港珠澳大桥青州航道桥主塔墩钢套箱设计与施工

赵传林，刘明虎，孙鹏

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；3.中交二公局第一工程有限公司，湖北 武汉 430019）

1 工程概况

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的跨海通道，是我国继三峡工程、青藏铁路、南水北调、西气东输、京沪高铁之后又一重大基础设施项目，是具有国家战略意义的世界级跨海通道。项目西接京港澳高速公路，东接香港大屿山高速公路。

港珠澳大桥是一项“桥、隧、岛”一体化多专业的世界级超大型综合集群工程，项目包括：海中主体工程（粤港分界线至珠澳口岸之间区段）、香港界内跨海桥梁、香港口岸、珠海—澳门口岸、香港连接线、珠海连接线及澳门连接桥。主体工程总长29.6 km，其中桥梁长约22.9 km，包括青州航道桥、江海直达船航道桥、九洲航道桥三座通航孔桥及其余非通航孔桥。

青州航道桥为港珠澳大桥跨径最大的通航孔桥，为双塔空间双索面钢箱梁斜拉桥，桥跨布置为110+236+458+236+110=1 150 m（图 1）。主梁采用扁平流线形钢箱梁，斜拉索采用扇形式双索面布置，索塔采用横向H形框架结构，塔柱为钢筋混凝土构件，上联结系采用“中国结”造型的钢结构剪刀撑。基础采用大直径钢管复合群桩、现浇承台及塔身、预制墩身方案[1]。

青州航道桥56号、57号主塔墩承台平面长83.75 m，宽36.5 m，其厚度由边缘的5 m渐变至中央的9 m。承台顶面高程为+7.8 m，底面高程为-1.2 m。采用C45海工耐久混凝土，单个承台混凝土方量15 100 m3。采用2 m厚C25水下混凝土封底。

图1 青州航道桥桥型布置示意图

2 设计条件

2.1 设计船型

设计船型为1万吨级散货轮，碰撞速度为4m/s。设计船舶撞击力标准为：横桥向5 200 t，顺桥向2 600 t。

2.2 水位

桥位潮汐类型属不正规半日潮混合潮型，日不等现象明显；水面高度不一致，一般相差30～100 cm。桥址区水深约6～8 m。设计通航水位、设计水位和潮差见表1。

表1 设计水位一览表m

2.3 流速

施工期按20 a一遇风暴潮取值：v=1.89 m/s。

2.4 波浪

施工期按20 a一遇取值：波高H=3.48 m，波长L=80.8 m。

3 钢套箱设计

3.1 总体设计原则

钢套箱主体结构设计主要遵循以下原则：

1）充分利用承台施工临时结构作为防撞设施，主体结构一体两用，节约投资。

2）壁体结构应允许有较大变形，在船舶受到撞击时能缓冲、消能，减少船舶和防撞结构的损坏。要求防撞设施通过变形耗能将设计船撞力降低到70%。在任何水位下，船舶不允许撞击到桩基，以此确定套箱壁体的结构以及所需的高度。

3）在满足其功能的前提下，应尽可能地减少平时维修养护的费用，并应考虑在被撞坏后较易于修复。

3.2 结构设计

设计综合考虑了重力、浮力、水流力、波浪力、船舶碰撞力等荷载。钢套箱由定位系统、内支撑系统、壁板系统及护舷、底板及加劲系统、起吊系统（吊耳）、悬挂系统等几部分组成。套箱挂腿采用橡胶支座，套箱与承台侧表面之间设置20 mm厚平板橡胶，起缓冲作用[2-3]。

套箱主体结构采用Q235B钢材。钢套箱长90.39 m，宽43.14 m，底标高-3.2 m，顶标高+5.3 m，总高8.5 m。中部系梁套箱厚度3.1 m，其余部分厚度3.3 m。总体布置见图2～图3。

3.2.1 水平定位系统

为确保套箱安装平面位置满足设计要求，设置水平定位系统对其进行调整。水平定位系统共设置2层，每层设置8个水平定位点，每个定位点设置2台32 t螺旋千斤顶。

3.2.2 内支撑系统

套箱设置8根φ820 mm×12 mm钢管支撑，确保吊装过程中的整体稳定性及施工阶段的水压力和波压力稳定。

3.2.3 壁板

为方便制作，钢套箱壁板分26个节段，单个节段长度4～11 m，最大节段重量约42 t。壁板厚12 mm，水平横隔板厚10 mm，竖向横隔板、横肋板厚10 mm、12 mm。节段连接板板厚20 mm。节段之间采用不锈钢螺栓连接。套箱壁板横断面见图4。

图2 主塔墩钢套箱平面布置（单位：mm）

图3 主塔墩钢套箱立面布置（单位：mm）

图4 套箱壁板横断面（单位：mm）

3.2.4 底板及加劲系统

底板纵桥向设置2HN400×200主梁，横桥向设置HN400×200次梁，主梁之间设置 [20a底板分配梁，面板采用6 mm钢板。底板在承台范围内设置4个桁架，宽3.9 m，高2.5 m；系梁范围内设置2个桁架，宽1 m，高2 m。底板及加劲系统平面布置见图5。

