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1、文章編號:1003-4722(2003)02-0035-03千島湖大橋主橋設計構思陳 銘,楊正武(中鐵大橋勘測設計院,湖北 武漢430050)摘 要:根據橋址處建橋自然條件的特點及位于著名風景區的地理位置要求,千島湖大橋主橋采用(70+7105+70+40)m多孔長聯V形墩預應力混凝土連續剛構,基礎采用大直徑嵌巖鋼管混凝土樁。著重介紹了大橋的橋型、結構整體構思及樁基結構型式選擇與施工方案,并簡述了主梁、主墩的設計與施工。關鍵詞:剛構橋;預應力混凝土結構;V形橋墩;橋梁設計;鋼管混凝土樁中圖分類號:U448.23;U443.159文獻標識碼:ADesign Considerations for 2、Main Spans of Qiandao Lake BridgeCHEN Ming,Y ANG Zheng2wu(China Zhongtie Major Bridge Reconnaissance and Design Institute,Wuhan 430050,China)Abstract:In the light of the natural conditions at Qiandao Lake Bridge site and the environmental re2quirements of the famous scenery spot,the main spans of th3、e Bridge are designed as a prestressed concretecontinuous rigid2frame bridge on V2shape piers,which is characteristic of multiple spans and long continuousunit arranged in(70+7105+70+40)m.The large diameter concrete2filled steel pipe piles to be built in2to rocks are selected for use for the Bridge 4、foundations.This paper focuseson the bridge type,design consider2ations for the overall structure,selection of pile foundation structures and construction schemes,and also briefsthe design and construction of the main girder and piers.Key words:rigid2frame bridge;prestressed concrete structure;V2sha5、pe pier;bridge design;concrete2filled steel pipe pile收稿日期:2002-12-25作者簡介:陳 銘(1969-),男,工程師,1993年畢業于西南交通大學橋梁與地下工程系橋梁專業,工學學士。1 概 述千島湖即新安江水庫,是新安江水電站建成蓄水后形成的人工湖,是全國最大的國家森林公園和國家4A級風景旅游勝地。千島湖大橋建成后將改善“杭州西湖 千島湖 安徽黃山”黃金旅游線的交通狀況。大橋全長1 258.1 m,設計荷載為汽 20,掛 100驗算,人群荷載3.5 kN/m2,橋面寬18.0 m,雙向4車道,橋下通航凈寬按5級航道考慮。根據勘測資料6、,橋址處建橋自然條件具有如下特點:(1)水域寬度較大,常水位湖面寬約1 200 m,距北岸約300 m有一暗礁(低水位時,暗礁露出水面)。(2)湖水很深,常水位深約45 m。(3)湖床覆蓋層較薄,厚0.79.0 m,下伏巖層以泥質粉砂巖為主,巖面較平坦,基巖承載力較高,其單軸極限抗壓強度2040 MPa。(4)橋址兩岸臨湖面岸坡達3050,地勢雖陡峭,但湖床面平坦。2 橋型及結構整體構思鑒于上述建橋自然條件的特點及大橋位于著名53千島湖大橋主橋設計構思 陳 銘,楊正武 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights res7、erved.風景區地理位置的需要,橋型方案選擇在實用、安全的前提下,重點考慮美觀、經濟。經多方案比選后,以暗礁為分界點,將全橋分成2聯。