杭州湾跨海大桥70m箱梁出海码头栈桥设计与施工

杭州湾跨海大桥70m箱梁出海码头栈桥设计与施工宋小三叶荣华周功建郭战平（中铁大桥局集团一公司杭州湾大桥工程Ⅷ标项目部）摘要：杭州湾跨海大桥70m箱梁出海码头栈桥是采用钢箱梁滑道、钢筋砼承台、预应力砼管桩基础设计与施工，成功解决了70m大跨度预制箱梁陆地预制与海上架设衔接难题，为杭州湾跨海大桥70m预制箱梁顺利出海架设奠定可靠基础。关键词：杭州湾跨海大桥箱梁出海码头栈桥设计施工一、概况杭州湾跨海大桥是国道主干线－同三线跨越杭州湾的便捷通道。大桥北起嘉兴市海盐郑家埭，跨越宽阔的杭州湾海域后止于宁波市慈溪水路湾，全长36Ｋｍ。大桥水中区南、中引桥及高墩区引桥均为70米箱梁，采用整孔制、运、架一体化方案，单片梁重达2200吨，为国内第一。杭州湾跨海大桥70m箱梁预制场位于杭州湾跨海大桥上游15公里处，预制场总面积约16.5万平方米，该预制场主要施工任务是完成杭州湾大桥水中低墩区引桥及高墩区南北航道引桥540片箱梁预制任务。70m预制箱梁为单箱单室截面，箱梁顶宽，底宽，梁高，箱梁悬臂，梁面横坡2%，腹板为斜腹板，斜坡1：。为将540片70m预应力混凝土箱梁（每片重约2200吨）横移出海，并满足预制场及部分施工材料的运输，需建设一座杭州湾跨海大桥70m箱梁出海码头。所建码头水域主要受潮流控制，径流有一定影响。潮流性质属于不正规半日浅海潮流，潮流运动的基本形式为往复流。根据所测资料，该水域最大涨落潮表面流速为/s,最大落潮表面流速为/s。该水域多年平均高潮位,多年平均低潮位，历史最高潮位+，历史最低潮位.码头处水域表层为厚约2～4m的淤泥，以下为软塑可塑状粉质粘土间、夹粉土及粉砂的互层土，在标高-50m以下为强度较高、呈密实状的粉砂、粉土或呈可塑状且力学指标较好的粉质粘土等。码头设计高潮位:,设计底潮位：,极端高潮位：,极端低潮位。图1杭州湾跨海大桥70m箱梁出海码头总布置图码头使用年限为5年。横移箱梁荷载：预制梁重2200t，每个支点设计竖向力600t汽车运输道使用荷载为30t，设计车速为10km/s码头堆积荷载按5Kpa计码头靠系缆墩按泊1000t级船只（十级风及以上离港避风）计箱梁出海栈桥布置在预制场的中间，与5#制梁台座相对处。栈桥采用双侧布设，每侧布设一道箱梁横移滑道、单线汽车运输道及人行道，双侧栈桥的滑道中心间距65米。每侧栈桥横移滑道下主梁采用钢箱梁，钢箱梁为全连续结构，钢箱梁节段之间采用栓焊组合的形式连接，顶底板焊接，腹板采用摩擦型高强螺栓栓接，摩擦面采用喷铝技术。钢箱梁第一跨（跨子堤）跨度均为12米，其余跨度均为6米。码头栈桥总长。岸上基础及水中第一排基础采用2-φ钻孔桩和1-φ钻孔桩及钢筋混凝土承台结构。其余跨下桩基础采用φ预应力混凝土管桩（直桩和斜桩）组成，桩长30～60米。桩顶设高低钢筋混凝土承台，在低承台上摆放钢箱梁，在高承台上摆纵梁及钢枕，作为汽车运输道，运输道宽3米。钢箱梁内侧利用简易牛腿设检修道。为防止运架船停靠取梁时的撞击力，在运架船的靠系船墩及防撞墩上采用标准橡胶护舷DA-A500H，护舷和承台之间采用钢结构支架连接。另外考虑移梁及物资运输要求，分别在钢箱梁的内侧和外侧分别设置人行走道和单线汽车运输道。箱梁出海码头栈桥总体布置见图1。