■張 杰

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

長(zhǎng)平高速公路松下跨海特大橋是銜接長(zhǎng)平高速公路（長(zhǎng)樂古槐至松下段）與福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋的一座特大橋，大橋于長(zhǎng)樂市松下鎮(zhèn)大祉村東南側(cè)約800 m 入東海，終點(diǎn)接平潭海峽公鐵兩用大橋的公路部分。橋梁平面位于半徑1350 m的圓曲線上、緩和曲線及直線上。 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：雙向6 車道高速公路；設(shè)計(jì)速度100 km/h；設(shè)計(jì)荷載公路-I 級(jí)。

大橋整幅橋?qū)?5.5 m，采用分幅設(shè)置，單幅橋?qū)?7.5 m， 其中左幅橋型總體布置為：2×(5×58 m)+3×(4×58 m)（共5 聯(lián)）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，右幅總體布置為：2×(5×58 m)+3×(4×58 m)+（46.742+49.5+49.5 m）（共6 聯(lián)） 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，右橋橋型布置如圖1 所示。 大橋上部結(jié)構(gòu)采用58 m等跨、等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，移動(dòng)模架逐孔現(xiàn)澆施工；橋墩采用空心薄壁式橋墩；基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。

圖1 右橋橋型布置圖（單位：cm）

2 工程氣象、水文和地質(zhì)

2.1 氣象

橋區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候， 年平均氣溫19.5℃，7-9 月氣溫較高，最高37.4℃，1-2 月氣溫較低， 最低0.9℃。 年平均相對(duì)濕度80%， 年降雨量1200～1300 mm。 全年平均風(fēng)速8.4 m/s，全年大于8 級(jí)的大風(fēng)約60 d，7-9 月多臺(tái)風(fēng)。 受海壇海峽地形影響， 工程區(qū)域的風(fēng)向穩(wěn)定， 主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE和NE。

2.2 地形地貌

場(chǎng)區(qū)除長(zhǎng)樂側(cè)橋臺(tái)屬剝蝕臺(tái)地地貌外，余均屬濱海地貌。 陸海相交于峭崖處，海域海底地形標(biāo)高在－1.0～－10.0 m，平潮時(shí)海水深在1～10 m，地勢(shì)較平坦，微向海中傾斜。

2.3 水文

海域潮型屬正規(guī)半日潮，多年平均潮差4.2 m，多年平均高潮位2.39 m，平均低潮位為－1.89 m，平均海平面為0.25 m。 300 年重現(xiàn)期高潮位為4.88 m，100 年重現(xiàn)期高潮位為4.65 m。

2.4 地質(zhì)

海床地層主要由沖積與海相沉積物組成，上部沖海積層總厚度約5～40 m， 下覆薄層風(fēng)化巖層，基巖主要為晶洞堿長(zhǎng)花崗巖。 橋區(qū)地層由上而下依次為：第四系長(zhǎng)樂組沖海積層（Q4al-m）的細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粗砂層；下伏基巖為燕山晚期侵入花崗巖。

2.5 地震效應(yīng)及場(chǎng)地類別

工程場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7 度，50 年超越概率10%的中硬場(chǎng)地的基本地震動(dòng)峰值加速度A 為99.2～125.2 gal，歸屬于0.10 g 分區(qū)。 橋址區(qū)范圍內(nèi)場(chǎng)地土類型屬中軟土，場(chǎng)地類別為Ⅱ類。

3 橋型方案構(gòu)思

橋區(qū)平潮時(shí)最大水深約10 m，橋面高程在35～53 m，從造價(jià)、環(huán)保、景觀、耐久性及施工等角度考慮,上部結(jié)構(gòu)宜采用50～70 m 的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。

中等跨徑海上箱梁施工方法主要有節(jié)段預(yù)制拼裝、整孔預(yù)制吊裝和移動(dòng)模架施工[1]。 預(yù)制方案可減少海上作業(yè)工序及作業(yè)量，混凝土施工質(zhì)量及工期有保障，但需大型預(yù)制場(chǎng)地及下海碼頭，若采用整孔預(yù)制吊裝，還需大型吊裝船，對(duì)水深也有一定要求，考慮到橋位附近缺少設(shè)置大型預(yù)制場(chǎng)及下海碼頭的場(chǎng)地，且近岸端水深較淺，因此本橋不考慮采用預(yù)制方案，最終采用結(jié)構(gòu)整體好，耐久性有保證，水深、墩高及預(yù)制場(chǎng)地等外界因素對(duì)施工限制小的移動(dòng)模架施工方案。

綜合考慮上下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量、 橋梁整體景觀、減少下部結(jié)構(gòu)對(duì)海床影響及移動(dòng)模架承載力限值等因素， 本橋最終采用58 m 等跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，其中右幅終點(diǎn)3 孔因需與公鐵大橋橋墩對(duì)齊設(shè)置，采用（46.742+49.5+49.5）m 布置。

