杭州湾跨海大桥70m预制箱梁出海码头设计与施工技术.pdf

9 8 桥梁建设 2 0 0 7年增刊 2 文章 编号 ： 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 0 7 ) s 2 一o o 9 8 一o 5 杭 州湾 跨海 大桥 7 0 1 1 1 预 制箱梁 出海码头设计与施工技术 周功建 ， 宋小三 ( 中铁大桥局集 团第一工程有限公司， 河南 郑州 4 5 0 0 5 3 ) 摘 要 ： 杭州湾跨海大桥标段 7 0 m整孔预制箱梁单片重约 2 2 0 0 t ， 该箱梁出海码头属沿海 地区重级动载类码头， 码 头设计充分考虑 了浪、 潮、 台风、 不 良地质等恶劣环境条件 的影响 ， 并与施 工 紧密 结合 ， 既显著 降低 了成 本 ， 又 实现 了设 计 与施 工上 的 多项技 术 创新 。重 点介 绍码 头设 计方 案 的 比选 、 结构设 计及 计 算要 点 、 主要 施 工技 术 。 关键词 ：出海码 头 ； 箱 形 梁 ； 设计 ； 施 工方 法 中 图分 类 号 ：u6 5 6 1 文 献标识 码 ： a de s i g n a n d co n s t r u c t i o n te c h ni qu e s o f de l i v e r y w ha r f f o r 7 0 一 m s pa n pr e c a s t co n c r e t e bo x gi r - d e r s o f ha n g z h o u ba y s e a cr o s s i n g br i dg e zhou go n g - j i a n，s ong xi a o s a n ( th e 1 s t e n g i n e e r i n g co ，l t d ，ch i n a z h o n g t i e ma j o r b r i d g e en g i n e e r i n g gr o u p ，z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 3，ch i n a ) ab s t r a c t ：a s i n gl e p i e c e o f t h e 7 0 一 m f u l l s pa n p r e c a s t c o nc r e t e bo x gi r d e r s o f co nt r a c t vi i i ， h a n gz ho u ba y se a cr os s i ng br i dg e i s a p pr o xi ma t e l y 2 2 0 0 t i n we i g ht the de l i ve r y wha r f b ui l t f o r t h e b o x g i r d e r s i s a o n e i n t h e c a t e g o r y o f h e a v y d u t y d y n a mi c l o a d wh a r f s i n t h e c o a s t a l a r e a s i n ch i n a i n t h e d e s i g n o f t h e wh a r f ，t h e a d v e r s e i n f l u e n c e s o f h a r s h e n v i r o n me n t a l c o n d i t i o n s o n t he c o ns t r u c t i o n o f t he wh a r f ，s u c h a s t he wa