上海吳淞口國際郵輪碼頭工程引橋設計

黃向平，楊偉佳

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海市 200030)

1工程概況

吳淞口郵輪碼頭位于上海寶山吳淞口，作為世博配套工程，必須在世博前投入使用。作為上海窗口的郵輪碼頭工程在設計中，非常注重景觀性，同時工期也非常緊迫。碼頭引橋的荷載及上部結構計算按公路-I級荷載和相關橋梁結構要求進行，下部結構則為水工構筑物，須考慮水流、波浪對橋梁基礎結構的作用和橋梁結構耐久性的要求以及水上施工的可行性。根據總體設計，碼頭上設有一棟聯檢大樓，除交通外還有大量管線通過引橋。碼頭所處區域，船只密集，橋梁還有被船只撞擊的風險性。受多種因素的限制，本橋設計有如下特點：荷載大，景觀、防撞、防腐要求高。引橋總長約450 m，寬15 m。引橋設4跨一聯，每2跨設一個景觀平臺，見圖1。

圖1 吳淞口游輪碼頭

2 引橋總體設計思路

作為郵輪碼頭引橋，引橋的線形受到很多條件限制。為順接陸域和碼頭，引橋平面半徑為1 995 m的圓曲線。縱斷面為順接碼頭和陸域標高，從景觀考慮，引橋縱向設平坡。該區水域設計高水位標高為4.01 m，極端高水位約5.87 m，橋面標高約7.6 m。為使箱梁梁底在高水位之上，梁高不能超過1.8 m。照“安全、經濟、適用、美觀”的原則，盡量選擇合理的相同跨徑來布設，以方便施工，并達到均勻和諧的效果。跨徑太小，橋墩太密，下部結構過多，造價過高，且不美觀；跨徑太大，則梁高較大，對施工機械設備，都有較高的要求，同時梁高較高，看起來有厚重感，不美觀，且造價也將提高。綜合以上因素，但是受梁高的限制，直線段主引橋橋梁跨徑選擇為30 m。

考慮到本工程橋梁位置隸屬于海洋環境，應盡量選用外表面積較少的斷面，有利于防腐。本工程引橋有一定長度，且無通航要求，采用梁橋比較經濟、美觀、合理。梁橋中也分空心板梁、T梁、箱梁。空心板梁施工簡單，也比較經濟，但是需要蓋梁，美觀稍有不足，且跨徑一般不宜超過25 m。T梁跨越能力稍強，最大跨徑能到50～60 m，可采用預制吊裝的工藝，缺點是外表面積太多，不利于結構防腐，而且也不美觀。且跨徑大了后梁高也較高，T梁也需設置蓋梁，美觀性較差。箱梁外表面簡潔大方，結構整體性好，抗扭轉效果好，有利于防腐。

經綜合比較，引橋方案標準段從景觀要求選定采用跨徑適中的30 m跨徑等高預應力混凝土連續箱梁橋。橫斷面采用弧形橫斷面。橫斷面布置見圖2。

圖2 引橋方案標準段橫斷面(單位：mm)

每隔一跨設觀景平臺，觀景平臺尺寸為半橢圓形，橢圓長軸為5 m，短軸3 m。

3 引橋結構設計

3.1 樁基

一般港口、橋梁工程中常用樁型有預應力混凝土方樁、高強度預應力混凝土管樁(PHC樁)、鋼筋混凝土灌注樁、鋼管樁等。

鋼管樁相對于混凝土樁，樁身的抗彎抗拉能力強，自重輕，耐錘擊性能好，施工快速，適合于水深大，可能有船只碰撞發生的情況。本工程所屬區域為于吳淞口錨地，小型船只眾多，船只撞擊橋梁的概率較高。而且大部分引橋水域的水深條件較好，適合打樁船施工。標準段橋墩樁基推薦采用鋼管樁。A3～A15橋墩承臺下設置6根1 m直徑的鋼管斜樁，計算樁長65 m左右，持力層選用7層粉砂層，計算單樁極限承載能力標準值為7 500 kN。鋼管樁采用適當預留壁厚和涂環氧類重防腐涂料的方法防腐。A1～A2兩個橋墩，根據現場情況，近岸的灘地堆有較厚的鋼渣堆，為方便施工，考慮采用沖孔灌注樁。具體每個承臺采用5根直徑1.2 m，混凝土標號C40的沖孔灌注樁，估計樁長65 m左右，持力層選用7層粉砂層。計算單樁極限承載能力標準值為7 300 kN，見圖3。

