1996年8月Journal of Fuzhou University(Natural Science)Aug.1996
福建平潭海峡大桥方案设计
郭金琼 房贞政 陈宝春
(福州大学土木建筑工程系,福州,350002)
摘 要 平潭海峡大桥是一大型桥梁工程,桥位自然条件恶劣.本文根据该桥的实际
情况,通过精心分析、反复比较、科学论证、选取较理想的桥位和桥线、合适的堤桥比
例、经济的桥型、先进的结构、稳妥的施工方法和较短的工期,使桥梁方案在安全适用
的前提下达到最经济的目的.
关键词 海峡大桥;桥位;方案;设计;福建;平潭
1 概述
平潭县位于福建省东部沿海,126个岛屿组成.主岛海坛岛面积251km2,是福建省第一大岛,全国第五大岛.该岛东临台湾海峡,距台湾新竹仅68n amile.然而,由于被平坛海峡阻隔,平潭县离大陆最近处也在3km以上.目前对外联系主要靠小海轮与轮渡实现,运量小、时间长、遇不良天气,交通中断,严重制约了该县社会、经济的发展.
1992年,就修建平潭海峡大桥进行了预可行性研究.经过认真研究,反复讨论修改,提出研究报告初稿.1993年2月,福州市计委在福州主持召开预可行研究报告研讨会.会议肯定了福州大学为海峡大桥所做的开创性工作,建议在推荐桥位进行钻探以供进一步研究论证.之后,福州大学有关人员再次深入现场调查研究,收集资料,根据研讨会纪要精神和业主的意见,对预可行性研究报告进行了修改、补充、完善,提出研究报告正式文本.
该项目正式立项后,平潭县政府委托福建省工程咨询总公司对平潭海峡大桥设计方案公开招标,福州大学土木建筑设计研究院应邀参加,与同济大学建筑设计研究院桥梁分院组成联合投标体.本文主要介绍福州大学提交的主孔200m预应力混凝土连续刚构方案.
2 桥址自然条件
2.1 水文
桥位处潮汐属正规半日潮.潮波为前进波,方向向南,最大流速1.12am s,出现在高潮.最高潮位+7.48m,最低潮位-0.22m,平均高潮位+5.79m,平均低潮位+1.63m,平均潮差4. 54m,最大潮差7.16m.
自福清小山东到北青屿水深较浅,大部分区域为1～2m,近北青屿有6m.过北青屿出现深谷,最大水深达27m,范围约350m.过深谷区约有1000m长范围水深5～10m.再往前为主航道区,最大水深25m.靠平潭岸水深5～7m,局部10～12m.
本文收到日期:1995-12-31
郭金琼,男,1932年出生,教授
参加本桥方案设计的主要人员还有:郑振飞,毛承忠,郑振,赵振铭,张和秋,钱士塘
2.2 气象根据平潭海洋站1962年至1978年的风况实测资料,最大风速为34m s ,风向为ESE (1962年),SSW (1967年)和NE (1969年).据1979年至1993年风况实测资料,最大风速为30m s ,风向为NNE (1987年),ENE (1990年)和NE (1982年).常年风向为NNE ,频率为360Hz .1983年8月30日强台风,城关镇极大瞬时风速为57m s ,东澳海洋站观测达60m s .
平潭属亚热带海洋气候,夏长冬短,温热湿润,年平均气温19.6℃,年均日照1869.5h ,年平均降雨量1180mm .
2.3 工程地质
桥位处工程地质可划分为第四纪松散沉积和基岩两大部分.在松散沉积层内,除钻孔PE 5(桩号3K +460)有软塑至流动状粘性土软弱地基覆盖外(厚1.5左右),其余均直接覆盖着砂层,层厚5.9～24.5,
平均15.5.其下卧层为低液限高压缩性粘土层,属较软弱地基土层,厚5.5～24.6,海峡中部较厚,一般为10～20,两侧较薄.再下面为中粗砂或含粘土中粗砂层,为良好的持力层,层厚1.5～22.8.基岩除一孔(PE 3)为花岗闪长岩外,其余均为火山岩及其浅层相,其上部有不同程度的分化.基岩的容许承载力初估达4MPa 以上
.地震基本烈度查《中国地震烈度区划分图(1990)》为 度.
