该桥是舟山大陆连岛工程中的第四座跨海特大桥,连接册子岛和金塘岛,主桥长2.588 km。桥位处水面宽度约为2000m,被老虎山岛分为南、北两汊,南汊宽约1600m,最大水深达95m;北汊宽约370m,最大水深约为70m。水下地形以潮流冲刷槽为主,覆盖层较薄,存在裸露的孤丘和水下暗礁。工程海域潮位为不正规半日潮,实测最大潮速3.02m/s,最大潮差3.54m。由于受地形压缩影响,西堠门水道流速较大,水流复杂并伴有强烈旋涡。
该桥为双向四车道高速公路标准,设计行车速度80km/h,全宽36m,桥面净宽23m,
最大纵坡2.5%,结构设计基准期主桥100年,运营期设计基本风速41.12m/s,设计最高通航水位3.28m ,通航标准3万吨级,主通航孔通航净宽630m,通航净高49.5m ,地震基本烈度7度。
(1)桥跨布置
大桥主跨为1650m的两跨连续钢箱梁全飘浮体系悬索桥,孔跨组合为578m+1650m+485m。南引桥采用两联6×60m预应力砼连续箱梁。大桥效果与桥型布置见图16、17。塔锚均不入水,避免了深水基础施工、船撞风险及海水腐蚀。
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图16 西堠门大桥效果
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图17 西堠门大桥桥型布置
(2)缆索系统
主缆矢跨比为1/10,全桥两根主缆共重21450t,采用工厂预制平行钢丝索股法(PPWS)施工,镀锌钢丝抗拉强度不小于1770MPa,每根索股含127根钢丝,钢丝φ5.25 mm,每根主缆中跨索股169根、南北边跨分别为171根和175根。
吊索采用钢丝绳,索夹为左右对合的铸钢件,吊索上端骑跨于索夹,下端与加劲梁销接。顺桥向吊点标准间距18m。吊索钢丝绳直径为φ60mm、φ80mm、φ88mm,对应公称抗拉强度为1770MPa、1860MPa和1960MPa。悬吊长度大于20m的各吊点,在吊索中部两索之间设置一道抑振装置。鞍座采用铸焊混合结构,锚室及鞍罩内均设除湿装置。
(3)主梁
主梁采用分离式双箱断面钢箱梁(图18),全宽36m,梁高3.5m,两箱间通过箱型横梁和工字梁连接,经数值风洞分析优选,两箱间距为6m时颤振临界风速最大。钢箱梁连续长度2228 m,为目前世界上钢箱梁连续长度之最。
全桥共划分梁段126个,标准节段长18m,重约250t,最大梁段重约310t。箱梁总用钢量约3.3万吨。
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图18 箱梁标准横断面
(4)锚碇及锚固系统
锚碇采用重力式锚,持力层为弱~微风化基岩,每个锚碇混凝土方量约8万立方米(图19)。锚固系统为“镀锌钢绞线+防腐油脂”的无粘结式可更换预应力体系(图20)。该系统夹片后设置有防松装置,钢管及前后锚头防护帽内均充满专用防腐油脂,前后锚室内设有除湿机以防止后锚头及防护帽腐蚀
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图19 锚锭
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图20 预应力锚固系统组装图
(5)索塔
索塔采用钢筋混凝土门架式框架结构,高211.286m,塔柱间设置 三道横向连接。基础均采用24根φ2.8m的钻孔嵌岩桩。南塔(图21)设置下横梁以布置加劲梁的各种约束装置,北塔(图22)未设下横梁,在承台间设置横系梁。为改善索塔的抗涡振性能,塔柱断面的角点部位设置0.7×0.7m的凹槽。
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图21 南塔
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图22 北塔
(6)主要技术特点和创新点
1)研发并在一根主缆应用国产1770Mpa主缆索股,促进民族工业进步,节约主缆材料费5500万元。
2)采用分离式钢箱梁断面,提高结构抗风性能,成桥状态颤振检验风速达[Ucr]=78.74 m/s。施工状态颤振检验风速为67.1m/s。
设计采用中央拉开的分体钢箱梁断面,为世界悬索桥加劲梁中首次采用。因而进行了数值风洞分析、节段模型风洞(图23)、全桥气弹模型试验(图24)等一系列风洞试验研究对中央槽宽、断面形状、涡振、颤振、抖振、静风稳定性、结构阻尼比的影响等进行了多项系统化研究,并采取多家试验单位平行研究、相互校核的方法予以确认。
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图23 节段模型风洞试验
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图24均匀流场中的全桥气弹模型试验
3)分体钢箱梁试验与制造
为了解传力机理,完善构造设计,进行了总长20m的1:2大比例尺节段模型试验(图25)。
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图25 1:2大比例尺节段模型试验
由于分离式双箱断面箱梁结构复杂,焊缝密集,所发生的焊接变形和残余应力较大,对结构制造精度、焊接工艺技术进行全面研究。钢箱梁制造采用“板→板块(或部件)→板单元→单元块→钢箱梁→预拼装→桥位焊接”方式生产(图26、27)。
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图26 钢箱梁段效果
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图27 分体钢箱梁制造
4)先导索直升机牵引过海
本桥成功实施了直升机牵引先导索过海(图28),作业时间短,不影响通航。直升机选用直-9(Z-9),牵引索选用高强、轻质、直径Φ13的尼龙绳,用时约30分钟。
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图28先导索直升机牵引过海
5)钢箱梁架设
由于西堠门水道覆盖层极浅,多数地方无覆盖层,运梁船采用传统抛锚定位难度大,结合桃夭门大桥钢箱梁吊装经验,本桥运梁船采用动力定位、主要利用平潮期吊装(图29)。
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图29 采用船舶动力定位技术架设钢箱梁
可到达区域的梁段,采用单台缆载吊机垂直起吊法架设。北边跨无索区梁段采用荡移至支架再滑移就位,对于短吊索下方运梁驳船无法到达的局部区域进行爆破拓宽航道,使得梁段可垂直起吊。由于两塔位于岸上,其附近梁段采用缆载吊机垂直起吊后荡摆至支架。
(7)有关资料
桥 名: 西堠门大桥
桥 型: 两跨连续钢箱梁全飘浮体系悬索桥
跨 径: 主跨 1650m
桥 址: 浙江舟山群岛
西堠门大桥主要设计与施工单位一览表
合同段 承包人(中标单位) 备注
设计 主桥 中交公路规划设计院
接线 浙江省交通规划设计研究院
施工 A、E 四川公路桥梁建设集团有限公司 北岸锚碇和索塔;上部结构安装
B 中交第二公路工程局有限公司 南岸锚碇和索塔
C1 北京北重汽轮电机有限责任公司 索鞍和索夹
C2-L 新日本制铁株式会社 左侧主缆索股制造
C2-R 上海宝钢集团公司 右侧主缆索股、吊索制造
D 中铁宝桥股份有限公司 加劲梁制造及工地焊接
混凝土用量:246956 m3
钢材用量:78152t
造价:23.6亿元
预计建成日期:2008年12月