v e s，t i de，t yp ho o n a n d b a d ge ol o gy，we r e t ho r ou gh l y c o ns i de r e d a n d t he d e s i gn of t he wh a r f wa s c a r r i e d ou t i n a way t o gr e a t l y s a t i s f y t h e c o ns t r uc t i on r e q u i r e me nt s ，wh i c h wo ul d no t o nl y s i gn i f i c a nt l y r e duc e t h e c on s t r u c t i o n c os t ，but a l s o b r i ng a b ou t t e c h ni c a l i nn o va t i on s i n bo t h t h e de s i gn a n d c ons t r uc t i on i n t h i s p a p e r，t he c o m p a r i s o n of t h e de s i g n s c h e me s，k e y po i nt s o f t he s t r uc t u r a l de s i g n a nd c a l c ul a t i on，a nd pr i n c i p a l c on s t r u c t i o n t e c h ni q ue s of t he wha r f a r e m a i nl y d e s c r i b e d ke y wo r d s：de l i v e r y wha r f ；bo x g i r de r ；de s i g n；c on s t r u c t i on m e t h o d 1 概 况 1 1 码头选址及 自然环境 杭州湾跨海大桥标段 主要包括 中引桥、 南引 桥 、 水中低墩 区、 航道桥 高墩 区上部结构、 预制场和 箱梁出海码头的建设 ， 其中 5 4 0片 7 0 m预应力混凝 土箱梁预制场及其 出海码 头， 位 于浙江省海盐县城 附近， 在杭 州湾 的北 岸桥 轴线 的上 游侧约 1 2 k m 处 。该处子堤外约 4 0 0 m为海盐湾深槽 ， 是现行秦 山核 电厂重件 码 头 出海 航 道 ， 码 头 选 址 于 此 对 于万 吨级专用运架船的进出码头取梁 、 运梁十分便利。 出海码头水域表层为厚 2 4 m 的淤泥， 以下 为软塑可塑状粉质粘土 间、 夹粉土及粉砂的互层 收稿 日期 ：2 0 0 7 0 7 2 0 作者简 介：周功建( 1 9 7 5 ) ， 男， 工程师 ， 1 9 9 8年毕业于西南交通大学桥梁及结构工程系 ， 工学学 士。 维普资讯 杭州湾跨海大桥 7 0 m预制箱梁 出海码 头设计 与施工技术 周功建 ， 宋小 三 9 9 土， 在标 高一5 0 m 以下 为强度 较高呈密实状 的粉 砂 、 粉土或粉质粘 土等， 码头 前端海床 面高程约为 一 7 0 m( 8 5国家高程， 下 同) 。本海 区水流主要受 潮流控制 ， 根据实测资料 ， 最大流速发生在涨潮时， 表面 流速 为 1 7 2 m s ， 潮流 方 向基 本 与 子 堤平 行 ； 波况以风浪为主， 2 0 年一遇的波高达 4 m 以上； 日潮 差可达 7 m以上； 台风是本区的灾害性天气之一。 1 2 码 头设 计技 术标 准 ( 1 )7 0 i n箱梁荷载 ： 每片梁重约 2 2 0 0 t 。 ( 2 )汽车运输道宽度 ： 3 2 m。 ( 3 )汽车运输道使用荷载 ： 3 0 t 运输车。 ( 4 )运输道设计车速 ： 1 0 k m h 。 ( 5 )靠系船墩 ： 泊 1 0 0 0 0 t 级运架船 ( 1 0级风以 下时使用 ， 1 0级风及 以上离港驶往它处避风) 。 ( 6 )材 料码 头堆 载 ： 5 k p a 。 ( 7 )材 料码 头 系缆 墩 ： 白1 0 0 0 t 级船 只 ( 1 0级 风以下时使用 ， 1 0级风及以上离港驶往它处避风) 。 ( 8 )地震基本烈度 ： 6度 ， 按 7度设防。 2码头 设计 方案 比选 因码头必须满足平移 7 0 m箱梁 的特殊功能要 求， 再加上地形 、 潮流条件特点， 决定了码头需按双 线栈桥的总体结构形式布设 ， 栈桥上两平移滑道 中 心间距为 6 5 m。下 面对多种设计方案 中有代表性 的 3 种 方案 进行讨 论 。 2 1方案 一 参考已实施的东海大桥 7 0 m 箱梁 出海码头的 结构形式 ， 下部结构采用 1 2 m钢管桩 ， 群斜桩布 置 ， 大型钢筋混凝土承 台结构 ； 上部结构采用 主、 次 钢梁并设联接系的形 式 ， 靠系船墩 布置在栈桥前端 上游侧 ， 与栈桥在同一条直线上。考虑用 1艘打桩 船插打管桩 ， 吊箱 围堰法施 工承 台， 履带 吊机拼装 钢 梁 。 主要优点 ： 桩基抵抗水平力的能力强 ； 上部结构 采用主 、 次钢梁形式 ， 整体性强 ， 安全性高 。 主要 缺点 ： 因涨 落 潮和地 形 的限制 ， 斜 管桩 的插 打将十分困难 ； 吊箱 围堰的施工将制约施工进度 ； 靠 系船墩与栈桥布置在同一直线上不利于运架船的抛 锚停靠； 钢桩的成本较高 。 2 2方案 二 出海码头下部结构形式采用钢排架 ， 普通墩采 用 声 1 2 m钢管桩 ， 码头前端防撞墩采用直斜桩混合 布设 ， 并设导管架； 上部结构采用钢箱梁与汽车道分 离的形式 ， 靠 系船墩 在栈 桥前端按 喇叭 口形 布置。 施工时， 钢管桩插打考虑利用履带吊机辅助“ 吊打” ， 斜桩的插打利用导管架 ， 由岸上往海侧推进 ， 待钢管 桩插打完毕后 ， 将钢管桩上部用型钢焊接形成钢结 构桁架式承台 。承台结 构的焊接 均在无水状态下 进 行 。 主要优点： 施工设备位于岸上， 双侧栈桥码头可 由岸上往海侧同时推进， 施工进度有保证 ； 下部结构 的焊接作业利用低潮位易于操作 。 主要缺点： 所需钢料的成本投入过高 ； 桩的整体 性受力效果较差 ， 桩基抵抗水平力的能力较弱 ； 管桩 特别是斜管桩的“ 吊打” 较难控制， 对 吊机起重能力 及运输道承载力的要求亦较高。 2 3 方案三( 实施方案) 出海码头下部采用单排柔性桩小承台的结构形 式 ， 每个普 通 承 台下 设 3根 1 0 m p hc管 桩 ， 承 受 移梁 荷载 的 主桩均 采 用 直 桩 ， 每 2个 小 承 台之 间 设 联接系以增强抵抗纵 向水平力 的能力 ； 上部结构采 用钢箱梁与汽车道分离的形式 ， 靠 系船墩在栈桥前 端按喇叭口形布置 。施工时， 考虑利用 1艘打桩船 插打管桩 ， 简易 围堰法施工钢筋混凝土承台， 用履带 吊机 由岸上向海侧逐段拼装钢梁及运输道。码头布 置 见 图 1 3 。 主要优点 ： p hc管桩 代替钢管 桩成 本节约 显 著 ； 承重主桩均为直桩 ， 易于插打 ； 承台可利用低潮 位在桩头搭设简易平 台无水施工 ； 钢箱梁的拼接及 型钢梁汽车道的铺设简单快捷 ； 靠 系船墩在栈桥前 端按喇叭 口形布 置 ， 有利 于运架 船 的抛锚停 靠及 离 港 。 主要缺点 ： 桩基抵抗水平力的能力较弱， 但经结 构优化及对移梁水平 力的传递处理 ， 桩基承载力及 水平抗力均能满足规范要求 。 