港珠澳大桥山东省山东青岛国际航道桥钢箱梁斜拉桥设计

港珠澳大桥山东省山东青岛国际航道桥钢箱梁斜拉桥设计

1总结1.1大东南角板桥群香港珠澳大桥横跨珠江口年轻海域。连接香港、广东、珠海和澳门的超级海上航线。这是国家高速公路网规划的重要交通建设项目。这是中国具有战略意义的第三方的国际海上航线。项目西接京港澳高速公路,东接香港大屿山高速公路,是一项“桥、隧、岛”一体化多专业综合集群工程,包括:主体工程(粤港分界线至珠澳口岸之间区段)、香港界内跨海桥梁、三地口岸、三地连接线四大部分。主体工程桥梁长度约为22.9km,包括3座通航孔桥及其余非通航孔桥。青州航道桥是港珠澳大桥项目中跨径最大的通航孔桥,为双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥,桥跨布置为(110+236+458+236+110)m(图1)。主梁采用扁平流线型钢箱梁(图2);斜拉索采用双索面扇形布置;桥塔采用横向H形框架结构,塔柱为钢筋混凝土构件,上联结系采用“中国结”造型的钢结构剪刀撑;下部结构采用现浇承台及塔身,预制墩身,大直径钢管复合群桩基础。1.2荷载和抗风设计时期公路等级为高速公路,双向6车道;设计速度100km/h;建筑限界为桥面标准宽度33.1m,净高5.1m;汽车荷载按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)中规定的汽车荷载提高25%计算;抗风设计考虑运营阶段设计重现期120年,施工阶段设计重现期30年;地震设防标准以重现期表征,工作状态(E1)为120年,极限状态(E2)为1200年,结构完整性状态(E3)为2400年;设计使用寿命120年。1.3极低气温水动力及条件青州航道桥处于珠江伶仃洋入海口处海域的正中央,距离海岸线约20km。该桥处于南亚热带海洋性季风气候区,桥位区热带气旋影响十分频繁,台风多,风力大,高温高湿,重现期120年10m高10min平均风速达47.2m/s;实测极端最高气温为38.9℃,极端最低气温为-1.8℃;年内各月平均相对湿度均在70%以上。水文条件复杂,水动力条件差,行洪、纳潮、防淤要求严。海床稳定性好,潮位变化平缓、流速不大。桥区水深介于5～15m,此处海域为不规则半日潮海区,潮差不大,平均潮差仅1.24m,实测垂线平均流速0.5～1.0m/s。航线复杂、船型类型众多、通航密度大、通航要求高,航行安全管理要求高。地震设防水准高。地质条件变化大,桥位处覆盖层较厚,最厚可达89.3m;下伏基岩为花岗岩,基岩岩面及风化厚度差异较大。软土分布范围广,厚度大。海水和地下水均具有较强的腐蚀性。机场航空限高严。另外,该桥处于中华白海豚保护区的缓冲区和试验区,环保要求高。为提高工程品质、确保设计使用寿命,青州航道桥设计采用了多项新材料、新技术、新工艺,本文对该桥工程特点及关键技术进行分析。2工程特点和关键技术2.1跨航道斜拉索布置设计要因地而异,和现有建筑的规划在思青州航道桥最初的跨径布置方案为(110+126+458+126+110)m,边中跨比为0.515,在有斜拉索的边跨内设置1个辅助墩,以提高刚度,同时需在辅助墩及过渡墩附近的箱梁内进行压重。考虑到相邻非通航孔桥可为青州航道桥边跨提供压重,且并无不利于全桥刚度之处,因此,将青州航道桥跨径布置优化为(110+236+458+236+110)m,取消边跨压重。优化方案不仅可方便施工,而且减少了原有的2个辅助墩及基础,节省造价3300多万元,同时为边跨通航预留了空间,减小了辅助墩的船撞风险。优化后,桥梁外边跨不设置斜拉索,这种布置对于钢主梁斜拉桥比较罕见。跨中主梁竖向活载挠跨比从1/809仅增大到1/578,满足规范要求且仍有较大富余,景观效果更好,综合优势明显。为建成地标性建筑,港珠澳大桥进行了长期的艰苦卓绝的建筑景观设计。在主体工程的桥梁中,青州航道桥单体规模最大,桥面及桥塔最高,对全桥景观效果和地标性目标至关重要。在桥墩造型、主梁线形与港珠澳大桥全桥取得一致的基础上,青州航道桥桥塔的建筑造型则成为景观效果的控制性因素。