【跨海大桥桥渡设计关键技术的设计分析案例8000字（论文）】

第第页摘要跨海大桥的桥渡设计尚没有可靠的规范可引用，为指导该类桥梁的桥渡设计,在分析,总结已建跨海大桥桥渡设计的基础上,对该类桥梁桥位选择、通航净空宽度确定及跨海桥渡冲刷等关键技术进行研究。跨海大桥的设计与落成，标志着我国在桥梁技术行业的不断进步，在研究桥渡中桥位、地形、通航净空，桥墩冲刷一系列因素，通过实施客观的探讨研究，解决具体的内容。在经济效益方面，选择最经济实惠的原则，建成实用性兼顾经济性能于一体的大桥。研究表明:结合具体桥梁工程地形﹑航道条件及港口性质等因素,在通过科学论证后可考虑适当放宽安全距离的强制性规定;应科学地选择既能满足船舶航行安全,又能使投资最省的桥梁通航净宽方案,不应一味追求大跨;波浪与水流共同作用下计算大型桥墩局部冲刷时,不应将两种动力条件进行简单的迭加,而应具体问题具体分析。关键词：桥位；通航净空；局部冲刷第一章引言我国跨海大桥建设已然步入高潮。但目前还没有可靠的海桥桥梁设计规范。设计时常借鉴其他行业的设计规范或通过专题试验确定设计参数。因此，深入研究桥梁设计中的多项关键技术意义显著。笔者基于对海桥设计进行概括和归纳，论述了海桥设计的主要技术，如桥梁的选择、过桥宽度的确定以及其他技术核心等。第二章桥渡设计重要性选择理想的桥位、合理的桥洞和拓宽地形、确定合适的桥高、桥长和地基深度是桥梁设计的重点。桥梁设计的优劣直接决定桥梁能否保障安全的承载通车水平。下面描述了此类项目的示例，以说明桥梁上部结构对大型桥梁建设的作用。(1)湖北北部的黄石长江大桥，水流特性和地理位置较差，河道蜿蜒曲折，加之司机抵抗力差，反应能力差，不能及时应对从突发状况，经常造成碰撞事故。由此可见，桥墩的选择存在缺陷。（2）荆江大桥横跨沙町沙滩，原为左右两座大型拉伸桥（左侧孔距500米，右侧孔距300米），1998年后，在洪水影响下，经历了一系列的变迁的发展历程，使河流的路况发生重大变化，条件越来越差影响正常通行，导致左、右两边的桥孔不具备通车能力，现在被迫停止，改由8，9孔通行，但是这两个空在设计时并不是为了通行。说明在探索工程河段演变等角度关注度不足，孔径安排不完善。(3)黄河下游泥沙堆积，河床不断提高。黄河大桥因桥高不足进行改造，现加高使用。造成这种情况的主要原因是对黄河底部压实的认识不足。因此，在黄下游新建桥梁应考虑泥沙沉积问题，预留清淤等应急方案，这与桥梁设计息息相关：(4)桥梁冲刷是造成桥梁损坏的主要因素，对道路安全构成威胁。1995年遭受水灾的155座桥梁有122座都遭遇过洪水侵蚀，其中42座预埋过浅；其他一些造成水损的原因，例如桥梁位置选择不当和设计中的低流量，也以冲刷的形式损坏了桥梁。究其根本，是在设计时缺乏对河流演变和河流冲刷性质的了解。在苏通长江大桥改造中，根据河床演变信息，提出将桥轴下移300m，南塔南移100m，避免受河道影响，这就是考虑到了河床演变对于桥梁的影响力。第三章关键技术3.1设计中关键设计参数的确定充分考虑水流和河道冲击性质、特性和变化，才能更好的完成设计。设计前对河流的动静态特征进行模拟，确定施工的技术基础，通过计算准确得到在桥梁设计中必须参考的参数，最主要的是水动力条件，譬如说交通水位设计、沿桥围宽水平段设计等。3.2设计、施工中涉及的桥梁安全及河床冲刷问题桥柱局部冲洗范围最大深度，码头范围附近水流运动变化影响渠道冲洗的具体区间，对河堤和桥体进行必要的保护保护措施，桥体冲击对岸基稳定性的改变.3.3桥位布置合理性。在设计过桥时，首要任务是选择一个好的桥位。