图5 钢套箱底板及加劲桁架布置图（单位：mm）

3.2.5 悬吊系统

悬吊系统包括壁体悬吊系统（临时挂腿）及底板悬吊系统（吊杆）。

临时挂腿共计14个，其中2个半圆形承台范围共计10个，挂于复合桩钢管顶。系梁范围4个，挂于平台临时钢管桩顶，构造见图6。

图6 钢套箱挂腿平面布置

吊杆采用][20a型钢，一端焊接于底板主梁，顶端焊接于复合桩钢管上，构造见图7。

图7 吊杆布置图（单位：mm）

3.3 结构计算分析

3.3.1 船舶撞击计算分析

采用LS-DYNA动力有限元分析软件，用代表型船舶对钢套箱的防船撞性能进行了数值模拟与性能分析，碰撞有限元分析模型见图8。塔墩、代表型船舶与防撞钢套箱分别采用实体单元、shell单元模拟，并以最不利的航船正撞方式进行撞击分析，对塔墩设置钢套箱后的撞击力及钢套箱的防撞性能进行了比较分析。结果表明：塔墩设置的钢套箱能有效地降低撞击力，达原设计撞击力的70%左右，具有很好的防撞效果，且钢套箱在受撞部位损伤较大，但在其它部位结构完好，对受撞钢套箱节段进行更换或维修即可。

图8 船-钢套箱-塔墩碰撞有限元分析模型

3.3.2 施工阶段计算分析

采用MIDAS软件整体建模计算，其中，套箱内外壁板、水平环板、竖向隔板、竖向加劲肋、底板面板等采用板单元模拟，底板主、次梁型钢、钢管内支撑采用梁单元模拟；吊装钢丝绳采用索单元模拟。主要计算工况及结果见表2。

表2 计算工况及结果

计算表明，钢套箱在各个施工工况下的受力均满足规范要求。

4 钢套箱施工

4.1 施工工艺流程

钢套箱采用在工厂分节制作、拼装，整体运输、整体吊装的施工工艺。钢套箱施工工艺流程见图9。

主塔墩承台分4次浇筑，分层厚度为2.5 m、2.5 m、2 m、2 m，总方量15 100 m3，属大体积混凝土结构，施工时对其采取了温控措施确保混凝土施工质量。

图9 钢套箱施工工艺流程

4.2 钢套箱加工

钢套箱节段焊缝多，为控制结构焊接整体变形，加快制作进度，采用分块对称制作、单元组装、再焊接成整体的方法。首先应进行焊接工艺评定试验。套箱的尺寸精度、局部不平整度控制在5 mm以内。

4.3 涂装

节段加工完成后在车间内进行喷砂除锈及涂装。钢套箱内外表面涂层按20 a寿命设计，内外表面处理均为喷砂除锈（Sa2.5），内表面设置底漆、中间漆和面漆各2道低表面处理树脂漆，总厚度500 μm；外表面设置低表面处理树脂底漆、中间漆各2道、聚氨酯面漆2道，总厚度550 μm。

4.4 装船及运输

钢套箱拼装为整体后，利用牵引滚装上船，运输至青州航道桥施工现场。

4.5 现场吊装

钢套箱重量近1 700 t，采用1 200 t及1 000 t浮吊抬吊。共布置16个吊点。选用150 t卸扣，φ120 mm钢芯钢丝绳。由于施工阶段青州航道已改移，往来于港澳间的高速客轮对现场吊装影响不大。

正式吊装前进行试吊，观察卸扣、吊耳、壁板、内支撑等关键结构的变化情况。无异常情况后，开始正式吊装。

浮吊缓慢起钩，钢套箱底面高出复合桩钢管顶100 cm后，紧缆前移，靠近设计位置。通过4个角点处的导向头，移位至设计位置正上方，由套箱内的指挥员根据38根桩与底板开孔的位置指挥浮吊微调就位。

套箱底板完全套入钢管桩后，浮吊缓慢落钩，每下降50 cm，及时观测护筒与底板间隙情况，调整套箱平面位置。

钢套箱下放至距离设计标高10 cm时，根据测量数据，采用水平定位千斤顶对平面位置进行调整，调整完毕后浮吊落钩，通过挂腿将钢套箱挂于钢管桩上，浮吊撤离，即完成钢套箱现场吊装。钢套箱吊装平面布置见图10。

图10 主塔墩钢套箱吊装平面布置（单位：cm）

5 结语

青州航道桥主塔墩钢套箱将承台施工临时结构与防船舶撞击永久结构结合考虑，一体两用，构思新颖，方案合理，节约经济。在设计单位已完成的主体结构设计基础上，由施工单位对底板及加劲系统、内支撑、起吊系统等进行了补充设计。采用两台浮吊整体抬吊工艺，可以缩短施工工期，降低现场施工风险，确保施工质量。

[1]港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段施工图设计：承台防撞设施[R].北京：中交公路规划设计院有限公司，2011.

[2]陈卫国，唐衡.金塘大桥索塔墩1600 t防撞钢套箱安装施工技术[J].公路，2009（1）：133-138.

[3]冯良平，崔冰，许航，等.南京长江第三大桥南塔钢套箱设计[C]//中国公路学会桥梁和结构工程学会2003年全国桥梁学术会议论文集.北京：中交公路规划设计院有限公司，2003：97-102.