暗礁以南為第1聯,長約915 m,屬主橋范圍,選用觀賞性和經濟性都比較好的(70+7105+70+40)m多孔V形墩預應力混凝土連續剛構,主橋總體布置見圖1。暗礁以北為第2聯,長約300 m,采用560 m預應力混凝土連續梁。圖1 主橋橋式立面 主橋采用多孔長聯V形墩連續剛構方案具有以下優點:(1)充分利用深水中高樁承臺基礎,其抗推剛度小,能適應梁體因溫度變化、混凝土收縮徐變產生的變位。(2)與同等跨度的連續梁和連續剛構相比,采用V形墩連續剛構縮短了計算跨徑,8、大大削減了跨中和支點部位的彎矩峰值,降低了梁高,節省了上部結構工程數量及減輕上部結構重量,從而使下部結構輕型化,降低了工程造價。(3)由2個斜腿及其頂部箱梁組成的V形墩,具有較大的抗彎剛度,使相鄰孔荷載的影響大為減少,跨中基本克服了正負彎矩的交替,對疲勞壽命大為有利。(4)橋型結構輕盈美觀,線條流暢,且能與周圍環境相協調,建成后必將成為千島湖旅游區又一人文景觀。本橋屬多孔長聯V形墩預應力混凝土連續剛構,V形墩斜腿分別與梁和承臺固結,由于斜腿抗推剛度大,使得樁的剛度對溫度變化、混凝土收縮徐變及合龍索張拉等因素在樁身產生的次內力更加敏感,因此如何選擇樁的結構型式和樁徑,盡可能使其具有較大的承載能力9、,同時又具有較小的抗推剛度,是設計研究的目標。3 樁基結構型式及下部結構設計根據橋位地質和庫區水文條件,本橋采用嵌巖高樁承臺基礎。主墩樁長約55 m,自由長度約40 m,為提高樁的承載能力,并滿足上部結構施工過程中樁的穩定性要求,宜采用較大直徑的多排群樁基礎。上部結構聯長915 m 10孔V形墩連續剛構要求樁基既要有較大的承載能力,又要有較小的抗推剛度。經比較分析,鋼管混凝土樁具有顯著的優勢。鋼管混凝土結構是在空鋼管內澆注混凝土,兩者形成整體而共同工作的構件,管內混凝土在鋼管側向約束條件下,形成三向受壓應力狀態,不但提高了強度,而且還增大了塑性變形能力。由于鋼管內存在混凝土,防止了薄壁鋼管的局10、部失穩,使鋼材的抗壓強度得以充分發揮,實際上也提高了承載力。采用鋼管混凝土樁基也是由建橋條件和橋型方案決定的:(1)樁長的4/5處于水中(約40 m),因成孔和成樁的需要,鋼管用量較大,如不考慮鋼管參與受力,不僅不經濟,也與實際受力不符。(2)由于樁的抗彎剛度與樁徑的4次方成正比,較鋼筋混凝土樁,在承載能力相同的前提下,采用鋼管混凝土結構,可以減小樁徑,相應樁的抗彎剛度也隨之減少許多,既避免了在溫度和混凝土收縮徐變作用下引起主梁縱向位移使樁承受過大的彎矩,又減少了鋼筋和混凝土的用量。(3)若采用鋼筋混凝土樁,成樁后的樁徑比設計樁徑大,且存在不確定性,在橋梁結構內力計算階段樁的抗彎剛度難以確定,11、嚴重影響計算精度。在設計過程中,曾對直徑2.2 m的鋼筋混凝土樁(假定采用直徑2.5 m,板厚16 mm的鋼護筒)和直徑1.8 m、板厚24 mm鋼管混凝土樁進行了比較,見表1。表中可以看出,與鋼筋混凝土樁相比,采用鋼管混凝土樁,鋼管雖然增加7%,但鋼筋約減少59%,混凝土減少50%,降低了工程造價,設計更合理。主墩均采用高樁承臺鉆孔樁基礎,每墩設4根外徑為1.8 m的鋼管混凝土嵌巖樁,采用水下C35混凝土,其中1號、2號、7號、8號墩鋼管壁厚24mm,36號墩鋼管壁厚22 mm,鋼管伸入承臺1.863橋梁建設 2003年第2期 1995-2005 Tsinghua Tongfang Opti12、cal Disc Co.,Ltd.All rights reserved.m。鋼管混凝土樁結構示意見圖2。表1 鋼管混凝土樁和鋼筋混凝土樁比較項目1.8 m鋼管混凝土樁2.2 m鋼筋混凝土樁鋼管/tm-11.050.98混凝土/m3m-12.414.78鋼筋/kgm-1183450單樁軸向受壓承載力/kN80 00069 000抗彎剛度EI/kNm22.571077.81107體系升溫158號墩樁底彎矩/kNm4 90012 150圖2 鋼管混凝土樁結構示意V形墩斜腿為板式鋼筋混凝土結構,斜腿軸線與墩中心線交角45,上下固結,斜腿長為13.816.5m,橫向寬7.5 m。斜腿根部厚2.0 m,13、與箱梁固結處厚1.031.21 m。墩座為普通鋼筋混凝土結構,墩座順橋向5.328 m,橫橋向寬7.8 m,高4.0 m。4 上部結構設計主梁采用單箱單室斜腹板截面(圖3),V形墩頂上的箱梁梁高4.2 m,長29 m,合龍段及邊跨直線段梁高2.7 m,V形墩斜腿頂部至合龍段梁底按圓曲線過渡。箱梁頂板寬18.0m,兩翼懸臂長4.15 m,全橋頂板厚0.25 m(箱梁中心線處),腹板厚0.5 m,底板厚由斜腿處的0.5 m按圓曲線變化至合龍段的0.25 m。