一般情况下，架桥位置以线路为准，但对于技术复杂、难于修复或跨江海的重大增设桥梁，线路的走向往往由桥梁的位置决定，这是我们相关人员从多年来的实际经验中概括得到的，涉及技术、经济和收益等多方面因素。多年的建设实践表明，跨海大桥的位置除与河岸、路网建设等方面相关外，还受港口、地形等诸多条件影响。在河道中假设桥梁导致原本顺畅的河流不断对河床造成冲击，加之河床本身的演变规律，可能会导致在一段时间后造成淤积，影响通行，更有甚者，还可能会引发洪水等危害，是以必须在设计施工前充分实验，保证设计规划的合理性。目前建设跨海大桥最明显的问题是不能完全满足桥头到港口、锚地等建筑物的安全距离要求，理论上这段距离不得小于船长的四倍。该条例的主要目的是考虑因建造影响船舶离开泊位时或因风浪等因素而对桥梁、船舶和码头的安全造成的风险。分析认为，该规定总体上是合理的，但考虑到具体技术范围、桥梁和港口的条件等因素，经过科学论证或采取多项技术措施后，在保障船舶和桥梁的安全的前提下，可以考虑适当的放松，协调发展调度和谐的桥梁设施。香港昂船洲大桥、福州青洲闽江大桥与在建海南杨浦湾大桥及附近码头的距离皆不足船体长度的四倍。该设计科学论证了桥梁建设与港口的相互作用的影响研究，如实船试验、船舶营运和离港研究、船舶安全操纵和船舶安全模拟试验等。研究结果表明，通过调整轨距张力和支柱定位、采取停船措施等方式，可以充分保证桥梁、船舶的安全。3.4治导及守护工程研究稳定河流潜力的技术措施是建立桥梁计划的先决条件。马鞍山长江公路大桥的建设，必须满足保护江心洲的前提。需要建立物理模型研究。第四章案例研究河岸间水文研究的主要内容是对桥位的设计，其目的是确定桥梁设在水面上的具体位置、桥孔间距离的大小、桥梁长度、埋深等等，在桥梁设计是主要应当考虑建设规模和本身的安全性两个方面。实际施工过程中，需要基于水域的相关研究进行桥梁水文研究，也就是说，这需要从与水域相关的两个层面展开：一是项目审批涉及的研究课题，作为河道治理改造项目的依据；二是主要技术参数起到了一定的作用。为了控制桥梁的尺寸，保证桥梁本身的安全，实现桥梁的设计。大型桥梁项目的研究流程如图1所示。图1大型桥梁涉水项目研究路线4.1跨海大桥工程概况海螺岛跨海大桥拟建跨海大桥起点与文体路衔接处顺接现状高程，并沿小汤河西岸线位，自北向南入海。桥身全长1.74km，桥宽约22m，桥面共计有桥墩180个，桥墩大体上呈规则分布，大桥起点0+00至0+160处，桥墩分布比较密集，每排横向分布5至6个桥墩，桥墩间纵向间隔为8m，每个桥墩直径1m。图2跨海大桥平面设计图这座跨海大桥的设计目的是建在汤河的西岸。它始于小汤河西侧（O+000），沿圣安庄园东侧和码头东侧向南延伸至海螺岛（1+820）。区内主要建筑场地有东丽风情、自行车道、湾海一号等。如图3所示。图3跨海大桥拟建位置示意图4.2桥位选址海螺岛跨海大桥是连接海螺岛和外围的唯一桥梁。区域的合理组织对于岛内外社会经济的均衡发展、波浪型城市框架的构建、旅游资源的开发、旅游业的加速发展等具有重要意义。为科学合理地选择跨海大桥建设选址，减少建设发展对环境的影响和保证跨海大桥的安全使用，具体选择以下三条线路（图4），一是位于经文文育路；二是位于西港路；三是位于汤河西岸。图4跨海大桥线位示意图图5跨海大桥纵向桥形布置图图6跨海大桥横向桥形布置图如果通过经文路/文育路路线，道路直接封闭分层线，可以疏散，两边通过铁路缓解交通压力，但也存在以下问题：一方面在第一线桥申位高架桥银桥打破了西滩浴场的现状，对工业和旅游业产生重大影响；另一方面，文育路原红线14m之间存在大量不适，必须适应二级公路标准（30-40m），需要空间规划部门协调；另外，经文路/文育路路线的两边都有土地，有拆迁，产权难以拆除。