摘 要:澳凼三橋是世界上首座雙層交通預應力斜拉橋,上層為雙向6車道,下層近期為雙向4車道,遠期為雙線輕軌。主橋主跨為180ｍ豎琴式稀索斜拉橋,“ｍ”形主塔,引橋為60ｍ等高預應力混凝土箱梁。 T ran bbs.Com
關鍵詞:部分斜拉橋;預應力混凝土結構;箱形梁;雙層交通;橋梁設計
1 建橋條件
澳門由澳門半島、凼仔和路環島所組成。澳門半島與凼仔島之間現有嘉樂比、友誼兩座大橋,在交通高峰時期,這兩座橋已有阻塞現象,澳凼三橋的建成將使兩島之間交通更為順暢。澳門現僅有2條主要通道與大陸相連:北端的關閘與蓮花大橋,蓮花大橋連接京珠高速公路和105國道。它們滿足不了澳門經濟發展的需要,制約著澳門經濟的發展。國家準備投資修建軌道交通系統將珠江三角洲主要城市連接起來,并考慮銜接港澳。軌道交通將通過澳凼三橋連接澳門與深圳,開通澳門與大陸的第3條通道。澳凼三橋位于雷達水道西側緊靠十字形航道的十字道口,東側距嘉樂比大橋1200ｍ,十字道口疏浚后,橋位處航道中心將南移250ｍ,橋中線與航道斜交約5°,要求本橋主通航孔跨徑大于150ｍ。根據澳門《海港水文規范》,本橋通航凈空為28ｍ,設計高潮位為300年一遇+4.85ｍ。在區域構造上,橋址區位于珠江三角洲斷陷區。50年超越概率10%水準下,地震動峰值加速度為0.10ｇ,場地反應譜特征周期0.35ｓ,場區基本地震烈度為7度。橋位區的地層由第四系沖淤積覆蓋層及燕山期侵入的花崗體構成。第四系覆蓋層厚19.1～59ｍ,下伏花崗巖,巖面高程-22.3～-61.3ｍ,由北向南漸低。
2 技術標準
(1)設計車道:上層車道為雙向6車道,下層近期為雙向4車道,遠期為雙線輕軌。在大于8級風的條件下,上層交通及下層輕軌交通關閉,下層通行2車道
(2)行車速度:輕軌70ｋｍ/ｈ。
(3)設計荷載:汽車荷載按澳門規范執行;輕軌列車共4節,節長16ｍ,節重20ｔ。
(4)通航水位:+1.71ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ)。
(5)通航航道和凈空:橋梁主跨承臺頂部的保護梁間的凈距為150ｍ,高潮時豎向凈空為28ｍ。
(6)設計風速:Ｖ10=45.1ｍ/ｓ。
(7)地震:按7度地震設防。
3 總體設計
3.1 總體布置
根據通航凈空及澳門側立交凈空5.2ｍ的控制條件,澳凼三橋布置為:主橋位于Ｒ=3500ｍ的豎曲線上,兩主塔處的路冠高程分別為35.809,36.028ｍ,滿足通航凈高28ｍ的要求。南側以5%下坡一段后,平坡延至凼仔島路堤,北側以5%下坡,一段平坡,延至澳凼半島。各變坡點均設凹或凸形曲線。澳門側以7%坡后與主橋相連,見圖1。
3.2 橋式布置
主橋布置為:(5×60)ｍ+(2×60)ｍ+(110+180+110)ｍ+(9×60)ｍ+(7×60+45)ｍ=1825ｍ,其中(110+180+110)ｍ為預應力雙層交通斜拉橋,其余均為等高預應力混凝土箱梁。2×60ｍ為匝道與主橋連接異型段。
3.3 主孔跨徑確定
澳凼三橋通航等級為4000ＤＷＴ,速度為15節,主孔通航凈空不小于150ｍ,為防止失控船撞擊橋墩,確保大橋安全,航道兩側的主塔墩需采取有效的防撞措施,考慮基礎寬度及防撞設施寬度,主跨跨度確定為180ｍ,通航中心線作為主跨中心線。
3.4 橋梁橫斷面布置
