上海長江大橋總體設計

上海長江大橋總體設計

1堤之間航道孔橋上海大橋是崇明河項目的組成部分。全長9.97公里。長興島水庫至崇明島水庫之間的水域全長約8.5公里。整個橋梁有一個1.43公里的主航道和一個0.44公里的輔助航道。非公海橋總長約6.6m，由50、60、70和105m組成。大橋近期按高速公路標準設計,雙向6車道,設計行車速度100km/h,橋梁預留遠期軌道交通空間。2施工條件2.1北港水域地形結合近幾年長江口整治工程,大橋所處的水港河勢基本穩(wěn)定。長興島地面標高約2.6~2.8m,大堤高程約5.8m;崇明島地面標高約3.3~4.6m,大堤高程約5.9m。由于受徑流和潮流的作用,水域部分水下地形復雜,北港水域江底呈現(xiàn)南北2個水道,南水道寬約4.2km,呈寬狀U字形,水深16~18m,江底略有起伏,幅度約3~4m;北水道寬約800m,最大水深約16m。2.2橋橋的百年一遇大橋地處長江三角洲外緣近海處,該區(qū)域屬亞熱帶海洋性季風氣候,受臺風影響較頻繁,百年一遇的設計風速為39.6m/s。橋位處漲、落潮流向與橋軸線基本垂直,潮流的運動形式為往復流,最大流速1.86m/s。實測最高潮位5.67m(吳淞高程),50年重現(xiàn)期最大設計波高H1%=3.4m。2.3軟土地區(qū)的缺失大橋線路較長,地層分布復雜,基巖埋藏在300m深度以下,系典型軟土地區(qū),全新統(tǒng)土層層底標高大約-45m起伏變化,其下為上、中更新統(tǒng)土層,由于長江河道的原因,場地缺失上海市統(tǒng)編的⑥層暗綠(褐黃)色粘土層和⑧層灰色粉質(zhì)粘土夾粉砂層。3建橋工藝設計根據(jù)上海長江大橋所處的地理位置、工程規(guī)模、工程特點,針對橋區(qū)各區(qū)段的自然條件,因地制宜進行橋梁結構設計,在滿足河勢要求、橋梁使用功能的前提下,借鑒國內(nèi)外特大型橋梁工程,基礎設計做到結構安全、施工便捷、景觀協(xié)調(diào)、造價經(jīng)濟,并應滿足耐久性的要求,力求反映21世紀先進的建橋水平。4下部結構設計整體結構大橋下部結構采用極限狀態(tài)設計,進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)計算,同時滿足構造規(guī)定和工藝要求。除按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)規(guī)定的荷載進行上部結構設計外,下部基礎結構還應考慮波浪力、水流力和船舶撞擊力等荷載。波浪、水流以及波流組合荷載按照《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)有關規(guī)定計算,船舶撞擊力作為偶然荷載參加荷載組合。根據(jù)設計規(guī)范并結合實際情況,下部結構設計所考慮的荷載及相關組合見表1。經(jīng)計算,橋梁下部結構設計控制工況基本上為荷載組合2。橋梁樁基設計采用“m”法進行空間計算,對于水平力大、抗彎能力要求高的樁基,鉆孔灌注樁采用變截面設計。5橋梁樁基設計5.1種新的對比分析橋墩基礎的沖刷深度不僅與墩位處的水文、地質(zhì)條件密切相關,而且與結構布置、基礎規(guī)模、形狀尺寸等有關,同時水工物理模型試驗與數(shù)學模型分析是確定基礎局部沖刷深度的重要依據(jù)。