西港沿线建桥也存在不少问题：第一，该线与现在的铁路南环线之间有一个交叉口，以及近期铁路段的临时铁路交叉口，必须与铁路部门协调；第二，线路涵盖东向三地块，目前周边港区都在正常进行生产作业，在这次建桥工程中，时间完全限制了西港从东向南的进展。与海螺岛建设计划分层，阻碍这整个岛的项目建成。如果沿着涧桥对岸的汤河岸线，同时利用堤道汤河口和文体路向东延展，缓解交通文体，又充分提高金梦湾景点的经营条件，在不损害沙滩浴场的完整性、沿江道路分界线和海上旅游的情况下，区域旅游也受益匪浅；当然，跨海大桥也有一定的弊端：一方面，线路很大程度上是基于目前道路交叉的交通方式，进一步增加了道路交叉口的交通压力；另一方面，在河道修筑道路必然对目前的景观和周边人口的生活带来很大的改变。为使区域发展得到加强和充分融合，并综合考虑城市景观和项目实施的可行性，宜在汤河西岸建一座跨海大桥，长期将西部港口的开发与路网规划结合起来。4.3研究区域概况4.3.1自然地理条件海螺岛跨海大桥所在区域位于河北省东北部秦皇岛市，与渤海相连，东临辽宁省，西有北京、天津，背靠燕山。全市有三个区：海港、北戴河区和山海关。该地区面积为约360平方公里，沿海岸从西到东分布。此外还有四个县，总面积超过7700平方公里；全市海岸线总长120多千米，海域面积超过10000平方公里，总人口约3000万。4.3.2水文气象特征秦皇岛市雨水丰富，多年平均降水量超过600毫米。鉴于秦皇岛年份的降雨特征，降雨分布极不均匀，7、8月份的高水季降雨量约占70%，并且以强降雨的形式出现，很明显，大部分年份的降雨量大不相同，1969年降水量最大，高达1100多毫米，1982年最低，甚至不到400毫米。秦皇岛属东亚暖温带季风气候，四季分明，冬天温暖而夏日凉爽。气温最高大约为24.7摄氏度，最低温度为零下6.3摄氏度，年平均温度约为10摄氏度。一月最低气温-27.2摄氏度，最高气温39.4摄氏度；无霜期6个月，冰封期4个月，年日照时数约2700小时。而且秦皇岛潮汐型无论是规律时期（山海关～北戴河）还是不规则时期（北戴河～栾河），潮汐上最明显的特征是潮汐差距不大。秦皇岛海区有史以来的最高潮汐1.65m，最低高度-2.279m。4.3.3河流水系秦皇岛河系属于冀东诸河沿岸地区水系，包括朝河、山海关东、西、南等17条主要河道。排流的河流有海港区大马坊河、小马坊河，其他河道都是为了泄洪设计的。笔者在文中主要介绍的是大、小汤河，它也是西东近海水系的一部分，是典型的山涧溪流，急流短、峰高、历时短、旱季流量小。大汤河是秦皇岛西部港区最大的河流。流域总面积约240立方，长约30千米。大汤河主航道长约14公里，平均坡度为1/500。上部为坡度较陡的砾石层，下部为坡度稍缓的砂层；小唐河是大汤河自北向南流淌的支流河，并最终注入渤海。这条河的长度为12公里，流域面积为约54平方公里。流域内地势北高南低。它位于冲击平原。河床铺有细沙和细土。4.4相关水利规划概况4.4.1河道规划根据2006年秦皇岛市政府批复的秦皇岛市城市防洪报告，大汤河方案的设计标准是50年一遇的洪水灾害标准。大汤河河道规划如下：汇合口以下河道宽360米至395米（0+837杆），汇合口到河北大街区间内河宽240米至150米，至2+218区间内河宽150米，2+218至小河子区间宽度不小于135米。小河子到北张庄河区间宽度110米，其他河道90米以上。此外，秦皇岛市防洪规划实施以来，大汤河左岸河道发生明显变化，由于港口建设，左岸向海延伸约1.1公里；小汤河河堤采用重力纸浆砌筑射箭结构类型，粗切矩形。