本橋為雙層橋型,上層為雙向6車道,中間有欄桿,兩邊有人行道和護欄,下層為雙向4車道,另有2根?800ｍｍ的水管及7層電纜槽,還有通風系統、照明電力系統、消防安全及交通監控系統。為了使橫橋向受力合理、施工簡便,主橋橫向設2個分離的單箱單室截面,每箱具體布置如下。上層:0.2ｍ(護欄)+1.0ｍ(人行道)+0.5ｍ(路緣帶)+3×3.5ｍ(行車道)+0.5ｍ(路緣帶)+0.25ｍ(防撞欄)=12.95ｍ。下層:0.5ｍ(路緣帶)+3.5ｍ(行車道)+4.0ｍ(輕軌車道)=8ｍ;或0.5ｍ(路緣帶)+2×3.5ｍ(行車道)+0.5ｍ(路緣帶)=8ｍ。為設置主跨斜拉橋塔柱,兩箱之間間隙為3.1ｍ,異型段后兩箱梁之間間隙為0.1ｍ。斜拉橋橋面寬為15.95ｍ,主要是增加了斜拉索的錨固區。引橋箱梁及正橋斜拉橋的橫斷面具體布置見圖2。
圖2 引橋箱梁及正橋斜拉橋的橫斷面布置
4 橋梁結構
4.1 正橋
4.1.1 上部結構
4.1.1.1 總體布置
主橋采用豎琴式平行索面混凝土斜拉橋,跨徑組成為(110+180+110)ｍ,全長400ｍ,兩邊跨縱坡為5%,中間以Ｒ=3500ｍ豎曲線相連。邊主跨比為0.611,梁高6.13ｍ,梁上索距為10ｍ。
4.1.1.2 支承體系
斜拉橋邊墩設豎向活動支座,塔梁交叉處設橫向、豎向支座,斜拉橋的縱向位移約束采用全縱漂體系,采用該種布置的主要因素如下:主跨跨度不大,地震作用下縱向水平位移最大值為150ｍｍ,梁端伸縮縫的位移量能夠滿足要求;采用全縱漂體系,能使兩塔墩共同承擔地震水平力,避免單塔承受過大水平地震力;采用全縱漂體系能降低溫度效應;因該箱梁底不能設隔板,無法設置在其他斜拉橋上經常采用的彈性索。
4.1.1.3 主梁
(1)結構型式箱梁為薄壁箱形截面,梁高6.13ｍ,橋面設1%橫坡,為改善箱梁整體受力性能,在各支點底板加厚至1.4ｍ,相應在兩側腹板內側加豎向隔板,頂板底加一橫肋以減小箱梁的翹曲及畸變應力。為了使斜拉索的索力能有效地傳遞至全截面,斜拉索錨固點截面內側需同支點截面一樣加強。本橋主梁采用三向預應力結構。在箱梁腹板與底板結合區,同時集中了底板橫向預應力錨固區、豎向預應力筋錨固區、縱向預應力鋸齒塊,為了盡可能減小張拉槽對截面的削弱,在箱梁底、腹板外側設置馬蹄形梁檐,將底板橫向預應力錨固于其中。斜拉索梁上錨塊設置于主梁翼板之下。箱梁內下層通行車輛,需要在箱內安裝排風、防火、消防等設備,在豎向凈空受限制的條件下,應盡量利用橫向空間。箱梁底板寬度對箱梁受力十分敏感,在滿足通車凈空的條件下,應減小底板的橫橋向受力跨度以改善箱梁的受力狀況。因此,箱梁采用斜腹板型式,該種截面布置能縮短斜拉索的傳力途徑,有效傳遞斜拉索索力。此外,斜腹板的景觀效果較直腹板佳。本橋高跨比為1/29.4,梁高相對較高,為了不致給人以沉重感,在箱梁外側設檐板,以增加梁體的層次感,同時在箱梁腹板中部開設圓形窗戶,縱向按一定規律排列,以增加橋梁的虛實統一性,開設圓形窗戶也有利于箱體內的排風及排煙。內外側腹板窗戶交錯排列。沿橋縱向,在梁內側沿底板每隔4ｍ伸出牛腿,以支撐過橋水管。
(2)索距的確定相對剛度較大的主梁而言,主塔剛度較柔,從結構受力上分析,該橋屬部分斜拉橋,斜拉索的力只是將主梁部分荷載通過索力傳遞到主塔。經過比較,6,7,8,10,12ｍ五種索距均能滿足受力要求。最后決定采用10ｍ索距,主要有如下幾個因素:索距加大,①能減少施工節段,減少工期,加快施工進度;②視野開闊,景觀效果好;③透空率高,抗風性能好;④能充分發揮每根索的強度,提高斜拉索的使用效率。但過分加大索距,會造成施工節段過長,重量過大,增加施工難度,提高施工成本。
4.1.1.4 斜拉索
