摘 要:澳凼三桥是世界上首座双层交通预应力斜拉桥,上层为双向6车道,下层近期为双向4车道,远期为双线轻轨。主桥主跨为180ｍ竖琴式稀索斜拉桥,“ｍ”形主塔,引桥为60ｍ等高预应力混凝土箱梁。
关键词:部分斜拉桥;预应力混凝土结构;箱形梁;双层交通;桥梁设计
1 建桥条件
澳门由澳门半岛、凼仔和路环岛所组成。澳门半岛与凼仔岛之间现有嘉乐比、友谊两座大桥,在交通高峰时期,这两座桥已有阻塞现象,澳凼三桥的建成将使两岛之间交通更为顺畅。澳门现仅有2条主要通道与大陆相连:北端的关闸与莲花大桥,莲花大桥连接京珠高速公路和105国道。它们满足不了澳门经济发展的需要,制约着澳门经济的发展。国家准备投资修建轨道交通系统将珠江三角洲主要城市连接起来,并考虑衔接港澳。轨道交通将通过澳凼三桥连接澳门与深圳,开通澳门与大陆的第3条通道。澳凼三桥位于雷达水道西侧紧靠十字形航道的十字道口,东侧距嘉乐比大桥1200ｍ,十字道口疏浚后,桥位处航道中心将南移250ｍ,桥中线与航道斜交约5°,要求本桥主通航孔跨径大于150ｍ。根据澳门《海港水文规范》,本桥通航净空为28ｍ,设计高潮位为300年一遇+4.85ｍ。在区域构造上,桥址区位于珠江三角洲断陷区。50年超越概率10%水准下,地震动峰值加速度为0.10ｇ,场地反应谱特征周期0.35ｓ,场区基本地震烈度为7度。桥位区的地层由第四系冲淤积覆盖层及燕山期侵入的花岗体构成。第四系覆盖层厚19.1～59ｍ,下伏花岗岩,岩面高程-22.3～-61.3ｍ,由北向南渐低。
2 技术标准
(1)设计车道:上层车道为双向6车道,下层近期为双向4车道,远期为双线轻轨。在大于8级风的条件下,上层交通及下层轻轨交通关闭,下层通行2车道
(2)行车速度:轻轨70ｋｍ/ｈ。
(3)设计荷载:汽车荷载按澳门规范执行;轻轨列车共4节,节长16ｍ,节重20ｔ。
(4)通航水位:+1.71ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ)。
(5)通航航道和净空:桥梁主跨承台顶部的保护梁间的净距为150ｍ,高潮时竖向净空为28ｍ。
(6)设计风速:Ｖ10=45.1ｍ/ｓ。
(7)地震:按7度地震设防。
3 总体设计
3.1 总体布置
根据通航净空及澳门侧立交净空5.2ｍ的控制条件,澳凼三桥布置为:主桥位于Ｒ=3500ｍ的竖曲线上,两主塔处的路冠高程分别为35.809,36.028ｍ,满足通航净高28ｍ的要求。南侧以5%下坡一段后,平坡延至凼仔岛路堤,北侧以5%下坡,一段平坡,延至澳凼半岛。各变坡点均设凹或凸形曲线。澳门侧以7%坡后与主桥相连,见图1。
3.2 桥式布置
主桥布置为:(5×60)ｍ+(2×60)ｍ+(110+180+110)ｍ+(9×60)ｍ+(7×60+45)ｍ=1825ｍ,其中(110+180+110)ｍ为预应力双层交通斜拉桥,其余均为等高预应力混凝土箱梁。2×60ｍ为匝道与主桥连接异型段。
3.3 主孔跨径确定
澳凼三桥通航等级为4000ＤＷＴ,速度为15节,主孔通航净空不小于150ｍ,为防止失控船撞击桥墩,确保大桥安全,航道两侧的主塔墩需采取有效的防撞措施,考虑基础宽度及防撞设施宽度,主跨跨度确定为180ｍ,通航中心线作为主跨中心线。
3.4 桥梁横断面布置
