青岛海湾大桥设计施工论文.docx

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青岛海湾大桥设计施工论文

青岛海湾大桥设计施工简介

王生1

（1.河南理工大学土木工程学院，焦作454000）

摘要：

青岛海湾大桥又称胶州湾跨海大桥是我国建桥者自行设计、施工、建造，具有独立知识产权的特大跨海大桥。

青岛海湾大桥工程包括三座可以通航的航道桥和两座互通立交，以及路上引桥、黄岛接线工程和红岛连接线等，全41.58公里，为世界第一跨海长桥。

本文通过对大桥的路段情况、结构分析、施工技术、施工方案和栈桥段施工详情的介绍。

该理论成果对于我国桥梁建设具有借鉴意义。

关键词：

跨海大桥；混凝土耐久性；多跨连续梁；钻孔灌注桩；预应力混凝土

Abstract:

TheQingdaoBayBridge,alsoknownasJiaozhouBayBridgeisChinabridgebuildertodesign,construction,construction,withindependentintellectualpropertyrightsoflargebridge.TheQingdaoBayBridgeprojectincludesthreenavigablewaterwaybridgeandtwointerchanges,androadbridge,HuangdaoJunctionEngineeringandHongdaoconnectingline,full41.58kilometers,istheworld'sfirstcrossseaLongbridge.Thisarticlethroughtothebridgesectionroadsituation,thestructureanalysis,theconstructiontechnology,theconstructionplanandtheZhanqiaosectionconstructiondetailintroduction.ThetheoreticalresultshavereferencesignificanceforthebridgeconstructioninChina.

Keyword:

Seacrossingbridge;concretedurability;multispancontinuousbeam;boredpile;prestressedconcrete

0引言

近年来跨海大桥在我国的建设发展方兴未艾，作为沿海城市群之间重要的交通通道，跨海大桥对推动区域社会经济发展发挥着极大的作用；然而作为高速公路的重要组成部分，跨海大桥的建设又具有相对独立的特点，相关的调查与研究较为滞后。

跨海大桥横跨海峡、海湾，跨度可以达到几十公里，对设计与施工技术要求较高。

由于跨海大桥易受海域风、浪、流等自然条件的影响，给海上桩基施工带来较大的困难，施工质量难以保证。

而桥梁的使用寿命主要取决于管桩的寿命桥墩基础使用年限主要取决于桩基的抗腐蚀性能。

本文基于保障桥梁安全使用年限的需要，以东海大桥项目为例分析桥墩桩基耐久性设计与施工方案，以期为日后类似工程提供有效借鉴。

青岛海湾大桥又称胶州湾跨海大桥，是我国建桥者自行设计、施工、建造，具有独立知识产权的特大跨海大桥。

中国与世界建桥史又翻开了崭新的一页。

1建筑简介

1.1地理位置及大桥简介

青岛海湾大桥又称胶州湾跨海大桥，它是国家高速公路网G22青岛到兰州高速公路的起点段，是山东省“五纵四横一环”公路网上框架的重要组成部分。

起自青岛主城区海尔路经红岛到黄岛，大桥全长41.58千米，投资100亿，历时4年，全长超过我国胶州湾跨海大桥与美国切萨皮克跨海大桥，是当今世界上最长的跨海大桥。

大桥于2011年6月30日全线通车。

青岛海湾大桥，东起青岛主城区黑龙江路杨家群入口处，跨越胶州湾海域，西至黄岛红石崖，青岛侧接线749米、黄岛侧接线827.021米、红岛连接线长1.3公里。

是我国建桥者自行设计、施工、建造，具有独立知识产权的特大跨海大桥。

青岛海湾大桥工程包括三座可以通航的航道桥和两座互通立交，以及路上引桥、黄岛侧接线工程和红岛连接线。

大桥为双向六车道高速公路兼城市快速路八车道，设计行车时速80公里，桥梁宽35米，设计基准期100年。

青岛海湾大桥（北桥位）是国家高速公路路网规划中的“青岛至州高速（M36）”青岛段的起点，也是我市道路交通规划网络布局中，胶州湾东西岸跨海通道中的“一路、一桥、一隧”重要组成部分。

