舟山大陆连岛工程建设关键技术创新

架千岛彩虹，筑百年精品——舟山大陆连岛工程建设关键技术创新许宏亮总工程师浙江省舟山连岛工程建设指挥部2008年5月1８日岑港大桥响礁门大桥桃夭门大桥西堠门大桥金塘大桥舟山大陆连岛工程是连通舟山群岛与大陆的重要交通基础设施，总长49.96km。整个工程以五座跨海大桥跨越五个水道，分别为岑港大桥、响礁门大桥、桃夭门大桥、西堠门大桥和金塘大桥。该工程的建设对改善陆岛交通条件，加快舟山海洋资源开发，促进地区经济发展具有重要意义。设计最高通航水位580008880085国家高程（m)21.394800+4800+5000800200-80-400#04080120160240富翅岛11.97-11.03-8.63-21.881#2#-14.182.2220.59-3.913.7914.373#1670-7.900.60-16.107.000原地面线开挖后地面线5000+4800+4800钢-砼分界线3.09-15.28-28.57-34.074-25.18#1670-0.985#6#4.5320.53-14.061.14-7.0614.93-3.276.8333.71157.9808007#12.2133.0125.01册子岛为主跨580m双塔双索面半漂浮体系七跨连续混合式斜拉桥桥跨布置为48+48+50+580+50+48+48m。边跨为预应力混凝土箱梁，中跨为钢箱梁。桥型布置图1/2钢箱梁标准横断面2800880010X800124002X3500118001000027600/218X6002500402.41475060015005007501/2混凝土梁标准横断面2×35001000025003002%370500/273460014001050200018022250500027505700880031002450245060073418023001884.33115.770002%1000100027600/2500主梁横断面图1.因地制宜，边中跨比取用低限值0.25，索塔基础置于岸上，以避免深水基础。2.在我国首次将钢—混凝土接合面设于中跨（伸入中跨16.7m），以降低施工难度及工程造价。3.中跨钢箱梁采用无纵肋断面，减少用钢量125t，并且提高了梁内的通风性能。4.斜拉索梁端锚固在国内首次采用销铰型式，受力明确、构造简单、便于检修维护。目前已在国内多座斜拉桥中应用，如深圳西通道、杭州湾跨海大桥等。5.首次采用无压重、无约束中跨合龙技术，实践证明精度可靠、经济高效。斜拉索销铰锚固构造实物桥面吊机吊装钢箱梁无压重合龙、无加劲骨架、标高误差5mm、环缝宽度15mm合龙段长度12米，带风嘴。桃夭门大桥于２００３年４月合龙，该桥对对斜拉索梁端销铰连接、运梁船动力定位和钢箱梁无压重合龙等进行了创新，改善了大桥的受力性能，取得了优异的技术经济指标，积累了宝贵经验。北锚北塔南塔南锚册子岛金塘岛老虎山578m1650m485m575001560005780041.500(IP)15600226.748(IP)226.748(IP)45.500(IP)通航净空630×49.5米最高设计通航水位3.280-15025050-50-100015010020010016500-50-150-100最高设计通航水位通航净空630×49.5米03.2805020015025041.500(IP)236.486(IP)45.500(IP)236.486(IP)5780016500048500桥型布置图西堠门大桥采用主跨为1650m的两跨连续钢箱梁悬索桥，在钢箱梁悬索桥中主跨为世界第一。桥跨布置为578m+1650m+485m，主缆矢跨比为1/10；北边跨及中跨采用钢箱梁悬吊结构，南边跨采用两联6×60m预应力混凝土连续箱梁。塔锚均不入水，避免了深水基础施工、船撞风险及海水腐蚀。西堠门大桥在世界悬索桥中的地位就悬索桥的跨度而言，本桥跨度位列世界第二就主梁类型而言，本桥为钢箱梁悬索桥跨度世界第一主要设计参数1.