上海吴淞口国际邮轮码头工程引桥设计

2013-03-19黄向平杨伟佳

城市道桥与防洪 2013年3期

黄向平，杨伟佳

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海市 200030)

1工程概况

吴淞口邮轮码头位于上海宝山吴淞口，作为世博配套工程，必须在世博前投入使用。作为上海窗口的邮轮码头工程在设计中，非常注重景观性，同时工期也非常紧迫。码头引桥的荷载及上部结构计算按公路-I级荷载和相关桥梁结构要求进行，下部结构则为水工构筑物，须考虑水流、波浪对桥梁基础结构的作用和桥梁结构耐久性的要求以及水上施工的可行性。根据总体设计，码头上设有一栋联检大楼，除交通外还有大量管线通过引桥。码头所处区域，船只密集，桥梁还有被船只撞击的风险性。受多种因素的限制，本桥设计有如下特点：荷载大，景观、防撞、防腐要求高。引桥总长约450 m，宽15 m。引桥设4跨一联，每2跨设一个景观平台，见图1。

图1 吴淞口游轮码头

2 引桥总体设计思路

作为邮轮码头引桥，引桥的线形受到很多条件限制。为顺接陆域和码头，引桥平面半径为1 995 m的圆曲线。纵断面为顺接码头和陆域标高，从景观考虑，引桥纵向设平坡。该区水域设计高水位标高为4.01 m，极端高水位约5.87 m，桥面标高约7.6 m。为使箱梁梁底在高水位之上，梁高不能超过1.8 m。照“安全、经济、适用、美观”的原则，尽量选择合理的相同跨径来布设，以方便施工，并达到均匀和谐的效果。跨径太小，桥墩太密，下部结构过多，造价过高，且不美观；跨径太大，则梁高较大，对施工机械设备，都有较高的要求，同时梁高较高，看起来有厚重感，不美观，且造价也将提高。综合以上因素，但是受梁高的限制，直线段主引桥桥梁跨径选择为30 m。

考虑到本工程桥梁位置隶属于海洋环境，应尽量选用外表面积较少的断面，有利于防腐。本工程引桥有一定长度，且无通航要求，采用梁桥比较经济、美观、合理。梁桥中也分空心板梁、T梁、箱梁。空心板梁施工简单，也比较经济，但是需要盖梁，美观稍有不足，且跨径一般不宜超过25 m。T梁跨越能力稍强，最大跨径能到50～60 m，可采用预制吊装的工艺，缺点是外表面积太多，不利于结构防腐，而且也不美观。且跨径大了后梁高也较高，T梁也需设置盖梁，美观性较差。箱梁外表面简洁大方，结构整体性好，抗扭转效果好，有利于防腐。

经综合比较，引桥方案标准段从景观要求选定采用跨径适中的30 m跨径等高预应力混凝土连续箱梁桥。横断面采用弧形横断面。横断面布置见图2。

图2 引桥方案标准段横断面(单位：mm)

每隔一跨设观景平台，观景平台尺寸为半椭圆形，椭圆长轴为5 m，短轴3 m。

3 引桥结构设计

3.1 桩基

一般港口、桥梁工程中常用桩型有预应力混凝土方桩、高强度预应力混凝土管桩(PHC桩)、钢筋混凝土灌注桩、钢管桩等。

钢管桩相对于混凝土桩，桩身的抗弯抗拉能力强，自重轻，耐锤击性能好，施工快速，适合于水深大，可能有船只碰撞发生的情况。本工程所属区域为于吴淞口锚地，小型船只众多，船只撞击桥梁的概率较高。而且大部分引桥水域的水深条件较好，适合打桩船施工。标准段桥墩桩基推荐采用钢管桩。A3～A15桥墩承台下设置6根1 m直径的钢管斜桩，计算桩长65 m左右，持力层选用7层粉砂层，计算单桩极限承载能力标准值为7 500 kN。钢管桩采用适当预留壁厚和涂环氧类重防腐涂料的方法防腐。A1～A2两个桥墩，根据现场情况，近岸的滩地堆有较厚的钢渣堆，为方便施工，考虑采用冲孔灌注桩。具体每个承台采用5根直径1.2 m，混凝土标号C40的冲孔灌注桩，估计桩长65 m左右，持力层选用7层粉砂层。计算单桩极限承载能力标准值为7 300 kN，见图3。