2 4 经 济效 益分 析 经过对多种方案 的详细 比选 ， 方案优化的成效 也是显著的 ： 实施方案 ( 方案三 ) 比方案一节约投资 2 5 以上 ， 比方案二节约投资 3 0 以上 ， 直接经济 效益 达 1 0 0 0余万 元 。 3 码头设计及计算要点 3 1 计算说明及计算参数 的选取 ( 1 )水 位： 极端低潮位 一3 7 9 m， 极端 高潮位 +6 0 2 m， 设 计 低 潮 位 一 2 3 9 m， 设 计 高 潮 位 + 4 9 1 m 。 ( 2 )混 凝 土 容 重 2 5 k n m。 ； 钢 材 容重 7 8 5 k n m0 。 维普资讯 1 0 0 桥梁建设 2 0 0 7年增刊 2 4 7 1 【 1 2 1 9 6 ，6 6 3 5 。 j 肺 丁 坝 制 粱 ，箱粱纵 一 1 l 1 1 c 。 1 1i i i i i i 霾 i 羹 号靠系船墩 臌 移 滑 道 衄 衄 蜘曲 曲 曲 曲 慢 砌 r _ 1 号靠 系船 墩 座 | 4 f t 衄e 血 制 汽车 n 一 1 r 厂 7 砭 、 粱 运输道 】 f ： 专 用 运 架 盼 ，子 堤 、运 、 叵 台 7 座 ( x = 、 5 汽车 1 运 输 道 堑 鹾 一 口 回 圆 4 唰 k 1 a c 靠 系 船 墩 制 ， ， 囝 啊 粲 系缆墩 人梯人仃便研、 弋 ， 鲁靠磊船 厶 日 座 6 50 3 2 x 4 4 1 6 6 51 5。 8 1 2 1 7 33 。 。 单位：m 注：1 号、2 号、1 号、2 号靠系船墩上设4 5 0 k n 系船柱 。 图 1 实施方案码头平面布置 箱粱出海方向 1 76 1 7 6 5( 1 7 3 3 ) 图 2 实施方案码头立面布置 。 4 。 图 3 实施方 案码 头栈 桥横 断面布置 ( 3 )设 计 流 速 ： 1 7 2 m s ， 流 向基本 平 行 于 子堤 。 ( 4 )冲刷 ： 由于 码 头 海 域 的 潮 流 性 质 属 不 正 规 半 日浅海潮流 ， 潮流运动的基本形式为往复流， 累积 冲刷深度较小。根据以往经验 ， 除淤泥覆盖层外 ， 冲 刷深度取值 2 m。 单位：m ( 5 )波高： 设计波高 1 0 m， 周期 1 2 0 s ； 靠舶波 高 2 1 1 m， 周期 7 0 s ， 波长 3 9 6 1 m； 检算波高4 2 2 m， 周期 6 3 s ， 波长 5 5 2 2 m ( 2 0年一 遇) 。 ( 6 )风速 ： 运架船装卸作业风速 1 3 9 m s( 6级 风) ； 载梁航行风速 2 0 8 m s( 8级风) ； 码头停靠风 速 2 4 5 m s ( 9级 风 ) ； 离 港 避 风 1 0级 风及 以上 ； 码 头 结构 检算 风速 3 2 2 m s( 1 2级风 ) 。 3 2 荷 载组 合 出海码 头不 同 的结 构部 位 在计算 中根 据可 能 出 现的工况采用不同的荷载组合 ， 主要荷载组合如下。 3 2 i 普通 墩及 防撞 墩 荷载组合 i( 设计高水位) ： 混凝土箱梁 自重 + 码 头结 构物 自重 +汽 车道 活载 +人群 和施 工机 具 重 +钢箱梁温度伸缩引起的支座摩阻力+波浪力 +风 载+系缆力 船撞力( 普通墩无) ； 荷载组合 i i( 极端 高水位) ： 码头结构物 自重 +波浪力 +风载 +系缆 力 船撞力( 普通墩无) 。 维普资讯 杭 州湾跨海 大桥 7 0 m 预制箱梁 出海码头设计与施工技术 周功建 ， 宋小三 1 o 1 3 2 2 靠系船墩 荷载组合 i( 设计高水位 ) ： 结构物 自重+人 群 和施工机具重+波浪力+风载+系缆力 挤靠力； 荷 载组合 ( 极端高水位) ： 结构物 自重 +人群和施 工 机具重+波浪力+风载+船撞力。 