伶仃洋东航道悬索桥方案锚碇设计与施工技术探讨.docx

伶仃洋东航道悬索桥方案锚碇设计与施工技术探讨 王锋君浙江大学土木系道桥研究室 (杭州 , 310000)【摘要】以伶仃洋东航道桥方案设计为工程背景 , 提出了一套适宜于伶仃洋东航道工程地质条件的锚碇设计方案 , 并进行了设计验算 , 对其施工技术与方法亦作了详尽的探讨 。关键词伶仃洋东航道悬索桥锚碇设计施工技术1 方案概况伶仃东航道桥地处内伶仃岛与香港屯门烂角嘴之 间 , 在约 2 500 m 范围内 , 水深 8 m28 m , 地质条 件较好 , 基岩为花岗岩 , 上覆盖砂质淤泥或风化残积土 , 厚度 3 m10 m 左右 。设计要求通航净高65 m ,净宽至少 1 400 m 。就当前桥梁的发展来看 , 如此大跨度的桥型采用 悬索桥几乎是公认的 。在参加该桥“工可”方案比选 的 5 个桥型设计方案中 , 除其中一个为三跨斜拉 悬索组合体系外 , 其余 4 个均为三跨连续钢箱梁悬索 桥 。除分跨有区别外 , 其上部结构体系基本相同 , 就连锚碇也不约而同地采用了丹麦大贝尔特桥的设计型 式 。但不同之处在于锚碇基础和尺寸差别较大 。现将 各设计方案中锚碇部分汇总如表 1 。表 1 伶仃东航道桥复选方案 锚碇部分汇总的竖向压应力不应超过地基土的容许压应力 , 即不会出现地基下沉和转动 ( 倾倒) ;( 3 ) 局部应力计算(根据锚碇型式 、主缆与锚块的联结形式不同而异) 。由于悬索桥锚碇的重要性 , 50 年代以前 , 大跨 悬索桥锚碇一般都是设置在岩层或坚硬持力层上 , 其 设计准则就是 : 锚碇在荷载作用下不会发生沉降 、滑 移及转动 。60 年代特别是有了美国维拉扎诺桥锚碇 的设计经验后 , 人们对悬索桥锚碇的认识提高了 。1997 年 , 丹麦大贝尔特桥 ( 大带桥 , 主跨 1 624 m) 建成通车 , 其锚碇新颖的设计型式引起了人们的注 意 。其将锚碇分解为几个单元 , 包含一个三角形构架(主缆锚固于其顶点) 和一个竖直的墩柱身以支承引 桥桥跨 。整个结构看起来受力明确 , 并且是一种空实 结合的形式 , 除可显著降低造价之外 , 也使得其与大 跨悬索桥其余的柔细构件形成了一种比较适宜的对 比 , 使整个悬索桥取得更加完美的和谐与协调 。3 锚碇设计计算通过对表 1 比较及结合伶仃东航道地质情况 , 作 者认为 , 对于沉井基础 , 普遍都是结构庞大 , 有的又 要求嵌入岩层 , 其在井孔中挖掘基岩 , 施工难度极 大 ; 而由于此处水深不过 10 m 左右 , 采用双壁钢围 堰基础 , 可以在到达岩面后堵填刃脚 , 将堰内的水抽 干 , 扩大施工空间 , 并对基岩进行处理 , 然后在空气 中灌注泵送 ( 由专用船供应) 混凝土 , 以保证质量 。 当基岩面不平时 , 让围堰刃脚采用单壁 ( 加纵向肋 条) 嵌入岩层 , 也较易应付 。为此 , 设计一套锚碇方 案如图 1 所示 。锚碇基础由一矩形钢围堰 (后腿) 和 两个圆形钢围堰 (前腿) 组成 , 并通过两道纵向杆和 一横向杆将其连成一个整体 。分跨( m)锚碇尺寸 ( m) ( 长 宽 高)编号锚碇基础型式整体式沉井钢壳沉井 双壁钢围堰半预制钢壳 组合沉井沉井72 54 2714118 57 3236 54 251438 + 1 436 + 4382420 + 1 460 + 4203540 + 1 440 + 5404435 + 1 430 + 435319 + 1 400 + 319 ( 组合体系)90 60 30545 4612 312 锚碇设计原则锚碇作为悬索桥主要承载结构之一 , 其主要作用 是承受主缆的拉力 , 并将其传给地基 。主缆作用于锚碇上的力可以分为水平分力和竖向分力 。