3 技术标准
1)桥面净空 按四车道不设人行道考虑,2×7.5+1.0
(分隔带)=16.0.m .2)设计荷载 汽-超20设计,挂-120
验算.3)桥上车速 不小于60km h .
4)通航净空 桥下以通行5000t 海轮为标准,通过净高32.5,采用90%保证率的高潮水位,净宽不小于100.
5)桥面坡度纵坡小于3.5%,横坡小于1.5%.
6)设计水位以1 300的高潮位+7.60为设计水位.
7)地震设防按 度设防.
8)公路接线两头接线按二级公路标准与福清真武殿至平潭苏澳公路相接.
4 桥位选择
4.1 预可研究桥位选择
预可研究时选择了3个桥位,见图1.
4.1.1 第一桥位(小山东-娘宫线)
桥位处于海坛岛西南角,现有轮渡航线北面,海面宽约3.2km .最大水深27,一般为1～
10.两岸有现成公路可连接,接线工程省.南面有5000t 杂货码头,施工条件好.
4.1.2 第二桥位(大丘-渔塘线)
该桥位在第一桥位以南,东接渔塘村后与岛上主干线公路相接,其至平潭县距离与第一桥位相当,西接福清市真大路终点大丘村,桥位处有可门岛与东进岛可资利用,距离约2.5km ,小于第一桥位.但桥位处深水区范围大且深,且有海底电缆干扰.
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2? 福州大学学报(自然科学版)第24卷
图2选择桥线图
4.1.3 第三桥位(松下-苏澳线)
该桥位在海坛岛西北角,西北接长乐
县松下村,东南接平潭苏澳.桥位处有大、
小练岛,苦屿及北限尾岛可资利用.该桥
位能将几个大小岛联接起来,对开发这些
岛屿十分有利.西北岸松下计划修建万吨
码头,北上可达长乐国际机场,西北方向
过福清市区接福厦公路.但桥位处有几处
海底深谷,最大水深达46.5,需建500跨
径桥梁跨越.
经比较认为第一桥位无海底深谷,水
深较浅,选用200左右跨径即可,无需修
建特大跨径桥梁,因而造价较低,工期也
较快,且处于规划实施中福清真武殿至平
潭苏澳公路二级路的路线上.预可行性研
究结果推荐第一桥位,并提出待地质钻探
后,在工程可行性研究中尚可作小范围移
动,以求得最合理经济的桥轴线.
4.2 设计方案的桥线选择
设计投标时采用预可研究推荐的第
一桥位,在该桥位划出A 、B 两线区域,要
求在该区域内选择桥位(图2).图1桥位平面图
通过综合比较,设计方案选择该范围的C -C ’桥位,见图2.C -C ’桥位线基本上与B -B ’线平行,在小山东一侧向北移动100,娘宫侧向北移动62.0.
C -C ’桥位两端接线线型好,小山东侧以R =600和R =400mS 形反弯与福清现有道路连结.平潭娘宫侧设R =600弯道与原有道路连接.接线土石方量比其他桥位省,且路堑大开?3?第4期郭金琼等:福建平潭海峡大桥方案设计
挖施工方便,拆迁房屋最少.从桥位冲刷槽水深情况看,A 线冲刷槽有3个.西深水槽最大水深32～34.8,水深20以上的范围(下称槽口宽度)有200.中深水槽在分流尾南部偏西槽,最大水深38.2,在A -A ’桥位附近为25.8,槽口宽50.东深水槽最大水深36.4,
槽口宽500.B -B ’线有2个冲刷槽,一个在北青屿外测最大水深24.03,
槽宽50;另一条位于娘宫一边水下岸坡外侧,最大水深24.6,20以上水深范围600.通航孔应布置在西侧深水槽,由桥位水深点位图及桥址地形图可见A 、B 二线区域-20等深线基本同宽,从水深来看,C 线与B 线接近,比A 线浅,这对建桥造价有很大影响.C -C ’线小山东侧向北移动100后避开了北青屿外侧槽底,对筑海堤更加有利.
