長平高速公路松下跨海特大橋設計

■張 杰

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

長平高速公路松下跨海特大橋是銜接長平高速公路（長樂古槐至松下段）與福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋的一座特大橋，大橋于長樂市松下鎮大祉村東南側約800 m 入東海，終點接平潭海峽公鐵兩用大橋的公路部分。橋梁平面位于半徑1350 m的圓曲線上、緩和曲線及直線上。 主要技術標準：雙向6 車道高速公路；設計速度100 km/h；設計荷載公路-I 級。

大橋整幅橋寬35.5 m，采用分幅設置，單幅橋寬17.5 m， 其中左幅橋型總體布置為：2×(5×58 m)+3×(4×58 m)（共5 聯）預應力混凝土連續箱梁，右幅總體布置為：2×(5×58 m)+3×(4×58 m)+（46.742+49.5+49.5 m）（共6 聯） 預應力混凝土連續箱梁，右橋橋型布置如圖1 所示。 大橋上部結構采用58 m等跨、等高度預應力混凝土連續箱梁，移動模架逐孔現澆施工；橋墩采用空心薄壁式橋墩；基礎采用鉆孔灌注樁。

圖1 右橋橋型布置圖（單位：cm）

2 工程氣象、水文和地質

2.1 氣象

橋區屬亞熱帶海洋性季風氣候， 年平均氣溫19.5℃，7-9 月氣溫較高，最高37.4℃，1-2 月氣溫較低， 最低0.9℃。 年平均相對濕度80%， 年降雨量1200～1300 mm。 全年平均風速8.4 m/s，全年大于8 級的大風約60 d，7-9 月多臺風。 受海壇海峽地形影響， 工程區域的風向穩定， 主導風向為NNE和NE。

2.2 地形地貌

場區除長樂側橋臺屬剝蝕臺地地貌外，余均屬濱海地貌。 陸海相交于峭崖處，海域海底地形標高在－1.0～－10.0 m，平潮時海水深在1～10 m，地勢較平坦，微向海中傾斜。

2.3 水文

海域潮型屬正規半日潮，多年平均潮差4.2 m，多年平均高潮位2.39 m，平均低潮位為－1.89 m，平均海平面為0.25 m。 300 年重現期高潮位為4.88 m，100 年重現期高潮位為4.65 m。

2.4 地質

海床地層主要由沖積與海相沉積物組成，上部沖海積層總厚度約5～40 m， 下覆薄層風化巖層，基巖主要為晶洞堿長花崗巖。 橋區地層由上而下依次為：第四系長樂組沖海積層（Q4al-m）的細砂、粉質粘土、粗砂層；下伏基巖為燕山晚期侵入花崗巖。

2.5 地震效應及場地類別

工程場地抗震設防烈度為7 度，50 年超越概率10%的中硬場地的基本地震動峰值加速度A 為99.2～125.2 gal，歸屬于0.10 g 分區。 橋址區范圍內場地土類型屬中軟土，場地類別為Ⅱ類。

3 橋型方案構思

橋區平潮時最大水深約10 m，橋面高程在35～53 m，從造價、環保、景觀、耐久性及施工等角度考慮,上部結構宜采用50～70 m 的預應力混凝土連續箱梁。

中等跨徑海上箱梁施工方法主要有節段預制拼裝、整孔預制吊裝和移動模架施工[1]。 預制方案可減少海上作業工序及作業量，混凝土施工質量及工期有保障，但需大型預制場地及下海碼頭，若采用整孔預制吊裝，還需大型吊裝船，對水深也有一定要求，考慮到橋位附近缺少設置大型預制場及下海碼頭的場地，且近岸端水深較淺，因此本橋不考慮采用預制方案，最終采用結構整體好，耐久性有保證，水深、墩高及預制場地等外界因素對施工限制小的移動模架施工方案。

綜合考慮上下部結構工程數量、 橋梁整體景觀、減少下部結構對海床影響及移動模架承載力限值等因素， 本橋最終采用58 m 等跨預應力混凝土連續箱梁，其中右幅終點3 孔因需與公鐵大橋橋墩對齊設置，采用（46.742+49.5+49.5）m 布置。

