明石海峡大桥简介.pdf

第21卷 第1期2 0 0 1年2月国 外 公 路 文章编号:1003-6512(2001)01-0013-06明石海峡大桥简介金增洪 编译(中交公路规划设计院,北京市 100010)摘 要:文中简要介绍了日本明石海峡大桥工程的地理位置和概况。对创世界记录的日本明石海峡大桥工程设计和施工中的技术创新、桥梁的特点和桥梁美学构思作了介绍。关键词:悬索桥;超大跨径;垂跨比;锚碇 明石海峡大桥是神户 淡路 鸣门线路上的主要桥梁。该桥设有6车道,设计时速100 km/h,桥梁位于本州侧神户市垂水区和淡路岛侧的津名郡淡路町之间的明石海峡上。在宽4 km的海峡中央部位约1 500 m宽是主要通航路线,桥下净空65 m(略高于最高潮位)。因此,桥的中央跨径长度采用1 990 m,地震后延伸了约1 m,桥的总长3 911 m;这是悬索桥破世界纪录的跨径,它比上一次破世界纪录的英国亨伯尔桥的主跨径增大了581 m。这一工程的上部结构的重要技术课题是要确保桁梁和塔的抗风稳定性;基础工程的重要技术课题是对软岩持力层的大规模开挖以及在流速8节(相当于4 m/s)情况下提出开挖对策和基础施工。本桥于1988年初开工建设,1998年7月开通交付使用,建设期历时10年。1 桥梁的设计参数1995年1月17日凌晨受日本兵库县南郊地震的影响,主跨径从1 990 m变更到1 990.80 m,3P4A间从960 m,变更到960.30 m,桥梁的设计高程也发生了变化(主跨中心部位路面标高由96 m提高到97m),见图1。以46 m/s为基本风速,随高度增加进行修正算出设计基准风速。对风荷载来说还要考虑阵风的响应乘一个系数。桁架颤振风速的校正,以桁架设计基准风速附加风速变动乘以约1.3的安全系数,一般认为,稍低于78 m/s的颤振临界风速能满足要求。图1 地震影响(单位:m)本桥桁架上层设置道路,下层附设输水管路(淡路广大地区为2根 45 cm)、通信线路(NNT 4条,TWJ 1条)、电力线路(关西77 kV电力线)。此外,在神户侧的桁架内部还要设置展望设施(从锚碇1A向前149 m区间内),见图2和表1表3。31 收稿日期:2000-01-25图2 桥型布置图(单位:m)表1 设计条件形 式3跨2铰加劲桁架悬索桥跨径布置960.00+199 0.80+960.30 m纵坡边跨主跨圆曲线(R=342 695 m神户侧,247 360 m淡路侧)圆曲线(R=30 342 m)地震后(地震前3%直线)地震后(地震前1.5%抛物线)横 坡2%加劲桁下净空高NHHWL+65 m(TP65.9 m)沥青铺装厚度75 mm设计荷载恒载悬吊构造主缆小计280.4 kN/m(主跨)141.3 kN/m(主跨)421.7 kN/m(主跨)加劲桁架工程订货设计加劲桁架工程订货设计加劲桁架工程订货设计种 类 TL-20,TT-43,B活载集中荷载弯矩用剪力用641.4 kN/单侧652.5 kN/单侧等代L荷载等代L荷载等分布荷载 641.4 kN/m单侧等代L荷载基本风速 46.0 m/s设计荷载风载设计基准风速悬吊构造主缆塔59.8 m/s66.2 m/s66.7 m/s风荷载悬吊构造主缆小计51.58 kN/m10.32 kN/m61.90 kN/m主跨(主要横断面力)主跨(主要横断面力)主跨(主要横断面力)地震的影响根据明石海峡大桥抗震设计要领(案)构造体系悬吊构造 加劲桁架尺寸宽33.5 m,高14 m主缆主缆的垂跨比主缆的中心距主缆根数F/L=194.176/1970.695=1/10.12135.50 m1根/单侧表2 下部工程设计1A4A2P3P基础形式形状尺寸基础施工方法沉箱基础圆形85 m地下连续墙,倒衬砌法施工直接基础矩形80 m(长)63 m(宽)列柱式连续墙档土法施工直接基础圆形80 m70 