港珠澳大橋減光罩結(jié)構(gòu)設(shè)計選型和施工控制要點

丁志全，肖春發(fā)，劉觀發(fā)

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

通常海底隧道長度較長，光環(huán)境明暗場景轉(zhuǎn)換突變大。因此，隧道出入口是交通事故易發(fā)區(qū)，也是隧道交通安全管理的關(guān)鍵點。光線亮度交替變化沖擊人眼是隧道洞口發(fā)生交通安全事故的最主要因素之一[1]。在海底隧道出入口設(shè)置減光罩，可以有效解決這一難題。從安全、美觀、節(jié)能和環(huán)保角度考慮，減光罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計選型，以及鋼結(jié)構(gòu)焊接、海洋環(huán)境防腐和減光罩安裝都成為研究的重點內(nèi)容。本文以港珠澳大橋減光罩為例，對減光罩結(jié)構(gòu)選型進行論述和研究，并總結(jié)減光罩施工控制要點。

1 項目概況

1.1 項目介紹

港珠澳大橋連接香港大嶼山散石灣、澳門明珠和珠海拱北，采用橋島隧組合方案，橋隧通過人工島進行轉(zhuǎn)換，總長35 km。為改善行車環(huán)境和確保行車安全，港珠澳大橋在隧道入口和出口處設(shè)置了減光罩[3]。

減光罩采用鋼結(jié)構(gòu)，安裝在人工島隧道出入口段外墻與中隔墻頂部。主體鋼結(jié)構(gòu)分3個構(gòu)件，即：橫梁、縱梁和立柱。橫梁兩端分別連接立柱和縱梁，呈“門”形構(gòu)架結(jié)構(gòu)。構(gòu)架高度和間距依次遞減，產(chǎn)生減光效果[3]。

1.2 項目難點

該項目為遠(yuǎn)海項目，設(shè)計和施工過程中遇到的主要難點有：1）項目要求簡潔和美觀，需要對結(jié)構(gòu)體型和材料進行綜合比選；2）視覺適應(yīng)性分析論證；3）遠(yuǎn)海抗風(fēng)性能設(shè)計；4）海洋環(huán)境防腐涂裝設(shè)計；5）鋼結(jié)構(gòu)安裝。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計選型

2.1 結(jié)構(gòu)材料選型

根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)材料，減光罩結(jié)構(gòu)方案可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)及型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)等。應(yīng)根據(jù)工程具體情況對結(jié)構(gòu)進行選型[2，4]，減光罩結(jié)構(gòu)方案比選如表1所示。

表1 減光罩結(jié)構(gòu)方案比選Table1 Structural scheme comparison of light reduction cover

由于結(jié)構(gòu)跨度大（最大跨度約24 m），且施工采用清水混凝土，需采用結(jié)構(gòu)輕巧美觀的鋼結(jié)構(gòu)方案，也便于45°梁柱相貫節(jié)點處理，減小施工難度和降低工程造價。對于抗風(fēng)能力和后期維護的問題，分別通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和防腐涂裝設(shè)計來解決。

2.2 結(jié)構(gòu)幾何布置

2.2.1 鏤空設(shè)計

海底隧道出入口設(shè)置減光罩時，從行車安全和采光節(jié)能角度，減光罩不宜采用完全封閉的結(jié)構(gòu)，本項目采用鏤空設(shè)計。

1）頻閃對行車安全的影響

當(dāng)外部光線射入減光罩時，減光罩下的路面會形成明暗交替和亮度差異較大的“斑馬線”。通常駕駛員可以接受的明暗交替的閃爍頻率為小于2.5 Hz或大于15 Hz[4]。明暗交替的閃爍頻率與行車速度和減光罩梁中心間距關(guān)系公式[5]為：

式中：V為設(shè)計車速，m/s；d為減光罩梁中心間距，m；f為閃爍頻率，Hz。

根據(jù)式（1），當(dāng)采用鏤空設(shè)計時，可以通過合理設(shè)置減光罩梁中心間距，降低頻閃現(xiàn)象對行車安全的影響。

2）通風(fēng)和采光功能

采用鏤空設(shè)計有利于隧道的通風(fēng)，可以設(shè)置較少的風(fēng)機臺數(shù)，減少運營成本。當(dāng)通風(fēng)孔兼作采光孔時，以減光罩下路面亮度達(dá)到外部亮度的1/10為原則來確定采光孔的面積[2]。