从基岩埋深图看,C -C ’线基岩层面东侧高,向西倾斜,标高由-32.7～-54.6,通航孔处基岩平均埋深46.00左右.A 线岩石因分流尾与东侧的暗礁影响使层面变化复杂,一般埋深比
B 、
C 线浅
.在分流尾东侧深水槽处基岩平均埋深约40,其余为33.0～34.0左右.从基岩埋深比较可知C -C ’桥位通航孔以西的边孔基岩埋置较深对桥基不利,但结构设计改用摩擦桩,不利影响减小.
从工程地质调查报告分析,A 线深水槽两侧坡降陡,最大达18°34’,东深水槽东侧存在严重滑坡可能,单个滑坡体在斜坡上规模可达200～300,垂直厚度达6.其次工程地质灾害是深水槽不稳定.B 线、C 线处深水槽坡降缓,滑坡可能性比A 线少.但B 线在PE 4、PE 5钻孔附近有磁力异常带,判断存在有断裂,PE 5钻孔有钻杆放空现象亦是断裂带的佐证.此为B -B ’线不利地质条件.据福建省地震局对桥址区断层稳定性评判中指出近一万年以来没有活动迹象,认为桥区断层为非发震断层,属于较稳定的断层.因此只要桥基避开断裂带就不构成危害.此外,C -C ’桥位跨海长度为3390,比A -A ’桥位(总长3750)短得多.再有C -C ’桥位离金井码头已达千余米,对码头的影响不大.
5 桥型方案
5.1 桥型方案指导思想与构思
平潭海峡大桥规模巨大,资金筹措困难,控制总投资是首要因素.对于这样的长桥,大部分浅水区(水深20以下)应布置经济常规的预应力砼连续梁,以降低造价和保证施工.对深水区,根据其自然条件和通航要求宜选择150～200跨径的桥梁,在具有这样跨越能力的桥型中以预应力砼连续刚构较为合适.其它如斜拉桥,防腐和抗风问题突出,拱桥施工困难.因此,在预可行性研究中推荐采用预应力砼连续刚构主跨配连续梁的方案,桥梁从福清岸起至北青屿共长
510为海上筑堤,而后桥孔为50+75+150+75+
(10×50)+75+(4×150)+180+210+180+150+75+9×50,桥梁总长2770,加上海堤,共长3280.桥面纵面纵坡3%,最大跨径210.上部结构为连续刚构和连续梁,基础采用钢围堰明挖扩大基础及钻孔桩承台基础.
预可行方案提出的指导思想和构思,技术和经济上都是可行的.其它设计单位在“补充预可”和设计投标推荐方案中均予以采纳,选定的中标方案也是这一桥型,只是在主孔跨径和具体分孔布置上有所变化而已.
本文介绍的设计方案仍然遵循预可方案中提出的设计思想,考虑到桥位处风大浪高,基础施工困难,加大了跨径,减少了孔数,同时为降低造价,增加了海堤的长度.
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4? 福州大学学报(自然科学版)第24卷
5.2 桥梁总体布置自福清小山东岸0K +760起筑海堤1400,接桥梁1820,近平潭筑海堤170到4K +150,总长3390.
全桥分为3联,主孔段一联为5孔带伸臂连续刚构,两侧边孔段二联对称布置,为4孔带伸臂连续刚构,三联之间用简支挂孔连接.桥梁接海堤处为自由悬臂端,用搭板与路堤联接.全桥共15孔,14个墩,2个台.桥梁分孔为60+5×120+150+200+150+5
×120+60=1820,
见图
3.图3平潭海峡大桥总体图(单位:m )
全桥伸缩缝两处,均设在挂孔支承处.桥梁主孔处为通航孔,桥面标高根据通航要求确定.海堤路面按300年一遇高潮位及浪高确定,并考虑采用防浪墙防止海浪爬高.据此设计的主孔跨中桥面标高为43.98(未考虑竖曲线时为46.00),两边纵坡为3.4%,东西桥头桥面标高15.06,路堤一般设计标高10.20.
两头接线:福清小山东岸由小山东镇北面经其西面,用S 形曲线接现有公路;平潭娘宫岸,直接通过娘宫北面后,用弯道接上原有公路.接线线型平顺.
5.3 桥梁结构
桥梁结构为预应力混凝土双肢墩变截面连续刚构,钻孔灌注桩高桩承台基础.