m设置沉箱施工法直接基础圆形78 m67 m设置沉箱施工法本体形式尺寸重力式锚碇84.5 m(长)63 m(宽)重力式锚碇83 m(长)63 m(宽)数量混凝土/m3钢材/t基础375 000本体140 00015 000基础90 000本体150 00013 000水中265 000空气中89 00021 000水中238 000空气中84 00019 00041 国 外 公 路 21卷 表3 上部结构设计概要项 目主 跨边 跨加劲桁架断面构成最大板厚材质34 mmHT78034 mmHT780变形竖向挠度水平挠度+8.00-5.04 m26.99 m(地震后)+4.54-3.76 m8.28 m(地震后)主缆直径最大张力塔顶部位的最大反力全部钢丝的长度1 122 mm625 130 kN/根(地震前)482 460 kN(地震后,2P塔柱)300 035 km制作长度吊索吊索直径设计张力(切断荷载)PWS85 mm(一般部位),91(1A侧)CFRC6694 mmPWS5 2305 600 kNCFRC3 0106 420 kN塔柱断面尺寸一般部位的板厚和材质塔顶水平位移D+L+T+SD+E(14.810.0)m(长)6.6 m(宽)底部50 mm,塔顶65 mm SM5701.904 m(主跨),-1.775 m(边跨)塔的施工设计上部工程总用钢量/t195 100(其中:塔47 800,缆59 500,加劲桁架87 800)2 设计与施工特点2.1 下部工程神户侧的锚碇基础:锚碇是承受主缆拉力的基础。神户侧地基系泥岩和砂岩交替层叠形成的神户层。每一地层物理性质存在差异,所以必须掌握好多层地基的物理性质和力学模型。该基础采用圆形地下连续墙施工,一面开挖一面用倒衬砌法施工钢筋混凝土壁,开挖到基础支承面后,填充混凝土。淡路岛侧锚碇基础:本基础从力学上看是直接基础。该基础的持力层为花岗岩,采用钢管连续挡土开挖后浇筑混凝土。锚碇本体:锚碇本体是主缆索股锚杆赖以锚固的锚梁及支承其锚碇框架埋置的钢筋混凝土大块体。1A锚碇的混凝土体积为14万m3,4A锚碇混凝土为15万m3,由于大体积混凝土膨胀大,施工时平面上分为5份;在高度方向大块体每升高24 m、锚碇块体每升高12 m为一混凝土浇筑层。在混凝土浇筑过程中,由于水化热引起温度裂缝,除了使用低发热水泥外,还要采用预冷和管道冷却以限制热量的发生。由于钢筋和钢结构非常稠密,必须采用流动性、填充性好的混凝土,以提高施工质量。另外所浇筑的混凝土平面块体间,前面浇筑的留缝刷浆和钢筋残余应力等问题,一般认为3 m宽设缝,就能达到块体间一体化施工的目的。海中桥墩:从力学上看,海中桥墩是直接基础。在神户侧有漂石和砾石层混合形成神户层;在淡路岛一侧的持力层也是神户层。基础的施工方法是沉箱法。设置沉箱的施工程序是:首先采用大型抓斗船对海底进行开挖,用在强潮流条件下基础设置就位。由于海域流速大,以致沉箱就位后冲刷立即开始,必须尽快抛设网袋式防冲刷过滤单元。沉箱下沉后,在基础周边所发生的冲刷,都是预先通过室内和现场试验确定的。所以基坑形状像盘子,其直径很大,当沉箱定位后,在其周围大量抛石,作为防冲刷的防护工程。最后,用大型混凝土台船向钢沉箱内浇筑混凝土。水中部分采用流动性好不离析的混凝土(特殊水中混凝土);在空气中混凝土浇筑厚度为0.52.0 m,使用低发热水泥制备的混凝土浇筑。基础形状是圆形,这种形状的基础施工性能好,并能减轻潮流压力。根据稳定性计算,基础的直径在神户侧达到80 m,淡路侧达到78 m。2.2 上部工程2.2.1 塔的构造塔在桥轴方向为柔性构造,在垂直桥轴511期 明石海峡大桥简介 方向为桁架形式的刚架。塔柱断面为中空箱形构造,共有7个室。塔全部的4/10范围内的断面由垂直桥轴方向的风荷载决定,塔上部断面一般认为按沿桥轴塔顶最大变位决定。最大板厚50 mm。