箱梁共設橫隔墻19道,厚均為1.0 m,其中V腿頂各設1道,斜腿和橫隔墻的軸線交于箱梁底線上,0號墩和9號墩、10號臺各設1道橫隔墻。箱梁為縱14、向、橫向及豎向預應力體系,箱梁縱向預應力鋼束采用19j15.24、12j15.24及9j15.24三類鋼絞線。箱梁典型斷面縱向預應力鋼束類型及數量見表2。箱梁頂板橫向預應力束采用3j15.24鋼絞線,沿橋軸線按0.5 m間距布置。在V形斜腿處箱梁橫隔墻及主梁主拉應力較大的區段設置豎向預應力鋼筋,采用直徑為25 mm的精軋螺紋粗鋼筋。圖3 箱梁根部及跨中截面表2 縱向預應力鋼束類型位置頂板束底板束腹板束V形墩頂22束19j15.244束12j15.2416束9j15.24中跨跨中2束12j15.2426束12j15.24 70 m跨合龍段2束12j15.2420束12j15.24 40 m跨跨中15、6束12j15.2420束12j15.24 5 嵌巖鋼管混凝土樁施工方案主墩基礎均為深水基礎,施工難度較大,主要面臨以下難點:水深,鉆孔樁施工期間水深4555m;覆蓋層薄;鋼管必須嵌入微風化巖面,且要求成樁后的鋼管混凝土樁傾斜不大于3。但也有流速小、水位相對穩定、基巖埋置淺等有利條件。針對上述施工難點及湖區內無大型起吊設備和大噸位駁船的實際情況,鋼管混凝土樁施工利用浮動平臺完成。浮動平臺由浮箱組成,浮箱上設置龍門架起重系統及錨定絞車定位系統,浮動平臺用較強的錨定系統固定。鋼管混凝土樁施工主要通過在已成的孔內吊放鋼管樁、澆注孔底和樁側混凝土等工序形成嵌巖鋼管樁,然后在鋼管內灌注混凝土。其施工流程16、見圖4。6V形墩結構和主梁施工V形墩結構是由2個斜腿及其頂部箱梁組成的倒三角形結構,斜腿施工可采用外部安裝平衡膺架,內部埋設勁性骨架以承受模板、鋼筋及混凝土澆注時荷載的施工方法;V形墩頂部箱梁在支撐于承臺的膺架梁上施工。主梁除邊跨部分節段在支架上澆注外,其余節(下轉第49頁)73千島湖大橋主橋設計構思 陳 銘,楊正武 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.C,滿足要求。(3)混凝土抗滲等級應達到W12級以上。(4)水泥熟料中鋁酸三鈣含量控制在6%12%。(5)混凝土中氯離子含量不應大于200 m17、g/L。3.3 混凝土施工注意事項(1)為提高混凝土質量,采用商品混凝土。嚴格控制混凝土坍落度,增加混凝土的拌和時間至120 s。(2)混凝土保護層對鋼筋的防腐蝕極為重要,因此不僅要求混凝土保護層墊塊的強度和密實度高于構件本體混凝土外,同時要求保證混凝土保護層墊塊厚度尺寸不出現負誤差。下洞大橋混凝土保護層墊塊采用抗壓強度不小于40 MPa預制混凝土滾輪,施工時將滾輪套在主筋上形成混凝土墊塊,墊塊布置密度為每平方米4個。(3)處于水位變動區和浪濺區的墩柱混凝土和40 cm厚的混凝土防護層一次澆筑施工。(4)加強混凝土振搗,確保混凝土密實。(5)加強混凝土養護管理,確保混凝土處于有利于硬化及強度增18、長的溫度和濕度環境中,并有足夠的養護時間。在結構混凝土養生期間,杜絕結構物與海水接觸。(6)拆模后應及時安排檢查驗收結構物混凝土質量,如結構物出現漏筋、空洞、冷縫、夾渣、松頂及裂縫現象,必須及時處理。需進行涂裝的混凝土構件,必須先將混凝土的外觀質量缺陷處理完成后,再安排涂裝施工。(上接第37頁)圖4 樁的施工流程段采用掛籃對稱懸澆施工。為減少混凝土收縮徐變及合龍索張拉等因素在1號、2號、7號、8號墩樁身產生的次內力,合龍順序由中跨向兩岸對稱合龍。每跨合龍前,將箱梁對著邊跨方向頂開,這樣可以減少樁頂向主跨方向的位移,盡可能使樁身約束力保持在低水平上。7 結 語千島湖大橋設計著眼點于景觀、新技術和19、經濟性等方面,主橋因地制宜地采用了(70+7105+70+40)m V形墩預應力混凝土連續剛構方案和大直徑鋼管混凝土樁基礎。鋼管混凝土結構雖然在建筑基礎工程中有較多的實踐,但在橋梁基礎中的使用實例較少,像本橋這樣大規模的運用,國內尚無先例。由于多孔長聯V形墩連續剛構的特殊性,施工過程中應對鋼管混凝土單樁的抗彎剛度及群樁的水平抗推剛度進行檢測,與設計采用的值對比并給予修正。千島湖大橋已于2002年9月正式開工,預計在2005年9月竣工通車。94鹽壩高速公路下洞大橋混凝土的防腐設計與施工 孫 策 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All 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