锚碇的设计计算主要考虑以下几个方面 : (1) 锚碇在主缆拉力的 水平分力作用下 , 不应滑移 ; (2) 在主缆拉力的竖向 分力和锚碇自重力等的作用下 , 在其基底面任意一点3原稿收稿日期 : 1999209203华东公路2000 年第 2 期40图 1 伶仃东航道锚碇方案总体设计示意最大缆力水平分力h 是用于锚碇设计的一个主v 2 = 161 250 sin 62125= 142 700 kn所受水平分力为h2 = 161 250 co s 62125= 75 100 kn则每一后腿对锚块产生的拉力为t 1 / 2 = 271 850 kn后腿每一锚块所受竖向上拔力为v 1 = 271 850 sin 45= 192 200 kn所受水平分力为要因素 。在承受水平力这一点上 , 悬索桥的锚碇同拱桥的桥台的任务一样 。即不使发生水平位移 , 因为一 旦发生 , 全桥都将变形 。应严加防止 , 这是很重要 的 。其与拱桥桥台不同之处 , 那就是拱的推力是向下 压 , 而大缆力是向上拉 ; 为抵抗缆力的上拔分力 , 锚 碇需要有很大的重量 。按缆在该处 (如有散索鞍 , 那么则是在鞍处) 的斜率 , 竖向上拔力 h tan。式中是大缆切线同水平线夹角 。以分跨 540 + 1 440 +540 ( m) 为例 , 两缆索缆力水平分量经计算约为 h= 534 600 kn 。311 大缆力 (水平分力 h) 作用下 , 锚碇人字形构 造所受作用力计算在缆力作用下 , 锚碇结构计算图式见图 2 。其 中 , 缆 力 f , 缆 力 水 平 分 量 h , 竖 向 分 量 v =htan; 人字形构造的后腿所受拉力为 t 1 , 前腿所 受压力为 t 2 , 各角度如图 2 所示 。由鞍座前后水平力相等为原则 , 可得到t 1 = 543 700 kn , t 2 = 322 500 kn 则每一前腿所受压力为 t 2 / 2 = 161 250 kn 每一圆形围堰顶部所受竖向压力为h = 271 850 co s 45= 192 200 kn 。1图 2 缆力及锚碇计算简图示意312后腿矩形钢围堰构造计算2000 年第 2 期王锋君 : 伶仃洋东航道悬索桥方案锚碇设计与施工技术探讨 41(1) 各部分重量计算各部分重量计算如表 2 所示 。在锚碇混凝土内增添竖向钢筋 , 使能抵抗弯矩 , 借此能让锚碇基底传递较为均匀的竖向压应力 (即使压 应力较计算值大 , 因基岩坚硬 , 锚碇也不会发生转动) 。表 2后腿矩形钢围堰各部分重量厚( 高) 度( m)体 积( m3)重量部位( kn)已和大缆产生的对后腿锚块的水平力为 2 h =1垫底混凝土底板混凝土( 钢筋混凝土) 围堰壁内填充混凝土 两个锚块混凝土( 连同侧墙和盖板) 底板之上用碎石或废矿石压重 引桥的桥墩恒载( 连同梁部结构) 连接前后腿的纵向杆重量之和6911 66417 496256 600419 900192 200 2 = 384 400 kn 。则需要摩擦系数为 : =384 400/ 642 400 = 016 , 事实上 , 由于混凝土与花岗 岩直接接触 , 其摩擦系数会达到这一数值 。但若不计浮力 , 则摩擦系数只需达到 = 384 400/ 11 064 400= 0135 即行 。为保险起见 , 拟参照美国纽波特桥锚 碇之 例 , 在 基 岩 内 钻 若 干 个 5 1 的 斜 孔 , 直 径015 m ,深度 5 m 。每孔内各置一 h 型钢桩 ( 长度取10 m , 型号取 hu 400e) , 孔内填充混凝土 , 以增强 对水平力的抵抗 。(4) 基底承载力计算假定 , 纵向杆与其以下的前腿 、后腿形成一刚性 门架 。如图 3 。