西堠门水道最大水深—95m,平均宽2.5km,最窄处1.9km；2.不规则半日潮,—实测最大流速:3.65m/s；3.西堠门海床几乎无覆盖层,基岩裸露,有水下暗礁,伴有强烈漩涡；4.有”船老大好当,西堠门难行”之民谚。建设条件CZK2034.6230.1436.49CZK12CZK1330.1224.121.506.5034.9929.995.506.3035.590.90CZK110.4040.0039.6010.4029.6016.5023.5024.6423.844.5010.5015.5047.4830.1022.8017.2033.0014.6471.50F67°76°18.6216.00垂直1:500CZK80.8513.10-12.2527.5060.03153.07239.98150.00老虎山29.5528.0526.451.503.10CZK520°75°6.7522.8043.00标高50403020(m)10-100-20-30-40-50-60-70-80-100-110-120-90(m)孔距-130F8(原F3)21680比例尺水平1:500095m北亚热带气候湿润东亚季风区风速大不利施工台风主要为7~9月Level20years20years30years50years100years10m32.3735.0636.5938.5241.42自然环境表1不同重现期最大风速单位：m/s根据本桥78.2m/s的颤振检验风速（施工期67.1m/s）需要针对性地采取抗风对策，以提高结构抗风性能。为此拟定了中央开槽的双箱断面、敞开式格构的双箱断面及单箱断面三种断面型式进行研究，梁高分别为3.5m、3.5m、5m。抗风性能研究L双箱断面方案技术成熟，工程造价适中，综合指标最佳。双箱断面方案单箱断面方案梁高较高，造型厚重，用钢量较大、工程造价较高。100250020001050500行车道紧急停车带路缘带5001055033100/26000963069202×37502500200025001003209155025002×3750500紧急停车带行车道路缘带3209500069209630600033100/21550105505001050水管管线托架主缆检查车轨道1%1%加劲梁标准横断面主缆2%5.5cm环氧沥青桥面铺装2%检修道单箱断面方案图抗风性能研究敞开式格构方案虽然经济性最好，但行车舒适性、疲劳寿命、行车安全性等存在不足，技术不够成熟。30100/267507300530047503602φ600路缘带行车道紧急停车带5002×37502500154040004000行车道路缘带25002×3750500475053007300675031180/2105033655001502000100035005001100226510502000紧急停车带5.5cm环氧沥青桥面铺装水管检查车轨道孔人管线孔管线孔主缆主缆人孔1%1%1/2加劲梁标准横断面（北边跨）检修道1/2加劲梁标准横断面（中跨）2%表层格构2%敞开式格构方案图抗风性能研究抗风性能研究综合比选后，本桥加劲梁采用双箱断面方案。对中央开槽加劲梁断面进行颤振优化选型，采用CFD计算和二维颤振分析相结合的方法，进行数值风洞气动选型，最终决定开槽宽度L＝6m。意大利墨西那桥西班牙直布罗陀海峡大桥抗风性能研究本桥静风失稳临界风速研究，是采用计入三分力影响的非线性有限元分析方法，通过对中央开槽断面加劲梁竖向、侧向和扭转位移随风速变化的计算，确定静风失稳临界风速，并通过风洞试验验证。西堠门大桥建成后，将成为最大跨径的钢箱梁悬索桥，随着科技和经济的发展，悬索桥的跨径会不断跨越，中间开槽是控制颤振稳定性的主要措施。下图是2座大桥的主梁方案，均采用了中间开槽断面。抗风性能研究近年空气动力稳定性的研究取得了进展，但研究主要依靠风洞试验，尚没有实际施工和运营的桥梁参数和风场参数可供借鉴，随着桥梁跨径的增加，相关参数的合理性和准确性亟待研究。