根據(jù)沖刷調(diào)查、橋墩沖刷深度計算、水工物理模型試驗與數(shù)學模型分析等方面的成果進行綜合考慮,在基礎設計時,全橋沖刷深度分區(qū)段考慮:淺水和淺灘區(qū)的沖刷深度為5m、深水區(qū)的為10m、主(輔)橋主墩的為15m、主(輔)橋輔(邊)墩的為10~13m。5.2樁底后注漿試驗根據(jù)地質(zhì)報告,場地沿線地層分布雖較為復雜,但在適當?shù)纳疃葍?nèi)均存在力學性能較好的砂層或粉性黏土層,一般比較理想的樁基持力層為⑦2灰色粉砂和⑨2灰黃~灰色含礫粉細砂層,原則上采用⑨2作為樁基的持力層,局部⑦2厚度較厚的區(qū)段可以根據(jù)樁基的可能貫入深度和計算承載力情況采用⑦2作為樁基的持力層。為確保鉆孔灌注樁的樁端承載力發(fā)揮,并減少沉降,考慮采用樁底后注漿工藝。根據(jù)地勘資料計算及所選持力層進行單樁容許承載力計算,計算結果見表2。在樁基施工前,對2根鋼管樁進行了靜壓試樁,對6根鉆孔灌注樁進行了自平衡測試試樁,以驗證與指導樁基的設計與施工。經(jīng)測試,試樁結果和理論計算均比較吻合,也驗證了《建筑樁基技術規(guī)范》(JGJ94-94)5.2.9條、5.2.10條在計算鉆孔灌注樁、開口鋼管樁單樁承載力計算時適用,計算時考慮樁底后注漿工藝對承載力提高的貢獻約25%。5.3樁型選擇與樁徑比較的選擇5.3.1合理采用鉆孔灌注樁以棧橋根據(jù)地質(zhì)條件,基礎宜采用樁基礎。根據(jù)橋墩所處地形、水深、沖刷深度、結構受力特征以及施工條件等綜合因素分區(qū)段進行上海長江大橋樁基樁型選擇。淺水與淺灘區(qū)段(非通航孔淺水區(qū)、輔通航孔和主通航孔)大部分范圍的水深較淺(潮位低時河床甚至露出水面),地質(zhì)松軟,現(xiàn)有場地不宜采用打樁船施工。若采用打樁船施工,則必須考慮候潮施工或采取清理河床淤泥的輔助措施,且候潮施工作業(yè)時間短、效率低,并且很可能擱淺,因此正常狀況下打樁船無法進行打樁,推薦采用鉆孔灌注樁輔以棧橋的施工方案,即利用棧橋搭設鉆孔平臺及運輸材料,同時主橋與輔橋橋墩由于樁基受力大,結合樁基布置需要,設計時采用大樁徑的鉆孔灌注樁。非通航孔深水區(qū)不宜采用鉆孔灌注樁,主要原因在于:大范圍設置臨時水上工作平臺造價大;受大風、大浪等不良天氣影響大,施工作業(yè)不連續(xù);施工抗風險能力較差。另外深水區(qū)基礎受波浪力等水平荷載要比淺水區(qū)大很多,由于鋼管樁施工成斜樁,可以承受較大的水平力及彎矩,經(jīng)濟性較好,同時借鑒東海大橋、杭州灣大橋鋼管樁的成功應用,在目前具有的沉樁技術設備條件下,鋼管樁可以實現(xiàn)現(xiàn)場整根吊打,樁基質(zhì)量有保證,且有較高的施工工效,綜上所述,推薦采用鋼管樁。5.3.2樁徑選擇對于深水區(qū)推薦采用的鋼管樁和淺水與淺灘區(qū)推薦采用的鉆孔灌注樁,做進一步的樁徑比選。根據(jù)比選結果,具體樁基設計參數(shù)見表3。5.4平臺設計和單元配置5.4.1外沿面為曲面水中承臺除承受上部結構荷載外,還將長期承受較大的水流、波浪等荷載作用。由于漲、落潮流向與橋軸線基本垂直,外形應優(yōu)先考慮采用流線型,以較大幅度減小這部分荷載的作用效應。因此,結合樁基布置,橋墩承臺基礎采用多邊形的流線型結構,在承臺角位置設置圓弧形倒角,承臺頂面設置倒角,以減少承臺混凝土材料用量,減少波浪力。5.4.2樁身斜率設計樁位的布置要滿足近、遠期結構受力要求,對于鋼管樁還必須結合打樁船的性能、水流條件、避免碰樁等綜合考慮。