4 橋梁結構設計

4.1 上部箱梁設計

4.1.1 構造設計

大橋上部結構按左右分幅設計，單幅橋主梁采用單箱單室斜腹板預應力混凝土箱梁， 頂寬17.5 m，底寬7.0 m，梁高3.5 m，主梁跨中斷面如圖2 所示。

圖2 主梁跨中斷面（單位：cm）

箱梁兩側懸臂長度3.85 m， 懸臂端部厚度18 cm，懸臂根部厚度55 cm。 頂板在箱室內凈跨為8.0 m, 橫橋向跨中頂板厚度28 cm， 腹板處加厚至55 cm。 箱梁底板厚度為28 cm，順橋向在墩頂附近局部加厚至75 cm。腹板設計為斜腹板,斜度為1∶2.1，腹板跨中厚度為50 cm，順橋向在墩頂附近局部加厚至100 cm。 路線直線段橋面設2.5%橫坡，圓曲線段設4%橫坡，橋面橫坡通過箱梁繞箱梁中心線實現。

4.1.2 預應力鋼束及布置

箱梁采用縱向和橫向雙向預應力體系，鋼束采用公稱直徑15.2 mm， 抗拉標準強度為1860 MPa的低松弛高強度鋼絞線， 錨下控制張拉應力σcon=1395 MPa。 縱向預應力鋼束按其位置分為3 種類型：腹板束、頂板束、底板束。 其中，腹板束采用15-27 和15-22 鋼絞線，頂板束采用15-12 鋼絞線，底板束采用15-27、15-22 和15-16 鋼絞線。箱梁頂板橫向預應力采用15-3 型（扁形錨），沿橋軸線按標準間距約0.5 m 布置，均采用交錯單端張拉。 縱、橫向預應力成孔均采用塑料波紋管并采用真空輔助壓漿工藝以確保管道密實。

4.2 下部結構

大橋橋墩高度約28～45 m， 綜合考慮受力、施工等因素，橋墩采用整體剛度大、抗扭能力強、施工工藝成熟的箱形薄壁墩。 根據墩高的不同，結合受力驗算，橋墩分為兩類，其中低墩區矩形截面尺寸為7.0 m×3.2 m，高墩區為7.0 m×3.7 m。左右幅1～3 號、右幅22～24 號墩承臺采用分離式承臺，其余橋墩承臺采用帶系梁的整體式承臺，承臺厚度3.0 m。 基礎采用2.5 m～2.2 m 的變直徑混凝土鉆孔灌注樁，按嵌巖樁設計。

4.3 耐久性設計

為滿足松下跨海特大橋100 年使用壽命的要求，采用了以下耐久性設計措施：（1）混凝土按海工防腐混凝土設計，提高混凝土密實度及抗氯離子滲透能力，避免使用引起堿活性反應的集料，嚴格控制含堿外加劑使用。 （2）針對結構不同部位所處的環境類別提出不同的混凝土保護層厚度要求。 其中，箱梁鋼筋凈保護層厚度不小于45 mm，橋墩保護層厚度不小于70 mm， 承臺保護層厚度不小于75 mm，樁基保護層厚度不小于75 mm。 （3）對預應力筋管道采用塑料波紋管、 真空輔助壓漿工藝，確保孔道壓漿密實，防止在鹽霧環境中預應力束發生應力腐蝕。 （4）標高+16 m 以下墩身表面和承臺表面采用有機硅烷浸漬。 （5）墩身、承臺混凝土中摻入適量的鋼筋阻銹劑。 （6）保留施工期鋼護筒，作為鉆孔樁防腐蝕的第1 道防護屏障。