斜拉索采用豎琴式平行索面布置,每片箱梁2個索面橫向間距為15.1ｍ。全橋橫橋向共4個索面,中間兩索面之間距離為0.9ｍ,共同錨固于主塔中塔柱,全橋共有96根斜拉索。
4.1.1.5 主塔
主塔采用Ｂ50混凝土,自承臺以上塔高85.183ｍ,橋面以上48ｍ。主塔橫橋向呈“ｍ”造型,共有3個塔柱,兩邊塔柱位于主梁外側,中塔柱位于兩主梁之間。在塔梁交叉處梁底及塔頂設橫梁連接,使之成為框架結構,見圖3。塔柱按其部位分為3個區域:下塔柱區、中塔柱區、斜拉索錨固區。
圖3 主塔布置
主塔柱順橋向自上而下等寬,寬度為5.5ｍ,橫橋向均為3ｍ。塔柱截面采用單箱單室。下橫梁為單箱單室截面,高4.0ｍ,寬4.0ｍ,為了適應橫梁端部受力需要,在橫梁與塔柱交接處對橫梁截面進行了局部加強。上橫梁為單箱單室截面,橫橋向梁底設橢圓線形。上、下橫梁均為全預應力構件。斜拉索直接錨固于塔柱內壁的鋸齒塊上,為了平衡斜索在塔柱截面產生拉力,在塔柱四周均布置有后張預應力筋。
4.1.2 下部結構
主塔基礎采用3個分離式承臺,承臺頂高程-20.0ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ),承臺底高程-23ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ),上下游側塔柱承臺橫橋向寬8.6ｍ,順橋向長10.6ｍ,每承臺底設4根直徑2.2ｍ的鉆孔樁。中間塔柱承臺橫橋向寬度11.6ｍ,順橋向長12.6ｍ,設7根2.2ｍ鉆孔樁,呈梅花形布置。所有樁按柱樁設計,嵌入微風化巖層。
4.2 引橋
在引橋設計中,分別對50,60,70ｍ三種跨徑的混凝土連續梁作了全面比較,見表1。換算每延米工程材料用量進行比較并考慮施工難易程度,60ｍ梁跨比較合適,因此本橋引橋跨徑確定為60ｍ。
(1)基礎型式橋址處北岸澳門側覆蓋層較淺,埋深30ｍ左右,下臥花崗巖,由北向南覆蓋層逐漸加深,凼仔側埋深達80ｍ,由于花崗巖強度較高,為充分發揮樁身材料強度,進一步減少橋墩基礎規模,每個墩設4根直徑1.5ｍ柱樁。承臺采用高樁承臺,利用當天低潮位時段,吊箱圍堰施工。
(2)上部結構引橋上部結構采用60ｍ預應力混凝土等高箱梁,梁高6.13ｍ,橫橋向為兩分離式單箱單室截面。每箱頂寬12.95ｍ,底寬9.5ｍ,腹板厚為0.5ｍ,頂、底板厚分別為0.25,0.4ｍ。主梁采用三向預應力體系。墩頂處主梁采用加強斷面,即在橋墩中心線沿順橋向左右各1ｍ的范圍內,將主梁的底板加厚至1.4ｍ,同時在箱內設加勁肋,增加主梁的橫向擋塊。加強斷面底板還設有橫向抗震擋塊,抵抗地震產生的橫向力。
5 結 語
澳凼三橋是世界上首座雙層交通預應力斜拉橋,該橋所在區域風速大,地震烈度高,景觀要求高。設計中顯示了預應力結構設計技術的突出創新,重點解決了:
(1)雙層受載的單室無隔板箱梁的技術關鍵。
(2)新穎別致具有鮮明地域特征的“ｍ”造型的主塔設計技術。主塔的“ｍ”造型象征ＭＡＣＡＵ的第1個字母,也寓意澳門的3個半島緊密相聯,同時也象征澳凼第3座大橋,主塔造型別致,為國際首創,促進了現代橋梁技術進步。澳凼三橋必將成為澳門的又一亮點。
3.2 橋式布置
主橋布置為:(5×60)ｍ+(2×60)ｍ+(110+180+110)ｍ+(9×60)ｍ+(7×60+45)ｍ=1825ｍ,其中(110+180+110)ｍ為預應力雙層交通斜拉橋,其余均為等高預應力混凝土箱梁。2×60ｍ為匝道與主橋連接異型段。
3.3 主孔跨徑確定
