馬曉東

(中鐵大橋局集團(tuán)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(guó)第一座公鐵兩用跨海大橋，橋梁起于長(zhǎng)樂(lè)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(jīng)石蓮山、人嶼島，跨越元洪航道、鼓嶼門(mén)水道，再依次

通過(guò)長(zhǎng)嶼島和小練島，跨越大、小練島水道抵達(dá)大練島，再跨越北東口水道上平潭島[1]，大橋全長(zhǎng)約16.3 km。福平鐵路站前工程FPZQ-3標(biāo)段的工程范圍為長(zhǎng)樂(lè)岸-大練島，全長(zhǎng)約11.15 km，占整座跨海大橋長(zhǎng)度的7/10，也是整座大橋施工條件最?lèi)毫拥膮^(qū)段。該標(biāo)段內(nèi)橋梁立面布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：m)

本標(biāo)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(jié)構(gòu)；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(jiǎn)支鋼桁結(jié)合梁橋。全橋鐵路梁共160孔，公路梁共129孔。

2 建設(shè)條件

2.1 氣象

工程區(qū)域?yàn)榈湫偷暮Ｑ笮约撅L(fēng)氣候，主要災(zāi)害性天氣有：熱帶氣旋、大風(fēng)、暴雨、雷暴、霧等。風(fēng)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(fēng)速44.8 m/s，全年有6級(jí)以上大風(fēng)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(nèi)的最大高潮位為+4.33 m，設(shè)計(jì)最大流速為2.95 m/s。

2.3 工程地質(zhì)

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(fēng)化巖，僅長(zhǎng)樂(lè)岸部分區(qū)段、元洪航道與鼓嶼門(mén)水道之間的部分區(qū)段有覆蓋層。

3 施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)荷載

鑒于本橋惡劣的施工環(huán)境，下部結(jié)構(gòu)施工方案的出發(fā)點(diǎn)是海上施工盡量脫離海浪的影響，爭(zhēng)取盡可能多的有效作業(yè)時(shí)間，故基礎(chǔ)施工利用棧橋與墩位平臺(tái)相結(jié)合，將海上施工全部轉(zhuǎn)化為棧橋及平臺(tái)施工。

波浪力對(duì)海中施工結(jié)構(gòu)的作用明顯，經(jīng)計(jì)算分析，波浪力對(duì)此部分施工結(jié)構(gòu)的影響在橫向力中占主導(dǎo)地位。

對(duì)于小尺度結(jié)構(gòu)的波浪力，可以用Morison方程進(jìn)行計(jì)算，將波浪力認(rèn)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(zhì)點(diǎn)速度。

不規(guī)則大尺度構(gòu)件，國(guó)際上目前尚沒(méi)有統(tǒng)一有效的計(jì)算方法，主要借助規(guī)范及數(shù)值模型分析進(jìn)行計(jì)算。數(shù)值模型計(jì)算較先進(jìn)的分析計(jì)算方法是選取計(jì)算域并進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置后，建立數(shù)值模型，通過(guò)分析三維波面圖、波浪力時(shí)程曲線等，得到構(gòu)件所受最大波浪力。

主塔、上部結(jié)構(gòu)施工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮風(fēng)荷載的影響，尤其是臺(tái)風(fēng)荷載的作用，計(jì)算時(shí)取10年一遇臺(tái)風(fēng)風(fēng)速VS10為36.7 m/s。

3.2 棧橋、鉆孔平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

棧橋及鉆孔平臺(tái)采用“鋼管樁+分配梁+桁架梁”的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)為斜樁，以增強(qiáng)鋼管樁基橫向抗傾覆的能力。無(wú)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(jié)構(gòu)形式”，即鋼管樁插打以后，先安裝上部結(jié)構(gòu)形成板凳平臺(tái)，然后在平臺(tái)上利用鋼管樁作為鋼護(hù)筒進(jìn)行“短鉆孔樁”施工，將鋼管樁“栽樁”至海床面，以達(dá)到樁底固結(jié)。

在超深水區(qū)(水深>35 m的區(qū)段)，由于樁身長(zhǎng)、橫向水平力大，導(dǎo)致基礎(chǔ)的橫向穩(wěn)定性不能滿足抗傾覆的要求，故棧橋、鉆孔平臺(tái)下部結(jié)構(gòu)采用“簡(jiǎn)易導(dǎo)管架”的形式進(jìn)行建立，導(dǎo)管架基礎(chǔ)的棧橋布置見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)棧橋布置圖(單位：m)

由于橋址區(qū)的海床面大部分為風(fēng)化巖裸露，故棧橋宜做大跨結(jié)構(gòu)，以盡量減少支承樁的數(shù)量，降低棧橋建設(shè)的難度。桁架梁在設(shè)計(jì)時(shí)選用了“大橋1號(hào)桁梁”，棧橋最大跨度達(dá)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(yán)重。對(duì)制式常備桿件，須著重加強(qiáng)涂裝的要求，建議按照J(rèn)T/T 722-2008 《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》涂裝體系涂裝。大部分棧橋、鉆孔平臺(tái)的面板采用了混凝土面板，一方面是可以規(guī)避鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕問(wèn)題，另一方面可以加大結(jié)構(gòu)的自重，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向抗傾覆能力。

3.3 圍堰設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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

