跨海大橋施工結構設計要點

馬曉東

(中鐵大橋局集團有限公司 武漢 430000)

1 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋是我國第一座公鐵兩用跨海大橋，橋梁起于長樂市松下鎮，從松下港規劃的山前作業區與牛頭灣作業區之間入海，經石蓮山、人嶼島，跨越元洪航道、鼓嶼門水道，再依次

通過長嶼島和小練島，跨越大、小練島水道抵達大練島，再跨越北東口水道上平潭島[1]，大橋全長約16.3 km。福平鐵路站前工程FPZQ-3標段的工程范圍為長樂岸-大練島，全長約11.15 km，占整座跨海大橋長度的7/10，也是整座大橋施工條件最惡劣的區段。該標段內橋梁立面布置見圖1。

圖1 橋梁立面布置圖(單位：m)

本標段含主跨532,364和336 m通航孔橋各一座，均為雙塔鋼桁混合梁斜拉橋結構；40.7 m跨非通航孔引橋共46孔(其中公路橋46孔，鐵路為38孔+324.8 m鐵路路基)，49.2 m跨非通航孔引橋73孔(其中鐵路單建段39孔)，橋型為混凝土梁橋；80 m和88 m跨非通航孔引橋34孔(其中80 m跨26孔，88 m跨8孔)，橋型為簡支鋼桁結合梁橋。全橋鐵路梁共160孔，公路梁共129孔。

2 建設條件

2.1 氣象

工程區域為典型的海洋性季風氣候，主要災害性天氣有：熱帶氣旋、大風、暴雨、雷暴、霧等。風向季節性變化明顯，橋址區百年重現期10 min平均最大風速44.8 m/s，全年有6級以上大風天氣300 d以上。

2.2 海洋水文

工程海域潮型屬正規半日潮，20年重現期內的最大高潮位為+4.33 m，設計最大流速為2.95 m/s。

2.3 工程地質

橋址區屬閩東南沿海低山丘陵，地形起伏較大。海床面基巖埋藏淺，大多地段為裸露的風化巖，僅長樂岸部分區段、元洪航道與鼓嶼門水道之間的部分區段有覆蓋層。

3 施工結構設計要點

3.1 設計荷載

鑒于本橋惡劣的施工環境，下部結構施工方案的出發點是海上施工盡量脫離海浪的影響，爭取盡可能多的有效作業時間，故基礎施工利用棧橋與墩位平臺相結合，將海上施工全部轉化為棧橋及平臺施工。

波浪力對海中施工結構的作用明顯，經計算分析，波浪力對此部分施工結構的影響在橫向力中占主導地位。

對于小尺度結構的波浪力，可以用Morison方程進行計算，將波浪力認為是由速度力和慣性力兩方面組成的荷載，具體為

式中：PD為波浪力速度分力;PI為波浪力慣性分力；γ為水的重度；CD速度力系數；CM為慣性力系數；D，A分別為柱體的直徑和斷面積；u為水質點速度。

不規則大尺度構件，國際上目前尚沒有統一有效的計算方法，主要借助規范及數值模型分析進行計算。數值模型計算較先進的分析計算方法是選取計算域并進行網格設置后，建立數值模型，通過分析三維波面圖、波浪力時程曲線等，得到構件所受最大波浪力。

主塔、上部結構施工結構的設計主要考慮風荷載的影響，尤其是臺風荷載的作用，計算時取10年一遇臺風風速VS10為36.7 m/s。

3.2 棧橋、鉆孔平臺設計要點

棧橋及鉆孔平臺采用“鋼管樁+分配梁+桁架梁”的結構形式，支承鋼管樁直徑為1.2～2.4 m不等，單樁所受的波浪力為59.4～274.5 kN。同排鋼管樁的橫向間距宜盡量加大，有覆蓋層區段可將鋼管樁設計為斜樁，以增強鋼管樁基橫向抗傾覆的能力。無覆蓋層區段，由于鋼管樁自身難以在海浪中站立，且鋼管樁難以插打，故采用“直樁+錨樁的結構形式”，即鋼管樁插打以后，先安裝上部結構形成板凳平臺，然后在平臺上利用鋼管樁作為鋼護筒進行“短鉆孔樁”施工，將鋼管樁“栽樁”至海床面，以達到樁底固結。

