平潭海峡公铁两用大桥栈桥设计.pdf

桥梁建设2 0 1 5 年第 4 5卷第 4期 总第 2 3 3 期 Br id g e C o n s t r u c t io n Vo 1 4 5 No 4 2 0 1 5 To t a l l y No 2 3 3 文章 编号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 1 5 0 4 0 0 0 1 0 6 平潭海峡公 铁两用大桥栈桥设计 王 东辉 张 立超 中铁大桥 局 集 团有 限公 司 湖北 武 汉 4 3 0 0 5 3 摘 要 平潭 海峡公铁 两用 大桥 全 长约 1 6 3 4 k m 桥 址处 风 大 海 况条件 恶劣 地质 复 杂 为 提 高海上作 业 工效 减 少船 机设 备使 用 大桥基 础 采 用长 栈桥 辅 助 施 工平 台施 工 方案 将 海 上施 工 转化 为栈桥 及 平 台施 工 针对 栈桥 设计 难 点 制 定 了栈桥 荷 载组 合及 设计 原则 并根 据 水深及地 质 条件 进行 栈桥 结构设 计 栈桥 全 长 7 4 9 k m 栈 桥 宽 8 5 m 水 深 3 5 m 栈桥 均 采用钢 管桩基 础 3 5 m 1 8 m 栈桥 跨 径 1 2 m 3 2 2 8 m 或 1 2 m 3 6 m 上 部结构采用大桥 1号桁梁 钢管桩直径 1 5 2 2 4 i n 为解决海洋环境下栈桥的耐久性问题 提 出 了预 留钢管桩壁腐蚀裕量和管桩外表面涂装相结合的防腐设计 关 键词 铁 路公 路 两用桥 海上栈桥 荷 载组 合 结构设 计 钢 管桩 设 计 桥 梁施 工 中图分 类号 U4 4 8 1 2 U4 4 2 5 文献 标志码 A De s ig n o f Tr e s t l e o f Ping t a n S t r a it s Ra il c u m Ro a d Br id g e WANG Do n g hu i ZHANG Li c ha o Ch i n a Ra i l wa y Ma j o r Br i d g e En g in e e r in g Gr o u p C o L t d Wu h a n 4 3 0 0 5 0 C h in a Ab s t r a c t Th e Pi n g t a n S t r a it s Ra il c u m Ro a d B r id g e is t o t a l l y a b o u t 1 6 3 4 k m l o n g Th e win d a t t h e b r idg e s i t e is s t r on g t he s e a c o nd it io ns a r e s e v e r e a n d t he ge ol o gy is c o m p l e x To imp r o v e t he e f f ic ie n c y of t he c o ns t r uc t io n ov e r t he s e a a nd t o m i nimiz e t h e us a g e o f t he s hi ps a nd r e l e v a n t e q uip m e nt it wa s de t e r mine d t ha t t he f oun d a t io ns of t he br id ge s ho ul d b e c o ns t r uc t e d b y t he s c he m e o f t he c o ns t r uc t io n pl a t f o r m s a id e d b y t he l o ng t r e s t l e s o t ha t t he c on s t r u c t i on ov e r t h e s e a c o ul d be s hif t e d t o t ha t o n t he t r e s t l e a nd pl a t f o r m s I n r e g a r d o f t he d e s ig n di f f ic u l t ie s of t he t r e s t ie t he l o a d c o m bi na t io n a nd de s ig n pr in c i pl