由于潮差的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要計(jì)算高潮位和低潮位2個(gè)水位的工況組合，較一般內(nèi)河圍堰多一個(gè)計(jì)算水位。除計(jì)算圍堰結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度外，一般高潮位時(shí)需重點(diǎn)驗(yàn)算圍堰的整體抗浮，低潮位時(shí)需要重點(diǎn)計(jì)算圍堰的整體抗沉。水平波浪力對(duì)圍堰的整體作用，引起群樁基礎(chǔ)豎向力的變化，在計(jì)算圍堰封底混凝土粘結(jié)力時(shí)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(gè)波高以內(nèi)時(shí)，浮托力荷載為最大，計(jì)算時(shí)可參考JTS 145-2-2013 《海港水文規(guī)范》[2]中關(guān)于離岸式高樁碼頭面板底部波浪浮托力進(jìn)行計(jì)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(jì)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(jīng)計(jì)算，個(gè)別圍堰下放工況的底板處浮托力可達(dá)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(duì)較小，但其對(duì)底板的擾動(dòng)會(huì)影響鋼護(hù)筒周邊封底混凝土的質(zhì)量，進(jìn)而影響封底混凝土的黏結(jié)力。故一般在鋼護(hù)筒上設(shè)置剛性拉壓桿，既可承擔(dān)混凝土的自重，也可消除浮托力的影響。

主塔墩圍堰設(shè)計(jì)原則是與主體防撞箱結(jié)合，側(cè)板利用防撞箱，施工圍堰其他結(jié)構(gòu)(包括底龍骨、底板、限位導(dǎo)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(jiàn)圖3。

圖3 主塔墩圍堰布置圖(單位：m)

3.4 主塔橫撐設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通航孔橋?yàn)殇撹旎旌狭盒崩瓨?，其主塔最大高度?00 m。臺(tái)風(fēng)荷載將對(duì)主塔及塔吊產(chǎn)生巨大的水平風(fēng)荷載，上橫梁施工完成前的施工階段需要設(shè)置主塔橫撐形成框架結(jié)構(gòu)，增加整體剛度以降低施工過(guò)程中主塔下橫梁處根部混凝土的拉應(yīng)力。主塔的橫撐須有足夠的剛度，才可以起到“臨時(shí)橫梁”的作用，故本橋橫撐采用2排桁架式結(jié)構(gòu)，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(jiàn)圖4。

圖4 主塔橫布置圖(單位：m)

3.5 墩旁托架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

通航孔橋的上部結(jié)構(gòu)為“N形”鋼桁梁，采用“浮吊大節(jié)段吊裝+橋面吊機(jī)懸拼”的施工方法。主塔墩、輔助墩及邊墩均設(shè)置墩旁托架，便于下橫梁頂、墩頂段的鋼梁利用浮吊進(jìn)行架設(shè)。墩旁托架由鋼管支架與滑道梁組成，安裝時(shí)先搭設(shè)鋼管支架，再預(yù)拉托架頂層聯(lián)結(jié)系內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，(每束預(yù)拉3 650 kN，2束為1組,共2組)，最后安裝滑道梁，墩旁托架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 墩旁托架結(jié)構(gòu)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(duì)墩旁托架的沖擊力。該沖擊力分為豎向沖擊荷載與水平?jīng)_擊荷載，其中豎向沖擊系數(shù)按1.2考慮，水平?jīng)_擊荷載按下述2種方法計(jì)算得到的較大值進(jìn)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?jīng)_擊荷載為鋼梁自重的10%；②假定吊裝過(guò)程中，鋼梁沖擊托架時(shí)的最大平面偏差1 m，鋼絲繩吊裝豎向傾角為3°，則水平?jīng)_擊荷載取對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)自重的水平分力再乘以1.2倍沖擊系數(shù)。

3.6 主體相關(guān)檢算

1) 主塔薄壁受力檢算。臺(tái)風(fēng)作用工況，主塔橫撐邊支點(diǎn)對(duì)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(jié)構(gòu)，故需采用有限元軟件建立主塔局部模型進(jìn)行受力分析。根據(jù)邊支點(diǎn)的作用范圍，將作用力換算為節(jié)點(diǎn)荷載進(jìn)行加載。根據(jù)計(jì)算，鋼筋最大拉應(yīng)力σ=129 MPa<[σ]=330 MPa,混凝土最大主壓應(yīng)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(jì)算模型

2) 鋼梁架設(shè)主體結(jié)構(gòu)檢算。根據(jù)鋼梁架設(shè)總體方案，鼓嶼門(mén)水道橋輔助跨大節(jié)段鋼梁吊裝后支承于托架上，此時(shí)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(jù)此施工步驟建立有限元模型進(jìn)行分析，有限元計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

圖7 計(jì)算模型

經(jīng)計(jì)算，輔助孔鋼梁架設(shè)后，主塔墩旁托架受偏心受力影響最大，此時(shí)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(yīng)力5.4 MPa，最小壓應(yīng)力0.4 MPa。輔助墩、邊墩最大彎矩153.6 MN·m，最大壓應(yīng)力3.82 MPa，最大拉應(yīng)力0.82 MPa。鋼梁最大應(yīng)力130 MPa。輔助墩及邊墩樁基最大彎矩3 020 kN·m(根據(jù)設(shè)計(jì)院配筋圖紙計(jì)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(yīng)力142 MPa，輔助墩托架最大應(yīng)力131 MPa，邊墩托架最大應(yīng)力88 MPa，受力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

跨海大橋的施工結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載、構(gòu)造措施的處理上都需特殊考慮，以應(yīng)對(duì)波浪力、臺(tái)風(fēng)荷載等非常規(guī)荷載的作用。除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，海洋環(huán)境中的防腐涂裝也值得深入研究。上述施工結(jié)構(gòu)在平潭海峽公鐵兩用大橋的施工過(guò)程中均已成功應(yīng)用。

[1] 頓琳.平潭海峽公鐵兩用大橋棧橋鋼管樁插打試驗(yàn)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(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：TB10002.3-2005[S].北京：中國(guó)鐵道出版社,2005.

[4] 楊吉新.潛浮式倒懸索跨海大橋設(shè)計(jì)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2008,32(2):287-289.