海湾大桥的建设，将实现半岛城市群区域内各中心城市之间形成“四小时经济圈”，区域内中心城市与本地市内各县市形成“一小时经济圈”的道路网络规划目标。

本项目由山东高速投资经营，与胶州湾高速捆绑经营。

山东高速集团投资建设的青岛海湾大桥是我国目前国有独资单一企业投资最大规模的交通基础设施项目,是我国北方冰冻海区域首座特大型桥梁集群工程，加上引桥和连接线，总体规模为世界第一大桥。

1.2气候特征

青岛地处胶州湾畔，濒临黄海，属季风气候区，气候季节变化较明显。

冬半年呈大陆性气候特点，气候干燥、温度低；夏半年受东南季风影响，空气湿润，雨量充沛，呈现海洋性气候特征。

年平均气温12.6℃左右，极端最低气温-14.3℃。

年平均降水量662mm，主要集中在7、8月份。

平均年雾日50天，年平均雷暴日20天。

历年最大风速32m/s，7、8、9月易受台风影响。

胶州湾一般年份12月下旬开始结冰，2月中旬消失，冰期60天左右，固定冰多出现在1~2月份，一般在等深线2m（海图水深）内分布；堆积冰出现在胶州湾北岸的石河桥、白沙河、大沽河一带，堆积高度在50-100cm；浮冰一般年份在5m等深线内分布。

1.3建筑结构

大沽河航道桥：

据介绍，整个海湾大桥工程包括沧口、红岛和大沽河航道桥、海上非通航孔桥和路上引桥、黄岛两岸接线工程和红岛连接线工程，李村河互通、红岛互通以及青岛、红岛和黄岛三个主线收费站及管理设施。

　　据负责大沽河航道桥施工的青岛海湾大桥第七合同段工作人员介绍，大沽河航道桥的主塔为独塔，高达149米，是海湾大桥上的最高塔。

航道桥建成后，主塔将成为大沽河航道桥的主要标志物，而大沽河航道桥也会因此成为海湾大桥的标志性建筑物。

据测算，大沽河航道桥箱梁由22种55个钢箱梁装焊组成，每个标准梁段长12米、宽47米、高3.6米，其中最大梁段重达1000余吨，这在国内跨海大桥上是首次采用。

自锚式悬索桥：

悬索桥指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸（或桥两端）的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构件的桥梁。

现代悬索桥的悬索一般均支承在两个塔柱上。

塔顶设有支承悬索的鞍形支座。

承受很大拉力的悬索的端部通过锚碇固定在地基中，个别也有固定在刚性梁的端部者，称为自锚式悬索桥。

1.4建设情况

连接青岛、青岛、红岛的海湾大桥，将于2010年年底建成通车，而海湾大桥青岛市区接线一期工程也将于2010年同步建成。

2009年11月27日，青岛市规划局对海湾大桥市区接线工程的规划方案进行社会公示，其中一期工程起于青岛海湾大桥，沿李村河、张村河布设，止于海尔路，全长7.6公里，为双向八车道，建成后将成为青岛首条具有八车道的城市快速路。

2009年11月27日，在青岛市规划局公示大厅，青岛海湾大桥市区接线工程的规划方案面向社会公示，并听取社会各界的意见和建议。

公示内容包括市区接线工程的四座立交桥以及工程的整体走向图。

青岛海湾大桥市区接线工程由市市政工程设计研究院设计。

据市市政工程设计院主持设计的人员介绍，海湾大桥接线工程延续了海湾大桥的桥面宽度，设计采用双向八车道，“本市在建及已建快速路中，车道数都没有超过双向六车道，市区接线工程将成为青岛首条具有八车道的城市快速路。