e s f o r t h e t r e s t l e we r e f or mul a t e d a n d t h e s t r uc t u r e of t he t r e s t l e wa s he nc e de s i gne d a c c o r di ng t o t he d if f e r e n t wa t e r d e p t h a nd g e o l o gic a l c o nd it io ns Th e t r e s t l e is t o t a l l y 7 4 9 k m l o n g a n d 8 5 m wid e I n t h e a r e a o f t h e wa t e r d e p t h 3 5 m t h e f o u n d a t i o n s o f t h e t r e s t l e a r e t h e s t e e l p ip e p il e s wh il e in t h e a r e a o f t h e 3 5 m 1 8 m t h e s p a n a r r a n g e me n t o f t h e t r e s t l e is 1 2 m 3 2 2 8 m o r 1 2 m 3 6 m Th e s u p e r s t r u c t u r e o f t h e p a r t o f t h e t r e s t l e is t h e Tr u s s No 1 u s e d f o r t he p e r ma ne nt br id ge a n d t he d ia me t e r s of t h e s t e e l pi pe p ipe s a r e 1 5 2 a n d 2 4 m To p r ov id e s ol u t io n t o t he du r a b il it y o f t he t r e s t l e in t he ma r ine e n v ir on m e nt t he c o r r os io n p r o t e c t io n of t he c o mbi ne d s a c r i f ic ia l p r o t e c t i on l a ye r s o f t he s t e e l pi pe pil e wa il s a nd t he e xt e r io r c o a t in g o f t he pil e s wa s d e s ign e d Ke y wo r ds r a il c u m r o a d b r i dg e t r e s t l e ov e r s e a l oa d c o m b ina t io n s t r u c t ur a l d e s ign s t e e 1 p ip e p il e d e s ig n b r id g e c o n s t r u c t i o n 收稿 日期 2 0 1 5 0 5 0 8 作者简介 王东辉 教授级高工 E ma i l wa n g d o n g h u i 1 2 6 c o rn 研究方 向 跨海桥梁施工 桥梁施工设计 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 1 概 述 平 潭 海峡 公铁 两 用 大桥 起 于 长乐 市松 下 镇 经 人屿岛 跨越松下港 区进港航道 即元洪航道 和鼓 屿门水道 再依次通过长屿岛和小练岛 跨越大小练 岛水道抵 达 大练 岛 再跨越 北东 口水 道上平 潭 岛 大 桥 全长 约 1 6 3 4 k m 福 平铁路 三标 段起 于 长乐 岸 止 于大练 岛 全长 1 1 1 5 k m 该标 段共有 3座航 道 桥 其中元洪航道桥为主跨 5 3 2 m 的钢桁梁斜拉 桥 鼓屿门水道桥为主跨 3 6 4 m 的钢桁 梁斜拉桥 大 小练 岛水道 桥为 主跨 3 3 6 1T I 的钢桁 梁斜 拉桥 鉴 于平 潭 海峡 复 杂 的海 况 条件 船 机 设备 在 风 浪涌的影 响下难 以正常作业 为提高海 上作 业工 效 减少船机设备 提出了大桥基础施工采用长栈桥 辅助施工平台方案 将海上施工转化为栈桥及平台 施工L 