深圳港西部港区疏港道路工程高架桥总体设计

深圳港西部港区疏港道路工程高架桥总体设计

1项目总结1.1疏港高架工程深圳港西部的薄港公路项目位于深圳商业区南部，包括兴海路、兴海路支线和木湾路，全长11.9公里（图1）。本项目由上层疏港高架桥和下层市政道路2部分组成,形成双层立体交通模式。疏港高架桥主要功能为快速集、疏、运港区货物,总投资约15亿元,主要由兴海大道高架桥(全长5960.5m)、妈湾大道高架桥(全长1966.5m)、兴海支线高架桥(全长1110.0m)以及供交通转换的兴海月亮湾立交、妈湾月亮湾立交等匝道桥梁(总长6791.2m)组成;地面市政道路以满足城市交通需要为主,兼有辅助疏港功能。该工程可以实现与外围南坪快速、西部通道、广深高速等快速路的连接,完善深圳市路网结构;并且通过分离疏港交通和社会交通,提速西部港区货物的流通,缓解区域内的交通压力,对于促进西部港区和前海湾物流园区的发展,实现“以港强市”的战略具有重要意义。1.2前海段类设计(1)设计安全等级:一级;结构重要性系数γ0=1.1。(2)设计荷载等级:公路-Ⅰ级设计,并用城-A级荷载及英国BS5400荷载进行验算。(3)环境类别:Ⅰ类环境;前海段按Ⅱ类环境设计。(4)设计行车速度:疏港高架60km/h;匝道40km/h。(5)地震动峰值加速度:0.10g。(6)桥下净高:机动车道≥5.5m;电气化铁路≥7.96m。2交通及结构特点工程地处初具规模的近海港区,以疏港交通为首要目的,交通构成主要以运输集装箱的大型车辆为主。因此桥梁工程无论从环境条件、孔位布设、结构选型,还是从施工组织、建成运营等方面来看,都有其特殊且鲜明的技术特点:(1)兼有公路、市政和港口各专业的特点,承担着密集往来于港区的大型货柜车辆的交通,结构设计必须考虑重载、特载甚至超载的作用。(2)孔位布设频繁受到下穿道路、地下管线以及道路立体交叉等诸多因素的限制。(3)已建成的道路、铁路的运营繁忙,结构设计与施工组织设计紧密相关。交通疏解成功与否是本项目能否顺利实施的关键。(4)弯、坡、斜以及变宽、分叉等异型结构比比皆是,桥幅布置、构造设计以及受力分析是设计的难点也是重点。(5)受到一定的海洋环境影响(离海水迹线相对较远),且车辆荷载冲击力大,结构耐久性设计不可回避。(6)新兴的现代化港区对整桥的景观及结构构件的造型要求较高。(7)区域内以近海典型地貌为主,局部区域经人工整平和吹填造陆,成为建设用地。桥梁基础形式的确定及施工方法的选择值得探究。3桥梁的选择和设计3.1信息识别要求(1)桥型设计符合“技术先进、安全可靠、适用耐久、经济合理”的要求,兼顾桥梁景观要求,力求桥梁造型新颖,结构形式与城市建筑环境的协调统一。(2)桥位选择服从道路走向,路桥综合考虑。(3)桥梁跨径布置:满足桥梁使用功能、桥下净空、道路视距和前方信息识别的要求,综合考虑城市规划、交通组织特点、地下管线、现状地形、水文地质等条件,以满足城市规划的要求。(4)桥梁长度按桥头路基填土高度不大于3m控制,孔径基本按30m左右模数跨径布置,但同时考虑各种控制因素(主要为现状交叉路口、立交方案、不可拆迁的地下管线等)的制约。(5)桥梁横断面布置:原则上桥梁与路基同宽。(6)选用技术先进成熟、施工快速简便、利于交通快速疏导的桥型方案,保证高架桥建设顺利进行。(7)在造价合理的情况下,选用结构整体性好、承载潜力大、易于施工、坚固耐久的桥型结构,以满足货运比重大的特点。(8)满足深圳地区对本工程环保方面的要求,满足可持续发展的要求。对声环境敏感地区设置隔声屏障降低噪声污染,体现以人为本的理念。(9)注重对桥梁护栏、桥墩等部位的防撞安全分析;对于跨越主干道、铁路区段的桥梁,加强安全性设计。3.2主梁及梁的选型原则疏港路高架桥项目具有承载重、曲线异形结构多、施工期间下层市政道路交通疏解要求高的特点。