”工作人员介绍说，市区接线工程设计思想超前，双向八车道的设计，不但可以有效地提高道路整体通行能力，建成后还将为青岛新添一条八千米景观新干线。

海湾大桥直通海尔路，根据规划方案，海湾大桥市区接线工程是青岛海湾大桥的主要疏解道路，早在2006年本市就对接线工程进行了认真研究。

该工程一期工程起于青岛海湾大桥，沿李村河、张村河布设，止于海尔路，全长7.6公里，为积极推进该工程建设进程，目前市规划局已经核发了选址意见书，批准了规划方案，计划年内开工，2010年与海湾大桥一起建成通车。

　据介绍，市区接线工程沿李村河至张村河河道北岸走向，在保证快速路标准的同时，避免沿河道反复穿插，减少桥墩对河道泄洪的影响。

海湾大桥接线工程途经李沧、四方、市北及崂山四区，作为岛城“三纵四横”快速路网中重要一“横”，将承载交通动脉功能。

在大桥接线工程中，规划设计单位沿线共设计了四座立交桥，分别是四流路立交桥、重庆路立交桥、黑龙江路立交桥和海尔路立交桥。

据设计人员介绍，立交桥在选型上充分考虑了相交道路的功能定位，在交通分析的基础上，针对不同的交通节点采用不同的立交形式。

其中，四流路立交设计采用两层半菱形立交形式，在充分利用胜利桥现状的基础上，跨郑州路及四流中支路，保证了两条主线直行方向的行车顺畅；重庆路立交桥位于两条快速路的交叉枢纽，设计采用五层全定向互通枢纽立交，两条主线之间均采用定向匝道相接，充分保证立交整体交通功能。

而黑龙江路及海尔路立交间距约1.7公里，立交节点设计与北侧现状海尔路至万年泉路立交结合，实现了功能互补，降低了立交高度。

2009年12月10日，随着最后一段桥梁浇注成功，我国首座海上立交桥——海湾大桥红岛海上互通立交桥主体建设完工。

据介绍，目前，海湾大桥的上部结构已经完成了67%，下部结构完成了98%，预计2010年底，横跨胶州湾的青岛海湾大桥将全线贯通，2011年通车。

“在海上建设这样的桥是非常困难的，这样的难度在世界上也很罕见。

”青岛海湾大桥总工程师邵新鹏介绍说。

2009年12月10日，伴随着最后一段桥梁的浇注成功，中国首座海上立交桥——海湾大桥红岛海上互通立交桥主体建设全部完工。

桥面是这座海上立交桥里距离水面互通立交桥还采用了国内最大跨径、最小半径曲线滑移模架浇注箱梁，浇注工作历时15小时，共浇注混凝土520.54立方米。

据介绍，红岛海上互通立交桥是国内首座海上互通立交，浇注的跨主线60米滑移模架箱梁位于B匝道，采用的350米小半径、60米大跨径曲线滑移模架施工设计工艺属国内之最。

从海湾大桥建设指挥部了解到，红岛海上互通立交桥主体完工后，海湾大桥的上部结构已经完成了67%，下部结构完成了98%，预计2010年底横跨胶州湾的青岛海湾大桥将全线贯通，2011年正式通车。

据介绍，海湾大桥分上部结构和下部结构两部分，其中上部结构包括箱梁、主塔和悬索等，下部结构则包括承台、墩身及桩基等，目前海湾大桥第五合同段完工的就是大桥的下部结构。

截至2009年11月底，由山东高速集团投资建设经营的青岛海湾大桥累计完成钻孔灌注桩5110根；承台1103个；墩身1691个；预制箱梁431片；现浇箱梁311孔；安装箱梁376片。

青岛海湾大桥设计全长35.4千米，是世界第二跨海大桥。

整个海湾大桥工程包括沧口、红岛和大沽河航道桥，海上非通航孔桥和路上引桥，黄岛两岸接线工程和红岛连接线工程，李村河互通、红岛互通以及青岛、红岛和黄岛三个主线收费站及管理设施等，其中连接线工程都已招标结束，部分区域已进入施工阶段，而沧口、红岛和大沽河航道桥也都进入了最后的紧张施工阶段。