3 2 3 钢箱 梁 荷载组合 i( 设计高水位 ) ： 混凝土箱梁 自重 + 钢箱梁 自重+人群和施工机具重+支座摩阻力+波 浪力+风载 ； 荷载组合 ( 极端高水位) ： 钢箱梁 自重 +波浪 力 +风载 。 3 3 荷 载计 算 荷载的计算主要包括移梁荷载 、 结构物 自重、 温 度力、 支座摩阻力、 波浪力 、 系缆力、 船舶撞击力 、 挤 靠力、 水流力 ， 其 中波浪力按 海港水文规范 ( j t j 2 1 3 9 8 ) 计算 ， 系缆力 、 船舶撞击力、 挤靠力、 水流力 按 港 口工程荷载规范 ( j t j 2 1 5 9 8 )计算。 3 4 基 桩及 承 台 基桩是码头 中的基本受力结构 ， 其选型和布置 形式对于码头设计十分重要 。基桩设计中遇到的主 要技术难题有： 移梁水平力达 1 4 4 0 k n， p hc直桩 水平抗力难以满足使用要求 ； 现有打桩船对斜管桩 的海上插打定位十分 困难 ； 管桩海上插打的偏心误 差对直桩桩头的设计弯矩增加甚大； 单排直桩小 承 台难以抵抗钢箱梁温度伸缩引起的支座摩 阻力 ； 高 水位时 ， 作用在钢箱梁上的波浪力超过部分直桩小 承台的水平抗力。 设计中采取 的相应技术措施如下 ： 移梁水平力 在 本设计 中通过对 钢箱 梁接 头 的特殊 处理 而转 变 为 钢箱梁的内力； 为便于海上管桩的插打定位， 移梁承 重主桩全部布置成柔性直桩 的形式； 管桩插打偏心 造成的附加弯矩通过微调支座位置 ( 小承台上的支 座中心重合于两主桩中心连线上) 的办法来消除； 在 每 2个小承台间设置具有一定刚度的纵向联接系来 抵抗支座摩阻力 ； 基桩 自由长度过大 的小承台非承 重主桩布置成横向斜桩 以抵抗横桥向波浪力。 考虑到子 堤前 方 附近抛 填石 头较 多， 不 利于 p hc管桩 下 沉 ， 故 子 堤两 侧 栈桥 墩 采 用 1 5 m 钻 孑 l 桩 ， 其余墩均采用 1 0 m p hc管桩 。材料码头 基桩 桩 径 采 用 0 6 m、 1 0 m， 底 节 采 用 p hc 管 桩， 顶节采用同直径钢管桩， 以方便高度调节和联接 系的焊接 。钢管桩均预留一定 的腐蚀厚度 。 鉴 于本 码 头 为 临时 性 出海 码 头 ， 承 重 主桩 承 载 力安全系数按 k 1 5控制， 设计荷载下基桩能够 满足正常使用极 限状态 的要求， 检 算荷 载下能够满 足承载能力极限状态的要求 。基桩的计算采用了 法程 序 。 承台按简支深梁计算 。另应分别验算冲切力、 斜截面抗剪承载力 。经检算 ， 混凝土应力、 钢筋应力 以及 裂 缝 宽 度 均 满 足 规 范 要 求 。承 台 底 高 程 +3 3 8 2 m， 可利 用低平 潮 ， 设 置 简 易 围堰 进 行 无 水 施工 。 3 5防撞 设施 由于潮差大， 运架船 防撞护舷所需的高度较大， 按常规做法， 一般将承台局部加厚 以安装护舷， 但承 台加 厚势 必增 加 围堰 施 工 的难度 。设计 中创 新采 用 钢支架安装护舷， 只需在承台底设置预埋件即可 ， 极 大地方便了施工。钢支架利用通用有限元软件建立 空间模型进行结构分析 。 材料 码 头 系 缆墩 采 用 油 枕挂 旧轮胎 护 舷 ， 油 枕 直接支撑于钢管桩桩身上， 钢管桩 内填充混凝土。 3 6 钢箱 梁 3 6 1 结 构形 式 钢箱梁首跨跨越子堤 ， 跨 度设计 为 1 2 m， 梁高 2 5 m； 除上游栈桥调整跨 ( 2 4 号墩 间) 外 ， 其余 跨度皆为 6 m。钢箱梁标准节长 1 2 m， 梁高 1 6 m， 腹板 间距 0 6 m， 顶板 宽 1 1 m， 底 板宽 0 7 m， 主 材 质 q3 4 5 b。为减小桩基 础的水平荷 载作用 ， 将钢箱 梁设计为全连续结构 ， 并将钢箱梁起始端与岸上梁 场滑道地基梁焊接连接 ， 使平移箱梁的水平荷载变 成钢箱梁的内力。