二、方案比选总体方案设计在本码头的整个设计过程中起着至关重要的作用，它决定着施工方案的取舍和成本投入的高低，其结构型式的可行性、实用性、经济性，往往需要根据施工条件、机具设备、工期要求，经过反复论证后才能最后确定。设计方案的比选和优化在本码头设计施工中发挥了显著的成效，比选的方案总数达到10个以上，充分考虑了实施方案的经济性和实用性。最终实施的总体设计方案、施工方法及工艺经济、先进、合理、实用，确保了工期和工程质量。码头选址处子堤外约400m为海盐湾深槽，是现行秦山核电厂重件码头出海航道，码头选址于此对于万吨级运架船的进出码头和箱梁运输十分便利。因码头必须满足平移70m箱梁的特殊功能要求，再加上地形、潮流条件特点，决定了码头需按双线栈桥的总体结构形式布设，栈桥上两平移滑道中心间距为65m在多种方案比选中，最具代表性的三种方案的特点及主要优、缺点如下，经过认真筛选、反复论证，最终选择了方案三作为实施方案。1、方案一参考已实施的东海大桥70m箱梁出海码头的结构型式，下部结构采用φ钢管桩，群斜桩布置，大型钢筋混凝土承台结构；上部结构采用主、次钢梁并设联接系的形式，靠系船墩布置在栈桥前端上游侧，与栈桥在同一条直线上。考虑用一艘打桩船插打管桩，吊箱围堰法施工承台，防撞设施全部安置于承台上，履带吊机拼装钢梁。主要优点：桩基抵抗水平力的能力强；上部结构采用主、次钢梁形式，整体性强，安全性高。主要缺点：因涨落潮和地形的限制，斜管桩的插打将十分困难；防撞设施使承台加厚，吊箱围堰的施工周期长将制约施工进度；靠系船墩与栈桥布置在同一直线上不利于运架船的抛锚停靠；钢桩的成本较高；主、次钢梁及其联接系的加工和安装比较繁琐。2、方案二下部结构型式采用钢排架，普通墩采用φ1.2置。施工时，钢管桩插打采用履带吊机辅助“吊打”，斜桩的插打利用导管架，由岸上往海侧推进，待钢管桩插打完毕后，将钢管桩上部用型钢焊接形成钢结构桁架式承台。承台结构的焊接均在无水状态下进行。主要优点：施工设备位于岸上，双侧栈桥码头可由岸上往海侧同时推进，施工进度有保证；下部结构的焊接作业利用低潮位易于操作。主要缺点：所需钢料的成本投入过高；桩的整体性受力效果较差，桩基抵抗水平力的能力较弱；管桩特别是斜管桩的“吊打”较难控制，对吊机起重能力及运输道承载力的要求亦较高。3、方案三（实施方案）下部采用柔性单排桩小承台的结构型式，每个普通承台下设三根φ1.0主要优点：PHC管桩代替钢管桩显著节约成本；承重主桩均为直桩，易于插打；钢箱梁的拼接及型钢梁汽车道的铺设简单快捷；靠系船墩在栈桥前端按喇叭口形布置，有利于运架船的抛锚停靠及离港，护弦钢支架利用低潮位焊接十分便利，节约工期。主要缺点：桩基抵抗水平力的能力较弱，但经结构优化及对移梁水平力的传递处理，桩基承载力及水平抗力均能满足规范和使用要求。在按照方案三进行施工图设计中，根据结构需要及施工设备，对码头部分结构作了如下技术处理，钢箱梁主跨6m，每节段长12m，重约19t,节段之间采用栓焊组合的连接方式，顶、底板焊接，腹板采用摩擦型高强螺栓栓接，摩擦面采用喷铝技术，钢箱梁为全连续结构，岸端固定于地基梁上，在各墩顶设单向活动盆式支座，横桥向设拉压支座，可沿纵向伸缩；运架船靠系船墩及码头前端防撞墩采用标准橡胶护舷，护舷顶部支撑于承台上，底部支撑于钢结构上，材料码头系缆墩采用油枕护舷；为便于码头存梁，在码头前端防撞墩处设置３个存梁台座。