对塔而言,在风载作用下希望底部无拔力,塔的顶部宽度为35.5 m,塔的底部宽度为46.5 m,塔柱是斜的(图3)。考虑到塔的制作搬运和架设等施工性能,在高度方向分成30段。各段有三个架设单元(最大重150 t/单元)。塔柱各段在现场拼装,接头端面要在工厂进行切削加工,采用高强螺栓连接。在连接处,1/2的荷载由上部主体金属直接传给下部主体金属,其余的1/2荷载通过高强螺栓传给节点板再通过螺栓传给下部的主体金属。过去在现场架设时,采用爬升式起重机,这样必须补强塔的本体;为了减少工程量节约钢材,采用自立爬升式起重机。在架设时,塔的现场精度管理要求确保金属之间的接触率和垂直度,规定塔的偏斜度:在设计时控制在1/2 000,架图3 桥塔布置图(单位:m)设时控制在1/5 000,制作时控制在1/10 000塔高以内。根据架设时控制在1/5 000换算约为6 cm。塔安装的结果,在神户侧塔最大偏斜约为4 cm,淡路侧约为3 cm,符合规定。再者塔壁有温度差,对此有补偿的必要。明石大桥的主塔与以往的构造特征有很大的差异,在塔内设置了永久性的抑制风振的调质阻尼器。从以往塔的架设经验看,在架设时塔易发生摇摆,在成桥时,当主缆固定在塔顶上后,一般认为塔不再摇摆。但是本桥塔的高度特别大,相对柔软,在成桥后判明会发生振动。即使采用十字形断面不易摇摆的构造,讨厌的振动还是会发生的,为此必须设置调质阻尼器(TDM)。调质阻尼器的重量是塔本体重量的0.9%。对塔的大尺度变更必须杜绝,这才能达到制振的效果。然而在边跨的加劲桁和塔之间,当塔内的阻尼器发生故障时,必须设置油压阻尼器备用。2.2.2 缆的构造悬索桥最主要的构件,可以说就是两根直径1.12 m的主缆了。每根主缆由290根索股构成,而每根索股则由127根平行钢丝组成,见图4。缆可以用两组牵引系统由PWS的滚轴引出法施工。以往悬索桥缆的长度不超过1.8 km,由于本桥的缆有4 km长,索股展开试验和卷轴的卷绕以及抽出长度需要通过试验确认。每根索股加卷轴重图4 主缆和索股的断面(单位:mm)61 国 外 公 路 21卷 92 t。需采用重型起重设备。明石大桥开始设计时,根据计算,两侧各要布置两根缆,但本桥的构造,即一侧只要一根缆,全桥只要两根缆。原有钢丝的拉伸强度为1 600 MPa,新开发的为1 800 MPa。此外本桥荷载的91%是恒载(关门桥的恒载占75%,因岛大桥的占83%),同以前的桥梁相比,本桥恒载所占比率增大了,因此本桥在活载作用下,应力幅度变化较小,而且钢丝的张拉强度提高了,安全度可从2.5降低到2.2。缆的架设工程采用了直升飞机将先导索渡海经两塔到另一侧猫道。直升飞机渡海法与以往采用FC船牵引先导索(钢丝绳)渡海的区别是前者采用了强度大、重量轻的聚酰胺纤维导绳为先导索,这才有可能实施直升飞机施工。采用这一方法是由于受强潮流的影响以及不用限制船舶航行,短期内就可实现先导索渡海。新型猫道与以往靠设置抗风绳保持抗风稳定性的老猫道相比,新猫道省去了抗风绳,代之以连接两缆间猫道的横向桥,达到制振的目的。以往 采 用 的 吊 杆 是 绞 捻 的 钢 丝 绳(CFRC),本桥大规模地采用聚乙烯管包裹的平行钢丝索股(PWS)见图5。在风作用时,吊杆要适应倾斜,以此来决定吊杆的锚固图5 吊绳构造(单位:m)方式,一个方向用铰接,还有万向节头锚固。绞捻索支承的三种锚固方法,则分开使用。作为主缆新的防腐蚀体系,采用缠丝法将索股缠紧再用防水胶布包裹,还要设置向缆内输送干燥空气系统。输入的空气湿度保持在40%以下。2.2.3 加劲梁构造加劲梁采用桁架构造。这种构造具有较高的抗风性能,考虑在明石海峡的恶劣气候情况下,施工作业平台同时架设。关于抗风稳定性的问题以往对1 000 m跨径级的加劲桁,只要考虑扭转颤振就够了,对本桥这样大的跨径,必须判明其弯曲和扭转耦合颤振现象。