澳凼三橋通航等級為4000ＤＷＴ,速度為15節,主孔通航凈空不小于150ｍ,為防止失控船撞擊橋墩,確保大橋安全,航道兩側的主塔墩需采取有效的防撞措施,考慮基礎寬度及防撞設施寬度,主跨跨度確定為180ｍ,通航中心線作為主跨中心線。
3.4 橋梁橫斷面布置
本橋為雙層橋型,上層為雙向6車道,中間有欄桿,兩邊有人行道和護欄,下層為雙向4車道,另有2根?800ｍｍ的水管及7層電纜槽,還有通風系統、照明電力系統、消防安全及交通監控系統。為了使橫橋向受力合理、施工簡便,主橋橫向設2個分離的單箱單室截面,每箱具體布置如下。上層:0.2ｍ(護欄)+1.0ｍ(人行道)+0.5ｍ(路緣帶)+3×3.5ｍ(行車道)+0.5ｍ(路緣帶)+0.25ｍ(防撞欄)=12.95ｍ。下層:0.5ｍ(路緣帶)+3.5ｍ(行車道)+4.0ｍ(輕軌車道)=8ｍ;或0.5ｍ(路緣帶)+2×3.5ｍ(行車道)+0.5ｍ(路緣帶)=8ｍ。為設置主跨斜拉橋塔柱,兩箱之間間隙為3.1ｍ,異型段后兩箱梁之間間隙為0.1ｍ。斜拉橋橋面寬為15.95ｍ,主要是增加了斜拉索的錨固區。引橋箱梁及正橋斜拉橋的橫斷面具體布置見圖2。
圖2 引橋箱梁及正橋斜拉橋的橫斷面布置
4 橋梁結構
4.1 正橋
4.1.1 上部結構
4.1.1.1 總體布置
主橋采用豎琴式平行索面混凝土斜拉橋,跨徑組成為(110+180+110)ｍ,全長400ｍ,兩邊跨縱坡為5%,中間以Ｒ=3500ｍ豎曲線相連。邊主跨比為0.611,梁高6.13ｍ,梁上索距為10ｍ。
4.1.1.2 支承體系
斜拉橋邊墩設豎向活動支座,塔梁交叉處設橫向、豎向支座,斜拉橋的縱向位移約束采用全縱漂體系,采用該種布置的主要因素如下:主跨跨度不大,地震作用下縱向水平位移最大值為150ｍｍ,梁端伸縮縫的位移量能夠滿足要求;采用全縱漂體系,能使兩塔墩共同承擔地震水平力,避免單塔承受過大水平地震力;采用全縱漂體系能降低溫度效應;因該箱梁底不能設隔板,無法設置在其他斜拉橋上經常采用的彈性索。
4.1.1.3 主梁
(1)結構型式箱梁為薄壁箱形截面,梁高6.13ｍ,橋面設1%橫坡,為改善箱梁整體受力性能,在各支點底板加厚至1.4ｍ,相應在兩側腹板內側加豎向隔板,頂板底加一橫肋以減小箱梁的翹曲及畸變應力。為了使斜拉索的索力能有效地傳遞至全截面,斜拉索錨固點截面內側需同支點截面一樣加強。本橋主梁采用三向預應力結構。在箱梁腹板與底板結合區,同時集中了底板橫向預應力錨固區、豎向預應力筋錨固區、縱向預應力鋸齒塊,為了盡可能減小張拉槽對截面的削弱,在箱梁底、腹板外側設置馬蹄形梁檐,將底板橫向預應力錨固于其中。斜拉索梁上錨塊設置于主梁翼板之下。箱梁內下層通行車輛,需要在箱內安裝排風、防火、消防等設備,在豎向凈空受限制的條件下,應盡量利用橫向空間。箱梁底板寬度對箱梁受力十分敏感,在滿足通車凈空的條件下,應減小底板的橫橋向受力跨度以改善箱梁的受力狀況。因此,箱梁采用斜腹板型式,該種截面布置能縮短斜拉索的傳力途徑,有效傳遞斜拉索索力。此外,斜腹板的景觀效果較直腹板佳。本橋高跨比為1/29.4,梁高相對較高,為了不致給人以沉重感,在箱梁外側設檐板,以增加梁體的層次感,同時在箱梁腹板中部開設圓形窗戶,縱向按一定規律排列,以增加橋梁的虛實統一性,開設圓形窗戶也有利于箱體內的排風及排煙。內外側腹板窗戶交錯排列。沿橋縱向,在梁內側沿底板每隔4ｍ伸出牛腿,以支撐過橋水管。
