长平高速公路松下跨海特大桥设计

■张 杰

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

1 工程概况

长平高速公路松下跨海特大桥是衔接长平高速公路（长乐古槐至松下段）与福平铁路平潭海峡公铁两用大桥的一座特大桥，大桥于长乐市松下镇大祉村东南侧约800 m 入东海，终点接平潭海峡公铁两用大桥的公路部分。桥梁平面位于半径1350 m的圆曲线上、缓和曲线及直线上。 主要技术标准：双向6 车道高速公路；设计速度100 km/h；设计荷载公路-I 级。

大桥整幅桥宽35.5 m，采用分幅设置，单幅桥宽17.5 m， 其中左幅桥型总体布置为：2×(5×58 m)+3×(4×58 m)（共5 联）预应力混凝土连续箱梁，右幅总体布置为：2×(5×58 m)+3×(4×58 m)+（46.742+49.5+49.5 m）（共6 联） 预应力混凝土连续箱梁，右桥桥型布置如图1 所示。 大桥上部结构采用58 m等跨、等高度预应力混凝土连续箱梁，移动模架逐孔现浇施工；桥墩采用空心薄壁式桥墩；基础采用钻孔灌注桩。

图1 右桥桥型布置图（单位：cm）

2 工程气象、水文和地质

2.1 气象

桥区属亚热带海洋性季风气候， 年平均气温19.5℃，7-9 月气温较高，最高37.4℃，1-2 月气温较低， 最低0.9℃。 年平均相对湿度80%， 年降雨量1200～1300 mm。 全年平均风速8.4 m/s，全年大于8 级的大风约60 d，7-9 月多台风。 受海坛海峡地形影响， 工程区域的风向稳定， 主导风向为NNE和NE。

2.2 地形地貌

场区除长乐侧桥台属剥蚀台地地貌外，余均属滨海地貌。 陆海相交于峭崖处，海域海底地形标高在－1.0～－10.0 m，平潮时海水深在1～10 m，地势较平坦，微向海中倾斜。

2.3 水文

海域潮型属正规半日潮，多年平均潮差4.2 m，多年平均高潮位2.39 m，平均低潮位为－1.89 m，平均海平面为0.25 m。 300 年重现期高潮位为4.88 m，100 年重现期高潮位为4.65 m。

2.4 地质

海床地层主要由冲积与海相沉积物组成，上部冲海积层总厚度约5～40 m， 下覆薄层风化岩层，基岩主要为晶洞碱长花岗岩。 桥区地层由上而下依次为：第四系长乐组冲海积层（Q4al-m）的细砂、粉质粘土、粗砂层；下伏基岩为燕山晚期侵入花岗岩。

2.5 地震效应及场地类别

工程场地抗震设防烈度为7 度，50 年超越概率10%的中硬场地的基本地震动峰值加速度A 为99.2～125.2 gal，归属于0.10 g 分区。 桥址区范围内场地土类型属中软土，场地类别为Ⅱ类。

3 桥型方案构思

桥区平潮时最大水深约10 m，桥面高程在35～53 m，从造价、环保、景观、耐久性及施工等角度考虑,上部结构宜采用50～70 m 的预应力混凝土连续箱梁。

中等跨径海上箱梁施工方法主要有节段预制拼装、整孔预制吊装和移动模架施工[1]。 预制方案可减少海上作业工序及作业量，混凝土施工质量及工期有保障，但需大型预制场地及下海码头，若采用整孔预制吊装，还需大型吊装船，对水深也有一定要求，考虑到桥位附近缺少设置大型预制场及下海码头的场地，且近岸端水深较浅，因此本桥不考虑采用预制方案，最终采用结构整体好，耐久性有保证，水深、墩高及预制场地等外界因素对施工限制小的移动模架施工方案。

综合考虑上下部结构工程数量、 桥梁整体景观、减少下部结构对海床影响及移动模架承载力限值等因素， 本桥最终采用58 m 等跨预应力混凝土连续箱梁，其中右幅终点3 孔因需与公铁大桥桥墩对齐设置，采用（46.742+49.5+49.5）m 布置。

