港珠澳大橋淺水區非通航孔橋組合梁下部結構設計

唐 斌 王東暉 別業山

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司， 武漢 430056)

港珠澳大橋淺水區非通航孔橋組合梁下部結構設計

唐 斌 王東暉 別業山

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司， 武漢 430056)

港珠澳大橋淺水區非通航孔橋采用85 m連續組合梁橋形式，非通航孔85 m跨下部結構是控制工期的關鍵工程。文章結合港珠澳大橋工程實踐，詳細闡述了85m連續組合梁下部結構設計特點，對預制墩身、鋼管復合樁基礎、埋置式承臺新技術等方面進行探討，承臺和墩身均采用預制施工法，具有施工速度快、質量有保證、結構耐久性好等優點。港珠澳大橋采用的全世界首例預制承臺墩身整體設計、吊裝施工方法，埋置式承臺、鋼管復合樁的設計理念為今后的跨海大橋建設提供可靠的技術支持，具有重要的工程實踐意義。

港珠澳大橋； 預制墩身； 濕接縫； 埋置式承臺； 鋼管復合樁

1 概述

1.1 工程概況

港珠澳大橋是中國首座涉及“一國兩制”、粵港澳三地首次統一使用國際建設標準、共同建設的具有重要戰略意義的世界級跨海通道。港珠澳大橋設計使用壽命為120年，東接香港大嶼山，經大澳，跨越珠江口，西接廣東省珠海市和澳門特別行政區。淺水區非通航孔橋采用85 m連續組合梁，5～6孔一聯，全長為5 440 m[3]。九洲航道橋以東布置53孔，以西布置11孔。橋面總寬為33.1 m，采用整墩分幅組合梁布置型式，兩幅主梁中心距16.8 m，橋梁中心線處梁縫寬為0.5 m，單幅橋面寬16.3 m，主梁中心處梁高4.3 m，橋面橫坡2.5%。主梁采用“開口鋼箱+混凝土橋面板”的組合結構，下部結構采用整體式布置，鋼管復合樁基礎，埋置式承臺[2]，承臺和墩身均采用預制施工。

1.2 水文與氣象概況

橋區天氣特點溫暖潮濕，氣溫年相差不大，降水量多且強度大。設計高水位3.82 m，設計低水位-1.63 m。有車風按照橋面VZ=25 m/s。地表分類：A類，地表粗糙度系數α=0.1；靜陣風系數取1.38；橋址基準風速Vs10=47.2 m/s。

1.3 地質情況

本橋址屬第四系覆蓋層按成因時代及巖性特征劃分為5大層，1層為主要全新統海積相淤泥、淤泥質土，2、3層為晚更新統海河交互相黏性土夾砂層，4層為晚更新統河流沖積相黏性土夾砂，5層花崗巖風化殘積土。

基巖為晚侏羅世燕山第三期花崗巖，巖面較平緩，基巖全強風化發育，風化差異顯著，全強風化基巖中常夾有中微風化殘留體，中微風化巖面起伏大，局部地段基巖受構造擠壓影響，裂隙發育，巖體軟硬不均。局部發育安山玢巖巖脈。

1.4 技術標準

(1)公路等級：高速公路；

(2)設計速度：海中橋梁設計速度為100 km/h；

(3)行車道數：雙向六車道；

(4)設計使用壽命：120 年；

(5)建筑限界：橋面標準寬度33.1 m，凈高5.1 m；

(6)最大縱坡：≤3.5%；

(7)橋面橫坡：2.5%；

(8)設計荷載：將現行交通運輸部頒JTG D60-2004《公路橋梁設計通用規范》第4.3.1條規定的汽車荷載中規定的汽車荷載(公路-Ⅰ級)提高25%用于本項目設計計算。按香港《United Kingdom Highways Aency’s Departmental Standard BD37/01》規定的汽車荷載進行計算復核。

2 淺水區非通航孔橋下部結構設計

2.1 預制墩身結構設計及關鍵構造

淺水區非通航孔橋采用85 m 跨整墩分幅組合連續梁，墩身采用預制拼裝方案。墩身采用矩形空心墩，內部設縱向腹板1道，墩身四周設倒角。為適應上部結構分離式主梁布置，橋墩自墩頂以下6 m處橫向逐漸加寬至墩頂處的23.5 m，構成展翅結構。

為滿足墩帽結構受力，墩帽橫向配置預應力鋼束。墩身采用濕接縫，高墩區橋墩共設置2道接縫。第1道接縫設置在高程+8 m處，位于浪濺區以上；第2道接縫距墩頂8 m。低墩區橋墩共設置1道接縫，設置在高程+8 m處，位于浪濺區以上。其中低墩區中間墩基礎結構如圖1所示。