基于“珠联璧合”的项目总体景观设计理念,在对景观文化内涵、桥梁元素特征、视点进行研究的基础上,考虑中西、粤港、古今文化交融的地域文化特点,从众多方案中筛选出以海洋文化元素“帆”、两岸三地元素“三角”、中国传统文化元素“中国结”的桥塔造型进行全桥系统建筑方案比选(图3),最终选定了“中国结”桥塔造型,并从外形和艺术角度进行优化、抽象,形成最终方案。最终造型规避了直角造型的生硬,并吸收了另外2座通航孔桥风帆塔的曲线元素,使造型优美而轻巧,与全线的景观元素和风格相一致。进一步对桥梁色彩、夜景照明、细节造型等进行设计优化,形成满足全桥景观要求的青州航道桥的建筑设计(图4)。2.2桥段横向约束体系结构支承体系对全桥结构受力性能影响很大。针对青州航道桥边跨无斜拉索的结构特点及抗震性能需求,对其主梁竖向、纵向和横向支承体系进行研究。研究表明,青州航道桥在常规静力支承体系(半飘浮)下的地震响应(无论是位移还是内力)都很大,为此,需进行静动力作用下的结构支承体系的优化。基于受力目标和方法,确定了该桥支承体系(图5)及技术参数,其中,桥塔处纵向额定刚性限位行程为±550mm,与静力作用下纵飘体系相比,考虑限位后的塔柱在纵向百年风荷载下的内力减小约30%。以结构受力性能最优为目标,选取4种横向约束体系(体系1:桥塔、过渡墩处采用支座刚性约束,辅助墩处采用阻尼约束;体系2:桥塔、过渡墩处采用支座刚性约束,辅助墩处自由;体系3:桥塔、辅助墩、过渡墩处均采用支座刚性约束;体系4:桥塔处采用支座刚性约束,辅助墩处采用阻尼约束,过渡墩处在E2地震作用下采用支座刚性约束、在E3地震作用下考虑支座达到极限承载能力破坏后自由)进行比选,重点对比不同横向约束体系下结构的地震响应。研究表明,采用体系4有以下优点:①可改善辅助墩及基础受力,使辅助墩及基础与过渡墩受力趋于协调;②可有效控制辅助墩处主梁的横向位移,降低梁端平面转角位移值;③可改善桥塔、过渡墩与主梁间横向约束的受力。因此,该桥最终选择体系4为横向约束体系,并以此为基础,设计了各向支承装置的功能(特别是横向支承的特殊功能),确定了技术参数。2.3钢管复合桩设计在广泛吸取国内外跨海桥梁基础建设经验的基础上,通过对打入桩、钻孔灌注桩和钢管复合桩综合比选,最终确定青州航道桥采用变直径钢管复合桩基础。钢管与钢筋混凝土共同组成桩基础结构主体。整个桩身由有钢管段、无钢管段2部分组成,有钢管段的长度根据地质条件、结构受力和刚度、沉桩能力、施工期承载等综合确定。复合桩钢管内径2450mm,距离桩尖约2m范围内壁厚36mm,其余部位壁厚25mm。在复合桩顶部一定区段钢管内壁设置多道剪力环。复合桩采用C35水下混凝土,桩身根据受力配置钢筋。对钢管复合桩的变形分析、承载力计算理论以及桩的合理构造形式等方面开展了系统的理论分析和试验研究(制作了14根钢管复合桩试件开展模型试验),在充分了解其承载特性和受力机理的基础上,获得了大直径钢管复合桩的各项设计参数,提出了钢管复合桩竖向和水平承载能力计算方法,并将研究成果应用于设计。此外,针对桥址处特殊的腐蚀环境,采用了高性能环氧涂层和阴极保护相结合的耐久性措施,确保钢管复合桩120年的设计使用寿命。2.4预应力螺纹粗钢筋的确定青州航道桥的桥墩采用工厂预制、现场安装。受制于预制、吊装能力,青州航道桥墩身划分为3节,并通过预应力筋进行连接(图6),墩身接缝不同于传统的湿接缝而采用干接缝,设置匹配的凹凸剪力键,接缝处涂抹满足技术要求的环氧树脂。经技术经济综合比较,并重点考虑施工的可操作性、120年寿命的可靠性,连接墩身节段的预应力确定采用全螺纹粗钢筋。由于受力所需及墩身断面限值,粗钢筋直径需达75mm。鉴于《预应力混凝土用螺纹钢筋》(GB/T20065-2006)中涉及的预应力混凝土用螺纹钢筋最大规格仅50mm,为此,在广泛调研国内外相关技术水平及市场情况的基础上,确定采用ϕ75mm预应力螺纹粗钢筋(目前国内已研发成功并应用到本项目中,钢筋屈服强度830MPa,抗拉强度1030MPa)连接墩身节段。要求所采用的精轧螺纹钢筋或滚压连续外螺纹粗钢筋均符合国内外相关规范规定的尺寸、外形及技术性能要求。连接墩身节段的预应力粗钢筋采用“电隔离防护+真空灌浆”措施进行防腐,并进行了详细的防腐构造细节设计。