圖3 鋼管樁

3.2 承臺

承臺大部分采用為高樁承臺，考慮施工的可操作性，布置如下：

A1～A2承臺標高設在2.3 m，其余承臺標高設在2.8 m。根據設計水位，承臺在常水位大部分不露出水面，在高水位不露出水面。

A1～A2承臺形狀選用矩形帶圓倒角，尺寸為6.6 m×6.6 m；A3～A18承臺形狀選用橢圓形，平面上迎水面呈半圓型，尺寸為6.9 m×4.5 m，承臺采用C40現澆鋼筋混凝土，水上部分采用鋼套箱施工方法施工承臺，見圖4。

3.3 橋墩立柱

A1～A15標準段橋墩立柱采用獨柱Y型花瓶狀橋墩(見圖5)，線型由多段圓弧組成，線條流暢優美。立柱底面尺寸2.5m×1.2m，頂面尺寸4.3m×1.8 m。高度2.75～3.25 m。

圖5 標準段橋墩立柱

3.4 箱梁

3.4.1 箱梁施工方法

連續梁上部結構的設計和施工方式密切相關。可以采用滿堂支架施工方法，少支架施工方法以及架橋機逐孔現澆施工方法。由于本橋橋梁長度短，采用架橋機不經濟。水深較深，采用滿堂支架不現實，最終施工單位選用了打設臨時樁，用貝雷架的少支架施工方法。這種施工方法，箱梁設計計算可以按照成橋狀態計算，見圖6。

圖6 箱梁施工現場

3.4.2 箱梁縱向預應力設計

按箱梁為單箱兩室，梁高取1.7 m。中腹板厚度為45 cm，外腹板采用斜腹板，厚50 cm。和花瓶式橋梁相呼應。箱梁頂寬15 m，底寬7.5 m，頂板22 cm，底板25 cm。懸挑翼緣長約3.25 m，端厚20 cm，懸臂根部55 cm。

同普通陸上橋梁不同，本橋需要考慮高水位時的浮托力，除考慮規范的正常組合外，還需考慮有浮托力的組合。

上下緣最小應力見圖7。

圖7 上下緣最小應力圖

縱向鋼束采用18根Φs15.20-15的腹板通長束，4根Φs15.20-9的頂板束和8根Φs15.20-9的底板束。整個引橋共四聯，為不影響端部張拉，通長束端頭設在端部頂板上。為避免邊跨下方出現裂縫，底部端頭設單端張拉的鋼束。

3.4.3 箱梁橫向預應力設計

為滿足景觀要求，橫斷面采用整體感強的單箱斜腹板箱梁，箱梁底部采用曲線，使橋梁看起來更加動感現代。橫斷面內僅設兩個支座。

由于碼頭引橋上有座聯檢大樓，因此有大量管線要從引橋上過，水電專業提出，最小凈高要500 mm。本橋景觀要求很高，不允許橋下懸掛管線，那就僅能懸臂考慮了。同樣由于停車及景觀要求，人行道僅高于車行道20 cm，在懸臂處設計了管線溝。

同樣由于景觀要求，本橋除了設計普通欄桿外，還另外設計了景觀欄桿。景觀欄桿和景觀平臺錯開布置。原本的普通大挑臂變成錯綜復雜。引橋是邊施工邊設計，方案不斷調整。

橫向僅在景觀平臺處設計了橫向預應力筋，其它為鋼筋混凝土結構。懸臂處的荷載見圖8。

圖8 懸臂處荷載示意圖

3.5 引橋防沖系統設計

本橋的前提條件是該引橋下不通航。但是該區域屬于避風港，船只較多，使用中的長航碼頭離引橋更是非常近。引橋初步設計的時候，僅考慮上游小船失控撞擊橋墩的可能。實際施工期間就發生了一次船舶撞擊了施工中臨時導樁的事情。由于平時水位較高，船舶一旦撞擊橋梁，容易撞到上部結構。而上部結構為薄壁箱梁，是經不起撞擊的。為防止上游的停靠的船舶撞擊橋梁，不允許船舶靠近橋梁停靠。

