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    虎门二桥:1960MPa高强缆索的穿越

    2018年09月28日 10:43 

     


    虎门二桥工程位于珠江三角洲核心区域,上游距珠江黄埔大桥约20公里,下游距虎门大桥约10公里。虎门二桥工程全线采用双向八车道高速公路标准,设计时速为100公里每小时。项目批复概算111.8 亿元,批复工期5年,已于2014年开工建设,预计20195月通车。

     

    虎门二桥工程主线均采用桥梁方式建设,设置跨江特大桥两座。两座超千米级特大跨度悬索桥同时建设属世界首次。


    面临的主要技术挑战

     

    建设条件的挑战

     

    虎门二桥位于沿海台风多发区,设计基本风速34.4m/s,颤振检验风速63.3m/s。河道为潮汐河道,咸淡水交替。地质条件为珠江口软土地质,自上而下地层主要包括:第四系全新系海陆交互相(Q4mc)淤泥(淤泥质土)、粉质黏土及砂土、第四系更新系冲积相(Q3al)淤泥质土、粉质黏土及砂土、圆砾土和残积相(Qel)粉质黏土,基岩为白垩系白鹤洞组泥岩、泥质粉砂岩、中砂岩。基本地震烈度为VII度。大沙水道和坭洲水道均为国家I级航道,通航尺度为大沙水道桥1114m×49m高、坭洲水道桥1154m×60m高。

     

    软土地层对地连墙锚碇基础提出了较大挑战。锚碇基坑规模大,外径90m,相当于15个标准篮球场大小,基坑外侧淤泥厚度≥20m,开挖深度28m,基坑距离珠江大堤≤30m

    超大跨径的挑战

     

    虎门二桥共设置两座跨江大桥,分别是:采用双塔双跨悬索桥(主跨658+1688+522m)的坭洲水道桥,采用双塔单跨悬索桥(主跨360+1200+480m)的大沙水道桥;引桥采用30m62.5m跨径的预应力混凝土桥。

     

    主跨1688m的坭洲水道桥建成后将成为世界第一跨度钢箱梁悬索桥,在各类悬索桥中主跨仅次于日本明石海峡大桥和杨泗港大桥,位居世界第三、国内第二。超大跨径导致主缆缆力达10万吨,对高强钢丝索股和纵横向结构体系的协调受力提出了很高的需求和要求。

     

    高效建设的挑战

     

    2014年正式开工,需要在5年时间内完成两座主跨千米以上悬索桥及数公里的引桥施工,工期紧,任务重,对工程的高效建设提出了挑战和需求,迫切需要研究短线匹配法、清水混凝土、精细化施工和BIM等技术。

     

    长寿耐久的挑战

     

    虎门二桥车流量大、货车多、防腐要求高、夏季暴雨台风频发、运营条件恶劣,对桥梁的长寿耐久提出了很高的挑战,迫切需要开展包括多股成品索锚固系统、主缆检查车、钢结构主动防腐技术在内的耐久性技术研究工作。

     

    关键技术创新成果

     

    鉴于项目成果较多,本文选取有代表性的1960MPa钢丝索股技术、多股成品索式预应力锚固系统、结构体系与关键装置、基于BIM的建养一体化平台等4项成果作简要介绍。

     

    1960MPa钢丝索股技术

     

    随着长江经济带、粤港澳大湾区等国家战略的实施,结合国家提出的“一带一路”倡议,未来越江跨海的缆索桥梁(悬索桥、斜拉桥等)会越来越多,桥梁跨度不断增加,缆索结构不断向轻质、高强方向发展,对桥梁缆索用关键原材料——热镀钢丝,提出了更高的性能要求,采用新一代超高强度热镀钢丝降低缆索自重,是国际大跨度桥梁缆索技术发展的趋势。



    2009年,两座主跨超千米的悬索桥(其中一座主跨1688m居国内第一、世界第二)——虎门通道二桥启动建设。此时,国产1770MPa主缆钢丝逐步推广应用,国内外也有一些涉及1960MPa2000MPa)钢丝科研试验的文章、专利和科研成果,但没有系统的记录和资料。国产桥梁缆索和钢丝制造发展到这里形成了一个技术瓶颈,主要是国产盘条成分和组织都难以在原技术路线上提升,国内洞庭湖大桥设计用1860MPa钢丝和港珠澳大桥计划应用1860MPa钢丝,都需要进口盘条加工或进口钢丝。

     