4 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 上部箱梁設(shè)計(jì)

4.1.1 構(gòu)造設(shè)計(jì)

大橋上部結(jié)構(gòu)按左右分幅設(shè)計(jì)，單幅橋主梁采用單箱單室斜腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁， 頂寬17.5 m，底寬7.0 m，梁高3.5 m，主梁跨中斷面如圖2 所示。

圖2 主梁跨中斷面（單位：cm）

箱梁兩側(cè)懸臂長(zhǎng)度3.85 m， 懸臂端部厚度18 cm，懸臂根部厚度55 cm。 頂板在箱室內(nèi)凈跨為8.0 m, 橫橋向跨中頂板厚度28 cm， 腹板處加厚至55 cm。 箱梁底板厚度為28 cm，順橋向在墩頂附近局部加厚至75 cm。腹板設(shè)計(jì)為斜腹板,斜度為1∶2.1，腹板跨中厚度為50 cm，順橋向在墩頂附近局部加厚至100 cm。 路線直線段橋面設(shè)2.5%橫坡，圓曲線段設(shè)4%橫坡，橋面橫坡通過箱梁繞箱梁中心線實(shí)現(xiàn)。

4.1.2 預(yù)應(yīng)力鋼束及布置

箱梁采用縱向和橫向雙向預(yù)應(yīng)力體系，鋼束采用公稱直徑15.2 mm， 抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1860 MPa的低松弛高強(qiáng)度鋼絞線， 錨下控制張拉應(yīng)力σcon=1395 MPa。 縱向預(yù)應(yīng)力鋼束按其位置分為3 種類型：腹板束、頂板束、底板束。 其中，腹板束采用15-27 和15-22 鋼絞線，頂板束采用15-12 鋼絞線，底板束采用15-27、15-22 和15-16 鋼絞線。箱梁頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用15-3 型（扁形錨），沿橋軸線按標(biāo)準(zhǔn)間距約0.5 m 布置，均采用交錯(cuò)單端張拉。 縱、橫向預(yù)應(yīng)力成孔均采用塑料波紋管并采用真空輔助壓漿工藝以確保管道密實(shí)。

4.2 下部結(jié)構(gòu)

大橋橋墩高度約28～45 m， 綜合考慮受力、施工等因素，橋墩采用整體剛度大、抗扭能力強(qiáng)、施工工藝成熟的箱形薄壁墩。 根據(jù)墩高的不同，結(jié)合受力驗(yàn)算，橋墩分為兩類，其中低墩區(qū)矩形截面尺寸為7.0 m×3.2 m，高墩區(qū)為7.0 m×3.7 m。左右幅1～3 號(hào)、右幅22～24 號(hào)墩承臺(tái)采用分離式承臺(tái)，其余橋墩承臺(tái)采用帶系梁的整體式承臺(tái)，承臺(tái)厚度3.0 m。 基礎(chǔ)采用2.5 m～2.2 m 的變直徑混凝土鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設(shè)計(jì)。

4.3 耐久性設(shè)計(jì)

為滿足松下跨海特大橋100 年使用壽命的要求，采用了以下耐久性設(shè)計(jì)措施：（1）混凝土按海工防腐混凝土設(shè)計(jì)，提高混凝土密實(shí)度及抗氯離子滲透能力，避免使用引起堿活性反應(yīng)的集料，嚴(yán)格控制含堿外加劑使用。 （2）針對(duì)結(jié)構(gòu)不同部位所處的環(huán)境類別提出不同的混凝土保護(hù)層厚度要求。 其中，箱梁鋼筋凈保護(hù)層厚度不小于45 mm，橋墩保護(hù)層厚度不小于70 mm， 承臺(tái)保護(hù)層厚度不小于75 mm，樁基保護(hù)層厚度不小于75 mm。 （3）對(duì)預(yù)應(yīng)力筋管道采用塑料波紋管、 真空輔助壓漿工藝，確?？椎缐簼{密實(shí)，防止在鹽霧環(huán)境中預(yù)應(yīng)力束發(fā)生應(yīng)力腐蝕。 （4）標(biāo)高+16 m 以下墩身表面和承臺(tái)表面采用有機(jī)硅烷浸漬。 （5）墩身、承臺(tái)混凝土中摻入適量的鋼筋阻銹劑。 （6）保留施工期鋼護(hù)筒，作為鉆孔樁防腐蝕的第1 道防護(hù)屏障。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

5.1 設(shè)計(jì)原則和有限元計(jì)算模型

箱梁縱向按照全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，橫向按照預(yù)應(yīng)力混凝土A 類構(gòu)件設(shè)計(jì)。總體結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS/Civil 計(jì)算程序， 采用空間梁?jiǎn)卧M主梁、橋墩、承臺(tái)及樁基，建立上下部結(jié)構(gòu)空間有限元模型，按實(shí)際施工工序劃分了施工階段，并對(duì)各施工階段及使用階段進(jìn)行了整體受力計(jì)算。 邊界條件：支座采用雙曲面減隔震支座，中間墩采用固定支座，其他支座采用活動(dòng)支座，考慮支座剛度；樁基與土的作用采用土彈簧模擬。 有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