在接近現有長航碼頭引橋處，用直徑1.0 m的鋼管樁設成鋼柵欄緩沖失控的船舶漂向引橋。根據公路橋涵設計通用規范，表4.4.2.1內河船舶撞擊力標準值，3 000 t極船舶撞擊力為1 400 kN，設作用在中間5排樁上。經Ansys軟件模擬，最大位移40 cm，鋼管樁應力達291 MPa，見圖9。

圖9 Ansys軟件計算示意圖

在每個橋墩的兩側方向20 m左右，設置一個防撞墩.防撞墩的作用是攔阻失控船舶撞擊下游橋梁，使其停止或大大減速，但在撞擊過程中，允許防撞墩被撞壞便于修復。引橋其它部分考慮100 t級船舶撞擊。防撞墩為圓形直徑4 m，底標高1.5 m，頂標高3 m，每個橋墩設三個直徑1.0 m的鋼管樁，兩個橋墩之間設兩根鋼管樁，間距10 m。鋼管和防撞墩的間隙用錨鏈相連，見圖10。

圖10 錨鏈連接鋼管和防撞墩間隙示意圖

考慮以下兩種工況，工況一：100 t船舶撞擊到承臺上。

承臺位移2.8 cm,鋼樁應力68 MPa，見圖11。

圖11 工況一示意圖

工況二：100 t船舶撞擊到中間兩根鋼樁上。

鋼樁位移2 cm,鋼樁應力243 MPa，見圖12。

圖12 工況二示意圖

根據計算結果，承臺自身的防撞能力是有富余的，但是一旦船只進入承臺之間，則無多大富余。

3.6 引橋與防洪堤、隧道工程的結合

引橋設計之初，后方陸域接線地塊的設計未定。但是引橋施工一半時，其它工程與引橋有交叉。后方陸地設有200 a一遇的防洪堤，且為了更大程度利用土地，將堤線設在A1位置。且防洪堤斷面為斜坡堤斷面，坡腳到到達A3橋墩，斷面對橋墩水平影響較大，見圖13。

圖13 引橋與防洪堤、隧道結合示意圖(單位：mm)

為配合整體工程進度和引橋的安全，同意業主將A0～A1跨取消，并將A1橋墩改造成具有擋土功能的橋臺，并說服防洪堤設計在引橋范圍不設斜坡堤，一定范圍內設直立式駁岸和橋臺相連接。

A0～A1，A1～A2之間還有兩條規劃隧道盾構通過，A0～A2均為直樁，為避免樁基離隧道邊線太近，A2橋墩往江側移了1 m，調整了下第一聯的跨徑。

3 .7耐久性設計

(1)所有橋墩和箱梁外側表面圖硅烷浸漬材料以防腐。支座采用球鋼支座，為滿足防腐要求，采用定制方法，采用不銹鋼，使球鋼支座滿足海港工程的防腐要求。

(2)保證混凝土保護層的厚度，所有鋼筋外側保護層要求凈保護層5 cm。

(3)預應力筋的耐久性防護措施：管道填充漿體中加入阻銹劑，采用塑料波紋套管，保證預應力鋼束的混凝土凈保護層。波紋管應采用高密度聚乙烯和聚丙烯塑料套管。

(4)預應力錨固端的耐久性防護：預應力錨固端的耐久性應通過錨頭組件材料、錨頭封罩、封罩填充、錨固區封填等環節提供保證。錨固端的防護工藝如下：錨頭封罩內部填充材料中加入阻銹劑，錨頭封罩采用高耐磨性材料。

(5)承臺表面設從中央到四邊的排水坡度，避免漲潮落潮后在承臺表面形成積水。

4 結語

隨著人們對橋梁的景觀要求日益提高，碼頭引橋的功能不僅僅局限于滿足使用功能要求。受到水上諸多條件的限制，景觀要求高的碼頭引橋的設計比公路橋梁考慮更多的因素。本設計可供同類橋梁參考。