圖1 低墩區中間墩基礎(cm)

底節墩身與承臺一起預制安裝，墩身接縫采用濕接頭進行連接，在濕接頭處設置千斤頂可調整承臺安裝引起的傾斜度，確保墩頂平面位置準確；施工可操作性強，并且采用墩身濕接頭連接更為可靠。結構耐久性強，結構動力性能好，同時也避免了因采用預應力連接方案時預應力鋼束腐蝕或失效的風險。墩身現澆濕接頭混凝土外側設置預制擋墻，主要考慮了預制與現澆混凝土存在色差的問題，改善墩身外觀。其中低墩區墩身頂部濕接縫連接構造如圖2所示。

圖2 低墩區墩身濕接縫連接構造圖(cm)

2.2 預制承臺結構設計

為了盡量減少基礎的阻水率，港珠澳大橋非通航孔橋基礎均采用埋床法預制。預制承臺技術減小了施工難度，加快了施工進度，也提高了基礎的耐久性。高墩區承臺平面尺寸(16.8×12.1)m(橫橋向×縱橋向)，低墩區承臺平面尺寸(15.6×11.4)m(橫橋向×縱橋向)，厚度均為4.5 m，四周倒以圓角，以利脫模。承臺預制部分采用C45海工耐久混凝土；現澆部分采用C45微膨脹海工耐久混凝土。底節墩身和承臺一起預制，高墩區承臺及其底節墩身最大重量為2 650 t。低墩區預制承臺及其底節墩身最大重量為2 350 t。預制承臺采用四點吊裝,吊點布置在承臺4根角樁預留孔，吊點局部結構為鋼筋混凝土結構，在承臺預制時一起制作。預制承臺、底節墩身構件如圖3所示。

圖3 預制承臺、底節墩身構件示意圖

2.3 預制墩身和承臺耐久性措施

高程+8.0 m以上，預制墩身混凝土僅外表面采用硅烷浸漬進行防腐涂裝。高程+8.0 m以下，預制墩身內外表面采用硅烷浸漬進行防腐涂裝。預制承臺的頂、側面涂硅烷浸漬，這種方法使表面具有低吸水率、低Cl-滲透率的一種混凝土結構表面防腐方法。墩身浪濺區及以下(高程+8.0 m以下)的外層豎向主筋及外圈箍筋采用不銹鋼鋼筋[1]。

2.4 鋼管復合樁設計及特點

2.4.1 鋼管復合樁結構設計及創新

高墩區基礎采用6根鋼管復合樁，有鋼管段直徑220 cm，無鋼管段直徑200 cm，鋼管長度15～25 m，樁長27～78 m；低墩區基礎同樣采用6根鋼管復合樁，有鋼管段直徑200 cm，無鋼管段直徑180 cm，鋼管長度4.5～35.5 m，樁長12～85 m；樁基按行列式布置。樁底持力層為中風化或微風化花崗巖，嵌巖深度不小于4 m。鋼管材質為Q345C，鋼管制作按照主體鋼結構要求執行。

鋼管復合樁是一種創新型結構，鋼管約束了混凝土，可延緩混凝土受壓時的縱向開裂，而且混凝土可以延緩或者避免鋼管過早的發生局部屈曲，可以很好地發揮鋼材和混凝土2種材料的力學特性。鋼管使得核心混凝土受力和變形得到明顯改善，在荷載作用下，混凝土壓應力比無鋼管時明顯減小。鋼管復合樁具有良好的塑性和韌性，抗震性能好。

剪力環使鋼管復合樁中鋼管的受力及變形顯著增加, 剪力環則使其抵抗橫向變形能力顯著提高[8]。鋼管內設置多道剪力環，即根據受力需要在鋼管內壁按照一定間距，焊接多道環形鋼板，保障鋼管和混凝土之間豎向不發生相對滑移，傳遞混凝土與鋼管之間的剪力。剪力環增強了鋼管復合樁的整體性能，提高了其抗彎和抗壓剛度。在澆筑水下混凝土過程中，防止部分泥皮可能滯留在剪力環下方區域內，將剪力環設成梯形，從而更充分地發揮鋼管與混凝土的鑲嵌作用。剪力環如圖4所示。

圖4 剪力環示意圖(cm)

2.4.2 鋼管復合樁防腐措施

港珠澳大橋首次提出設計年限為120 年, 由于處于海洋環境, 鋼管復合樁如不采取防腐措施, 腐蝕會相當嚴重, 以至于影響結構安全, 縮短使用壽命[4]。為確保大橋使用年限, 必須對鋼管復合樁采取安全、可靠、完善、有效的防腐系統及相應的陰極保護監測分析系統。陰極保護措施是目前對水下區和泥下區鋼結構進行保護時應用最廣泛、最成熟有效的措施[5-7]。