　　“我们为高处作业人员配保暖服、防滑鞋、手套等防护用品。

同时，如果遇到大风、暴雪等恶劣天气，立即停止作业，大型机械设备停用，必要时停止施工。

”据介绍，进入冬季后，海湾大桥建设指挥部要求各施工单位及时收听、掌握气象信息，做好各项保温、升温的准备工作，提前购置塑料布、棉被、温度计、锅炉燃料、防寒服装等；提早准备原材料，将石子提前冲洗好，放置于搭建好的堆料棚内，防止形成结块，从而保证工程质量。

最高、弯度最大、施工最难的一段，代表了我国海上桥梁建设的最先进水平。

据介绍，因为海上施工难度大，海湾大桥建设指挥部特地设计了移动滑移模架，在世界上也属于首创，获得了多项专利。

同时，海湾大桥红岛海上

1.5冬季施工安全技术方案

根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）第14章冬季施工规定：

冬季施工是指根据当地多年气温资料，室外日平均气温连续5d稳定低于5℃时的混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土及砌体工程的施工。

1.5.1低温条件对混凝土工程的影响

混凝土拌和、浇筑后水泥与水产生化学反应，低温条件下浇筑的混凝土一旦遭受冻害，体积将增加，同时水泥的水化作用也停止进行。

在恢复正常温度后，水泥浆体中的孔隙率将比正常凝结的混凝土显著增加，从而使混凝土的各项力学性能全面下降，混凝土与钢筋的粘结力也大幅度降低，混凝土的耐久性严重劣化。

因此，为保证混凝土施工的工程质量，在冬季施工中防止混凝土在硬化初期遭受冻害，并尽早获得强度，特制定以下冬季保证措施。

1.5.2钢筋存放及焊接技术措施

钢筋原材存放在需离地50㎝以上，用棚布材料覆盖裹严，防止积雪结冰。

钢筋焊接安在室外进行时，温度不得低于-20℃，并采取相应的防雪、防风措施（钢筋焊接在搭设的钢筋棚内进行，钢筋棚周围设挡风板），减小焊接钢筋的温度差，焊接后的接头禁止立刻接触冰、雪等冰冷物质以免影响焊接的质量。

2.2、混凝土保温技术措施

A、加强原材料管理，砂石料进场前除正常的检查外，还需对含水量进行严格控制，清洗砂石料在中午温度较高时进行。

夜晚用棚布覆盖保温，防止砂石料带有冰雪和冻结成块。

B、拌制混凝土时通过对水的加热，达到较高的出盘温度，以适应运输、浇筑等过程中的热量损失，达到要求的入模温度。

搅拌站蓄水池用保温材料覆盖并密封，水采用电热管加热，加热温度根据天气情况决定，一般控制在87℃以上，此时混凝土搅拌时先将水和砂石料搅拌均匀后方可投入水泥，避免水泥和热水直接接触。