大、小汤河汇合口至小汤河河北大街桥段河流宽度为110米至50米；下至小唐和汇合口处汇合处航道宽度50米；汇合处以上河道宽36米，两侧堤坝宽10米。4.4.2河堤规划汤河口海堤项目是河北省海堤项目初步设计的一部分，旨在根据河北省海堤项目的设计确定治理方案。汤河老金山铁路至海口线路目前仅大、小汤河汇合口没有筑堤，其余的河流都被堤坝覆盖。在2011年编制的2010年秦皇岛港区海堤加固工程初稿的基础上，2010年秦皇岛港区海堤加固工程是根据四塘河、汤河口海堤建设包括896m海堤。工程于2012年上半年正式开工，预计投资为12680000元。根据河北省海堤规划报告，海堤峰高定为1.601m，峰高50年遭遇一次潮位上升1.50米。即在50年的周期加上1.5m的额外高度，即3.1m的堤峰高度。4.5桥梁通航孔净空宽度确定桥孔的宽度直接影响工作的大小和成本、桥梁的航行安全以及桥梁受海难影响的风险程度。目前正在使用两种重要的方法来确定桥孔的宽度：一是根据标准进行计算，在正常宽度的基础上乘以1.5，的系数，若是存在10万吨级别以上的通行需求，则将系数定为1.8。二是一种确定桥孔宽度的替代方法，如国际桥梁与结构工程协会1993年出版的技术文献中所提出的，这种计算方法是基于船舶碰撞的风险，并计算了一个重要的航运标准。表1方法②通航孔净空宽度取值分析假设单从航运的角度来看，桥的净宽越大越好，但净宽越大，跨海大桥的投资也越大。因此，应该寻求一个满足船舶航行安全性和最佳经济投入的平衡，而不是只追求桥梁规模。值得一提的是，现有的国家标准，主要是为了满足5吨以下的通航的桥梁，正在根据相关技术实践进行审查，表明对于数量级为10吨的通航的要求，国家规范的宽通航值较低，国际桥梁协会用结构方法计算所得值偏大。众所周知，正在考虑对我国国的标准进行审查修改。表2概述了国内海桥宽度的设计标准，可供同类桥梁建设参考。表2国内已建跨海大桥通航孔净空宽度设计标准4.6桥渡冲刷计算因为跨海和跨江桥梁的水动力存在一定的差异，跨江桥水文设计规范中的水力计算公式不适用于跨海桥的精确计算，只能得到一个大概的数字。本文主要在前人研究的基础上，分析跨海桥梁的局部特征，为跨海桥梁的计算提供技术支持。4.6.1潮流作用下的冲刷与单向恒流不同，潮汐流具有双向可逆运动。潮汐、洋流都存在随着时间变化的特征。2000年，美国制定了相关工业规范，指出潮汐冲击与单向冲击具有相同的机制。内部研究人员对于趋势深刻的结论有两个不同的研究，部分研究认为沉积物，提供反向流动趋势，导致其使最大冲击深度偏小，只有单向流的四分之三左右；另一部分认为，潮汐冲击和单向流作用关系的最大深度基本一致，只是潮汐需要更长的时间才能达到最大冲水深度。这两个结论都表明潮汐的运行机制与单向流的运行机制相同，但不确定两者中哪一个是准确的。根据几个项目的测试值与计算值相比，认为前者更合理，但没有明确说明在流动的影响下局部冲洗深度具体的折减方式，以及是否应在单向流动的基础上减少设计。在设计阶段，最大流量仍然是在单向流的基础上计算的。目前正在依托琼州海峡通道项目进行详细的探究。4.6.2波浪对桥墩冲刷的影响桥梁跨海的海洋环境通常会有大风大浪，国内外关于波浪对桥梁冲毁影响的研究相对较少。已有研究表明：当水流作用力较大时，波浪和水流联合作用下的柱体最大局部冲洗深度与仅水流作用下的值没有显著差异，冲洗形式近似相等；当动力相对较弱时，波浪对柱体局部最大冲洗深度影响较大。柱体周围的床身多为盘管区，最大盘管点在圆柱侧的前部范围内，后部为密带，呈明显的“角”状结构。由于单向流速远高于波浪的传质速率，因此波浪在冲洗时通常充当舱口沙，而水流不仅冲洗河床，而且被波浪扬起的沙子向后移动。