三、关键技术及创新点码头设计中，水位、台风、水流、波浪、地质、运架船等各种计算参数的取值对结构影响较大，荷载计算较为复杂和繁琐，主要包括移梁荷载、结构物自重、支座摩阻力、波浪力、系缆力、船舶撞击力、挤靠力、水流力，在设计中严格按照海港码头的规范进行设计，其中高水位时，作用在钢箱梁上的波浪力对基桩的设计影响很大，在本设计中大胆尝试创新的柔性直桩小承台结构也是建立在对荷载详细分析计算的基础上。经过使用桩基专用程序、专业软件《桥梁博士》、通用大型有限元程序Algor16等多个软件计算分析，为方案的制定提供了科学依据，保证了结构安全。码头下部结构的PHC单排柔性直桩小承台结构，防撞设施、运输道、钢箱梁及拉压支座等构造设计简捷、受力明确，具有创新性。四、箱梁出海码头栈桥施工及应用由于杭州湾大桥工期紧张，箱梁出海码头建成时间和工程质量直接影响后期预制箱梁出海架设，同时栈桥开工时间正赶上杭州湾的台风季节，施工时间非常紧张。因此栈桥施工的前期就得充分考虑栈桥施工的各个环节，提前做相关统筹策划工作，以保证箱梁出海码头栈桥施工一步达优。具体施工准备工作如下：1、施工前准备工作（1）提前进行控制网联测，为箱梁出海码头施工建立独立控制网。（2）联系预应力混凝土管桩厂家。（3）联系大型运输船舶，办理相应海事手续。（4）积极同有关钢结构厂家联系，并进行多方比较，选择好的厂家进行钢箱梁加工。（5）在钢结构选定的同时，到相关厂家联系扭矩扳手。（6）根据钢箱梁吊重要求，选择相应吊机。2、预应力砼管桩插打施工预应力砼管桩采用全站仪测量定位，“MH100”型“大桥1号”打桩船插打的方法施工，根据打桩船吊高、吊重要求对超出打桩船吊高范围的管桩采用法兰连接两次插打的施工方法。管桩插打的过程中共分为：吊桩、喂桩、管桩定位、插桩、施打、接桩再插打六步。在预应力管桩插打的过程中，预应力管桩施工按标高和贯入度双控，其中标高为主控，贯入度为辅。施工过程中并对部分管桩做大应变进行管桩承载力检测，确保管桩的完整性和承载力要求3、砼承台施工对岸上钻孔桩承台采用明挖基础方式施工，对预应力管桩承台采用“高桩吊挂”法施工。即从管桩顶端的法兰焊接钢板及吊筋，完成承台底平台吊挂，对承台侧模采用拉筋对拉的方法施工。其施工过程如下：（1）搭设桩顶平台，从桩顶法兰处焊接钢板及吊筋。（2）安装底平台。（3）测量放线，底模定位安装承台底模。（4）绑扎钢筋安装侧模。（5）检测验收浇注混凝土。（6）养生、竣工检测。4、钢箱梁施工钢箱梁安装时根据钢箱梁最大吊重26t的吊重要求控制，采用65t履带吊机进行逐跨安装，安装到位后的钢箱梁接头处的高强螺栓用检校过的电动扳手进行紧固，并用检校的扭矩扳手抽检校核，最后对钢箱梁的上下盖板接头采用二氧化碳气体保护焊进行焊接，并进行探伤检测。5、防撞护舷安装防撞护舷采取岸上进行支架焊接组装，汽车运输到位后安装橡胶护舷，在低潮位时用65t履带吊机逐个起吊、安装的施工方法。6、箱梁出海码头栈桥应用该出海码头建成后已经投入使用，效果很好，截至2006年2月7日已出梁193片，见图2图2小天鹅码头取梁图六、结束语杭州湾大桥Ⅷ标箱梁出海码头所处地质条件复杂，潮差大（达7m以上）、波浪高（达4m以上），受台风影响严重，横移70m箱梁荷载大，总体方案以及在设计中采用的PHC单排柔性直桩小承台结构、防撞设施、钢箱梁拉压支座等结构具