2 J 采用岛上及固定平台上 的混凝土工厂代替 水上混凝土工厂 采用履带吊作业取代部分浮 吊作 业 全线 栈桥 除在 3座航 道 桥 通 航孔 处 断 开外 水 中墩全部通过栈桥连接 运输车 履带 吊机等通过栈 桥 可全部 到达全 桥 每个水 中墩 2 栈桥设计难点 1 水深 流急 浪高 栈桥需承受较大 的水平 力 栈桥 施工 区域水 深最 深达 4 5 1T I 其 中水 深 1 8 4 5 1T I 区域 的栈桥 占栈桥全长 的 5 5 长乐岸至长 屿岛间海域 1 0 年一遇流速 2 4 6 m s 2 0年一遇流 速 2 5 2 m s 1 0 0年一遇流速 2 6 6 m s 该海域重 现期 1 o年 H5 波高 5 4 4 I n 4 重现期 2 O年 H5 波 高 6 2 2 IT I 重现期 1 0 0年 H 波高达 7 2 9 m 由 于还 受到水 深 浪 大 的影 响 钢 管 桩管 径 越 大 则受 到的水流力 波浪力等水平作用力越大 以该桥水 深 2 9 m 钢 管桩 桩径 2 I T 1 为例 按 照 重 现期 1 0 0年 一 遇 水平 力达 3 5 5 9 k N 其 中水流 力 达 1 5 3 5 k N 波浪 力达 2 0 2 4 k N 2 覆盖层浅薄 岩面倾斜 表层岩石强度高 栈桥钢管桩入岩困难 难形成固定端 桥址处地质 条件 复杂 全 线栈 桥 长 7 4 9 k m 其 中 在 浅 无 覆 盖层 区域 的栈 桥 占栈 桥 全 长 的 6 5 基 岩 以花 岗 岩为主 强风化层岩石强度均在 6 0 0 k P a以上l 5 导 致栈桥钢管桩打入困难 钢管桩入岩深度不足 难形 成 固定端 3 大 风 天气 多 有 效 作 业 时 间 短 桥位 处 风 向季 节 性 变 化 明显 桥 址 工 程 区 域 百 年 重 现 期 1 O mi n平 均最 大 风速 4 4 8 m s 台风 频 繁 施 工 过 程 中的抗风 问 题 突 出 全 年 6级 以 上 大 风 天 数 超 过 3 0 0 d 7级以上大风 天数约 2 3 0 d 年有 效作业 时 间短 3 栈 桥 设计荷 载组合 与设 计原则 3 1 设计 荷载 组合 栈桥按 双 向通行 允许 容量 为 8 1 4 IT I 的混 凝 土罐车通行 栈桥 同时兼作作业平 台 允许 1 0 0 t 履 带吊机在栈桥上通行和吊装作业 栈桥外侧搭载水 电 泵管等管道 根据区域和设计荷载不 同 按公路 I 级 车辆设 计 兼 顾 1 0 0 t 履 带 吊机 通 行 及 吊装 工 作 不 同设 计状 态下 的栈桥 荷载 组合见 表 1 3 2 设计 原则 1 栈桥设计使用年限 6年 2 当风 力 8级 时 禁 止 栈 桥 自身 施 工 和 履 带 吊机作业 当风力 9级时 栈桥禁 止通 行 3 栈桥 工作 状 态 时 满 足 正 常 车 辆 通行 的安 全性和适用性要求 并具有 良好 的安全储备 栈桥 下部结构采用 Q2 3 5 B钢材 基本弯 曲及剪切容许应 力分 别 为 1 4 0 MP a和 8 0 MP a 栈桥 上 部 结 构 采 用 Q3 4 5 B钢材 基 本 弯 曲及 剪 切 容 许 应 力 分 别 为 2 1 0 MP a和 1 2 0 MP a 主 梁 允 许 最 大 弹 性 挠 度 为 L 4 0 0 根据内力与变形匹配的原 则 在 1 0年一 遇 工况 下 当水深 小 于 2 9 1 T I 时 栈 桥 桩 顶 纵 横 向 最 大容 许位移 为 7 0 mm 当水 深为 2 9 4 5 m 时 栈 桥 桩顶 纵 横 向最 大容许 位移 为 1 2 0 mm 4 栈 桥 非 工作 状 态 即在 2 0年 一 遇 风 荷 载 3 9 8 m s 相当于 1 3级台风 波浪力 水流力作用 下栈桥主体结构具有可靠的安全度 构件强度验算 表 I 栈 桥 荷 载 组 合 Ta b 1 Lo a d Co m b i na t i o n of Tr e s t l e 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 4 桥梁建 设B r id g e C o n s t r u c t i o n 1 水 深 1 8 m 栈 桥 标 准跨 度 布 置 为 9 i T I 1 5 I I 1 上部结构采用贝雷梁 2 水 深 1 8 m 栈桥 标准跨 度 布置 为 3 2 m 1 2 