本桥为双层桥型,上层为双向6车道,中间有栏杆,两边有人行道和护栏,下层为双向4车道,另有2根?800ｍｍ的水管及7层电缆槽,还有通风系统、照明电力系统、消防安全及交通监控系统。为了使横桥向受力合理、施工简便,主桥横向设2个分离的单箱单室截面,每箱具体布置如下。上层:0.2ｍ(护栏)+1.0ｍ(人行道)+0.5ｍ(路缘带)+3×3.5ｍ(行车道)+0.5ｍ(路缘带)+0.25ｍ(防撞栏)=12.95ｍ。下层:0.5ｍ(路缘带)+3.5ｍ(行车道)+4.0ｍ(轻轨车道)=8ｍ;或0.5ｍ(路缘带)+2×3.5ｍ(行车道)+0.5ｍ(路缘带)=8ｍ。为设置主跨斜拉桥塔柱,两箱之间间隙为3.1ｍ,异型段后两箱梁之间间隙为0.1ｍ。斜拉桥桥面宽为15.95ｍ,主要是增加了斜拉索的锚固区。引桥箱梁及正桥斜拉桥的横断面具体布置见图2。
图2 引桥箱梁及正桥斜拉桥的横断面布置
4 桥梁结构
4.1 正桥
4.1.1 上部结构
4.1.1.1 总体布置
主桥采用竖琴式平行索面混凝土斜拉桥,跨径组成为(110+180+110)ｍ,全长400ｍ,两边跨纵坡为5%,中间以Ｒ=3500ｍ竖曲线相连。边主跨比为0.611,梁高6.13ｍ,梁上索距为10ｍ。
4.1.1.2 支承体系
斜拉桥边墩设竖向活动支座,塔梁交叉处设横向、竖向支座,斜拉桥的纵向位移约束采用全纵漂体系,采用该种布置的主要因素如下:主跨跨度不大,地震作用下纵向水平位移最大值为150ｍｍ,梁端伸缩缝的位移量能够满足要求;采用全纵漂体系,能使两塔墩共同承担地震水平力,避免单塔承受过大水平地震力;采用全纵漂体系能降低温度效应;因该箱梁底不能设隔板,无法设置在其他斜拉桥上经常采用的弹性索。
4.1.1.3 主梁
(1)结构型式箱梁为薄壁箱形截面,梁高6.13ｍ,桥面设1%横坡,为改善箱梁整体受力性能,在各支点底板加厚至1.4ｍ,相应在两侧腹板内侧加竖向隔板,顶板底加一横肋以减小箱梁的翘曲及畸变应力。为了使斜拉索的索力能有效地传递至全截面,斜拉索锚固点截面内侧需同支点截面一样加强。本桥主梁采用三向预应力结构。在箱梁腹板与底板结合区,同时集中了底板横向预应力锚固区、竖向预应力筋锚固区、纵向预应力锯齿块,为了尽可能减小张拉槽对截面的削弱,在箱梁底、腹板外侧设置马蹄形梁檐,将底板横向预应力锚固于其中。斜拉索梁上锚块设置于主梁翼板之下。箱梁内下层通行车辆,需要在箱内安装排风、防火、消防等设备,在竖向净空受限制的条件下,应尽量利用横向空间。箱梁底板宽度对箱梁受力十分敏感,在满足通车净空的条件下,应减小底板的横桥向受力跨度以改善箱梁的受力状况。因此,箱梁采用斜腹板型式,该种截面布置能缩短斜拉索的传力途径,有效传递斜拉索索力。此外,斜腹板的景观效果较直腹板佳。本桥高跨比为1/29.4,梁高相对较高,为了不致给人以沉重感,在箱梁外侧设檐板,以增加梁体的层次感,同时在箱梁腹板中部开设圆形窗户,纵向按一定规律排列,以增加桥梁的虚实统一性,开设圆形窗户也有利于箱体内的排风及排烟。内外侧腹板窗户交错排列。沿桥纵向,在梁内侧沿底板每隔4ｍ伸出牛腿,以支撑过桥水管。
(2)索距的确定相对刚度较大的主梁而言,主塔刚度较柔,从结构受力上分析,该桥属部分斜拉桥,斜拉索的力只是将主梁部分荷载通过索力传递到主塔。经过比较,6,7,8,10,12ｍ五种索距均能满足受力要求。最后决定采用10ｍ索距,主要有如下几个因素:索距加大,①能减少施工节段,减少工期,加快施工进度;②视野开阔,景观效果好;③透空率高,抗风性能好;④能充分发挥每根索的强度,提高斜拉索的使用效率。但过分加大索距,会造成施工节段过长,重量过大,增加施工难度,提高施工成本。