桁架的基本抗风特性是确定主桁的构件尺寸是否合适,主桁内的管道以及附加构件的设置等都要通过二维风洞试验确认;最终还需通过三维试验验证。为此,要做1/100的缩尺模型,制作40 m长的全桥模型;试验场所宽41 m,高19.5 m,长75.4 m;风路输入长度30 m。这是世界上最大级别的结构物的大型风洞设施,通过风洞试验,确认本桥的颤振临界风速基准值在78 m/s以上。在本桥路肩和分隔带上配置钢板网桥面板,而且在中央主跨的加劲桁架上弦中心设置竖向的抗风稳定子,以确保较高的抗风稳定性。通过三维全桥模型风洞试验确认:在中央主跨设置稳定子可以确保主桁的抗风稳定性;湍流中的阵风响应在本设计中是没有问题的;对三维复杂举动的颤振必须通过解析的方法求得解决。例如:在较大静力扭转变形的情况下,对颤振会有较大的影响要加以判明。桁架结构的弦杆架设,边跨从锚碇开始,主跨从主塔开始。弦杆的断面大部分由风荷载所决定。加劲桁架在与塔柱连接处设铰。在风载作用时,主跨的水平挠度达27 m。1995年1月17日,阪神大地震,桥梁轴线发生了错位,基础位置也发生了相对错位,铰的基本位置(1A、2P、3P和4A)呈折线形状(图1),伸缩装置吸收了变位量。由地711期 明石海峡大桥简介 震造成桁架最大水平折角在004 以下。主跨伸长0.8 m,靠淡路侧边跨伸长了0.3 m。在钢桁制作时,主跨两端两个节间,各增长0.4 m,靠近淡路侧边跨的4A端节间增长0.3 m。这就满足了地震后桥轴线变位伸长的需要。由于使用了高强钢材,加劲桁架弦杆的重量减轻了。以往所采用的高强钢材在焊接时,预热温度必须达到100 以上,但本桥采用了低预热钢材,经焊接施工试验确认后使用。这种低预热钢材达到50 的预热就可以了,这就大大改善了焊接的施工环境。桁架的架设基本上采用逐次无铰的由主桁架和横向桁架组成的平面进行,日本人称为“面材悬臂架设法”。架设的方向:主跨从主塔开始向主跨中心推进,边跨从锚碇向主塔方向推进。本桥加劲桁架架设时在主塔两侧以及锚碇旁实施大块体架设,在大块体上起卸材料的起重机、移动式起重机、移动式防护工程和移动的脚手架等事先搭载在大块体上,这样大大缩短了工期。在桁架架设过程中,对桁架的形状作了10次测量以确认其精度。采用GPS(地球定位测量)精度很高,安装长度与跨径长度是完全吻合的。道路桥面系的构造是悬索桥主桁架承托的非合成钢桥面构造。为了获得好的行车性能加大伸缩缝的间距,连续钢桥面板构造的长度最大达20个节间(284 m)。以往其他本四连络桥非合成钢桥面的长度,最大才6个节间,即80 m,连续长度大3倍以上。3 景观特征上下部工程设计:考虑到周边景观影响,塔的形状、锚碇的外观轮廓作了表面设计。景观研究的主题是“可靠性”、“未来性”、“光亮和阴影”。从几个桥塔方案中选定对称的桁架式主塔。再有塔顶索鞍盖和水平梁的处理,塔柱斜度的研究等。锚碇的巨大混凝土体积,在一段距离以外去观察桥的轮廓,锚碇所占的比例是不大的,但在中间或靠近锚碇处观察,体积非常庞大,因此,锚碇的形状及其表面处理要进行修正,以免影响视觉效果。如采用多面体形状带有适当阴影,混凝土表面作为建筑物的表面出现,以凹凸水平砌缝,嵌套PC板,形成纹理等。上部工程的涂色:为与周边景观相呼应采用绿灰色。作为上色涂料,要求好的耐候性和优秀光泽保持率,故采用不溶树脂涂料。光照:为了创造桥梁周边良好的夜间景观,桥的主塔、主缆、加劲桁架和锚碇各部位都应设置夜间照明设施。并使主缆照明具有多姿多彩,随时间流逝使照明图案发生异彩纷呈的变化。参考文献:1 栗野纯孝(日).明石海峡大桥J.桥梁与基础,1998(8).2Structural Engineering InternationalJ ,1998,Feb.书 讯 本刊有部分2000年 国外公路 合订本,每套定价60.00元(含挂号邮资),欲购者请汇款至本刊编辑部,款到寄书。81 国 外 公 路 21卷