目前，国内外对海浪联合作用下大型桥柱的研究成果较少。青岛湾大桥桥基局部清理试验是通过对海洞桥梁破损底板结构局部清理结合波浪和水流的一系列研究的模型推广进行的。实验过程中，沙子直径0.285毫米，选择了四种建模比例：25:1、40:1、50:1和70:1。支柱的基本结构参数如下表3所示，试验结果如表4所示。表3桥墩基本结构参数表4波浪＋水流作用与水流单独作用下冲刷深度对比试验结果表明：当功率较大时，波浪和水流影响下柱的最大局部冲洗深度与单独流影响下的值相差不大，而在计算中，波浪和水流的组合中不应该是简单直径的两种功率条件，而是针对特定问题的具体分析。建议在今后的工作中，对不同冲刷深度的波浪和洋流的影响进行分析研究，至少明确说明波浪在哪些情况下对水流起控制作用，在哪些情况下同时必须考虑结构的设计。第五章桥渡设计发展趋势5.1跨海大桥波浪力研究由于海上的波浪和水流等强动力条件，波浪和水流是桥梁基础的重要因素。桥梁基础设施的设计需要对施工中的波浪和水流进行精确计算。鉴于现有桥梁、桥位设计规范对基本标准、计算公式没有明确约束，只能大致估算，意识需要结合港口海洋波浪公式中的水文规范；为此，结合现有港口水文规范相关框架模型和科学研究成果，通过一定的实践和发展，观察得出与波浪能有关的计算标准、计算方法和计算公式，不断完善《桥梁水文设计规范》。研究过程中，考虑针对杭州湾和东海大桥以不同方式进行波浪力观测，并通过波浪力试验对比分析、研究，对港口水文规范“海浪力计算公式”相关系数、参数进行修正，适用于桥体的计算。主要内容：计算标准、计算方法、计算系数的参数选择、计算公式。5.2桥墩局部冲刷及可能的防护措施着重关注对码头的研究课题，一般来说，跨海桥梁的长度都很大，影响工期和费用的主要因素是桥梁基础，桥柱的局部冲击水平是分类的决定因素，同时存在桥梁、桥围设计规范不适用于桥体的精准计算的情况，只能说是用来参考。在生产实践中，有时会使用美国交通部联邦公路管理局的《桥梁冲洗评价手册》（第四版，2001年5月）对内容进行修改。因此，有必要对局部海洋冲刷问题进行深入研究。除了有针对性地收集海洋工程的偏移信息外，还通过模型试验研究了海流的偏移机制和初始流动的速度，并应用于实际设计。杭州湾大桥和东海大桥的观测可以考虑冲击桥墩，对比分析，通过试验研究，应用于实际建造，并纳入《设计规范》。防冲刷有两个含义：第一个是对相关桥梁地基的预防性保护；二是加强对现有风险源的保护。铁路部门研究所在加强现有风险能力方面做了大量工作，对可应用于生产实践的防护机制和方法进行了大量研究。现阶段，在部分特大桥基础建设中，考虑到结构负担，对基础进行预防性保护。因此，有必要通过一定的研究和实践，将施工与桥墩的预防性保护结合起来，在一定程度上与桥梁的施工标准相结合。第六章结论由于基础设施的大面积建设和国家综合实力的增强，跨越江海的公里级公路和铁路桥梁建设持续推进，以及斜拉桥的结构受力及重要技术设计的研究必将更进一步。本文粗略地探讨了泉州湾大桥设计的主要技术。泉州湾大桥是福厦高铁的难控工程，桥塔采用贝壳分瓣造型的曲线H形塔﹐融入海洋元素,实现了与并行公路桥的景观协调。结合曲线塔形的特点﹐开展了桥塔构造及索塔锚固区研究，索塔锚固体系采用钢锚梁结构和混凝土齿块相结合的形式,钢锚梁结构的钢牛腿壁板设计为逐节变角度的等宽平行四边形,研究并确定了钢锚梁结构的施工阶段体系转换方法和运营阶段传力模式及原理。针对海洋强腐蚀环境,桥塔混凝土结构采用耐久性综合措施﹐钢锚梁结构采用免涂装镍系耐海洋大气腐蚀钢。该桥桥塔设计统筹兼顾安全可靠、景观协调、经济