m 上部结构采用大桥 1 号桁梁 在 浅 无 覆 盖层 区域 栈桥 下 部 结 构均 采 用 打 入 式钢 管直桩 E 7 根据 不 同的水深 采用 不 同的桩径 具体如下 水深 1 3 5 1T I 桩径为 1 0 I n或 1 2 IT I 1 3 5 m 水深 1 8 r n 桩径 1 2 m 1 8 m 水深 2 3 r n 桩径 1 5 r n 2 3 m 水深 2 9 r n 桩 径 2 0 I n 2 9 m 水 深 3 5 I T I 桩 径 2 4 I T I 浅 s g 覆 盖层且 1 8 m 水 深 3 5 m 区域 的栈桥 布 置 见 图 3 大桥1 号桁梁 订 4 3 3 O 高潮位 1 5 2 0 2 O 海床面 单位 I n 图 3浅 无 覆盖层 且 1 8 m 水深 3 5 m 区域的栈桥布置 F ig 3 La y o u t o f Tr e s t l e i n Ar e a o f S h a l l o w No Ov e r b u r d e n a n d 1 8 m Wa t e r De p t h 3 5 m 4 2 3 超 深水 区 3 5 m 水深 4 5 m 区域 超深水 区域栈 桥标 准跨度 布置 为 1 2 m 3 2 2 8 m 上部结构采用大桥 1号桁梁 下部 基础采 用 导管架 8 9 j 支承桩 结构 形式 支承桩采用 1 5 0 0 mm 1 8 mm钢管 导管架套管采用 1 7 0 0 mmx1 2 mm 钢 管 导 管 架 联结 系 采 用 6 0 0 mm 1 0 mm 钢管 导管架顶高程 3 0 0 5 I i1 浅 无 覆 盖层 且 3 5 m 水 深 4 5 m 区域 的栈桥 布置见 图 4 4 3 耐 久性设 计 海水对海洋环境中的钢铁腐蚀极为严重 在海水中使用无涂层钢材时 浪溅 区钢材的腐蚀率 4 3 3 导 管架A 导管架C 高潮位 卜 导管架B 导管架D 海床面 1 r 单位 n l 图4浅 无 覆盖层且 3 5 m 水深 4 5 i n区域的栈桥布置 F ig 4 La y o u t o f Tr e s t l e i n Ar e a o f S h a l l o w No Ov e r b u r d e n a n d 3 5 m Wa t e r De p t h 4 5 m 一 般在 每年 0 I 5 mm 左 右 全 浸 区钢 材 的腐 蚀 率则 为 每年 0 0 7 mm 左 右 1 引 为 解决 海 洋环境 下 栈 桥 的耐久性 问题 根据 已有海 上工程 实践 经验 提 出了 预留钢管桩壁腐蚀裕量和管桩外表面涂装相结合的 防腐设计 具体设计如下 1 在 钢 管 桩 的设 计 中对 壁 厚 均 预 留 腐 蚀 裕 量 钢管桩在全浸 区 高程一6 0 m 以 上部 分预留 的腐蚀裕量不小 于 4 mm 全浸区及以下 部分预留 的腐蚀裕量不小于 2 ml T l 2 对 全浸 区 以上 部分 的钢管 桩 外表 面进 行 防 腐 涂装 按 熔 融结 合 环 氧粉 末 涂料 的防腐 蚀 涂 装 GB T 1 8 5 9 3 2 0 1 0 中的第 3类 涂 层 类 型 进 行 涂 装 涂层厚度按 3 5 0 5 0 m控制 管桩内表面采 用灌满水后加盖密封的形式防腐 3 对于贝雷 梁 大桥 1号桁 梁及支撑架等结 构 按 公路 桥梁 钢 结 构 防腐 涂 装 技 术 条 件 J T T 7 2 2 2 0 0 8 配 套 体 系 S o 3进 行 涂 装 涂 层 厚 度 按 2 1 0 m 控 制 4 钢 管桩联 结 系的焊 接部 位及 油 漆破 损 部位 采 用环 氧富 锌 底 漆 1道 厚 6 0扯 m 和 丙 烯 酸 脂 肪 族 聚氨 酯面 漆 2道 厚 7 0肚 m 进行 补漆 5 栈 桥施 工 栈桥 施 工 主要 分为 钢 管桩 插 打 联 结 系安 装 及 上部 结构安 装 3部分 1 钢管桩插打施工 根据水深情况采取不同 的钢管桩施工方法 具体 如下 一般高潮位时打 桩船 能 驶 入 的 区 域 长 6 6 5 k m 占栈 桥 全 长 的 8 6 9 5 采用 打桩 船直接 插打 法施 工 打 桩船插 打钢 管 桩施 工见 图 5 介 于一 般 低潮 位 不 能露 出水 面 且 一 般 高潮 位时 打 桩船 无 法 驶 入 的 区域 长 2 1 0 1 1 1 采 取 履 带 吊机 悬 臂 式 导 向架 