本桥在实际架设过程中，做了大量相关量测，并计划在运营阶段进行长期观测，通过实测得到大跨径悬索桥的各项参数，将为更大跨径桥梁的设计施工提供重要的参考和借鉴。本桥进行了1：60、1：40、1：20的节段模型风洞试验。进行了1：116和1：208两种全桥气弹模型试验。对颤振、涡振、抖振进行了广泛研究。采用了平行校核研究机制，在初步设计阶段，还请国外第三方（科威公司）进行了检核。三维静风稳定性和全桥气弹模型试验三维静风稳定性分析和1：208全桥气弹模型进行的静风稳定性风洞试验得到的成桥状态静风失稳临界风速见下表。结果表明，全桥成桥状态结构静风失稳临界风速远高于静风失稳检验风速，具有较高的静风稳定性安全储备。确定方法30+3检验值三维静风稳定性分析220.0128.0116.066.2全桥气弹模型风洞试验115.0105.095.066.21：208全桥气弹模型试验结果表明：成桥状态颤振临界风速满足颤振检验风速要求，但在部分施工阶段颤振临界风速低于颤振检验风速。抗风性能研究在部分施工阶段颤振临界风速低于颤振检验风速，需要采取有效的措施或通过施工进度的调整来保证施工架设阶段结构的抗风安全。在台风期中跨跨中架设的钢箱梁总数严格控制在39段以内。去年架设期间经历三个台风，桥面实测最大风速近40m/s，结构安全。通过1：2比例尺的节段模型试验，首次得到了分体式钢箱梁的应力水平、应力分布及传力途径，并得到横向连接箱梁与横向连接工字梁的横向弯矩分配比，验证了该构造方案是可行的。本桥首次在大跨度悬索桥中采用双箱分体式钢箱梁，其各部分构件的传力途径、力学特点与整体式钢箱梁有较大的差别，横向传力构造成为关键部件，其传力是否顺畅、是否有效适用尤为重要。分体式钢箱梁-性能研究考虑到西堠门大桥桥位处海底地形特殊，水深流急，岩石裸露，传统的抛锚定位难以实施，同时考虑航道通行问题，船舶定位方式主要考虑动力定位。动力定位船舶选用60米自航甲板驳，满载排水量2386.1吨，双舵双动力配置，动力单台360Kw；同时安装了GPS导航、雷达通讯系统。分体式钢箱梁--安装01:41:50由于西堠门大桥海域环境（海底地形、海流、海浪、风况）复杂，且该航道是国际航道兼军用航道，不允许封航中断通行。传统的先导索过海方法（自由悬挂拖船牵引法、浮索法、水底牵索法）不适用于西堠门大桥。日本明石海峡大桥放索系统置于直升机下方，而西堠门大桥首次提出了放索系统与直升机分离的创新模式，为选用经济合理的直升机机型提供了基础；另外还研制了功能完善的，可以高速放索、收索、制动、轻便灵活的放索系统；通过大量飞行试验，总结出了在不利风况条件下直升机飞行与放索系统的协调控制技术。2006年8月1日顺利实施，全过程共耗时23分钟。直升机牵引先导索过海1770MPa主缆索股技术综合考虑适用性、经济性、施工等因素，本桥主缆采用1770MPa平行钢丝,可节省造价、减小主缆风阻力。宝钢集团成功研制出符合日本JISG3502—80《琴钢丝用盘条》技术要求的盘条BMn82QL。本桥研制的1770MPa级主缆钢丝的直线性、抗松弛等性能指标超过了国内外同类产品，填补了国内技术空白，并真正实现了国内的大规模化生产。运用水平成圈、放索技术，首次解决了大跨径悬索桥索股架设过程中出现的“呼啦圈”现象，提高了主缆索股的架设质量和速度。西堠门大桥钢箱梁在海洋环境中容易遭受海洋盐雾大气的腐蚀，因此长效防腐措施研究尤为重要。钢箱梁电弧喷涂涂层具有3%~10%的孔隙率，对金属喷涂层进行封闭处理是必要的。本桥将纳米技术与封闭涂料相结合，成功研制了新型电弧喷涂层纳米改性环氧封闭漆，妥善解决了上述难题。右图是封孔效果扫描电子显微镜图（图中白色的是纳米环氧封闭漆，黑色的是铝涂层，灰色的是钢铁基体），可见纳米环氧封闭漆真正渗透进了喷铝涂层内部，基本上填充了铝涂层内部的孔隙，起到了良好的物理封孔的作用。经权威机构检测，纳米