主梁采用单箱室的宽箱薄壁截面,箱宽9,两侧各伸臂4,以满足桥梁总宽17的要求.变截面梁高:200跨径墩顶梁高11.0,为跨径的1 18.18,跨中3.5,为跨径的1 57.1(图4);150跨径墩顶梁高8.0,为跨径的1 18.75;跨中2.8,为跨径的1 53.6;120跨径墩顶梁高6.5,为跨径的1 18.46,跨中2.8,为1 42.9.各孔主梁除与墩壁相接处和悬臂端设横隔板外,跨中不设横隔板.为减轻桥面铺装重量,主梁顶板设1%横坡.
挂孔跨径20,采用分离式双箱截面,两矩形梁预制安装,两箱之间桥面板和两外侧悬臂板为现浇,两端设强隔板,主梁梁端为牛腿,腹板加强.
桥梁上部预应力体系,纵向采用钢绞线,0VM 锚,横向也是钢铰线,BM 15-4预应力体系,竖向为预应力高强精轧螺纹粗钢筋,YGM 锚.
200、150和120跨径的双肢墩中距分别为8.6、7.0和5.5,墩厚分别2.2、2.0和1.0,前两者为空心薄壁,后者为矩形截面.
桥梁基础为钻孔灌注桩高桩承台,柱径为2.5和2.2.通航孔主墩每墩采用9根52.5桩,考虑到船舶撞击,采用以双壁钢围堰内填沙筑岛消能防撞.6、9号墩采用8根52.5桩,其余为6根52.2桩.根据水深,覆盖层厚度等不同情况,桩基设计成摩擦桩、支承桩和嵌岩桩等形式.承台也根据水深及桩长等不同情况设计成单承台、双承台等.
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郭金琼等:福建平潭海峡大桥方案设计
图4200主孔一般构造图(单位:cm )
5.4 海堤问题
本方案考虑在海峡两岸(主要是在小山东岸)修筑较长的路堤,以压缩桥长.海堤总长计1570,最大填筑高度28,平均填筑高度15.断面形式按填筑高度不同分别为5以下、5～10、10～15、15～28四种不同形式.
根据考察,平潭县相似情况下的海堤使用情况良好.对本方案中的海堤,以浅层地质状况较差填土较高的1K +540和1K +800断面分析为例,前者最终沉降S c 为49cm ,抗滑稳定系数F s =1.17,后者的最终沉降为S c =104cm .这些沉降在3年施工期内将完成70%～80%.为适合建成后的沉降,本方案考虑先期采用沥青路面、立柱和插板式防撞防浪墙,待沉降稳定后再修筑刚性路面.这样既保证海堤的正常使用,又降低前期投资.修建海堤后对环境的影响,经福建省环保科研所环保评价认为可行.因此,修筑海堤在技术上可行.
采用较长路堤后,减少桥梁工程量约1 3,尤其是小山东岸1400海堤的修筑,避免了该海域风大浪高建桥施工困难,且桥、堤施工可同时进行,工作面大,缩短了工期.
路堤大量的土石方工程可由当地施工力量完成,能充分发挥当地的建桥积极性,且两岸地势较陡,土石方资源丰富,开采方便,还能挖山造地.据经济分析,路堤平均每延米造价仅7.38万元,若不筑堤而建桥每延米平均造价达17.28万元.因此,本方案在技术可行的前提下,采用较长的海堤,极大地节约了投资.
5.5 桥梁抗风抗震问题
5.5.1桥梁抗风验算风载取值
桥址处冬秋盛行东北季风,夏季盛行西南季风.风向频率NNE 为36%,NE 19%,SSW 9%,SW 8%.桥轴线走向为东西向偏北,对桥梁影响最大的风向应为NNE 和SSW .
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根据平潭海洋站1979年至1993年最大风速资料统计表明,NE 历年的最大风速平均值为23.4 s .根据补充资料,重现期为50年,NNE 方向风速为38.22 s .由此推算重现期为百年的风速约为40.16 s .
本方案10高程的设计风速暂取V 1 100=40 s .C -C ’桥位桥轴垂直线与NNE 向夹角约为
33°32’.结构设计验算用静风压力按公路桥规〔1〕和1974年《公路桥涵设计手册》〔2〕以及同济大
学风工程研究室推荐使用的公式进行计算,比较后确定.标高30处W =3.08kPa ,40处W =
3.35kPa .
