舟山大陆连岛工程建设关键技术创新 PPT课件

1 架千岛彩虹 筑百年精品 舟山大陆连岛工程建设关键技术创新 许宏亮总工程师 浙江省舟山连岛工程建设指挥部2008年5月1 日 2 3 4 岑港大桥 响礁门大桥 桃夭门大桥 西堠门大桥 金塘大桥 舟山大陆连岛工程是连通舟山群岛与大陆的重要交通基础设施 总长49 96km 整个工程以五座跨海大桥跨越五个水道 分别为岑港大桥 响礁门大桥 桃夭门大桥 西堠门大桥和金塘大桥 该工程的建设对改善陆岛交通条件 加快舟山海洋资源开发 促进地区经济发展具有重要意义 5 6 7 为主跨580m双塔双索面半漂浮体系七跨连续混合式斜拉桥桥跨布置为48 48 50 580 50 48 48m 边跨为预应力混凝土箱梁 中跨为钢箱梁 桥型布置图 8 主梁横断面图 9 10 因地制宜 边中跨比取用低限值0 25 索塔基础置于岸上 以避免深水基础 在我国首次将钢 混凝土接合面设于中跨 伸入中跨16 7m 以降低施工难度及工程造价 中跨钢箱梁采用无纵肋断面 减少用钢量125t 并且提高了梁内的通风性能 斜拉索梁端锚固在国内首次采用销铰型式 受力明确 构造简单 便于检修维护 目前已在国内多座斜拉桥中应用 如深圳西通道 杭州湾跨海大桥等 首次采用无压重 无约束中跨合龙技术 实践证明精度可靠 经济高效 11 斜拉索销铰锚固构造实物 12 桥面吊机吊装钢箱梁 无压重合龙 无加劲骨架 标高误差 5mm 环缝宽度15mm合龙段长度12米 带风嘴 13 14 桃夭门大桥于 年 月合龙 该桥对对斜拉索梁端销铰连接 运梁船动力定位和钢箱梁无压重合龙等进行了创新 改善了大桥的受力性能 取得了优异的技术经济指标 积累了宝贵经验 15 16 北锚 北塔 南塔 南锚 册子岛 金塘岛 老虎山 桥型布置图 西堠门大桥采用主跨为1650m的两跨连续钢箱梁悬索桥 在钢箱梁悬索桥中主跨为世界第一 桥跨布置为578m 1650m 485m 主缆矢跨比为1 10 北边跨及中跨采用钢箱梁悬吊结构 南边跨采用两联6 60m预应力混凝土连续箱梁 塔锚均不入水 避免了深水基础施工 船撞风险及海水腐蚀 17 西堠门大桥在世界悬索桥中的地位 就悬索桥的跨度而言 本桥跨度位列世界第二就主梁类型而言 本桥为钢箱梁悬索桥跨度世界第一 18 主要设计参数 19 20 21 1 西堠门水道最大水深 95m 平均宽2 5km 最窄处1 9km 2 不规则半日潮 实测最大流速 3 65m s 3 西堠门海床几乎无覆盖层 基岩裸露 有水下暗礁 伴有强烈漩涡 4 有 船老大好当 西堠门难行 之民谚 建设条件 95m 22 北亚热带气候湿润东亚季风区风速大不利施工台风主要为7 9月 自然环境 表1不同重现期最大风速单位 m s 23 根据本桥78 2m s的颤振检验风速 施工期67 1m s 需要针对性地采取抗风对策 以提高结构抗风性能 为此拟定了中央开槽的双箱断面 敞开式格构的双箱断面及单箱断面三种断面型式进行研究 梁高分别为3 5m 3 5m 5m 抗风性能研究 双箱断面方案技术成熟 工程造价适中 综合指标最佳 双箱断面方案 25 单箱断面方案梁高较高 造型厚重 用钢量较大 工程造价较高 单箱断面方案图 抗风性能研究 26 敞开式格构方案虽然经济性最好 但行车舒适性 疲劳寿命 行车安全性等存在不足 技术不够成熟 敞开式格构方案图 抗风性能研究 27 抗风性能研究 综合比选后 本桥加劲梁采用双箱断面方案 对中央开槽加劲梁断面进行颤振优化选型 采用CFD计算和二维颤振分析相结合的方法 进行数值风洞气动选型 最终决定开槽宽度L 6m 28 意大利墨西那桥西班牙直布罗陀海峡大桥 抗风性能研究 本桥静风失稳临界风速研究 是采用计入三分力影响的非线性有限元分析方法 通过对中央开槽断面加劲梁竖向 侧向和扭转位移随风速变化的计算 确定静风失稳临界风速 并通过风洞试验验证 