在超深水區(水深>35 m的區段)，由于樁身長、橫向水平力大，導致基礎的橫向穩定性不能滿足抗傾覆的要求，故棧橋、鉆孔平臺下部結構采用“簡易導管架”的形式進行建立，導管架基礎的棧橋布置見圖2。

圖2 導管架基礎棧橋布置圖(單位：m)

由于橋址區的海床面大部分為風化巖裸露，故棧橋宜做大跨結構，以盡量減少支承樁的數量，降低棧橋建設的難度。桁架梁在設計時選用了“大橋1號桁梁”，棧橋最大跨度達到了36 m，可滿足1 000 kN履帶吊吊裝作業及1 500 kN履帶吊通行。

桁架梁及面板暴露在海洋環境中，處于浪濺區，腐蝕嚴重。對制式常備桿件，須著重加強涂裝的要求，建議按照JT/T 722-2008 《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》涂裝體系涂裝。大部分棧橋、鉆孔平臺的面板采用了混凝土面板，一方面是可以規避鋼結構的腐蝕問題，另一方面可以加大結構的自重，增強結構的橫向抗傾覆能力。

3.3 圍堰設計要點

海中承臺的鋼圍堰主要承受水頭差的壓力、水流力、波浪力的作用，風力的影響很小。

由于潮差的影響，設計時需要計算高潮位和低潮位2個水位的工況組合，較一般內河圍堰多一個計算水位。除計算圍堰結構的強度和剛度外，一般高潮位時需重點驗算圍堰的整體抗浮，低潮位時需要重點計算圍堰的整體抗沉。水平波浪力對圍堰的整體作用，引起群樁基礎豎向力的變化，在計算圍堰封底混凝土粘結力時需要考慮此影響。

圍堰底板接近入水且底板距離水面的高度在半個波高以內時，浮托力荷載為最大，計算時可參考JTS 145-2-2013 《海港水文規范》[2]中關于離岸式高樁碼頭面板底部波浪浮托力進行計算。

式中：P為最大總浮托力，kN/m；x為面板底部的波浪作用寬度，m；K1為面板寬度影響系數；H為入射波波高，m，采用累計頻率1%值；Δh為底板

在靜水面以上的高度m；η為波峰的高度，m。

經計算，個別圍堰下放工況的底板處浮托力可達約27 kN/m2，在圍堰封底混凝土澆筑階段，圍堰底板的浮托力相對較小，但其對底板的擾動會影響鋼護筒周邊封底混凝土的質量，進而影響封底混凝土的黏結力。故一般在鋼護筒上設置剛性拉壓桿，既可承擔混凝土的自重，也可消除浮托力的影響。

主塔墩圍堰設計原則是與主體防撞箱結合，側板利用防撞箱，施工圍堰其他結構(包括底龍骨、底板、限位導向等)與防撞箱間的連接均考慮可以拆除，不影響主體防撞箱的維修與更換，主塔墩圍堰布置見圖3。

圖3 主塔墩圍堰布置圖(單位：m)

3.4 主塔橫撐設計要點

通航孔橋為鋼桁混合梁斜拉橋，其主塔最大高度為200 m。臺風荷載將對主塔及塔吊產生巨大的水平風荷載，上橫梁施工完成前的施工階段需要設置主塔橫撐形成框架結構，增加整體剛度以降低施工過程中主塔下橫梁處根部混凝土的拉應力。主塔的橫撐須有足夠的剛度，才可以起到“臨時橫梁”的作用，故本橋橫撐采用2排桁架式結構，桁高9.0 m，上下弦桿采用直徑1 000 mm、壁厚12 mm鋼管，主塔橫撐布置見圖4。

圖4 主塔橫布置圖(單位：m)