2 h1 = 384 400 kn , n 01 = 1 490 800- 384 400 = 1 106 400 kn ( 这里假设不计浮力) , 假定门架高度为 25 m , 其两脚为铰接 , 则隅节点所受 弯矩将是 m = 384 400 25 = 9 610 000 knm 。可以 用加强纵向杆 ( 增加配筋 , 向室内填充混凝土) 、在后腿下部增加竖向筋 ( 抵抗 m ) 、水平箍筋 ( 抵抗2 h1 ) 的 方 法 来 抵 抗 隅 节 点 所 承 受 的 m 、 n 01 及2 h1 。这样 , 门架的腿被假定为铰接 , 其压应力便可 按均布于一较小底面积来考虑 ; 由于基岩较坚硬 , 承 受这一压应力当无问题 。259 400235 0001211 880285 10013 920236 6001 50037 5001080520 1001 490 800(2) 竖向力筋数目计算已知 后 腿 每 一 锚 块 所 受 大 缆 竖 向 上 拔 力 为192 200 kn , 扣 去 一 锚 块 混 凝 土 重 量 285 100/ 2 =142 550 kn ,则力筋需抵抗拉力为 : 192 200 - 142 550= 49 650 kn 。采用 iv 级钢筋 0 50 , (每筋截面积1 960 mm2 ) ,其容许应力为 := 550 m pa/ 114 = 39218 m pa 。为将 49 650 kn 的拉力传到底下的混凝土 ,用的力筋数目为 65 根 , 实际选用 90 根 。则需在每一后腿 , 将力筋分为 3 排 , 每排 30 根 。分布在底板 25 m 的长度之内 , 间距为 : = 25/ 30 = 018 m 。采用 0 80 套管 , 套管底端置在垫底混凝土的底 缘 ; 力筋端头布置螺纹垫圈 ; 每根力筋平均长度约为30 m 。在混凝土硬凝之后 , 在上端张拉 , 张拉力应为 019 550 1 960 = 970 ( kn) , 张拉后拧紧螺母 。(3) 基底摩擦力计算在矩 形 钢 围 堰 内 , 各 部 分 重 量 之 和 约 为1 490 800 kn (见表 2) 。扣除两侧大缆竖向上拔力 :192 200 2 = 384 400 kn 、水的浮力 : 58 40 20 10 = 464 000 kn , 则有效下压力为 : n 0 = 1 490 800- 384 400 - 464 000 = 642 400 kn 。 若不计水的浮力 , 则有效下压力为 :n 01 = 1 490 800 - 384 400 = 1 106 400 kn 。在检算锚碇的抗滑移稳定时 , 许多谨慎的设计者 都赞成用扣去水浮力后所余下的锚体重量乘以摩擦系 数容许值 , 以抵抗水平力 。作者认为 : 当基岩坚硬 、 且可以利用时 , 让锚碇混凝土和基岩粘结为一体 , 使 开裂面不可能在锚碇底面发生 , 则在计算时不扣除浮 力 , 便是有理由的 。现拟 : 在基岩内钻若干浅斜 孔 , 内置 h 型钢桩 , 并填充混凝土 , 以抵抗水平力 ;图 3 刚性门架示意(5) 锚碇工程数量估算由于仅是方案设计 , 其结构细部构造和尺寸尚未 十分清楚 , 因此只能对工程数量作一框算 , 见表 3 。 可见 , 其主要经济指标是比较节省的 。表 3主要工程数量框算数 目( 个)结构钢( t )混凝土( m3)碎石 ( 压浆) 填充( m3)27 500130 00040 200华东公路2000 年第 2 期 424 锚碇构造与施工锚碇的主要作用 , 是将大缆的竖向力及水平力牢 靠地传给地基 。