鋼管樁樁身斜率采用4∶1~8∶1,結合船長、樁架前懸、拋錨纜繩位置等,將樁基與橫橋向夾角布置為≤45°,以避免打樁船橫流打而影響打樁質(zhì)量;同時必須避免空間2樁之間偏移規(guī)范允許的偏差后碰樁。主橋主墩、輔橋主墩、淺水區(qū)60m橋跨、深水區(qū)70m橋跨基礎布置示意見圖1。5.4.3樁承臺結構軟土地基中樁基礎的最終沉降分析是比較復雜的,尤其對于斜樁基礎的高樁承臺結構,規(guī)范并沒有給出直接的計算方法。主要根據(jù)上海市《地基基礎設計規(guī)范》(DGJ08-11-1999)有關規(guī)定分析計算,工程一般非通航孔基礎的最終沉降不超過2cm,不均勻沉降在1cm以內(nèi)。5.5鋼套箱的防護主橋與輔橋近期均利用承臺施工鋼套箱作為緩沖、消能裝置,加長、加強鋼套箱的下部,使鋼套箱高度滿足保護樁的要求;遠期視鋼套箱的使用情況,如不滿足使用要求可安裝新的鋼結構緩沖、消能裝置,即在永久結構基礎周圍建造獨立防撞體。防撞措施主要保證在發(fā)生船撞時,保護主結構局部不受損傷,減少船舶受損程度。非通航孔基礎強度滿足船撞要求,必要時可根據(jù)航道布置情況,有選擇地在一些基礎上設置緩沖、消能材料,以保護主體結構和船舶。5.6鋼管樁基礎施工鉆孔灌注樁樁基施工的區(qū)域采用常規(guī)的搭設棧橋及施工平臺的方法施工,承臺采用有底鋼套箱進行施工,墩身采用現(xiàn)澆。利用打樁船(機)插打鋼管樁,在江中搭設棧橋或水上鉆孔工作平臺。平臺施工完成后,用浮吊和振動打樁機插打鋼護筒,采用反循環(huán)法成孔。下鋼筋籠后,用水上混凝土工廠生產(chǎn)混凝土,澆筑樁身水下混凝土。樁端采用注漿加固。完成鋼套箱水下混凝土封底后,施工承臺。鋼管樁樁基施工區(qū)域采用大型打樁船整根插打,承臺采用鋼套箱施工,墩柱采用預制吊裝施工。對于高度≤14m,重量≤400t的墩柱考慮整體吊裝,否則采用2節(jié)吊裝,2節(jié)墩柱之間及墩柱和承臺之間采用現(xiàn)澆混凝土接頭,現(xiàn)澆段混凝土中摻加聚丙烯腈來防止收縮裂縫。6廣場柱設計6.1橋橋塔內(nèi)墩柱分離主橋橋塔為人字形獨柱鋼筋混凝土塔,橋塔斷面自下而上由大變小,向上呈挺拔之勢。塔底標高7.0m,塔頂標高216.322m,標高61.002m以上為單箱單室矩形截面,橋面以下通過分叉變成2個單箱單室截面。除主橋橋塔外,根據(jù)道路及上部結構布置,墩柱沿橋梁中心線左、右分離成2個。經(jīng)過比選,墩柱基本形式均采用空心薄壁墩,截面采用單箱單室,外形為矩形,四角設圓弧。圖2為深水區(qū)70m橋跨墩柱構造示意,橫斷面與縱斷面皆上下大小有變化,墩柱下段為直線,墩頂橫橋向設弧線形變寬,柱頂順橋向寬度考慮上部架梁時臨時支座位置的需要適當放寬。6.2聯(lián)橋梁墩柱的縱向剛度由于軌道交通相關技術研究推薦采用無縫線路方案,對每聯(lián)橋梁墩柱的縱向水平剛度有相關要求,因此根據(jù)每聯(lián)橋的實際情況,可適當增加固定墩,提高橋墩縱向剛度以滿足要求。根據(jù)專題研究的結果,墩柱、樁基均能滿足要求。7混凝土保護設計本工程受鹽水交替惡劣環(huán)境條件的影響,其耐久性是結構設計的關鍵。橋梁設計使用壽命為100年,故在設計方面主要采取以下措施:(1)采用高性能混凝土以提高混凝土密實度及抗氯離子滲透能力。(2)適當增大混凝土保護層厚度。(