萬州長江公路三橋水景工程安全評估分析

管羽飛 楊光武

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司 武漢 430056)

1 項目概述

萬州長江三橋位于重慶市萬州區(qū)，連接萬州龍寶片區(qū)和江南新區(qū)，并通過南濱大道、北濱大道等道路連接國道G318，于2014年8月動工興建。同時，萬州長江三橋也是萬州準快速路內(nèi)環(huán)線的規(guī)劃跨江大橋，構成萬州中心城區(qū)兩岸之間便捷的交通通道，因而本項目具有公路橋梁和城市橋梁的雙重性質(zhì)。萬州長江三橋主橋為雙塔混合箱梁斜拉橋，主橋跨度布置為(4×57.5 m+730 m+4×57.5 m；橋面寬度36 m，雙向六車道布置道路等級為一級公路，兼城市橋梁交通功能[1]；主線橋設計車速為60 km/h；設計荷載為公路-I級，主橋橋跨布置和斷面布置分別見圖1、圖2。

圖1 萬州三橋主橋橋跨布置圖(單位：m)

圖2 萬州三橋主橋橫斷面布置圖(單位：m)

萬州三橋位于長江三峽庫區(qū)，大橋結合水景工程，為創(chuàng)建長江三峽文化旅游示范區(qū)增添了亮點[2]。水景布置在主橋跨中700 m范圍內(nèi)，單側共有233個噴頭，水景效果見圖3。

圖3 萬州三橋水景效果圖

2 水景對橋梁結構安全影響評估

2.1 增設水景工程橋梁結構靜力計算

主橋設計荷載為：①鋼橋面7.0 cm瀝青鋪裝，計42.7 kN/m；②人行道結構及欄桿重，13.64 kN/m；③檢查車軌道重，1.41 kN/m；④鋼箱梁自重，183.97 kN/m；以上恒載合計：241.7 kN/m；⑤活載：公路-I級，按JTG D60-2004 《公路橋涵設計通用規(guī)范》取值。

水景工程豎向荷載按照2.5 kN/m進行計算，主要結果見表1。

表1 增設水景前后橋梁結構靜力計算結果

水景荷載為2.5 kN/m，僅為橋梁恒載的1.0%。上述計算結果表明，橋上增設水景前后，主梁鋼梁應力最大值增幅1.86%，主梁混凝土應力最大值增幅0.77%，主塔最大應力增幅0.54%，斜拉索最大應力增幅0.94%，結構應力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可以認為水景荷載對橋梁結構的安全影響不大。

2.2 水景沖擊荷載對橋梁結構的影響

水景工程布置在主橋跨中700 m范圍內(nèi)，單側共設有233個噴頭，每個噴頭出水流速v=3 m/s，管道壓強P=98 kPa，管徑d=40 mm，可建立圖4所示力學模型。

圖4 噴頭噴水力學模型簡圖

根據(jù)恒定流動量方程[3]

∑Fy=ρQ(α02v2y-α01v1y)

(1)

由于等截面，不計水頭損失，取α01=α02=1，v1=v2=3 m/s,p1=p2=98 kPa。

流量Q=πd2v/4=π/4×0.042×3=3.77×10-3m3/s，帶入式(1)得

Ry=p2A2+ρQv2=98×103×π/4×

0.042+1 000×3.77×10-3×3=134.5 N

水流對橋梁的作用，暫按照靜力方法計算，經(jīng)計算每個噴頭反力為134.5 N。

將上述荷載按最不利單側加載方式進行計算，計算模型見圖5。

圖5 水景反力單側加載計算圖示

計算結果顯示，噴頭反力作用下，跨中產(chǎn)生1.6 mm位移，梁支點位置產(chǎn)生1 900 kN·m橫向彎矩。總體看，結構位移較小，增加荷載有限，對結構動力特性影響不大。

2.3 增設水景橋梁動力特性

增設水景后結構的動力特性見表2。經(jīng)計算，增加水景荷載對結構動力特性影響不大，可忽略不計。

表2 萬州三橋增設水景后橋梁動力特性表

3 水景對通航安全影響評估

3.1 通航標準

根據(jù)相關研究結論，萬州長江三橋通航技術要求[4]如下。

3.1.1通航標準

重慶萬州長江三橋位于長江干線萬州河段，航道里程334.1 km。該河段為三峽水庫常年回水區(qū)，航道等級為I級。

3.1.2航道尺度

目前，萬州河段航道維護尺度為：4.5 m×140 m×1 000 m，航道標志按一類標配布設。

3.1.3設計代表船隊

根據(jù)相關規(guī)劃及三峽建庫后航道條件，萬州河段通航代表船型如下。

1) 船隊。采用I-2級航道標準的3排3列船隊，尺度為：264 m×32.4 m×3.0 m(1 942 kW+9×1 000 t)。

2) 單船。選用“川江及三峽庫區(qū)運輸船舶標準船型主尺度系列”具有代表性的5 000 t級干散貨船，其尺度為：110.0 m×19.2 m×4.3 m。船舶空載時最大桅桿高度按17.5 m左右控制。

3.1.4最高、最低通航水位

1) 最高通航水位。依據(jù)三峽工程的前期研究成果，即三峽工程成庫淤積100年后，長江發(fā)生20年一遇的洪水時萬州河段的水位為175.96 m(吳淞)，相應黃海高程為174.22 m。