钢箱梁各节段之间采用栓焊组合 的连接方式 ， 顶 、 底板焊接 ， 腹板采用 m2 7摩擦型高 强螺栓连接， 摩擦面采用喷铝技术 ， 为便于节段的拼 装及支座的设置， 节头拼缝 中心线均布置在距支座 中心 1 0 m处 。钢箱梁外表面涂装环氧沥青底漆 1 道， 脂肪族聚胺酯面漆 3道； 内表面涂装红丹防锈漆 2 道 。 3 6 2 纵 向计 算 因桩基在竖向荷载的作用下会发生弹性压缩变 形 ， 故在计算中将桩基模拟为弹性支承 ， 将钢箱梁视 作弹性支承梁。计算 中， 取栈桥前 8跨建模 ， 平移混 凝土箱梁荷载分别按 1 4片混凝土箱梁模拟加载， 钢箱梁弯应力、 剪应力、 挠度均满足规范要求。计算 简 图见 图 4 。 3 6 3 其他计算 钢 箱梁 接头 按其 最 大荷载 乘 以扩大 系数 1 1 进 行 设计 。按 钢 结 构 设 计 规 范 ( g b 5 0 0 1 7 2 0 0 3 ) 对钢箱梁进行整体稳定性、 局部稳定性 、 强度 、 刚度 的计算 ， 计算结果均能满足规范要求 。 维普资讯 1 o 2 桥梁建设 2 0 0 7 年增 刊 2 单位：m 图 4钢箱梁纵 向计算 图式 3 7支 座 钢箱梁在各墩处均设单 向活动支座 ， 1号、 2号 墩处规格为 g p z ( ) 1 2 5 dx( 1 5 c m) ； 其余墩处 规格为 gp z ( ) 8 d x( 1 0 c m) 。为抵抗横桥 向波 浪力并满足钢箱梁纵 向伸缩的要求 ， 特别 在钢箱梁 侧面设置拉压支座， 钢箱梁可沿拉压支座的销轴作 纵向伸缩 ， 销轴长度 由钢箱梁的温度伸缩量控制 。 3 8 运 输道 运输道直接利用工字钢摆 于承 台顶， 工字钢两 跨一联 ， 一端及 中间与承台顶预埋件焊连 ， 另一端 自 由， 安装操作十分便捷。工字钢上铺设钢枕 、 枕木及 钢板作为运输道。吊装钢箱 梁及铺设运输道时 ， 履 带吊机下设置专用走道板 ， 可倒用 。 3 9材料 码头 材料码头为便 于材料的海上运输而设置 ， 布置 于出海码头前端外侧 ， 设有系缆墩 ， 可泊 1 0 0 0 t 级 船舶 ， 每侧配 1台 wd一2 o吊机 。 4主要 施工技 术 4 1 管桩 施工 码头管桩共计 2 8 7 根 ， 全部采用打桩船施工 ， 管 桩插打 自2 0 0 4年 9月 1 0日开始， 至 2 0 0 5年 1 月 1 4 日结束 ， 历时 4个月 ， 施工过程经常受杭州湾水域潮 水影响， 有时还受台风影响。考虑打桩船 的吊重、 吊 高限制 ， 对 1 0 m 的 p hc管桩 ， 桩长3 0 m 时 1 次插打到位， 桩 长3 0 m 时 ， 采用法兰螺栓接长 1 次。为保证 p hc桩 质量， 从 厂家订购原材料 开始 即进行严格质量控制 ； 管桩 的起 吊、 喂桩过程属海上 高空作业( 高危险) ， 应引起高度重视 ； 打桩船的抛锚 定位是码头管桩施工的难点之一 ， 施工 中先利用全 站仪指挥船体“ 粗定位” ， 再使桩体 “ 精 确定位” ， 取 得了良好效果 。在施工过程 中， 还遇到 了管桩破裂 问题 ， 对影响结构安全的及时做了报废处理 ， 并做了 补桩的设计变更 ， 以确保受力要求 。 码 头承重 主桩 的平 均人 土深 度 约 4 5 m， 基 桩 的 插打以标高控制为主 ， 以贯入度控制 为辅 。施工过 程中， 打桩船使用 1 0 t 柴油锤 ， 实际贯人度与控制 贯人度差别较大 ， 为保证结构安全 ， 施工 中对 3 一z 2 号桩进行了高应变动力测试 ， 测试表明单桩极限承 载力为 6 3 2 3 k n， 与设 计值吻合 ， 验证 了设计 中对 1 0 m p hc管桩考虑桩端 闭塞