鋼管外壁防腐分別對水中區和泥下區進行設計，即承臺以下約20 m范圍，采用高性能復合加強雙層熔融結合環氧粉末涂層，內層≥300 μm，面層≥700 μm，加強雙層環氧粉末涂層厚度為≥1 000 μm。其余部位采用高性能復合普通雙層熔融結合環氧粉末涂層，內層≥300 μm，面層≥350 μm，復合普通雙層環氧粉末涂層厚度≥650 μm。內層為耐腐蝕型涂層，面層為抗劃傷耐磨涂層。

鋼管內壁防腐方案按照普通級防腐涂層設計，全長范圍內壁均采用高性能無溶劑液體環氧涂層，涂層厚度≥200 μm；為了提高內防腐涂層與鋼管內部灌注混凝土的相對粘結強度，在內壁防腐涂層上再噴涂一層耐磨防滑涂層，涂層厚度≥50 μm。涂層具有耐蝕型、抗劃傷耐磨特性。

除了在鋼管內外表面噴涂防腐涂層外，鋼管復合樁還采用犧牲陽極陰極保護系統，犧牲陽極布置在墩身上，保證全天候浸泡于海水中，通過混凝土中預埋的電纜與海泥下的鋼管連接，能滿足港珠澳大橋120年使用壽命耐久性要求。該方案滿足橋梁主體結構和耐久性要求，對自然環境有良好的適應性，滿足港珠澳大橋工廠化、標準化設計標準。

3 淺水區非通航孔下部結構施工

采用專門設計的可調式導向架，以保證鋼管樁施工精確定位。打樁船施打鋼管樁至設計深度后，采用輕型優質環保泥漿護壁、回旋鉆氣舉反循環成孔工藝，樁基成孔后澆筑水下混凝土。

承臺、墩身均在梁場內預制，在梁場內設置墩臺的預制平臺，預制墩臺達到設計強度、齡期后，選擇適合的氣象水文條件，通過縱橫移設備將其移至出海碼頭前端，通過大型浮吊吊裝出海，運至設計位置處進行下放安裝。預制墩身、承臺的吊裝如圖5所示。

圖5 預制墩身、承臺吊裝

4 結束語

港珠澳大橋的建設將加速促進粵港澳區域經濟一體化發展，提升了珠江三角洲的綜合競爭力。港珠澳大橋主體工程設計壽命達120年，淺水區非通航孔橋大橋建設采用了“大型化、工廠化、標準化、裝配化”設計方案，同時也開展了預制承臺墩身整體設計、吊裝，埋置式承臺、鋼管復合樁的設計理念等多項技術創新，屬于橋梁建設史上世界性前沿課題之一，豐富完善了我國橋梁設計、建設技術，具有重要的理論意義和工程應用價值。

[1] 中鐵大橋勘測設計院有限公司.港珠澳大橋施工圖[Z].武漢: 中鐵大橋勘測設計院有限公司，2012. China Railway Major Bridge Reconn-aissance & Design Group Co., Ltd.Working Drawings of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge[Z].Wuhan:China Railway Major Bridge Reconn-aissance &Design Group Co., Ltd.，2012.

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Substructure Design of Composite Girders for Non-Navigable Span Bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge in Shallow Water Area

TANG Bin WANG Donghui BIE Yeshan

(China Railway Major Bridge Reconnaissance &Design Group Co., Ltd.，Wuhan 430056，China)

The non-navigable span bridge of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge in Shallow Water Area adopts 85 m continuous composite girders, the substructure of non-navigable spans is the critical works that controls the cons-truction time schedule. Combining with Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge engineering practice, the thesis makes detailed description about the design characters of substructure for 85 m continuous composite girders. The new techniques, such as precast concrete pier shafts, composite steel pile foundation, embedded pile caps are discussed. The method of prefabricate construction for pier caps and pier shafts is adopted, it has following advantages：rapid construction speed, quality assurance, good structure durability. Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge adopts the first case of design of precast pile cap and concrete pier shafts around the world, lifting construction methods, design idea of embedded pile caps and composite steel pipe piles, provides reliable technical support for cross-sea bridge construction in the future, it has important engineering practice significance.

Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge； precast concrete pier shafts； wet-joint； embedded pile caps； composite steel pile

2015-12-08

唐斌(1983-)，男，工程師。

1674—8247(2016)01—0074—04

U448.21+2

A