由于这里地基较好 , 花岗岩表面高程 是 - 20 m ( 仅以地质物探图作依据 , 其准确的岩层 表面高程应根据现场钻探资料作进一步修正) , 将大缆力分解为两个 , 分别由人字形构造后腿及前腿承 受 , 分设基础 (分为三块 , 两后腿共同使用一块 , 平 面尺寸是 54 m 36 m ; 两前腿各用一块 , 平面尺寸 是直径 20 m 的圆面积) , 以节约工程数量 , 是有可能 的 。现具体说明如下 。后腿受拉 , 两后腿所共受的拉力为 2 271 850 =543 700 kn , 其竖向分力和水平分力都是 01707 543 700 = 384 400 kn 。按内尺寸 54 m 36 m , 壁厚2 m 制造一矩形双壁钢围堰 ( 分节段) , 且让底节段 高度为12 m ,在围堰顶部用万能脚手架临时加固 , 以保持其稳定 。在工字钢台架上组焊完成 , 再用千斤顶 抬高工字钢的一端 , 形成 3 %5 %的坡道 , 将围堰 滑到水中 ; 拖到锚碇位置 , 向双壁围堰内注水下沉 ; 同时接高围堰 , 使围堰的总高为 25 m ( 落位后 , 从 高程 - 20 m 至 + 5 m) , 从堰内出土 , 向堰壁内灌注混凝土 , 让堰脚落至 - 20 m 。清底之后 ( 将风化岩 石清干净) , 向刃脚下填塞混凝土 , 将堰内的水抽干 。 在堰内向基岩中钻斜孔 , 在斜孔内放置 h 型钢桩 。 先灌注垫底混凝土 6 m ( 表面至 - 14 m) , 再灌注底 板混凝土 , 厚度 9 m 。接着再打锚块混凝土 ; 一则用竖向预应力筋将锚块混凝土同其下的混凝土相连接 , 再则在锚块混凝土内预制 0 80 mm 套管 338 根 。在 锚块混凝土硬凝后 , 张拉预应力筋 , 使锚块与底下的 混凝土相连 。两缆的最大水平力是 384 400 kn 。若 摩擦系数不小于 384 400/ 642 400016 , 后腿就不会移动 。前腿受压 , 两腿可以分开处理 。每腿所受压力是161 250 kn , 其竖向分力应是 161 250 sin 62125=142 700 kn (压力) , 水平分力是161 250 co s 62125= 75 100 kn 。施工时 , 可以为每腿制造一个内径20 m 的圆形双壁钢围堰 , 堰壁厚 115 m 。在围堰拖 到位置后 , 向堰壁内注水 , 下沉 。将堰壁接高 , 使总 高度为 25 m ( 落至位置后 , 从高程 - 20 m 至 + 5 m) 。出土 , 并清基后 , 用混凝土填塞刃脚下面 , 抽 干堰内的水 。先灌注垫底混凝土 5 m ( 表面高程为 -15 m) 。再灌注底板混凝土 5 m ( 表面高程为 - 10 m) 。在底板之上 , 按外廓尺寸为 12 m 8 m ( 横向纵向) , 灌制一高度为 15 m 、壁厚为 1 m 的空心柱(高程达 + 5 m) 。在空心柱的上口 , 接着灌制人字形构造的前腿 , 外廓尺寸是 12 m 8 m (横向 纵向) 。在左右两前腿之间 , 置一横向系杆 , 其截面外廓尺寸 是8 m 10 m ( 纵向 高度) , 壁厚 015 m , 长度是2215 m ;将中间长度是 1415 m 的一段预制 , 在将预 制段运到位置 , 两端搁在圆形双壁围堰顶上之后 , 再将两端缺口长度 ( 各为 4 m) 用工地混凝土灌制完 成 。前腿的恒载 ( 底板 、垫底混凝土 、围堰 、空心 柱 、纵 、横向杆等) 是 213 310 kn , 由前腿从大缆 力所传来的竖向分力 ( 压力) 是 142 700 kn , 合计 为 356 010 kn 。扣除水的浮力 83 100 kn , 其有效下压力为 271 910 kn 。而水平力是 75 100 kn 。若摩擦 系数不小于 75 100/ 272 910 = 0128 , 这一基础就不会 滑移 。5 双壁钢围堰的构造及施工后腿矩形双壁钢围堰体积较大 , 平面尺