西堠门大桥建成后 将成为最大跨径的钢箱梁悬索桥 随着科技和经济的发展 悬索桥的跨径会不断跨越 中间开槽是控制颤振稳定性的主要措施 下图是2座大桥的主梁方案 均采用了中间开槽断面 29 抗风性能研究 近年空气动力稳定性的研究取得了进展 但研究主要依靠风洞试验 尚没有实际施工和运营的桥梁参数和风场参数可供借鉴 随着桥梁跨径的增加 相关参数的合理性和准确性亟待研究 本桥在实际架设过程中 做了大量相关量测 并计划在运营阶段进行长期观测 通过实测得到大跨径悬索桥的各项参数 将为更大跨径桥梁的设计施工提供重要的参考和借鉴 本桥进行了1 60 1 40 1 20的节段模型风洞试验 进行了1 116和1 208两种全桥气弹模型试验 对颤振 涡振 抖振进行了广泛研究 采用了平行校核研究机制 在初步设计阶段 还请国外第三方 科威公司 进行了检核 30 三维静风稳定性和全桥气弹模型试验三维静风稳定性分析和1 208全桥气弹模型进行的静风稳定性风洞试验得到的成桥状态静风失稳临界风速见下表 结果表明 全桥成桥状态结构静风失稳临界风速远高于静风失稳检验风速 具有较高的静风稳定性安全储备 1 208全桥气弹模型试验结果表明 成桥状态颤振临界风速满足颤振检验风速要求 但在部分施工阶段颤振临界风速低于颤振检验风速 31 抗风性能研究 在部分施工阶段颤振临界风速低于颤振检验风速 需要采取有效的措施或通过施工进度的调整来保证施工架设阶段结构的抗风安全 在台风期中跨跨中架设的钢箱梁总数严格控制在39段以内 去年架设期间经历三个台风 桥面实测最大风速近40m s 结构安全 32 通过1 2比例尺的节段模型试验 首次得到了分体式钢箱梁的应力水平 应力分布及传力途径 并得到横向连接箱梁与横向连接工字梁的横向弯矩分配比 验证了该构造方案是可行的 本桥首次在大跨度悬索桥中采用双箱分体式钢箱梁 其各部分构件的传力途径 力学特点与整体式钢箱梁有较大的差别 横向传力构造成为关键部件 其传力是否顺畅 是否有效适用尤为重要 分体式钢箱梁 性能研究 33 考虑到西堠门大桥桥位处海底地形特殊 水深流急 岩石裸露 传统的抛锚定位难以实施 同时考虑航道通行问题 船舶定位方式主要考虑动力定位 动力定位船舶选用60米自航甲板驳 满载排水量2386 1吨 双舵双动力配置 动力单台360Kw 同时安装了GPS导航 雷达通讯系统 分体式钢箱梁 安装 34 2020 4 19 35 由于西堠门大桥海域环境 海底地形 海流 海浪 风况 复杂 且该航道是国际航道兼军用航道 不允许封航中断通行 传统的先导索过海方法 自由悬挂拖船牵引法 浮索法 水底牵索法 不适用于西堠门大桥 日本明石海峡大桥放索系统置于直升机下方 而西堠门大桥首次提出了放索系统与直升机分离的创新模式 为选用经济合理的直升机机型提供了基础 另外还研制了功能完善的 可以高速放索 收索 制动 轻便灵活的放索系统 通过大量飞行试验 总结出了在不利风况条件下直升机飞行与放索系统的协调控制技术 2006年8月1日顺利实施 全过程共耗时23分钟 直升机牵引先导索过海 36 1770MPa主缆索股技术 综合考虑适用性 经济性 施工等因素 本桥主缆采用1770MPa平行钢丝 可节省造价 减小主缆风阻力 宝钢集团成功研制出符合日本JISG3502 80 琴钢丝用盘条 技术要求的盘条BMn82QL 本桥研制的1770MPa级主缆钢丝的直线性 抗松弛等性能指标超过了国内外同类产品 填补了国内技术空白 并真正实现了国内的大规模化生产 运用水平成圈 放索技术 首次解决了大跨径悬索桥索股架设过程中出现的 呼啦圈 现象 提高了主缆索股的架设质量和速度 37 西堠门大桥钢箱梁在海洋环境中容易遭受海洋盐雾大气的腐蚀 因此长效防腐措施研究尤为重要 钢箱梁电弧喷涂涂层具有3 10 的孔隙率 对金属喷涂层进行封闭处理是必要的 本桥将纳米技术与封闭涂料相结合 