主梁选型以整体式现浇箱梁为主,以钢-混凝土组合梁以及装配式小箱梁作为重要补充。全线桥梁设计中选用30m左右跨径进行模数化布置。其中PC现浇箱梁最大跨径50m,钢-混凝土组合箱梁最大跨径55m。3.2.1预应力结构设计整体式现浇箱梁抗弯扭刚度大、整体性能好、直线曲线桥梁结构中均具有自身的优势,在本项目中使用频率最高,约占全部桥梁的70%。现浇箱梁采用斜腹板截面,外轮廓翼缘板与腹板以及腹板与底板拐角处均进行圆弧倒角处理,使其上部结构外形流畅明快、简洁大方(图2)。预应力布设是现浇箱梁设计的核心。全线现浇箱梁均按全预应力混凝土结构设计,并采用塑料波纹管真空压浆工艺施工。根据现场条件和施工工艺的要求,预应力设计主要采用了3种方式:(1)主梁采用移动模架分段浇筑,预应力分段敷设分段(单端)张拉,段间采用连接器连接。此种方式由于采用移动模架可节省大量现场搭设支架,可大大拓展施工期间桥下净空,并且预应力设计可根据不同区段有针对性布设从而更具合理性;但缺点在于需要专门模架设备,且施工面受到施工顺序影响。(2)主梁全断面一次浇筑,钢束整联通长布置两端张拉。设计中尽量避免设置通长顶、底板束的不合理布束方式。此种设计较为常规,适用于联长不大(一般联长120m以下)的情况,施工较为方便。(3)主梁全断面一次浇筑,钢束分段布置并交叉锚于连续墩顶区段,单端或两端张拉。此种方式既可满足整体浇筑的便利施工条件,又能避免联长较大时通长布束预应力损失过大的问题,从而更具合理性。设计中重点解决了墩顶梁段管道交叉及锚固的问题。3.2.2大悬索钢组合结构钢-混凝土组合梁具有整体受力的经济性,发挥钢、混凝土2种材料各自优势的合理性以及便于施工的突出优点。跨越重要交叉路口的桥梁均选用此种结构形式,跨径在40～55m之间。主梁采用等截面设计,梁高1.8m,高跨比介于1/22～1/30之间,其中预制钢梁高1.35m,现浇混凝土桥面板高0.45m。最大制作段长度32m,纵向接缝位置(即临时墩位置)综合结构分析和地面交通的要求进行设置。采用这种结构形式主要由2个方面的因素决定:(1)主梁跨径一般在50m左右,组合结构采取等截面主梁形式,避免了采用变截面预应力混凝土结构,不仅方便了设计施工,而且使得城市高架桥梁轻盈美观。(2)钢-混凝土组合梁施工方法是通过现场搭设临时墩,将工厂生产的制作段运输吊装到位后,现场拼装,利用钢梁部分作支架浇筑混凝土桥面板后成桥。可提高施工期间桥下的通行能力,缩短对下穿交通的影响周期,这在城市桥梁尤其是跨越交通繁忙路段时,具有无可比拟的社会经济效益。3.2.3结构的装配装配式小箱梁主要采用“先简支后连续”结构,其具有预制施工的便利性和连续结构的舒适性。主要应用在直线等宽桥梁中,如兴海支线高架桥及部分匝道桥中。3.3综合管网设计疏港高架桥处于本项目双层交通的顶层,沿线桥墩根据地面市政道路交通组织设计和地下输油管、LNG(液化天然气)管以及其他工业管线的要求进行布设。桥墩形式主要有花瓶墩、门架墩(隐式、明式)、大悬臂墩、柱式墩以及Γ形墩等。3.3.1设计中的改进花瓶墩造型美观大方,构造简洁而不枯燥,在城市桥梁中得到广泛应用。根据疏港高架沿线主梁以圆弧倒角处理的斜腹板箱形梁为主的特点(图2),桥墩主要采用了圆弧倒角处理的改进型花瓶墩。根据箱梁底板宽度的不同,主要设计了3种花瓶墩模式(图3),并在以往设计的基础上作了如下改进:(1)a型墩竖向槽口由常见的凹凸槽口改为内凹的梯形槽口。主要用于箱梁底板宽度6m以下的匝道桥。(2)b型墩在a型墩基础上与墩顶区段设置“领口”造型。用于箱梁底板宽度8m左右的分离式主线桥。(3)c型墩为减小结构自重,增加通透感,设置中空的拱门。用于箱梁底板宽度10m以上的整体式主线桥。