4 桥梁结构设计

4.1 上部箱梁设计

4.1.1 构造设计

大桥上部结构按左右分幅设计，单幅桥主梁采用单箱单室斜腹板预应力混凝土箱梁， 顶宽17.5 m，底宽7.0 m，梁高3.5 m，主梁跨中断面如图2 所示。

图2 主梁跨中断面（单位：cm）

箱梁两侧悬臂长度3.85 m， 悬臂端部厚度18 cm，悬臂根部厚度55 cm。 顶板在箱室内净跨为8.0 m, 横桥向跨中顶板厚度28 cm， 腹板处加厚至55 cm。 箱梁底板厚度为28 cm，顺桥向在墩顶附近局部加厚至75 cm。腹板设计为斜腹板,斜度为1∶2.1，腹板跨中厚度为50 cm，顺桥向在墩顶附近局部加厚至100 cm。 路线直线段桥面设2.5%横坡，圆曲线段设4%横坡，桥面横坡通过箱梁绕箱梁中心线实现。

4.1.2 预应力钢束及布置

箱梁采用纵向和横向双向预应力体系，钢束采用公称直径15.2 mm， 抗拉标准强度为1860 MPa的低松弛高强度钢绞线， 锚下控制张拉应力σcon=1395 MPa。 纵向预应力钢束按其位置分为3 种类型：腹板束、顶板束、底板束。 其中，腹板束采用15-27 和15-22 钢绞线，顶板束采用15-12 钢绞线，底板束采用15-27、15-22 和15-16 钢绞线。箱梁顶板横向预应力采用15-3 型（扁形锚），沿桥轴线按标准间距约0.5 m 布置，均采用交错单端张拉。 纵、横向预应力成孔均采用塑料波纹管并采用真空辅助压浆工艺以确保管道密实。

4.2 下部结构

大桥桥墩高度约28～45 m， 综合考虑受力、施工等因素，桥墩采用整体刚度大、抗扭能力强、施工工艺成熟的箱形薄壁墩。 根据墩高的不同，结合受力验算，桥墩分为两类，其中低墩区矩形截面尺寸为7.0 m×3.2 m，高墩区为7.0 m×3.7 m。左右幅1～3 号、右幅22～24 号墩承台采用分离式承台，其余桥墩承台采用带系梁的整体式承台，承台厚度3.0 m。 基础采用2.5 m～2.2 m 的变直径混凝土钻孔灌注桩，按嵌岩桩设计。

4.3 耐久性设计

为满足松下跨海特大桥100 年使用寿命的要求，采用了以下耐久性设计措施：（1）混凝土按海工防腐混凝土设计，提高混凝土密实度及抗氯离子渗透能力，避免使用引起碱活性反应的集料，严格控制含碱外加剂使用。 （2）针对结构不同部位所处的环境类别提出不同的混凝土保护层厚度要求。 其中，箱梁钢筋净保护层厚度不小于45 mm，桥墩保护层厚度不小于70 mm， 承台保护层厚度不小于75 mm，桩基保护层厚度不小于75 mm。 （3）对预应力筋管道采用塑料波纹管、 真空辅助压浆工艺，确保孔道压浆密实，防止在盐雾环境中预应力束发生应力腐蚀。 （4）标高+16 m 以下墩身表面和承台表面采用有机硅烷浸渍。 （5）墩身、承台混凝土中掺入适量的钢筋阻锈剂。 （6）保留施工期钢护筒，作为钻孔桩防腐蚀的第1 道防护屏障。