运输砼时，将混凝土搅拌运输车用保温材料（棉棚布）包裹严密，以保证拌制砼在灌注入模时的温度符合施工规范要求。

混凝土施工时提前通知其他标段，防止在共用栈桥上堵塞，缩短混凝土运输时间。

加强调度协调，保证随到随用，避免运输车在施工现场等待时间过长。

1.5.3承台保温措施

承台浇注结束后，混凝土处于降温阶段则要保温以降低降温速率，可采取如下措施：

混凝土初凝后顶面覆盖一层塑料薄膜加二层草袋并加盖覆盖麻袋，并在钢套箱顶面搭设防风棚，必要时在棚内用封闭式碘钨灯照射表面加温。

1.6码头、栈桥和钻孔平台的保护措施

码头和栈桥上焊接间距0.5m防滑钢筋，并经常检查防滑钢筋的开焊情况，发现破损或焊接开口时及时进行修补。

码头、栈桥和钻孔平台安排专人进行管理，对上面的积水、结冰、积雪及时进行清理，保证车辆行驶时不打滑。

1.6.1冬季混凝土施工的注意事项

混凝土的冬季施工，除按常温施工的要求进行质量检查外，还应注意以下几点：

1.混凝土的浇筑尽量要选择在天气晴好、温度较高的日子进行。

2.要经常检查水的加热温度，保证温度达到计算所需的温度，并将搅拌时间延长正常时间的50%。

3.混凝土拌和料自搅拌机倾出时的温度及浇筑时的温度，每一工班至少检查3次，并做同条件的养护试件。

4.冬季施工时，要加强施工机械保养，对水箱、油路管道等润滑部件勤检查，勤更换，防止设备冻坏。

1.6.2温度测试

混凝土冬季施工过程中，由试验室（负责搅拌站、混凝土）和质检工程师（负责现场温度控制）按时测量水、骨料，混凝土出罐、入模测量四周的温度；测温仪器：

外界气温用自动温度计记录仪观测，混凝土出罐、入模温度用旁通温度计测试，并形成完善的温度检测。

2栈桥设计

2.1　设计依据

对于栈桥设计，我国目前尚没有可以遵循的规范。

为此，在栈桥设计中，我们遵循业主发布的青岛海湾大桥土建工程施工招标文件及相关要求和规定，同时遵守国家及相关行业标准、当地水文地质资料和有关设计手册。

国家及相关行业标准：

①《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）

②《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）

③《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）

④《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）及2001年局部修订

⑤《港口工程荷载规范》（JTJ254-98）

⑥《海港水文规范》（JTJ213-98）

⑦《港口工程混凝土结构设计规范》（JTJ267-98）

⑧《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）

⑨青岛水利研究院所提供资料

⑩青岛海湾大桥工程区波浪基本特征.

2.2　结构设计

栈桥采用多跨连续梁方案，主要跨径为15m。

贝雷梁结构：

采用7×15m一联“321”型贝雷桁架，每联之间设立双墩，断面采用8片贝雷桁架，其间距采用0.9m；桥面宽8.0m；

桥面系：

由钢板和型钢组成的正交异性板桥面系；

桩基础：

600和800，=10mm厚钢管桩；钢管桩所用钢管，材质为Q235，采用钢板卷焊。

详见:

图2:

一联栈桥结构立面图

图3:

栈桥支座处断面图

图4:

单孔桥面系构造图

图1一联栈桥结构立面图

图2栈桥支座处断面图

图3单孔桥面系构造图（15m）

2.3　结构计算

栈桥的结构设计计算

①设计荷载组合与设计验算准则

根据业主提出的栈桥施工荷载要求，参照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）及《港口工程荷载规范》，经反复研究讨论，将栈桥设计，取3种状态、5种最不利工况进行设计验算。

“工作状态”是指：

栈桥正常使用车辆荷载与对应工作状态标准的其它可变荷载（风、浪、流）作用的组合。

“非工作状态”是指：

在恶劣海洋气候条件下，栈桥上不允许通行车辆，仅承担相应其它可变荷载（风、浪、流）作用的组合。

栈桥施工状态是指：

栈桥在自身施工期间可能出现的最不利施工荷载组合，经反复计算，以单跨栈桥通行履带吊施工荷载及履带吊在前端打桩时控制设计。

栈桥作为一种重要的临时结构，根据相关规范要求和具体工程情况，确定设计验算准则：

a在工作状态下，栈桥应满足正常车辆通行的安全性和适用性要求，并具有足够的安全储备。

b在非工作状态下，栈桥停止车辆荷载通行，此时栈桥应能满足整体安全性的要求，允许出现局部可修复的损坏。

c在栈桥施工状态下，栈桥应满足自身施工过程的安全，但6级风以上时，应停止栈桥施工。

其中工况Ⅰ－工况Ⅲ（贝雷梁）以及提供下部钢管桩的竖向计算荷载，工况Ⅴ用于验算施工状态下上部结构的应力，工况Ⅳ仅用于计算下部钢管桩的横向计算荷载，与前三种荷载组合情况下计算的竖向荷载一同验算下部的钢管桩基础。