5.2 荷載計(jì)算

除《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[2]規(guī)定的永久作用（恒載、基礎(chǔ)變位）、可變作用（汽車荷載、體系溫度、溫差）等作用外，結(jié)合相關(guān)專題研究對(duì)風(fēng)荷載、波流力等荷載計(jì)算如下。

5.2.1 風(fēng)荷載

根據(jù)《福建松下跨海特大橋行車防風(fēng)措施開發(fā)研究》[3]，橋位區(qū)按重現(xiàn)期100 年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速V10=44.8 m/s，地表粗糙系數(shù)a=0.12。 橋上行車時(shí)，當(dāng)風(fēng)荷載參與汽車作用組合時(shí)， 橋面高度處的風(fēng)速Vz=25 m/s。 根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸及高度等資料按橋規(guī)相關(guān)公式計(jì)算作用在主梁及橋墩上的風(fēng)荷載，總體受力分析時(shí)作用在相應(yīng)的單元上。

5.2.2 波流力荷載

《松下跨海特大橋梁基礎(chǔ)波流力試驗(yàn)開發(fā)研究》[4]根據(jù)橋位波浪和水流要素，采用物理模型試驗(yàn)及數(shù)值模型計(jì)算相結(jié)合的方法， 確定了作用在橋墩、承臺(tái)及樁基上的波流力，橫橋向時(shí)考慮波流共同作用，順橋向僅考慮波浪作用。 總體受力分析時(shí)波流力作用在相應(yīng)的單元上。 高墩區(qū)下部結(jié)構(gòu)波流力如表1 所示。

表1 高墩區(qū)下部結(jié)構(gòu)波流力計(jì)算結(jié)果（單位：kN）

5.3 靜力計(jì)算結(jié)果

5.3.1 上部主梁

上部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)， 考慮可能同時(shí)出現(xiàn)的作用，按照通用規(guī)范要求進(jìn)行了最不利效應(yīng)組合，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]進(jìn)行了承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)及短暫狀況相關(guān)驗(yàn)算，主要驗(yàn)算結(jié)果如下：（1）承載能力極限狀態(tài)： 跨中截面荷載作用最大彎矩245312 kN·m，結(jié)構(gòu)彎矩承載能力為270579 kN·m； 墩頂截面荷載作用最大彎矩－66576 kN·m， 結(jié)構(gòu)彎矩承載能力為－176249 kN·m，滿足規(guī)范要求。 墩頂截面荷載作用最大剪力19989 kN，結(jié)構(gòu)剪力承載能力為329754 kN，滿足規(guī)范要求。 （2）正截面抗裂驗(yàn)算：截面上緣最小正應(yīng)力為0.16 MPa， 截面下緣最小正應(yīng)力為0.19 MPa，不出現(xiàn)拉應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。 （3）斜截面抗裂驗(yàn)算：最大主拉應(yīng)力為0.92 MPa，小于規(guī)范限值1.06 MPa。（4）正截面最大壓應(yīng)力驗(yàn)算：截面上緣最大壓應(yīng)力為13.8 MPa，截面下緣最大壓應(yīng)力為12.5 MPa，小于規(guī)范限值16.2 MPa。 （4）整體剛度：撓跨比=1/4650，小于規(guī)范限值1/600。

5.3.2 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算對(duì)恒載、基礎(chǔ)沉降、汽車荷載、溫度、風(fēng)荷載、波流力等按照通用規(guī)范進(jìn)行縱、橫向組合，對(duì)墩身和樁基進(jìn)行了承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)相關(guān)驗(yàn)算。 （1）墩身。 根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，墩身承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)均為縱橋向控制設(shè)計(jì)。 最不利工況下，墩身控制截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表2 所示；墩身控制截面裂縫寬度均小于0.15 mm。（2）樁基。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，樁基承載能力極限狀態(tài)時(shí)縱橋向控制設(shè)計(jì)。 最不利工況下， 樁基控制截面承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表3 所示；正常使用極限狀態(tài)時(shí)橫橋向控制設(shè)計(jì)，樁基控制截面裂縫寬度均小于0.15 mm。

表2 墩身承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

表3 樁基承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

6 結(jié)語

松下跨海特大橋是長(zhǎng)平高速公路（長(zhǎng)樂古槐至松下段）的控制性工程，目前大橋已順利建成通車，運(yùn)營(yíng)期橋梁工作狀態(tài)良好。 本文的設(shè)計(jì)及計(jì)算分析工作為大橋的順利建成提供了技術(shù)支撐，并對(duì)類似跨海橋梁的建設(shè)有一定的參考價(jià)值。