成功研制了新型电弧喷涂层纳米改性环氧封闭漆 妥善解决了上述难题 右图是封孔效果扫描电子显微镜图 图中白色的是纳米环氧封闭漆 黑色的是铝涂层 灰色的是钢铁基体 可见纳米环氧封闭漆真正渗透进了喷铝涂层内部 基本上填充了铝涂层内部的孔隙 起到了良好的物理封孔的作用 经权威机构检测 纳米改性环氧封闭涂料与国内外环氧封闭漆相比具有封孔能力强 附着力高 耐腐蚀性好等优异性能 电弧喷涂层纳米改性封闭漆 38 十年前钢丝绳吊索使用的多为6 37类点接触结构的钢丝绳 该类钢丝绳工作时 股内钢丝之间承受很大的接触应力 弯曲时 股内钢丝受到附加弯曲 产生二次弯曲应力 耐疲劳性能低 同时内部空隙较大 金属填充系数小 承载能力相对较低 西堠门大桥吊索钢丝绳直径大 88mm 强度等级高 1960MPa 破断拉力高 5884kN 同时还要满足抗疲劳 2 106次 性能要求 国内外目前尚无成功先例 是西堠门大桥关键材料之一 通过设计和优化钢丝绳结构 研发优质盘条以及高精度的捻制控制技术及股间注塑技术 解决了钢丝绳高强度与高韧性之间的矛盾 股间摩擦与抗疲劳之间的矛盾 攻克了大直径高强度钢丝绳设计 制造难关 大直径 高强度吊索制造 39 西堠门大桥的吊索长度超过150米 由于吊索的长细比太大 而且模态十分密集 如用索夹或调质阻尼器 TMD 的方法 必然会在每根吊索增加多个索夹或TMD来抑制多个模态频率的动力响应 工作量及日常维修量非常大 而且严重损害大桥的景观 本桥创新性地研发了一种适用于悬索桥并列吊索的高阻尼橡胶减振器 其主要性能指标为 工作温宽为 7 50 符合西堠门大桥桥址最大环境温度 剪切模量 7MPa 结构损耗因子 0 8 能将吊索的多个低阶模态的等效附加阻尼 0 05 不同长度吊索上阻尼器的位置通过优化布置 本吊索减振器自身尺寸相对较小 将使安装工作量减少 且不损害大桥景观 并列吊索橡胶阻尼新型减振器 40 41 西堠门大桥是世界上抗风要求最高的桥梁之一 采用分体钢箱梁技术成功地解决了颤振稳定性问题 为世界第一座分体式钢箱梁悬索桥 首次采用大直径 88mm 高强度等级 1960MPa 高破断拉力 5884kN 的钢丝绳制作吊索 并成功地采用专利技术解决了疲劳问题 吊索减振器采用自主研发的高阻尼橡胶减振器 其自身尺寸相对较小 将使安装工作量减少 且不损害大桥景观 在国内首次在千米以上特大跨度悬索桥上采用强度1770MPa的平行钢丝制作主缆 通过冶炼 轧制 拉丝等环节的研发 创新 实现了强度1770MPa的平行钢丝的国产化 架设主缆首次采用水平成圈与放索工艺 解决了 呼啦圈 问题 提高了索股架设质量 针对西堠门水道水深流急 海底无覆盖层且为国际航道等特点 在国内首次实施了直升机牵引先导索过海 并成功地采用船舶动力定位技术吊装钢箱梁 研制了纳米改性封闭剂 42 43 金塘大桥连接金塘岛与镇海区 全长约26 5km 其中海上桥梁长18 415km 是舟山大陆连岛工程中的第五座 也是规模最大的跨海特大桥 44 大桥组成 金塘大桥连接金塘岛与镇海区 全长21 029km 其中海上桥梁长18 415km 是舟山大陆连岛工程中的第五座 也是规模最大的跨海特大桥 主通航孔桥620m斜拉桥 东通216m刚构 西通156m连续梁 非通 4 5 118m连续梁 非通 60m连续梁 45 46 47 48 主要设计参数 大桥建造条件恶劣 桥位区受台风影响频繁 风速大 风况复杂 桥位区内松散沉积层连续分布 自东向西 从陆域向海域 覆盖层厚度逐渐增加 49 50 传统的斜拉索塔端三种锚固形式 环向预应力 钢锚箱 钢锚梁 环向预应力锚固方案造价较低 但由于要求高空作业 施工质量较难保证 南京长江二桥和润扬大桥北汊斜拉桥的索塔锚固采用环向预应力锚固 钢锚箱锚固方式的优点是施工方便 结构可靠 缺点是受力不够明确 塔壁拉应力较大 结构耐久性没有足够保障 