港珠澳大桥减光罩结构设计选型和施工控制要点

2019-05-28丁志全肖春发刘观发

中国港湾建设 2019年5期

丁志全，肖春发，刘观发

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

0 引言

通常海底隧道长度较长，光环境明暗场景转换突变大。因此，隧道出入口是交通事故易发区，也是隧道交通安全管理的关键点。光线亮度交替变化冲击人眼是隧道洞口发生交通安全事故的最主要因素之一[1]。在海底隧道出入口设置减光罩，可以有效解决这一难题。从安全、美观、节能和环保角度考虑，减光罩结构的设计选型，以及钢结构焊接、海洋环境防腐和减光罩安装都成为研究的重点内容。本文以港珠澳大桥减光罩为例，对减光罩结构选型进行论述和研究，并总结减光罩施工控制要点。

1 项目概况

1.1 项目介绍

港珠澳大桥连接香港大屿山散石湾、澳门明珠和珠海拱北，采用桥岛隧组合方案，桥隧通过人工岛进行转换，总长35 km。为改善行车环境和确保行车安全，港珠澳大桥在隧道入口和出口处设置了减光罩[3]。

减光罩采用钢结构，安装在人工岛隧道出入口段外墙与中隔墙顶部。主体钢结构分3个构件，即：横梁、纵梁和立柱。横梁两端分别连接立柱和纵梁，呈“门”形构架结构。构架高度和间距依次递减，产生减光效果[3]。

1.2 项目难点

该项目为远海项目，设计和施工过程中遇到的主要难点有：1）项目要求简洁和美观，需要对结构体型和材料进行综合比选；2）视觉适应性分析论证；3）远海抗风性能设计；4）海洋环境防腐涂装设计；5）钢结构安装。

2 结构设计选型

2.1 结构材料选型

根据不同的结构材料，减光罩结构方案可分为钢筋混凝土结构，钢结构及型钢混凝土组合结构等。应根据工程具体情况对结构进行选型[2，4]，减光罩结构方案比选如表1所示。

表1 减光罩结构方案比选Table1 Structural scheme comparison of light reduction cover

由于结构跨度大（最大跨度约24 m），且施工采用清水混凝土，需采用结构轻巧美观的钢结构方案，也便于45°梁柱相贯节点处理，减小施工难度和降低工程造价。对于抗风能力和后期维护的问题，分别通过结构设计和防腐涂装设计来解决。

2.2 结构几何布置

2.2.1 镂空设计

海底隧道出入口设置减光罩时，从行车安全和采光节能角度，减光罩不宜采用完全封闭的结构，本项目采用镂空设计。

1）频闪对行车安全的影响

当外部光线射入减光罩时，减光罩下的路面会形成明暗交替和亮度差异较大的“斑马线”。通常驾驶员可以接受的明暗交替的闪烁频率为小于2.5 Hz或大于15 Hz[4]。明暗交替的闪烁频率与行车速度和减光罩梁中心间距关系公式[5]为：

式中：V为设计车速，m/s；d为减光罩梁中心间距，m；f为闪烁频率，Hz。

根据式（1），当采用镂空设计时，可以通过合理设置减光罩梁中心间距，降低频闪现象对行车安全的影响。

2）通风和采光功能

采用镂空设计有利于隧道的通风，可以设置较少的风机台数，减少运营成本。当通风孔兼作采光孔时，以减光罩下路面亮度达到外部亮度的1/10为原则来确定采光孔的面积[2]。

2.2.2 结构立面设计

东人工岛隧道敞开段总长288.781 m，分为U形槽段和减光段，纵向坡度为2.98%。开口段采用“山”形及“U”形结构形式[6]，配合下部隧道开敞段的平面和立面变化，以及人工岛整体造型和建筑空间美学要求，与人工岛主体建筑的“船”形设计理念相契合[7]。减光罩结构布置见图1。

图1 减光罩结构布置图Fig.1 Structural layout plan of light reduction cover

2.2.3 视觉适应性分析

在进入和离开隧道洞口时，人眼需要一段时间来适应光环境变化。相关研究表明[8]，驾驶员出隧道的明适应所需时间要比进入隧道的暗适应短得多。而大部分隧道都是双向的，隧道洞口进出口段需平行设置减光设施。

为研究隧道出入口减光罩对光环境及驾驶视觉安全的影响，根据光环境视觉适应性专项研究，构建隧道口驾驶模拟实验平台和减光罩等比例微缩模型，模拟进出隧道口路段的驾驶环境。进出隧道口时，测量行车人员的瞳孔面积变化速度，对驾驶视觉安全进行定量评价。对比有无减光罩实验结果表明[9]：设置减光罩后，进出隧道口路段光环境变化相对平缓，有效改善了“黑洞和白洞效应”；在进出隧道口路段，行车人员的瞳孔面积大小变化速度减小，且行车人员的瞳孔面积变化最大速度和持续时间均低于临界值。因此，减光罩能有效减少光环境突变对行车人员的影响。