    国际首次实现1960MPa锌铝合金镀层钢丝和主缆索股研发,并在大跨度悬索桥1688mm虎门二桥项目坭洲水道桥应用30000余吨(韩国在2015年约60001960MPa超高强度钢丝应用于主跨1150m的蔚山大桥主缆,扭住指标为12次,低于本项目的14次),编制了部标准《桥梁用热镀锌铝合金钢丝》和国家标准《锌铝合金镀层钢丝缆索》,实现了盘条、钢丝、索股制造全链国产化,技术具国内领先、国际先进水平;其中钢丝、索股质量指标和用量是国际领先。相对1770MPa钢丝可以节省约11%的钢丝用量,减小了大跨度悬索桥塔锚结构、索鞍索夹结构重量,大大减小悬索桥上部结构制造安装的施工难度和工程量,是一项兼有结构创新和材料创新的成果。标志中国高强度桥梁缆索盘条、钢丝、缆索制造业的技术国际领先,从材料和缆索结构上奠定了进一步提高悬索桥的跨越能力,提高了中国桥梁走向世界的核心竞争能力。经中国公路学会组织的科技成果评价会议审查,该研究达到国际领先水平。

     

    1)开发研制出多种1860MPa1960MPa镀层钢丝用盘条配方,开发应用了多种有效的大直径高强度盘条韧化处理技术,其中EDC技术国际领先、离线韧化处理技术和设备应用国内首创。实现了桥梁缆索用1960MPa超高强度热镀钢丝盘条国产化;掌握了桥梁缆索用1960MPa超高强度热镀钢丝在各加工工序中的性能变化规律,试验研究了合理的1960MPa镀层钢丝生产工艺参数。

     

    2)开发出了桥梁缆索用1960MPa的高强度、高韧性、高耐久性锌铝合金镀层钢丝,其抗拉强度满足1960--2160MPa以上,扭转次数≥14,弹性模量值相对以前国产镀锌钢丝平均值略有提高。实现1960MPa钢丝批量化生产,并实现项目3万吨级实桥应用。

     

    3)开发出了1960MPa主缆索股锚具、锚固技术,完善了制索工艺,使1960MPa主缆索股的锚固效率达到95%以上。研制出的1960MPa索股的静载性能良好,最大静荷载≥95%标称破断荷载,静载延伸率≥2%,弹性模量≥95%钢丝弹性模量。30000余吨3000余米长1271960MPa钢丝索股制造安装质量优良。

     

    4)研制应用的1960MPa镀层钢丝和主缆索股抗疲劳性能优异,1960MPa镀层钢丝经美国检测试验,动静载性能优于国际相关标准。主缆索股动载试验在应力上限0.400.45σb、应力幅200MPa-250MPa条件下、疲劳应力循环次数达到和超过200万次。

          坭洲水道桥1960MPa索股架设完成

     

    多股成品索式锚碇预应力锚固系统

     

    大跨径悬索桥锚碇锚固系统经历了钢框架、粘结式预应力锚固系统及可更换预应力锚固系统等多个发展阶段。钢框架系统受力复杂,用钢量大;粘结式预应力锚固系统不可更换、难以监测;可更换预应力锚固系统对夹片式锚具的可靠性要求较高,安装过程中夹片式锚具的防腐及防渗漏施工工艺要求较高。由于工程上使用的锚固系统都有其各自的缺点,因此,为了克服上述锚固系统的缺点,提高锚固系统可靠性、简化施工工艺、确保运营养护阶段更换便利,实现较优的全生命周期效益,依托虎门二桥主跨1688m的坭洲水道桥和主跨1200m的大沙水道桥两座千米级悬索桥,由业主与中交公路规划设计院有限公司、柳州欧维姆机械股份有限公司联合开发了一种新型的可更换多股成品索式预应力锚固系统。

     

    针对虎门二桥锚固系统的技术要求,采用需求分析、技术攻关、与现有系统对比分析和依托工程模拟试验验证的技术路线,开展了可更换多股成品索式锚碇预应力锚固系统设计方法研究、防腐性能研究、关键施工工艺研究和监测方法研究,研发了新型锚固系统及其施工工艺。首次提出了可更换多股成品索式锚碇预应力锚固系统的结构设计方案,成品索索体采用多层防护,锚头密封性好,整体防腐性能优越,使用寿命可达50年以上。形成了可更换多股成品索式锚碇预应力锚固系统的施工安装工艺,成品索为工厂化生产,锚固性能可靠,现场工作量小,质量易保证。试验验证了多股成品索式锚碇预应力锚固系统的更换工艺,该锚固系统可在不影响车辆通行的情况下,逐根更换成品索。

    本项目采用现场调研、理论分析、模型试验及工程验证等,对可更换多股成品索式锚碇预应力锚固系统进行了系统研究,取得以下创新性成果:

     

