)成孔工藝，樁基成孔后澆筑水下混凝土。

承臺、墩身均在梁場內(nèi)預(yù)制，在梁場內(nèi)設(shè)置墩臺的預(yù)制平臺，預(yù)制墩臺達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度、齡期后，選擇適合的氣象水文條件，通過縱橫移設(shè)備將其移至出海碼頭前端，通過大型浮吊吊裝出海，運(yùn)至設(shè)計(jì)位置處進(jìn)行下放安裝。預(yù)制墩身、承臺的吊裝如圖5所示。

圖5 預(yù)制墩身、承臺吊裝

4 結(jié)束語

港珠澳大橋的建設(shè)將加速促進(jìn)粵港澳區(qū)域經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，提升了珠江三角洲的綜合競爭力。港珠澳大橋主體工程設(shè)計(jì)壽命達(dá)120年，淺水區(qū)非通航孔橋大橋建設(shè)采用了“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”設(shè)計(jì)方案，同時(shí)也開展了預(yù)制承臺墩身整體設(shè)計(jì)、吊裝，埋置式承臺、鋼管復(fù)合樁的設(shè)計(jì)理念等多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，屬于橋梁建設(shè)史上世界性前沿課題之一，豐富完善了我國橋梁設(shè)計(jì)、建設(shè)技術(shù)，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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Substructure Design of Composite Girders for Non-Navigable Span Bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge in Shallow Water Area

TANG Bin WANG Donghui BIE Yeshan

(China Railway Major Bridge Reconnaissance &Design Group Co., Ltd.，Wuhan 430056，China)

The non-navigable span bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge in Shallow Water Area adopts 85 m continuous composite girders, the substructure of non-navigable spans is the critical works that controls the cons-truction time schedule. Combining with Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge engineering practice, the thesis makes detailed description about the design characters of substructure for 85 m continuous composite girders. The new techniques, such as precast concrete pier shafts, composite steel pile foundation, embedded pile caps are discussed. The method of prefabricate construction for pier caps and pier shafts is adopted, it has following advantages：rapid construction speed, quality assurance, good structure durability. Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge adopts the first case of design of precast pile cap and concrete pier shafts around the world, lifting construction methods, design idea of embedded pile caps and composite steel pipe piles, provides reliable technical support for cross-sea bridge construction in the future, it has important engineering practice significance.

Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge； precast concrete pier shafts； wet-joint； embedded pile caps； composite steel pile

2015-12-08

唐斌(1983-)，男，工程師。

1674—8247(2016)01—0074—04

U448.21+2

A