5.5.2地震反应验算
根据福建省地震局闽赣地震地质工程勘察院对桥址进行地震危险性分析,提交“工程地震
技术报告”(以下简称“报告”
),给出50年超越概率10%,2%和100年超越概率10%,2%四种概率水准所对应的烈度值,它们分别为6.9、7.8和7.3、8.0.“报告”建议设防烈度对应于100年10%和2%概率水准和地震烈度进行验算.参考了已经做过的几座大桥,如上海南浦大桥、杨浦大桥、广东省虎门大桥、江苏省江阴大桥等,经验算认为“报告”中提出的100年超越概率10%的水准是安全的.设计方案暂按此概率进行验算.
结构地震反应采用谱理论计算,谱曲线采用“报告”中提供的设计地震动反应谱:
Β(t )=1+t (Βm ax -1)t 1(0≤t ≤t 1)
Βm ax (t 1≤t ≤t x )
Βm ax (t x t )c
(t x ≤t ≤8.0)桥型布置主孔在海峡东侧,钻孔PE 5附近,因此以上谱曲线中参数取“报告”中海峡东侧的数据,即取T 1=0.12s ,T g =0.8s ,Βm ax =2.65,c =1.6.
动力计算采用空间模式进行,利用同济大学抗灾防灾研究所国家重点试验室结构抗震研究组动力计算程序计算.
5.6 优化桥梁设计的措施
5.6.1 分孔优化
桥梁主孔处,以通航水位6.7标高计算,水深27～30的区域有595,且该处有地质断层,破碎带宽约100.采用200的主孔和150、120边孔的主孔段,五跨长740,深水处桥墩数量仅4个且避免桩基与破碎层相遇.主孔选择200,满足了通航净宽100的要求,减少了船撞的机率.
主孔段两侧的边孔段水深大部分在17～23之间,以120布孔,墩基的数量不多,其上部构造又在连续刚构的经济跨径之内.桥头处的悬臂端采用60,方便了悬臂施工和公路路堤的连接.
5.6.2 上部结构设计优化
大跨径混凝土梁式桥自重荷载占总设计荷载相当大比重,一般为85%以上.因此,在保证必要刚度的前提下,减轻上部结构自重是节约投资的主要措施.本设计采取如下措施:
1)采用三向预应力,以满足宽箱薄壁要求;
2)采用高标号混凝土,以提高截面有效承载能力;
3)顶板设1%横坡,以减轻桥面铺装重量;
4)采用强预应力钢束,避免构造要求而增大截面;
?7?第4期郭金琼等:福建平潭海峡大桥方案设计
5)应用现代箱形设计理论,对宽箱薄壁截面进行精确的结构分析,使可能做到既经济而又安全.
5.6.3 基础设计优化
由于本桥自然条件比较恶劣,基础工程造价占总造价相当大比重,因此必须精心设计,以求节约投资.主要措施是:
1)根据不同的自然条件,采用多种结构形式,在保证安全的前提下,采用最省方案.
2)采用较大桩径,尽量做成高承台的基础形式,以节约承台施工的围堰工程,边孔基础桩布置与墩身配合减薄承台的厚度,纵向起系梁作用.
5.6.4 上部结构与桥墩的连接
全桥上部结构与桥墩均采用刚性连接,不设支座.不设支座有以下好处:①节省施工时临时锚固;②节省昂贵的大型支座费用;③可以降低桥梁两端桥面标高,从而降低海堤标高,减少工程量;④省去支座的防护及养护工作.
5.7 主要工程材料数量及经济指标
全桥所需主要工程材料数量如表1.工程总造价43049万元,平均每延米造价12.70万元;其中桥梁造价31455万元,平均每延米桥梁造价17.28万元;海堤造价11594万元,平均每米海堤造价7.38万元.
表1 全桥主要工程材料数量表
项目
上部结构下部结构海堤合计混凝土 m
32837531447559850钢铰线 t
17411741钢筋及钢材 t
330230116313石方 m 312024*********
6 施工方法
6.1 基础及桥墩
钻孔桩施工采用下沉钢护筒,并在其上架设钻孔平台,然后进行钻孔施工.钢护筒采用?=12m 钢板卷制,用打桩船打桩,结合振动下沉.一般要求入土深度不少于12,然后,在护筒外安设牛腿及架设平台构架,形成钻孔平台.钻孔采用回旋钻孔及钻岩.至设计标高后,吊放钢筋笼,水上混凝土拌和站供给混凝土浇筑水下混凝土.