2.5钢剪刀撑与塔柱连接节段构造青州航道桥的桥塔上联结系采用“中国结”造型剪刀撑,由于剪刀撑杆件倾角大、构造异形、与塔柱连接处曲化,故采用钢结构(图7)。钢剪刀撑采用箱形横断面,由上至下分为T1、J1、J2、J3、T2五种节段,与塔柱的连接段为T1、T2节段。该构造为国内外首次采用。该斜拉桥桥塔上塔柱的受力受斜拉索影响显著,且横向大风和地震作用下连接节点受力大,两肢塔柱平面内扭转受力大,这些因素均导致连接节点受力复杂,且连接断面高度达12.3m以上,为此,基于钢-混凝土混合结构传力机理的研究及试验成果,该桥钢剪刀撑与混凝土塔柱采用“承压-传剪”的复合传力模式,连接构造采用连接箱,即一个将钢剪刀撑与塔柱连接节点范围内的塔壁包裹的箱体,其腹板和面板均开设圆孔,塔柱竖、横向钢筋均穿过圆孔,形成PBL剪力键传力,且均开设大的混凝土浇注孔,利于混凝土的浇注流通和形成整体受力,钢剪刀撑与塔柱连接节段构造见图8。经详细计算分析,该连接构造安全可靠,非常有利于保障结构的120年设计使用寿命。2.6钢箱梁结构体系设计通过结构抗风性能风洞试验,确定青州航道桥钢箱梁横断面采用动力抗风性能优越的扁平流线型断面。节段模型试验结果表明钢箱梁断面选型合适,全桥模型试验结果表明桥梁在施工阶段和运营期间的抗风稳定性安全。为进一步改善主梁的涡激振动(限幅振动)性能,确保行车舒适性,优化了风嘴设计,使之较常规变得更加尖锐,同时还在梁底检查车轨道内侧旁设置了导流板(图2)。为使港珠澳大桥全桥主梁纵向线形协调,青州航道桥钢箱梁采用与非通航孔桥相同的梁高(4.5m);箱梁设置边纵腹板和中纵腹板,斜拉索锚固在边纵腹板上。中纵腹板采用实腹式,但开设了联通人孔方便出入,并联通箱室内干空气,利于除湿。为使箱室内部更加通透,采用了实腹式横隔板和横肋板交替布设的构造,横隔板间距7.5m,中间每隔2.5m设置1道横肋板。结构计算表明钢箱梁第一、二、三体系受力及各部局部受力均满足要求。由于青州航道桥110m边跨无斜拉索,其受力为连续梁模式,其跨中正弯矩及辅助墩处负弯矩较大,根据受力,该桥边跨跨中70m范围内钢箱梁顶板、底板、斜底板及其加劲采用Q420qD钢材,其余部位钢箱梁均采用Q345qD钢材。为改善风嘴内部耐蚀环境,减少运营期养护工作量,经计算研究并论证,青州航道桥钢箱梁一改国内风嘴与主体断开设置(纵向或横向或纵、横向)的传统,首次采用全焊接密封风嘴。在细节研究及疲劳验算的基础上,确定了钢桥面板的细部构造:桥面板厚度≥18mm;纵向U肋间隔300mm、厚度≥8mm、内侧弯曲加工半径不小于5倍板厚;桥面板与纵向U肋熔透量不小于纵肋板厚的80%;纵向U肋接头采用高强螺栓连接,过焊孔长度80mm;桥面板的焊接利用X形坡口或焊接垫板的V形坡口实施完全熔透焊接,接头位置避免布置在轮载正下方;横肋间隔≤2.5m;竖向加劲构件与顶板之间设置35mm的间距;对纵向U肋与顶板、横隔板(横肋板)之间的组装、焊接及细部处理做了严格规定(图9)。理论分析表明,该构造能够确保抗疲劳安全。进一步开展了试件疲劳试验,对病害最突出的横隔板在U肋附近开槽处、横隔板与U肋焊缝、顶板与U肋焊缝、U肋对接(栓接)处构造细节进行了疲劳性能验证。结果表明,设计构造完全满足抗疲劳性能设计要求。此外,设计还提出了“钢箱梁所有板单元采用全自动化制造工艺、顶板U肋纵向焊缝采用相控阵超声波技术进行检测”等技术要求。2.7镀层的制备工艺为减轻斜拉索重量、减小索体直径进而减小拉索阻风面积,在广泛调研国内外相关技术水平及市场情况的基础上,确定青州航道桥采用抗拉强度1860MPa的斜拉索。斜拉索采用平行钢丝索,钢丝采用7mm高强度、低松弛钢丝,其抗拉强度≥1860MPa;屈服强度≥1660MPa;扭转性能≥8次[试验方法遵照《桥梁缆索用热镀锌钢丝》(GB/T17101-2008)];成品索应力幅为200MPa(少数为250MPa),对应的钢丝疲劳应力为360MPa(410MPa)。为进一步提高钢丝表面防腐性能和斜拉索整体使用寿命,经综合比较,确定钢丝采用锌-5%铝混合稀土合金镀层。此外,为减少锚具端钢丝弯曲应力、改善锚口处的疲劳性能,设计要求生产商研发了一种弯曲限制器(由外部的钢套筒和内置的高阻尼橡胶减振体组成