4.1.1.4 斜拉索
斜拉索采用竖琴式平行索面布置,每片箱梁2个索面横向间距为15.1ｍ。全桥横桥向共4个索面,中间两索面之间距离为0.9ｍ,共同锚固于主塔中塔柱,全桥共有96根斜拉索。
4.1.1.5 主塔
主塔采用Ｂ50混凝土,自承台以上塔高85.183ｍ,桥面以上48ｍ。主塔横桥向呈“ｍ”造型,共有3个塔柱,两边塔柱位于主梁外侧,中塔柱位于两主梁之间。在塔梁交叉处梁底及塔顶设横梁连接,使之成为框架结构,见图3。塔柱按其部位分为3个区域:下塔柱区、中塔柱区、斜拉索锚固区。
图3 主塔布置
主塔柱顺桥向自上而下等宽,宽度为5.5ｍ,横桥向均为3ｍ。塔柱截面采用单箱单室。下横梁为单箱单室截面,高4.0ｍ,宽4.0ｍ,为了适应横梁端部受力需要,在横梁与塔柱交接处对横梁截面进行了局部加强。上横梁为单箱单室截面,横桥向梁底设椭圆线形。上、下横梁均为全预应力构件。斜拉索直接锚固于塔柱内壁的锯齿块上,为了平衡斜索在塔柱截面产生拉力,在塔柱四周均布置有后张预应力筋。
4.1.2 下部结构
主塔基础采用3个分离式承台,承台顶高程-20.0ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ),承台底高程-23ｍ(Ｍ·Ｓ·Ｌ),上下游侧塔柱承台横桥向宽8.6ｍ,顺桥向长10.6ｍ,每承台底设4根直径2.2ｍ的钻孔桩。中间塔柱承台横桥向宽度11.6ｍ,顺桥向长12.6ｍ,设7根2.2ｍ钻孔桩,呈梅花形布置。所有桩按柱桩设计,嵌入微风化岩层。
4.2 引桥
在引桥设计中,分别对50,60,70ｍ三种跨径的混凝土连续梁作了全面比较,见表1。换算每延米工程材料用量进行比较并考虑施工难易程度,60ｍ梁跨比较合适,因此本桥引桥跨径确定为60ｍ。
(1)基础型式桥址处北岸澳门侧覆盖层较浅,埋深30ｍ左右,下卧花岗岩,由北向南覆盖层逐渐加深,凼仔侧埋深达80ｍ,由于花岗岩强度较高,为充分发挥桩身材料强度,进一步减少桥墩基础规模,每个墩设4根直径1.5ｍ柱桩。承台采用高桩承台,利用当天低潮位时段,吊箱围堰施工。
(2)上部结构引桥上部结构采用60ｍ预应力混凝土等高箱梁,梁高6.13ｍ,横桥向为两分离式单箱单室截面。每箱顶宽12.95ｍ,底宽9.5ｍ,腹板厚为0.5ｍ,顶、底板厚分别为0.25,0.4ｍ。主梁采用三向预应力体系。墩顶处主梁采用加强断面,即在桥墩中心线沿顺桥向左右各1ｍ的范围内,将主梁的底板加厚至1.4ｍ,同时在箱内设加劲肋,增加主梁的横向挡块。加强断面底板还设有横向抗震挡块,抵抗地震产生的横向力。
5 结 语
澳凼三桥是世界上首座双层交通预应力斜拉桥,该桥所在区域风速大,地震烈度高,景观要求高。设计中显示了预应力结构设计技术的突出创新,重点解决了:
(1)双层受载的单室无隔板箱梁的技术关键。
(2)新颖别致具有鲜明地域特征的“ｍ”造型的主塔设计技术。主塔的“ｍ”造型象征ＭＡＣＡＵ的第1个字母,也寓意澳门的3个半岛紧密相联,同时也象征澳凼第3座大桥,主塔造型别致,为国际首创,促进了现代桥梁技术进步。澳凼三桥必将成为澳门的又一亮点。