(2)索距的確定相對剛度較大的主梁而言,主塔剛度較柔,從結構受力上分析,該橋屬部分斜拉橋,斜拉索的力只是將主梁部分荷載通過索力傳遞到主塔。經過比較,6,7,8,10,12ｍ五種索距均能滿足受力要求。最后決定采用10ｍ索距,主要有如下幾個因素:索距加大,①能減少施工節段,減少工期,加快施工進度;②視野開闊,景觀效果好;③透空率高,抗風性能好;④能充分發揮每根索的強度,提高斜拉索的使用效率。但過分加大索距,會造成施工節段過長,重量過大,增加施工難度,提高施工成本。
4.1.1.4 斜拉索
斜拉索采用豎琴式平行索面布置,每片箱梁2個索面橫向間距為15.1ｍ。全橋橫橋向共4個索面,中間兩索面之間距離為0.9ｍ,共同錨固于主塔中塔柱,全橋共有96根斜拉索。
4.1.1.5 主塔
主塔采用Ｂ50混凝土,自承臺以上塔高85.183ｍ,橋面以上48ｍ。主塔橫橋向呈“ｍ”造型,共有3個塔柱,兩邊塔柱位于主梁外側,中塔柱位于兩主梁之間。在塔梁交叉處梁底及塔頂設橫梁連接,使之成為框架結構,見圖3。塔柱按其部位分為3個區域:下塔柱區、中塔柱區、斜拉索錨固區。
圖3 主塔布置
主塔柱順橋向自上而下等寬,寬度為5.5ｍ,橫橋向均為3ｍ。塔柱截面采用單箱單室。下橫梁為單箱單室截面,高4.0ｍ,寬4.0ｍ,為了適應橫梁端部受力需要,在橫梁與塔柱交接處對橫梁截面進行了局部加強。上橫梁為單箱單室截面,橫橋向梁底設橢圓線形。上、下橫梁均為全預應力構件。斜拉索直接錨固于塔柱內壁的鋸齒塊上,為了平衡斜索在塔柱截面產生拉力,在塔柱四周均布置有后張預應力筋。
4.1.2 下部結構
主塔基礎采用3個分離式承臺,承臺頂高程-20.0ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ),承臺底高程-23ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ),上下游側塔柱承臺橫橋向寬8.6ｍ,順橋向長10.6ｍ,每承臺底設4根直徑2.2ｍ的鉆孔樁。中間塔柱承臺橫橋向寬度11.6ｍ,順橋向長12.6ｍ,設7根2.2ｍ鉆孔樁,呈梅花形布置。所有樁按柱樁設計,嵌入微風化巖層。
4.2 引橋
在引橋設計中,分別對50,60,70ｍ三種跨徑的混凝土連續梁作了全面比較,見表1。換算每延米工程材料用量進行比較并考慮施工難易程度,60ｍ梁跨比較合適,因此本橋引橋跨徑確定為60ｍ。
(1)基礎型式橋址處北岸澳門側覆蓋層較淺,埋深30ｍ左右,下臥花崗巖,由北向南覆蓋層逐漸加深,凼仔側埋深達80ｍ,由于花崗巖強度較高,為充分發揮樁身材料強度,進一步減少橋墩基礎規模,每個墩設4根直徑1.5ｍ柱樁。承臺采用高樁承臺,利用當天低潮位時段,吊箱圍堰施工。
(2)上部結構引橋上部結構采用60ｍ預應力混凝土等高箱梁,梁高6.13ｍ,橫橋向為兩分離式單箱單室截面。每箱頂寬12.95ｍ,底寬9.5ｍ,腹板厚為0.5ｍ,頂、底板厚分別為0.25,0.4ｍ。主梁采用三向預應力體系。墩頂處主梁采用加強斷面,即在橋墩中心線沿順橋向左右各1ｍ的范圍內,將主梁的底板加厚至1.4ｍ,同時在箱內設加勁肋,增加主梁的橫向擋塊。加強斷面底板還設有橫向抗震擋塊,抵抗地震產生的橫向力。
5 結 語
澳凼三橋是世界上首座雙層交通預應力斜拉橋,該橋所在區域風速大,地震烈度高,景觀要求高。設計中顯示了預應力結構設計技術的突出創新,重點解決了:
(1)雙層受載的單室無隔板箱梁的技術關鍵。
(2)新穎別致具有鮮明地域特征的“ｍ”造型的主塔設計技術。主塔的“ｍ”造型象征ＭＡＣＡＵ的第1個字母,也寓意澳門的3個半島緊密相聯,同時也象征澳凼第3座大橋,主塔造型別致,為國際首創,促進了現代橋梁技術進步。澳凼三橋必將成為澳門的又一亮點。