表1　栈桥的设计状态与最不利工况

设计状态

工况

荷载组合

恒载

基本可变荷载

其它可变荷载

工作状态

结构自重

汽车超20

对应工作状态标准的风、波浪和潮流作用

结构自重

100t履带吊

结构自重

挂120

非工作状态

Ⅳ

结构自重

—

对应非工作状态标准的风、波浪和潮流作用

栈桥施工状态

Ⅴ

结构自重

100t履带吊

—

②设计荷载参数

a车辆荷载

（1）汽－超20（单列）；设计行车速度为15km/h，不计冲击作用。

（2）挂车－120；

（3）100吨履带吊（履带吊接触面积为2－5155×1070mm2），根据招标文件确定。

（JTJ021－89规范中只有50t履带吊荷载图式）。

图4设计车辆荷载

b风荷载参数

（1）工作状态组合

风速为20.7m/s，风压为0.25kN/m2，相当于8级风；

（2）非工作状态组合

风速为27.2m/s，风压为0.44kN/m2，相当于重现期为十年的风荷载。

c潮流参数

（1）工作状态组合

V=1.09m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.24m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.03m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.38m/s（K28+200.000－K30＋650.00）。

（2）非工作状态组合

V=1.12m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.31m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.31m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.36m/s（K28+200.000－K30＋650.00）。

d波浪参数

（1）工作状态组合

波浪高0.5m，周期3.79s。

水深3.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深4.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深4.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深4.02m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深5.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深8.02m（K28+200.000－K30＋650.00）。

（2）非工作状态组合

波浪高3.36m，周期6.88s。

水深5.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深6.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深6.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深6.45m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深7.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深10.45m（K28+200.000－K30＋650.00）。

e局部冲刷深度

（1）工作状态组合

2.3m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；5.0m（K28+200.000－K30＋650.00）。

（2）非工作状态组合

2.3m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；5.0m（K28+200.000－K30＋650.00）.

③桥面系计算

a栈桥桥面系基本构造

栈桥桥面板采用正交异性钢板。

横梁长度为8.4m，纵肋15m。

桥面板在工厂加工成3.78m的标准块。

在每个标准块中，边横梁采用槽钢，中间横梁采用工字钢,纵肋采用槽钢。

图5桥面系构造

b设计荷载组合

设计状态下，由于其它可变荷载（如对应工作状态标准的风、波浪和潮流作用）基本上不会对桥面板产生作用，故在进行桥面板设计时，不与其它可变荷载进行组合。

因此，荷载组合归结为以下四种工况：

工况Ⅰ：

结构自重＋汽车超－20；

工况Ⅱ：

结构自重+100t履带吊

工况Ⅲ：

结构自重+挂－120

工况Ⅳ：

结构自重

经过初步计算，认为工况Ⅲ对桥面板设计起控制作用。

故取挂-120+结构自重为桥面板计算的设计荷载。

c计算模型

据弹性理论，采用有限元法对桥面板进行应力分析。

弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，容重为78kN/m3。

桥面板按两轮荷载作用下连续板计算，挂-120的重车单轮轴重为75kN，四轮荷载直接作用在桥面板上，触地轮压为750000Pa。

计算模型见下图。

图6桥面板计算简图

d计算结果

经过计算，且提出三种方案比选，最终确定桥面系采用如下方案，

采用正交异性桥面钢板，桥面系在工厂加工成3.78m一段的标准块，边横梁采用[10，中间横梁采用工字钢I10，纵向间距为0.75m；纵肋采用槽钢[10，横向间距为0.35m。

见下表。

表3荷载工况下桥面板应力

桥面板

最大应力（MPa）