法施 工 水 深 大 于 3 5 1 T I 以上 的区域 长 约 2 0 0 m 采 用 导 管 架 法辅 助 建 立 栈 桥基 础施工 其 中 导 管 架 法 为栈 桥 施 工 中 的新 方 法 在 水深 3 5 4 5 r f l 时 采 用 小 导 管架 可 设 置 多层联 结 系 使其 横 向刚度满 足要 求 导管架 运输 至墩位后 采用大型浮吊吊装就位 进行导管架精确 定位 调平工作 之后插打支承桩 形成栈桥基础 2 联结 系安装 先采用浮吊安装起 始段栈 桥 的联结 系 分 配 梁 贝雷 梁 及 桥 面板 在 已架 设 栈 桥桥面上安装 l或 2台履带 吊 利用履带吊进行联 结 系等其 他结 构 的安 装 以 减 少 涌浪 对 吊装 作 业 的 影 响 加 快施工 进度 3 上 部结构 安装 栈桥 上 部结 构 施 工分 为分 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 桥梁建设B r id g e C o n s t r u ct i o n 2 0 1 5 4 5 4 人 民交 通出版社 2 0 0 9 H UANG Ro n g C o n s t r u ct io n a n d De s ig n o f Se a C r o s s i n g B r i d g e s D o n g h a i B r i d g e M B e i j i n g C h in a C o mmu n ica t io n s P r e s s 2 0 0 9 in Ch in e s e 7 魏东 孙立军 肖利 明 等 跨海 大桥深水 浅覆盖层 钻孔平 台搭 设 施 工 技 术 J 山东 交 通 科 技 2 0 1 2 4 2 6 2 7 3 4 W E I Do n g S UN Li J u n XI A0 Li mi n g e t a 1 Co n s t r u ct ion Te chn iq ue s f o r Se t t in g Bo r in g Pl at f or ms in De ep W a t e r a nd Sha l l o w Ov e r bu r d e n f or S e a Cr os s ing B r i d g e s J S h a n d o n g Tr a n s p o r t a t i o n S ci e n ce a n d Te ch n o l o g y 2 0 1 2 4 2 6 2 7 3 4 in Ch in e s e 8 白增林 白新 建 大型 导管架平 台 的建 造与安 装 E J 中国修船 2 0 0 7 2 0 s 1 6 3 6 4 B AI Z e n g l i n BAI Xin j i a n Ma n u f a ct u r in g a n d I n s t a l l a t i o n o f L a r g e J a ck e t P l a t f o r ms J C h i n a S h i p Re p a i r 2 0 0 7 2 O S1 6 3 6 4 i n C h i n e s e 9 1 王世宝 张鹏 飞 海域 深水无 覆盖层 条件 下钻孑 L 平台 的施工技术 J 公路 2 0 0 9 1 1 7 9 1 8 2 W ANG Sh i b a o ZHANG Pe ng f e i Co ns t r uct io n Te ch n iq u e s f o r B o r in g P l a t f o r ms Un d e r Co n d it io n s o f De e p Wa t e r a n d N o O v e r b u r d e n i n S e a E J Hi g h w a y 2 0 0 9 1 1 7 9 1 8 2 in Ch in e s e 1 O 张彦军 韩文礼 白玉洁 等 海洋钢结 构飞溅 区防腐 蚀技术现状I J 全面腐蚀控制 2 0 1 2 5 1 4 1 6 Z HANG Ya h j u n HAN W e n l i BAI Yu j i e e t a 1 Cur r e n t Co r r os io n Pr o t e ct io n Te chniq ue s f o r S pl a s h Z o n e s