一般边墩承台采用钢浮箱施工.吊放钢浮箱后,先打封底混凝土,然后抽水浇筑承台钢筋混凝土.采用上、下双承台的主墩,采用双壁钢围堰浇筑承台,先浇筑下承台.填砂再抽水浇筑上承台.
墩身有两种形式:一是薄壁空心的,一是实心的.桥墩施工均采用整体式钢模分节段浇筑,混凝土浇筑采用泵送.
6.2 主梁施工
0号、1号梁段采用支架浇筑,利用墩壁支承,辅以钢架支撑.钢托架由二部分组成:一是墩壁间施工支架,二是墩壁外另设扇形支架.钢模板,水上拌和站供给混凝土,泵送混凝土施工.其余梁段悬浇,每个梁段重控制在200t 左右,采用钢结构挂篮悬臂浇筑施工.
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边孔桥墩为三等跨连续刚构.刚构合拢采用先合拢两侧跨,形成Π型结构,再合拢中跨的方法.主孔桥段为5孔不等跨连续刚梁,合拢程序也是对称从两边跨开始,每合拢一跨,接着单悬臂浇筑不平衡梁段,直至最后中跨合拢.
采取上述施工程序,施工中桥墩受力最不利的情况为:T 构两侧伸臂75,而200跨大悬臂施工是在其邻跨已合拢的情况下进行,提高了悬臂施工安全度.
挂梁每根安装重约120t ,采用大型浮吊安装.2根挂梁之间桥面板及悬臂板立模现浇.
6.3 施工工期及进度安排
总工期为3年.为了保证按期完工,施工单位必须投入多套设备,多工作面同时施工.基础工程钻孔桩施工设备按周转3次计算,上部悬臂浇筑设备按周转2次考虑.
7 结语
在福建平潭海峡大桥方案设计中,提出了C -C ’桥线,具有总长度短,水深浅、桥头接线好且距轮渡航浅较远的优点.
预可行性所推荐的预应力砼连续刚构方案设计构思与指导思想,技术上可行、经济上合理.在预可研究中采用了较小跨径、较多孔数的方案,目的是降低上部构造的造价.经过深入研究,方案设计时认为,虽然小跨多孔方案估算总造价较低,但由于该桥风大、水深、浪高,基础及下部施工困难,不可预见费用很大,且控制施工工期,因而方案设计时适当加大孔径,减少下部与基础的工作量,虽然其投资估算略高,但实际总体经济效益优于前者.
平潭海峡大桥桥位处海峡宽在3km 以上,为减小投资,从两岸筑堤,压缩桥长是必需的.在预可研究中采用510海堤.方案设计时,根据当地提供的生产经验认为可以增大长度到1570,经初步技术分析和环境分析是可行的.当然,桥位处的大规模筑堤尚无实践,因此筑堤试验可先于桥梁施工或与主孔同时进行,以便确定合适的路堤长度.无疑在技术与环保可行的前提下,海堤能长则长,这对降低造价,缩短工期是十分有利的.
参考文献
1 JTJ 021-89公路桥涵设计通用规范.北京:人民交通出版社,1989.27
2 《公路桥涵设计手册》编写组.公路桥涵基本资料.北京:人民交通出版社,1974.49～55
Conceptual Design of Pingtan Strait Bridge ,Fujian
Guo JinqiongFang ZhenzhengChen Baochun (Department of Civil and Architectural Engineering ,Fuzhou University ,Fuzhou ,350002)
Abstract The Pingtan Strait bridge in Fujian Province is a large bridge project with bad natural conditions in the site and short in investment capital .In this paper ,the bridge scheme is analysed carefully ,compared re 2peatedly ,proved scientifically and designed conceptually with the ideal location and axis ,appropriate ratio of the bridge to the bank ,economical bridge type ,advanced structure ,safty and reliable construction methods and short time for construction .This bridge is designed to be the most economical one under the prerequisite of safty and servicebility .
Keywords strait bridge ;bridge location ;scheme ;conceptual design ;Fujian ;Pingtan ?9?第4期郭金琼等:福建平潭海峡大桥方案设计