花瓶墩在实际使用中墩身裂缝较为普遍,设计中注重了对墩顶拉应力以及圆弧变化段剪应力的控制。由于墩顶部受力复杂,采用ANSYS建立实体单元进行分析。墩顶拉应力参照“名义拉应力”的概念进行控制,并在墩顶设置抗裂钢筋层网。通过剪切效应分析发现悬臂根部下缘产生了应力集中现象,设计中采取了加高墩帽的高度,减小托盘的斜率和加宽桥墩的横向尺寸,加大曲线半径的针对性措施。3.3.2门架墩设计门架墩是为适应地面交通或避让地下管线而采用的一种不必加大桥梁跨径又能提供宽阔空间的桥墩。本项目中主要用在如下桥段:(1)高架桥小角度(乃至平行)跨越地面市政道路,为避免墩身侵入地面道路建筑限界,避免采用大斜交和大跨度主梁,桥墩考虑采用门架式。(2)桥梁斜跨铁路,为满足铁路净空及规划预留空间的要求设置门架墩。(3)桥下穿行与路线走向趋于一致的LNG管,要求离桩基净距不小于5m,采用门架墩骑跨而过。门架墩从外观上可区分为明式门架和隐式门架(图4)。明式门架横梁与立柱一般成框架模式,与主梁分离;隐式门架则是横梁与主梁相互嵌固,并铰支于立柱上。明式横梁上、下部受力明确;但其占用桥下空间,增大结构总体高度,且外形笨重,既影响景观又不经济。隐式横梁巧妙地嵌入主梁,上、下部共同受力,为桥下提供了很大的自由空间;但在设伸缩缝的联间墩顶梁段,采用受力复杂的牛腿结构。门架结构的设计着重注意2个方面的问题。①确定合理的结构尺寸并重点考虑横梁和墩柱的刚度匹配关系。刚度匹配不合理,就会带来一系列的问题,如内力、变形较大及角隅节点应力异常等。根据试算,横梁与墩柱的刚度比宜取1∶1～3∶1。②模拟合理的计算模型边界条件。门架墩(尤其明式门架)对基础的约束条件较敏感,分析时必须考虑基础刚度的影响。基础刚度考虑过小,横梁设计困难,立柱与桩基设计偏不安全;考虑过大,情况正好相反。因此设计中检算立柱和基础时对立柱刚度加以修正,根据工程经验数据,一般立柱与桩基的联合刚度是其计算刚度的1.1～1.2倍。3.3.3各单排桩方案结合本项目桥梁位于海滨地区以及桥墩本身结构的特点,基础形式主要采用桩基承台。考虑施工工期的要求,在满足结构受力的前提下多采用单排桩;制动墩及弯桥以双排桩为主。桩基设计根据地质条件及地域特点采用钻(冲)孔灌注桩,从受力条件看,除少数摩擦桩外,均为端承桩,持力层选取以弱(微)风化层混合花岗岩层为主。4桥梁节点的观赏教育景观设计结合道路功能,以桥梁细部处理、色彩涂装以及绿化手段等为重点,改善高架桥的景观效果,营造舒适、宜人的港区道路街区环境。桥梁景观的细部处理是桥梁人性化的表现,能给观者留下深刻的印象,可以提升桥梁景观的观赏性(图5)。设计中注重了以下3点:①减少生硬转角,转化为较柔和的弧形转角。②调整细部,提高主要结构之间协调和美观性。③对桥墩进行细部刻画,丰富景观效果,减少单调感。桥梁涂装色彩主要从周边景观和配合桥梁夜景景观2个层面考虑。为起到良好的防腐效果,增加桥底光线补偿,使桥梁更加美观,设计采用了全桥涂装的方式。配色方案如下:①护栏为银白色;②梁腹及桥墩为银蓝色;③桥墩细部以海蓝灰色涂装桥墩凹槽部分作点缀。5钢筋及混凝土等抗渗性能结构的耐久性设计是一个系统工程,涉及设计、施工以及养护管理等方方面面。结合本项目的设计目标及技术要求,设计中采取如下措施:(1)混凝土的耐久性设计。设计采用C55高强混凝土,要求掺入高强减水剂,慎用早强剂。严格控制混凝土级配及粗、细骨料的原材料质量,水泥要求高品质且强度等级不低于52.5,严格根据规范要求控制拌和用水的氯离子和碱含量。(2)钢筋的防腐蚀设计。适当增大保护层厚度,主梁净保护层厚度不小于40mm,墩台桩基不小于70mm;设置表面防裂定型钢筋网,主要在箱梁负弯矩区段顶板和主墩保护层范围内。桩基选取C30水下混凝土并掺加钢筋阻锈剂,掺量12.0kg/m3。(3)