    1)国际首次提出了可更换多股成品索式锚碇预应力锚固系统的结构设计方案。

     

    2)成品索索体采用多层防护,锚头密封性好,整体防腐性能优越,使用寿命可达50年以上。

     

    3)形成了可更换多股成品索式锚碇预应力锚固系统的施工安装工艺,成品索为工厂化生产,锚固性能可靠,现场工作量小,质量易保证。

     

    4)试验验证了多股成品索式锚碇预应力锚固系统的更换工艺,该锚固系统可在不影响车辆通行的情况下,逐根更换成品索。

     

    本项目研发的可更换多股成品索式预应力锚固系统直接在虎门二桥中得到应用,填补了国内空白,造价比灌注一般防腐油脂方案低 17.4%(节省1968万元),比灌注专用防腐油脂方案低 14.2%(节省1539万元)。且灌注一般油脂方案因其防漏施工要求高导致施工成本较高;如出现油脂渗漏,还需进行补灌补漏等维修工作,运营维护成本较高;且一般油脂的防腐性能相对较差,需更换的可能性更大、次数更多。多股成品索方案相对另外两种方案,防腐性能最好,需更换的可能性最小,运营维护成本最低。因此,从全寿命周期成本考虑,多股成品索方案具有明显的优势。

    可更换多股成品索

     

    结构体系与关键装置

     

    虎门二桥坭洲水道桥在活载、温度、大风、地震作用等组合下,纵向变形量达到2.6m,对梁端伸缩装置的规模提出了很高要求,大风、地震作用下,大桥受力性能差,对结构尺寸和基础也提出了更高要求。

     

    由业主与中交公路规划设计院有限公司联合开展研发工作。在纵向提出了静力限位-动力阻尼结构体系,综合了弹性约束及阻尼约束的优点,有效控制梁端纵向位移、减小伸缩装置规模,伸缩装置最大伸缩梁有效降低了40cm,提高了耐久性和行车安全性,降低了维修养护成本。

    本项目设计为8车道,按规范最多布置10车道荷载比较重,桥位10米处设计风速达到34.4m。桥梁长、活载和风荷载大都会造成较大的梁端位移,给虎门二桥尤其是坭州水道桥梁端伸缩缝的设计、生产和耐久性带来严峻挑战,亟需提出一种合理结构体系和研发出一个装置,解决梁端位移较大的技术难题。

     

    大跨漂浮体系悬索桥在活载、纵向大风、温度、地震等荷载作用下,主梁的梁端位移过大,虎门二桥坭洲水道桥在最不利静力工况下梁端伸缩装置变形达到2640mm,世界上尚未有能生产如此大规模的伸缩装置厂家,较大的梁端变形对大桥的耐久性及后期检修带来较大挑战和风险。另外,超大跨悬索桥横向采用刚性约束将导致横向荷载作用下主梁与桥塔之间刚性碰撞,产生加到的反力以及主梁横向地震力直接传递到塔底,对大桥抗震性能要求高。本项目在约束体系方面取得以下成果:

     

    1)国内首次提出了适宜大跨径悬索桥静力限位-动力阻尼的纵向体系,能够有效控制梁端纵向位移、减小伸缩装置规模,最大伸缩量从2640mm降到2240mm,减小约15%

     

    2)国内首次提出了大跨径悬索桥塔梁间横向减震耗能体系,能够有效改善桥梁横向受力性能,能够保证主梁与支座始终紧密贴合,且具有自复位功能,提高行车舒适性。

     

    32640mm降到2240mm,减小约15%,降低造桥成本约500万元;另外,伸缩装置规模降低还可显著提高桥梁的耐久性,降低后期维修成本产生的经济效益不可估量。

     

    大跨度桥梁在国内外未来跨越大江和海湾的特大型复杂桥梁建设中有着广泛的应用前景。本课题研发的大跨径悬索桥适宜纵、横向结构体系,将进一步拓展大跨径桥型的应用空间,增强我国大跨径桥梁的设计能力,为我国“一带一路”等国家重大战略的实施,打造“中国桥梁”名片提供较好的技术支撑。

    虎门二桥在建设之初就确立了“安全耐久、环保节约、科技创新、至臻建设、争创鲁班奖和詹天佑奖、创平安工程”的建设目标。科技创新始终是项目建设单位重点主抓的工作。通过全面的科研规划、细致的科研管理与执行、坚持科研与生产的紧密结合,科研成果对工程切实起到支撑作用,部分研究成果达到了国际领先水平。研发的1960MPa主缆钢丝索股、多股成品索、BIM建养一体化平台等技术,具有广阔的推广和应用价值,有力促进了我国在超大跨度悬索桥方面的技术进步。

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