5 結構計算分析

5.1 設計原則和有限元計算模型

箱梁縱向按照全預應力混凝土構件設計，橫向按照預應力混凝土A 類構件設計。總體結構分析采用MIDAS/Civil 計算程序， 采用空間梁單元模擬主梁、橋墩、承臺及樁基，建立上下部結構空間有限元模型，按實際施工工序劃分了施工階段，并對各施工階段及使用階段進行了整體受力計算。 邊界條件：支座采用雙曲面減隔震支座，中間墩采用固定支座，其他支座采用活動支座，考慮支座剛度；樁基與土的作用采用土彈簧模擬。 有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

5.2 荷載計算

除《公路橋涵設計通用規范》[2]規定的永久作用（恒載、基礎變位）、可變作用（汽車荷載、體系溫度、溫差）等作用外，結合相關專題研究對風荷載、波流力等荷載計算如下。

5.2.1 風荷載

根據《福建松下跨海特大橋行車防風措施開發研究》[3]，橋位區按重現期100 年設計基準風速V10=44.8 m/s，地表粗糙系數a=0.12。 橋上行車時，當風荷載參與汽車作用組合時， 橋面高度處的風速Vz=25 m/s。 根據結構尺寸及高度等資料按橋規相關公式計算作用在主梁及橋墩上的風荷載，總體受力分析時作用在相應的單元上。

5.2.2 波流力荷載

《松下跨海特大橋梁基礎波流力試驗開發研究》[4]根據橋位波浪和水流要素，采用物理模型試驗及數值模型計算相結合的方法， 確定了作用在橋墩、承臺及樁基上的波流力，橫橋向時考慮波流共同作用，順橋向僅考慮波浪作用。 總體受力分析時波流力作用在相應的單元上。 高墩區下部結構波流力如表1 所示。

表1 高墩區下部結構波流力計算結果（單位：kN）

5.3 靜力計算結果

5.3.1 上部主梁

上部結構驗算時， 考慮可能同時出現的作用，按照通用規范要求進行了最不利效應組合，按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[5]進行了承載能力極限狀態、正常使用極限狀態及短暫狀況相關驗算，主要驗算結果如下：（1）承載能力極限狀態： 跨中截面荷載作用最大彎矩245312 kN·m，結構彎矩承載能力為270579 kN·m； 墩頂截面荷載作用最大彎矩－66576 kN·m， 結構彎矩承載能力為－176249 kN·m，滿足規范要求。 墩頂截面荷載作用最大剪力19989 kN，結構剪力承載能力為329754 kN，滿足規范要求。 （2）正截面抗裂驗算：截面上緣最小正應力為0.16 MPa， 截面下緣最小正應力為0.19 MPa，不出現拉應力，滿足規范要求。 （3）斜截面抗裂驗算：最大主拉應力為0.92 MPa，小于規范限值1.06 MPa。（4）正截面最大壓應力驗算：截面上緣最大壓應力為13.8 MPa，截面下緣最大壓應力為12.5 MPa，小于規范限值16.2 MPa。 （4）整體剛度：撓跨比=1/4650，小于規范限值1/600。

5.3.2 下部結構

下部結構驗算對恒載、基礎沉降、汽車荷載、溫度、風荷載、波流力等按照通用規范進行縱、橫向組合，對墩身和樁基進行了承載能力極限狀態及正常使用極限狀態相關驗算。 （1）墩身。 根據驗算結果，墩身承載能力極限狀態及正常使用極限狀態均為縱橋向控制設計。 最不利工況下，墩身控制截面承載能力驗算結果如表2 所示；墩身控制截面裂縫寬度均小于0.15 mm。（2）樁基。根據驗算結果，樁基承載能力極限狀態時縱橋向控制設計。 最不利工況下， 樁基控制截面承載能力驗算結果如表3 所示；正常使用極限狀態時橫橋向控制設計，樁基控制截面裂縫寬度均小于0.15 mm。

表2 墩身承載能力極限狀態驗算

表3 樁基承載能力極限狀態驗算

6 結語

松下跨海特大橋是長平高速公路（長樂古槐至松下段）的控制性工程，目前大橋已順利建成通車，運營期橋梁工作狀態良好。 本文的設計及計算分析工作為大橋的順利建成提供了技術支撐，并對類似跨海橋梁的建設有一定的參考價值。