2.2.2 結(jié)構(gòu)立面設(shè)計

東人工島隧道敞開段總長288.781 m，分為U形槽段和減光段，縱向坡度為2.98%。開口段采用“山”形及“U”形結(jié)構(gòu)形式[6]，配合下部隧道開敞段的平面和立面變化，以及人工島整體造型和建筑空間美學(xué)要求，與人工島主體建筑的“船”形設(shè)計理念相契合[7]。減光罩結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 減光罩結(jié)構(gòu)布置圖Fig.1 Structural layout plan of light reduction cover

2.2.3 視覺適應(yīng)性分析

在進入和離開隧道洞口時，人眼需要一段時間來適應(yīng)光環(huán)境變化。相關(guān)研究表明[8]，駕駛員出隧道的明適應(yīng)所需時間要比進入隧道的暗適應(yīng)短得多。而大部分隧道都是雙向的，隧道洞口進出口段需平行設(shè)置減光設(shè)施。

為研究隧道出入口減光罩對光環(huán)境及駕駛視覺安全的影響，根據(jù)光環(huán)境視覺適應(yīng)性專項研究，構(gòu)建隧道口駕駛模擬實驗平臺和減光罩等比例微縮模型，模擬進出隧道口路段的駕駛環(huán)境。進出隧道口時，測量行車人員的瞳孔面積變化速度，對駕駛視覺安全進行定量評價。對比有無減光罩實驗結(jié)果表明[9]：設(shè)置減光罩后，進出隧道口路段光環(huán)境變化相對平緩，有效改善了“黑洞和白洞效應(yīng)”；在進出隧道口路段，行車人員的瞳孔面積大小變化速度減小，且行車人員的瞳孔面積變化最大速度和持續(xù)時間均低于臨界值。因此，減光罩能有效減少光環(huán)境突變對行車人員的影響。

2.3 結(jié)構(gòu)受力分析

2.3.1 結(jié)構(gòu)布置

減光罩結(jié)構(gòu)布置力求簡潔和美觀，傳力路徑清晰。主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件為縱橫梁和立柱，橫梁一端與立柱連接，另一端與縱梁連接，組成“門”形構(gòu)架結(jié)構(gòu)。構(gòu)架間距和高度依次遞減。在水平面上，構(gòu)架立柱轉(zhuǎn)動45°。在豎直平面上，橫梁傾斜45°。構(gòu)架立柱底部埋入隧道口兩側(cè)側(cè)墻混凝土中，構(gòu)成三維空間結(jié)構(gòu)。

2.3.2 設(shè)計參數(shù)及荷載

該項目設(shè)計年限為120 a，地震設(shè)防烈度7度，地震加速度為0.15g，地震分組為第一組，場地類別為III類。基本風(fēng)壓為1.12 kPa，地面粗糙度為A類，體型系數(shù)為1.4。主體鋼結(jié)構(gòu)材料選用Q345qCNH。

主要荷載包括：恒荷載（DL）為結(jié)構(gòu)自重；活荷載（LL）為 0.5 kN/m2；風(fēng)荷載（W）基本風(fēng)壓為1.12 kPa；溫度荷載（T），正溫差T+為20℃，負(fù)溫差T-為-20℃；地震荷載（EX，EY）為0.15g。荷載組合按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》執(zhí)行。

2.3.3 肘部相貫節(jié)點受力分析

結(jié)構(gòu)計算中梁柱肘部45°斜交相貫節(jié)點連接為結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵點，在重力和風(fēng)荷載組合時，風(fēng)荷載方向考慮 0°，135°，180°和 315°4 種工況，對第1節(jié)減光罩肘部相貫節(jié)點進行有限元分析，結(jié)果顯示0°和135°工況下應(yīng)力較大，肘部相貫節(jié)點應(yīng)力在鋼材強度設(shè)計值范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

3 焊接涂裝和安裝要求

3.1 焊接要求

在工廠焊接前，應(yīng)編制焊接工藝操作手冊，組織焊工進行焊接工藝評定實驗。焊接工藝評定實驗方案通過專家評審并修訂后，方可用于指導(dǎo)施工。

風(fēng)速3級以上時，現(xiàn)場焊接需采取防風(fēng)和防雨措施，在未采取防風(fēng)措施情況下，禁止施焊。濕度大且溫度低時，需對待焊區(qū)進行預(yù)熱處理，母材厚度大于30 mm時，預(yù)熱至80℃以上，層間溫度也必須符合此要求。鋼構(gòu)件焊接后，兩端引板切割須采用氣割，切口磨平且不得損傷母材。