2) 最低通航水位。根據(jù)相關資料推算[5]，橋位處最低通航水位為145.5 m(吳淞)，相應黃海高程為143.76 m。

3.2 水景對行船安全影響

按照水景方案設計，在主橋跨中700 m范圍內(nèi)，單側設置233個噴頭，噴水流速v=3 m/s，噴水管徑d=40 mm，則噴水流量為

Q=n·π/4·d2v=2×333×π/4×

0.042×3=1.76 m3/s

換算成暴雨強度為

采用重慶市暴雨強度公式[6-7]計算，即：

式中：q為設計暴雨強度，L/(s·hm2)；p為設計重現(xiàn)期，取p=20，年；t為集水時間，取t=8 min。

上述計算結果表明：水景換算成的暴雨強度q1=474.7 L/(s·hm2)小于重慶市20年重現(xiàn)期的暴雨強度q2=513.86 L/(s·hm2)，開起水景下泄水量要小于暴雨強度水量。

同時，由于橋梁寬度僅36 m，如果船舶按5 kn較低速度行駛，輪船通過橋梁僅用時14 s。考慮到主橋跨度730 m，基本覆蓋全部可通航水域，因而可以認為，水景對通航安全的影響非常小。

從另一角度看，水景開啟時，燈光增加了橋下范圍的亮度，一定程度上提高了對水上障礙物的分辨率，有利于提高船舶駕駛的安全性。

4 水景對結構耐久性影響評估

4.1 萬州三橋鋼箱梁腐蝕影響分析

結合大橋環(huán)境，萬州三橋鋼箱梁腐蝕主要有以下2種類型。

1) 大氣腐蝕。大氣腐蝕特點與完全浸沒在電解液內(nèi)的腐蝕過程有所不同，因大氣腐蝕的鋼材表面含水分，相對濕度達70%時，還會在鋼材表面結露。因此，使得上述反應易于進行。主要可采用以下防治措施：①采用耐蝕鋼材。如摻銅、鉻、鎳等合金組合的低合金鋼，耐蝕性較好；②使用涂層和金屬鍍層保護；③降低大氣濕度。加強對橋梁結構的養(yǎng)護和管理，防止縫隙中存水、除塵、加入吸濕劑、除濕機，等等。

2) 淡水腐蝕。淡水中常溶解有鈣、鎂等礦物，其含量高時，稱為硬水。在硬水中，鋼材的腐蝕速度有所減慢，因為碳酸鈣等沉積在鋼材表面會阻礙氧氣通過，因而使腐蝕減慢。其主要防治措施有： ①涂覆防護；②減少水流的滯流度以避免沖擊腐蝕；③盡可能消除不必要的縫隙；④減少產(chǎn)生電化學腐蝕的條件；⑤減少物件的應力集中現(xiàn)象；⑥注意焊接加工雜散電流的影響。

萬州長江公路三橋鋼箱梁防腐涂裝按照JT/T 722-2008《公路橋梁鋼結構防腐涂裝技術條件》的相關規(guī)定，橋址腐蝕環(huán)境介于C3-C4之間，涂裝防腐設計年限為長效型(保護年限15～25年)確定鋼箱梁防腐體系。橋上設置水景，一定程度上會增加大氣濕度，使鋼箱梁處于干濕交替狀態(tài)，對鋼梁有一定的不利影響[8]。但是由于鋼箱梁表面有防腐涂層，同時水景用水經(jīng)過加工處理，水質(zhì)達到IV類及以上標準，減少了水景水質(zhì)中的有害離子對鋼梁的腐蝕[9-10]。同時，開啟水景，其流過或飄過鋼梁的水量小于降雨雨水量，其影響要小于雨水的影響。在后期運營過程中，只要加強對水景水質(zhì)的控制，嚴禁采用有腐蝕介質(zhì)的水質(zhì)，保證供水清潔、無腐蝕，也可降低鋼箱梁腐蝕風險。

5 水景對橋面行車安全影響評估

由于水景的噴射管嘴、投射燈均安裝在鋼箱梁風嘴處，橋面最外側車行道距離水景噴射管水平距離有5.5 m，并且噴射管向外側噴射，水柱方向是遠離車道方向，且高度方向不會超過橋面欄桿高度，可以認為水景不會對橋面行車安全造成影響，噴射管嘴橫橋向布置見圖6。

圖6 噴射管嘴橫橋向布置圖

但是需要注意的是，橋面車輛駕駛過程中，容易被水景景色吸引，引起駕駛員分心，造成非受迫性駕駛事故，因此后期需要加強橋面交通引導和教育，規(guī)范駕駛行為，減少橋面交通事故。

6 結論

1) 萬州三橋水景荷載僅為橋梁恒載的1.0%，橋上增設水景前后，各構件的應力變化不大，且均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可以認為水景荷載對橋梁結構的安全影響不大。

2) 水景換算成的暴雨強度小于重慶市20年重現(xiàn)期的暴雨強度，開啟水景下泄水量小于暴雨強度水量。同時，輪船通過橋梁用時很短，因而可以認為，水景對通航安全的影響非常小。

3) 水景對鋼箱梁的腐蝕小于雨水的影響，在后期運營過程中，保證供水清潔、無腐蝕，可大大降低鋼箱梁腐蝕風險。

4) 水景不會對橋面行車安全造成影響， 但是需要通過加強橋面交通引導、教育和規(guī)范駕駛行為來減少橋面交通事故。