2.3 结构受力分析

2.3.1 结构布置

减光罩结构布置力求简洁和美观，传力路径清晰。主体结构构件为纵横梁和立柱，横梁一端与立柱连接，另一端与纵梁连接，组成“门”形构架结构。构架间距和高度依次递减。在水平面上，构架立柱转动45°。在竖直平面上，横梁倾斜45°。构架立柱底部埋入隧道口两侧侧墙混凝土中，构成三维空间结构。

2.3.2 设计参数及荷载

该项目设计年限为120 a，地震设防烈度7度，地震加速度为0.15g，地震分组为第一组，场地类别为III类。基本风压为1.12 kPa，地面粗糙度为A类，体型系数为1.4。主体钢结构材料选用Q345qCNH。

主要荷载包括：恒荷载（DL）为结构自重；活荷载（LL）为 0.5 kN/m2；风荷载（W）基本风压为1.12 kPa；温度荷载（T），正温差T+为20℃，负温差T-为-20℃；地震荷载（EX，EY）为0.15g。荷载组合按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》执行。

2.3.3 肘部相贯节点受力分析

结构计算中梁柱肘部45°斜交相贯节点连接为结构设计关键点，在重力和风荷载组合时，风荷载方向考虑 0°，135°，180°和 315°4 种工况，对第1节减光罩肘部相贯节点进行有限元分析，结果显示0°和135°工况下应力较大，肘部相贯节点应力在钢材强度设计值范围内，满足设计要求。

3 焊接涂装和安装要求

3.1 焊接要求

在工厂焊接前，应编制焊接工艺操作手册，组织焊工进行焊接工艺评定实验。焊接工艺评定实验方案通过专家评审并修订后，方可用于指导施工。

风速3级以上时，现场焊接需采取防风和防雨措施，在未采取防风措施情况下，禁止施焊。湿度大且温度低时，需对待焊区进行预热处理，母材厚度大于30 mm时，预热至80℃以上，层间温度也必须符合此要求。钢构件焊接后，两端引板切割须采用气割，切口磨平且不得损伤母材。

3.2 涂装要求

3.2.1 主体钢结构涂装

减光罩的主体钢结构防腐设计采用重防腐涂装系统，总涂装厚度为380 μm。钢结构外表面的清理、涂层质量和施工工艺等需严格按照JT/T 722—2008《公路桥梁钢结构防腐涂装技术条件》要求。钢构件制作前，其表面均应按照GB/T 8923—2008《涂覆涂料前钢结构表面处理》要求用喷砂（抛丸）等方法进行除锈处理，除锈等级不低于Sa2.5级，将表面油污、毛刺及附着物清理干净。工厂钢结构涂装系统和现场涂装（焊缝补漆）做法见表2。

表2 主体钢结构涂装系统Table 2 Coating system for main steel structures

3.2.2 预埋件涂装

减光罩上部钢结构与两侧和中部混凝土墙连接的预埋件材质采用Q235B，防腐油漆涂装只需1道50 μm环氧富锌底漆，具体做法如表3所示。

表3 预埋件涂装系统Table 3 Coating system for anchoring assemblies

3.2.3 现场涂装

现场钢结构构件拼装焊缝及涂层损坏区域，采用动力工具打磨清理至St3级，注意不要将表面抛光。然后按表2或表3涂装系统修补。在涂装施工过程中，要防止涂料、溶剂等化学物品进入海洋中污染水体环境；如果采用喷涂方式，应在涂装区域外搭设临时围闭设施，以防涂料飘散到空气中污染空气环境。

3.3 钢结构安装

3.3.1 安装公差

减光罩钢结构制造安装公差要求应执行GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》[10]。由于侧墙平面位置和竖向标高是变化的，导致钢柱柱脚位置变化，对预埋件的安装公差控制尤为重要，其主要公差要求如表4所示。

表4 预埋件允许偏差Table 4 Allowable errors for anchoring assemblie

3.3.2 安装流程

减光罩钢结构安装流程包括从钢结构构件吊装上岸到现场补漆完成，见图2。在安装过程中注意以下事项：1）单个构件制作完毕后，应编号分类放置；2）在钢结构安装前，对钢构件进行全面检查；3）吊装设备应垫平，防止钢梁和钢柱在安装过程中出现较大的扭转变形；4）减光罩钢柱安装应设置临时缆风绳，并设自制活动地锚；5）从跨度小到跨度大侧，按顺序安装，先安装纵梁，再安装横梁；6）安装施工荷载不能大于设计限值；7）钢梁变形缝周边应用硅胶填实。