3.2 涂裝要求

3.2.1 主體鋼結(jié)構(gòu)涂裝

減光罩的主體鋼結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計采用重防腐涂裝系統(tǒng)，總涂裝厚度為380 μm。鋼結(jié)構(gòu)外表面的清理、涂層質(zhì)量和施工工藝等需嚴(yán)格按照J(rèn)T/T 722—2008《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》要求。鋼構(gòu)件制作前，其表面均應(yīng)按照GB/T 8923—2008《涂覆涂料前鋼結(jié)構(gòu)表面處理》要求用噴砂（拋丸）等方法進行除銹處理，除銹等級不低于Sa2.5級，將表面油污、毛刺及附著物清理干凈。工廠鋼結(jié)構(gòu)涂裝系統(tǒng)和現(xiàn)場涂裝（焊縫補漆）做法見表2。

表2 主體鋼結(jié)構(gòu)涂裝系統(tǒng)Table 2 Coating system for main steel structures

3.2.2 預(yù)埋件涂裝

減光罩上部鋼結(jié)構(gòu)與兩側(cè)和中部混凝土墻連接的預(yù)埋件材質(zhì)采用Q235B，防腐油漆涂裝只需1道50 μm環(huán)氧富鋅底漆，具體做法如表3所示。

表3 預(yù)埋件涂裝系統(tǒng)Table 3 Coating system for anchoring assemblies

3.2.3 現(xiàn)場涂裝

現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件拼裝焊縫及涂層損壞區(qū)域，采用動力工具打磨清理至St3級，注意不要將表面拋光。然后按表2或表3涂裝系統(tǒng)修補。在涂裝施工過程中，要防止涂料、溶劑等化學(xué)物品進入海洋中污染水體環(huán)境；如果采用噴涂方式，應(yīng)在涂裝區(qū)域外搭設(shè)臨時圍閉設(shè)施，以防涂料飄散到空氣中污染空氣環(huán)境。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)安裝

3.3.1 安裝公差

減光罩鋼結(jié)構(gòu)制造安裝公差要求應(yīng)執(zhí)行GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》[10]。由于側(cè)墻平面位置和豎向標(biāo)高是變化的，導(dǎo)致鋼柱柱腳位置變化，對預(yù)埋件的安裝公差控制尤為重要，其主要公差要求如表4所示。

表4 預(yù)埋件允許偏差Table 4 Allowable errors for anchoring assemblie

3.3.2 安裝流程

減光罩鋼結(jié)構(gòu)安裝流程包括從鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件吊裝上岸到現(xiàn)場補漆完成，見圖2。在安裝過程中注意以下事項：1）單個構(gòu)件制作完畢后，應(yīng)編號分類放置；2）在鋼結(jié)構(gòu)安裝前，對鋼構(gòu)件進行全面檢查；3）吊裝設(shè)備應(yīng)墊平，防止鋼梁和鋼柱在安裝過程中出現(xiàn)較大的扭轉(zhuǎn)變形；4）減光罩鋼柱安裝應(yīng)設(shè)置臨時纜風(fēng)繩，并設(shè)自制活動地錨；5）從跨度小到跨度大側(cè)，按順序安裝，先安裝縱梁，再安裝橫梁；6）安裝施工荷載不能大于設(shè)計限值；7）鋼梁變形縫周邊應(yīng)用硅膠填實。

圖2 減光罩鋼結(jié)構(gòu)安裝流程Fig.2 Steel structure installation process of light reduction cover

4 結(jié)語

在港珠澳大橋項目中，減光罩得到了很好的應(yīng)用。目前該項目已通車，運營效果良好。通過實踐證明，減光罩采用鋼結(jié)構(gòu)鏤空設(shè)計有效地改善了遠(yuǎn)海光環(huán)境轉(zhuǎn)換的不利影響，提高了駕駛安全性，節(jié)約了運營成本。設(shè)計提出的焊接、涂裝和安裝施工控制要點，有效的保證了施工質(zhì)量。