3.5 墩旁托架設計要點

通航孔橋的上部結構為“N形”鋼桁梁，采用“浮吊大節段吊裝+橋面吊機懸拼”的施工方法。主塔墩、輔助墩及邊墩均設置墩旁托架，便于下橫梁頂、墩頂段的鋼梁利用浮吊進行架設。墩旁托架由鋼管支架與滑道梁組成，安裝時先搭設鋼管支架，再預拉托架頂層聯結系內預應力鋼絞線，(每束預拉3 650 kN，2束為1組,共2組)，最后安裝滑道梁，墩旁托架結構見圖5。

圖5 墩旁托架結構圖(單位：m)

鋼梁最大吊裝節段重約31 000 kN，落梁工況需考慮鋼梁對墩旁托架的沖擊力。該沖擊力分為豎向沖擊荷載與水平沖擊荷載，其中豎向沖擊系數按1.2考慮，水平沖擊荷載按下述2種方法計算得到的較大值進行加載：①按鋼梁接觸滑道梁頂面摩擦系數考慮，取鋼梁自重0.5倍乘以最大靜摩擦系數0.2，則水平沖擊荷載為鋼梁自重的10%；②假定吊裝過程中，鋼梁沖擊托架時的最大平面偏差1 m，鋼絲繩吊裝豎向傾角為3°，則水平沖擊荷載取對應的結構自重的水平分力再乘以1.2倍沖擊系數。

3.6 主體相關檢算

1) 主塔薄壁受力檢算。臺風作用工況，主塔橫撐邊支點對主塔最大拉、壓力為5 509 kN，剪力為1 428.3 kN。由于主塔一般為薄壁結構，故需采用有限元軟件建立主塔局部模型進行受力分析。根據邊支點的作用范圍，將作用力換算為節點荷載進行加載。根據計算，鋼筋最大拉應力σ=129 MPa<[σ]=330 MPa,混凝土最大主壓應力σc=8.35 MPa<[σc]=13.4 MPa[3-4],滿足規范要求，圖6為主塔局部受力分析的有限元模型。

圖6 主塔局部受力計算模型

2) 鋼梁架設主體結構檢算。根據鋼梁架設總體方案，鼓嶼門水道橋輔助跨大節段鋼梁吊裝后支承于托架上，此時主塔墩及輔助墩受到最大的偏心彎矩，主塔墩旁托架和輔助墩托架受力也最為不利；邊跨大節段鋼梁吊裝后，邊墩受到最大的偏心彎矩，邊墩托架受力也最為不利。根據此施工步驟建立有限元模型進行分析，有限元計算模型見圖7。

圖7 計算模型

經計算，輔助孔鋼梁架設后，主塔墩旁托架受偏心受力影響最大，此時主塔最大彎矩為200 MN·m。下塔柱始終處于全截面受壓，最大壓應力5.4 MPa，最小壓應力0.4 MPa。輔助墩、邊墩最大彎矩153.6 MN·m，最大壓應力3.82 MPa，最大拉應力0.82 MPa。鋼梁最大應力130 MPa。輔助墩及邊墩樁基最大彎矩3 020 kN·m(根據設計院配筋圖紙計算，4.5 m樁基最小抗彎承載力約70 MN·m)。主塔墩旁托架最大應力142 MPa，輔助墩托架最大應力131 MPa，邊墩托架最大應力88 MPa，受力均滿足規范要求。

4 結語

跨海大橋的施工結構在設計荷載、構造措施的處理上都需特殊考慮，以應對波浪力、臺風荷載等非常規荷載的作用。除結構設計外，海洋環境中的防腐涂裝也值得深入研究。上述施工結構在平潭海峽公鐵兩用大橋的施工過程中均已成功應用。

[1] 頓琳.平潭海峽公鐵兩用大橋棧橋鋼管樁插打試驗分析[J]. 交通科技，2016(1)：37-40.

[2] 海港水文規范：JTS 145-2-2013[S].北京:人民交通出版社,2013.

[3] 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土結構設計規范：TB10002.3-2005[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[4] 楊吉新.潛浮式倒懸索跨海大橋設計[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2008,32(2):287-289.