苏通大桥和杭州湾大桥斜拉索塔端锚固均采用钢锚箱方式 钢锚梁锚固方式受力明确 塔壁的拉应力较小 传统的钢锚梁锚固方式不适用于空间索面布置的斜拉桥 采用钢锚梁锚固的安纳西斯桥 南浦大桥均为平行索面 且由于钢锚梁支撑采用混凝土牛腿 上塔柱施工工期长 本桥首创了能够锚固空间索面斜拉索的钢锚梁和钢牛腿组合结构 如下图所示 这种新型斜拉索塔端锚固构造受力明确 拉索水平分力由钢锚梁承担 垂直分力由塔柱承担 塔壁拉应力小提高了塔柱的耐久性 钢锚梁和钢牛腿组合在一起 一次吊装到位 施工快捷 斜拉索塔端锚固新技术 51 52 金塘大桥非通航孔桥墩与承台连接采用湿接头 由于湿接头受到其上下老混凝土约束产生较大的约束应力 同时还受到湿接头内部的临时支撑约束 使湿接头混凝土极易开裂 在国内已建及在建的类似工程中 均出现不同程度的表面裂缝 本桥为了避免施工阶段波浪对湿接头的影响 首次采用墩身外包湿接头方案 在墩身内进行钢筋连接 墩身自设钢支腿 进一步减少湿接头收缩约束面 承台不作下凹 以便施工 借鉴盾构隧道设计理念 预制墩身与承台接触面处设两道止水条 其余缝隙灌填填缝材料 湿接头混凝土初凝后 顶面蓄水养护 新型湿接头现浇混凝土15 9m3 仅为原湿接头38 进一步降低了现浇混凝土裂缝产生风险 墩身湿接头裂缝控制 53 裂缝成因分析 A 温度应力温度应力对墩座湿接头裂纹的产生影响较大 最大限度的降低混凝土水化热将明显抑制裂纹的产生 降低裂缝产生的机率 B 内部应力影响由于墩身安装过程时需要在承台预留槽内预先安装墩身支撑短柱 墩座湿接头混凝土中存在多个新老混凝土接合面 即预制墩身与湿接头新老混凝土接合面 承台与湿接头的新老混凝土接合面 还存在支撑短柱与湿接头的新老混凝土接合面 新老混凝土龄期的差异导致两者收缩不一致 从而使墩座混凝土的内部应力集中加剧 而存在多个混凝土接合面将使应力集中现象更加复杂 54 应对措施预制墩身与承台的混凝土标号尽量接近 优化支墩位置和形状 采用氨基醇类阻锈剂 对混凝土具有早期缓凝作用 针对不同季节对混凝土配合比调整 进行新型墩身湿接头研究 从结构角度进行优化 进行了试验 效果较好 实际效果金塘大桥共有434个墩身湿接头 经采取综合措施 裂缝控制效果显著 90 以上未发生裂缝 55 56 金塘大桥处于海洋环境性气候环境 氯离子侵蚀是影响结构耐久性的主要因素 具有防渗 抗裂性能的混凝土是阻止氯离子侵蚀的第一关 通常海工混凝土配制过分追求抗渗性能 采用高胶材用量 高矿渣用量 低水胶比的配合比 那么将导致混凝土不易泵送 收缩大 易于开裂 本桥海工混凝土配置 运用了整体论的哲学思想 综合考虑工程特点 环境条件 设计 混凝土生产 施工及管理等各方面因素 通过配合比参数的合理控制 协调混凝土抗裂和抗渗性能的均衡发展 运用上述思想 对 A标D4墩承台配合比进行优化 见下表 混凝土胶材用水泥用量降低 混凝土绝热温升下降 收缩减小 抗裂安全性提高 经检测 承台混凝土内部最高温度控制在46 以内 温控效果良好 性能均衡的海工混凝土配制技术 57 非通航孔桥防船舶撞击系统研究 非通航孔桥墩的抗撞能力较弱 相关的统计数据表明 有90 的船舶撞桥事故发生在非通航孔桥 因此必须重视非通航孔桥的防撞问题 首次提出柔性浮式防船舶碰撞系统的方案 利用浮动平台 锚链和锚 重力锚或带抓力的重力锚 构成柔性浮式防船舶碰撞系统 通过防碰撞系统在较长的距离内消耗船舶动能 同时也将防碰撞系统与船舶的相互作用力控制在一定范围内 既保护桥梁安全 又保护失控船舶安全 该研究已通过鉴定 正准备进行试验段实桥试验 58 防碰撞系统模型 拦阻试验 现场试验 59 本工程采用两台DLT900型轮胎式搬运机共同抬吊一片1600吨混凝土箱梁 通过采用先进的同步控制系统 确保两台搬运机联合吊梁运行速度一致 为国内首台搬运机联合作业形式 具有自主知识产权 DLT900搬运机可原地90度转向