5 结构计算分析

5.1 设计原则和有限元计算模型

箱梁纵向按照全预应力混凝土构件设计，横向按照预应力混凝土A 类构件设计。总体结构分析采用MIDAS/Civil 计算程序， 采用空间梁单元模拟主梁、桥墩、承台及桩基，建立上下部结构空间有限元模型，按实际施工工序划分了施工阶段，并对各施工阶段及使用阶段进行了整体受力计算。 边界条件：支座采用双曲面减隔震支座，中间墩采用固定支座，其他支座采用活动支座，考虑支座刚度；桩基与土的作用采用土弹簧模拟。 有限元模型如图3所示。

图3 有限元模型

5.2 荷载计算

除《公路桥涵设计通用规范》[2]规定的永久作用（恒载、基础变位）、可变作用（汽车荷载、体系温度、温差）等作用外，结合相关专题研究对风荷载、波流力等荷载计算如下。

5.2.1 风荷载

根据《福建松下跨海特大桥行车防风措施开发研究》[3]，桥位区按重现期100 年设计基准风速V10=44.8 m/s，地表粗糙系数a=0.12。 桥上行车时，当风荷载参与汽车作用组合时， 桥面高度处的风速Vz=25 m/s。 根据结构尺寸及高度等资料按桥规相关公式计算作用在主梁及桥墩上的风荷载，总体受力分析时作用在相应的单元上。

5.2.2 波流力荷载

《松下跨海特大桥梁基础波流力试验开发研究》[4]根据桥位波浪和水流要素，采用物理模型试验及数值模型计算相结合的方法， 确定了作用在桥墩、承台及桩基上的波流力，横桥向时考虑波流共同作用，顺桥向仅考虑波浪作用。 总体受力分析时波流力作用在相应的单元上。 高墩区下部结构波流力如表1 所示。

表1 高墩区下部结构波流力计算结果（单位：kN）

5.3 静力计算结果

5.3.1 上部主梁

上部结构验算时， 考虑可能同时出现的作用，按照通用规范要求进行了最不利效应组合，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[5]进行了承载能力极限状态、正常使用极限状态及短暂状况相关验算，主要验算结果如下：（1）承载能力极限状态： 跨中截面荷载作用最大弯矩245312 kN·m，结构弯矩承载能力为270579 kN·m； 墩顶截面荷载作用最大弯矩－66576 kN·m， 结构弯矩承载能力为－176249 kN·m，满足规范要求。 墩顶截面荷载作用最大剪力19989 kN，结构剪力承载能力为329754 kN，满足规范要求。 （2）正截面抗裂验算：截面上缘最小正应力为0.16 MPa， 截面下缘最小正应力为0.19 MPa，不出现拉应力，满足规范要求。 （3）斜截面抗裂验算：最大主拉应力为0.92 MPa，小于规范限值1.06 MPa。（4）正截面最大压应力验算：截面上缘最大压应力为13.8 MPa，截面下缘最大压应力为12.5 MPa，小于规范限值16.2 MPa。 （4）整体刚度：挠跨比=1/4650，小于规范限值1/600。

5.3.2 下部结构

下部结构验算对恒载、基础沉降、汽车荷载、温度、风荷载、波流力等按照通用规范进行纵、横向组合，对墩身和桩基进行了承载能力极限状态及正常使用极限状态相关验算。 （1）墩身。 根据验算结果，墩身承载能力极限状态及正常使用极限状态均为纵桥向控制设计。 最不利工况下，墩身控制截面承载能力验算结果如表2 所示；墩身控制截面裂缝宽度均小于0.15 mm。（2）桩基。根据验算结果，桩基承载能力极限状态时纵桥向控制设计。 最不利工况下， 桩基控制截面承载能力验算结果如表3 所示；正常使用极限状态时横桥向控制设计，桩基控制截面裂缝宽度均小于0.15 mm。

表2 墩身承载能力极限状态验算

表3 桩基承载能力极限状态验算

6 结语

松下跨海特大桥是长平高速公路（长乐古槐至松下段）的控制性工程，目前大桥已顺利建成通车，运营期桥梁工作状态良好。 本文的设计及计算分析工作为大桥的顺利建成提供了技术支撑，并对类似跨海桥梁的建设有一定的参考价值。