图3 钢管桩

3.2 承台

承台大部分采用为高桩承台，考虑施工的可操作性，布置如下：

A1～A2承台标高设在2.3 m，其余承台标高设在2.8 m。根据设计水位，承台在常水位大部分不露出水面，在高水位不露出水面。

A1～A2承台形状选用矩形带圆倒角，尺寸为6.6 m×6.6 m；A3～A18承台形状选用椭圆形，平面上迎水面呈半圆型，尺寸为6.9 m×4.5 m，承台采用C40现浇钢筋混凝土，水上部分采用钢套箱施工方法施工承台，见图4。

3.3 桥墩立柱

A1～A15标准段桥墩立柱采用独柱Y型花瓶状桥墩(见图5)，线型由多段圆弧组成，线条流畅优美。立柱底面尺寸2.5m×1.2m，顶面尺寸4.3m×1.8 m。高度2.75～3.25 m。

图5 标准段桥墩立柱

3.4 箱梁

3.4.1 箱梁施工方法

连续梁上部结构的设计和施工方式密切相关。可以采用满堂支架施工方法，少支架施工方法以及架桥机逐孔现浇施工方法。由于本桥桥梁长度短，采用架桥机不经济。水深较深，采用满堂支架不现实，最终施工单位选用了打设临时桩，用贝雷架的少支架施工方法。这种施工方法，箱梁设计计算可以按照成桥状态计算，见图6。

图6 箱梁施工现场

3.4.2 箱梁纵向预应力设计

按箱梁为单箱两室，梁高取1.7 m。中腹板厚度为45 cm，外腹板采用斜腹板，厚50 cm。和花瓶式桥梁相呼应。箱梁顶宽15 m，底宽7.5 m，顶板22 cm，底板25 cm。悬挑翼缘长约3.25 m，端厚20 cm，悬臂根部55 cm。

同普通陆上桥梁不同，本桥需要考虑高水位时的浮托力，除考虑规范的正常组合外，还需考虑有浮托力的组合。

上下缘最小应力见图7。

图7 上下缘最小应力图

纵向钢束采用18根Φs15.20-15的腹板通长束，4根Φs15.20-9的顶板束和8根Φs15.20-9的底板束。整个引桥共四联，为不影响端部张拉，通长束端头设在端部顶板上。为避免边跨下方出现裂缝，底部端头设单端张拉的钢束。

3.4.3 箱梁横向预应力设计

为满足景观要求，横断面采用整体感强的单箱斜腹板箱梁，箱梁底部采用曲线，使桥梁看起来更加动感现代。横断面内仅设两个支座。

由于码头引桥上有座联检大楼，因此有大量管线要从引桥上过，水电专业提出，最小净高要500 mm。本桥景观要求很高，不允许桥下悬挂管线，那就仅能悬臂考虑了。同样由于停车及景观要求，人行道仅高于车行道20 cm，在悬臂处设计了管线沟。

同样由于景观要求，本桥除了设计普通栏杆外，还另外设计了景观栏杆。景观栏杆和景观平台错开布置。原本的普通大挑臂变成错综复杂。引桥是边施工边设计，方案不断调整。

横向仅在景观平台处设计了横向预应力筋，其它为钢筋混凝土结构。悬臂处的荷载见图8。

图8 悬臂处荷载示意图

3.5 引桥防冲系统设计

本桥的前提条件是该引桥下不通航。但是该区域属于避风港，船只较多，使用中的长航码头离引桥更是非常近。引桥初步设计的时候，仅考虑上游小船失控撞击桥墩的可能。实际施工期间就发生了一次船舶撞击了施工中临时导桩的事情。由于平时水位较高，船舶一旦撞击桥梁，容易撞到上部结构。而上部结构为薄壁箱梁，是经不起撞击的。为防止上游的停靠的船舶撞击桥梁，不允许船舶靠近桥梁停靠。

在接近现有长航码头引桥处，用直径1.0 m的钢管桩设成钢栅栏缓冲失控的船舶漂向引桥。根据公路桥涵设计通用规范，表4.4.2.1内河船舶撞击力标准值，3 000 t极船舶撞击力为1 400 kN，设作用在中间5排桩上。经Ansys软件模拟，最大位移40 cm，钢管桩应力达291 MPa，见图9。

图9 Ansys软件计算示意图

在每个桥墩的两侧方向20 m左右，设置一个防撞墩.防撞墩的作用是拦阻失控船舶撞击下游桥梁，使其停止或大大减速，但在撞击过程中，允许防撞墩被撞坏便于修复。引桥其它部分考虑100 t级船舶撞击。防撞墩为圆形直径4 m，底标高1.5 m，顶标高3 m，每个桥墩设三个直径1.0 m的钢管桩，两个桥墩之间设两根钢管桩，间距10 m。钢管和防撞墩的间隙用锚链相连，见图10。