❤️❤️❤️ 台湾海峡通道桥梁方案的概念设计初探  第1张

台湾海峡位于福建与台湾之间,连通南海、东海,是我国更大的海峡。海峡北东、西南走向,长约370km,最窄处宽约130km。海底地形总体平缓,水深具有东深西浅的不合错误称特征,北部地形走向为NE向,总体呈槽隆相间的格局,更大水深90m;南部相对平展,走向NS-NNW向,更大水深为68~70m。海峡主体属台西盆地,盆地西邻闽浙隆起,以滨海断裂带为界。汗青记载Ms≥5.0的地震为85次,此中Ms=5.0~5.9为55次,Ms=6.0~6.9为23次,Ms≥7.0为7次,更大震级7.5级。总体来看,海峡强震散布具有西强东弱,南强北弱的特点。海峡处于亚热带的季风区,气温终年暖和,冬季流行东冬风,特点是均匀风速大,大风日数多,流行期长,如图1。大风次要由热带气旋引起,1949~2003年间,均匀每年有2~3次气旋进入海峡,最多时7次,此中超强台风占20%。秋、冬季浪高较大,夏、春季浪高较小,历年更大波高为13.0 m。更大浪高在北部为16m,南部为6.9m。

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图1 台湾海峡月均匀大风频次图

前期研究次要集中在三条线路上,如图2、图3。通过对各通道计划线路长度、水深、地量、综合交通路网规划、两岸城市区位优势等因素阐发比照,构成了北线计划海峡宽度最窄、线路长度最短,海洋地量、水深前提较好,地震影响较小,可先期规划构成北线通道的共识。为此,本文讨论范畴仅限于此。

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图2 线路图

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图3 各线路水深

目前,通道的桥隧之争还停留在宏不雅层面。隧道计划面对的次要挑战是通风、施工和工期等问题。在深海中建人工岛不只面对极高的手艺风险,并且要付出庞大的经济代价;而桥梁计划,将面对深水根底施工、恶劣天气前提下通行等问题。总之,台湾海峡通道建立将面对着超长线路、深水、强风、强震等挑战。桥、隧计划都存在许多手艺问题有待处理。因而,桥、隧计划都应尽早开展研究,做好手艺储蓄。

在桥梁计划中,对主通航孔桥,有些专家保举接纳超大跨斜拉桥计划,认为即便跨径到达2000m,斜拉桥也是适宜的;也有专家则主张接纳多跨持续安插的超大跨悬索桥计划(≥3000m)。关于深水区的辅通航孔桥梁,除了个别专家认为应该接纳超大跨多跨持续悬索桥计划外,大部门专家都认为应该接纳大跨斜拉桥计划,但在经济跨径的建议上,概念有所收支。做者于2014年也提出了台湾海峡通道桥梁计划构想,本文在此根底上讨论其概念设想。

交通功用与手艺尺度

功用需求

台湾海峡通道投资庞大,不成能像杭州湾或长江上那样,几年内修建多条通道。能够揣度,在相当长时间内只会有一条通道,所以,大桥的交通功用应该考虑充实。无论是货运仍是客运,关于长约130km的运距,公铁运输都是经济合理的,但货运应次要考虑海运。别的,公铁合建比公铁分建经济,通道宜接纳公铁合建计划。

通行前提

海优势速较海岸测得风速高,在冬季(1月)均匀风速高达16~22m/s,那对行车平安构成严峻影响。在国表里已发作过强风吹翻汽车和火车的事务;别的,日本按照其运营经历得出,当风速到达25m/s时,可招致列车倾覆。所以,桥梁计划应考虑在那种前提下汽车、列车全天候通行问题(仅在极端天气前提下封闭大桥交通)。

手艺尺度

手艺尺度确实定要考虑交通综合规划、投资等浩瀚因素,现阶段本计划做如下考虑——

设想根本风速:按照《公路桥梁抗风设想标准》(JTG/T D60-01-2004)附录表A,100年一遇前提下,平潭根本风速为51.2m/s,新竹为39.4m/s,宜兰为61.3m/s。宜兰位于中国台湾省东北部,桥位两头接线点为平潭(大陆侧)和新竹(台湾西北侧)。因为台湾中部高山的阻挠效应,新竹侧100年设想风速小于宜兰,考虑到海优势速较陆地大,现阶段设想根本风速宜以宜兰为准,取61.3m/s,按A类地表情况考虑。

车道数:考虑到短期内,两岸间可能只要一条通道,通行才能不该该在寿命期内(墨西拿海峡大桥按200年设想寿命设想)过早到达饱和;全天候通行要求部门车道相关于外界封锁,因为海峡天气恶劣,汽车有时只能走封锁的车道,所以封锁车道数不克不及太少;海峡风大,宽桥面临于大跨径桥梁横向受力有利。所以,桥梁计划公路共安插双向10车道(6条开放车道,4条封锁车道),铁路接纳客货混跑双线。

设想时速:公路设想时速对总投资影响甚微,但铁路完全差别。列车运行对大桥变形的要求相当严酷,设想速度愈高,允许变形愈小,造价势必增高。因而,桥跨超越1000m的主通航孔桥客运列车设想时速宜接纳200km/h;关于辅通航孔桥,设想时速可进步到250km/h,如许,有利于进步经济效益和与航空运输的合作力。厄勒海峡和费恩马海峡桥梁计划客运列车设想时速均为200km/h。

综上,计划手艺尺度拟定见表1。

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总体计划概念设想

通航孔设置

台湾海峡不断是一条重要的海上航道。国内,它是毗连东海和南海的“海上走廊”;国际上,它是从日本海、琉球群岛海域通向巴士海峡、东南亚的海上捷径,海峡航运忙碌。因为峡宽水深,暂未构成固定航道,习惯航迹带宽度大,超越10km。

台湾海峡海面开阔,其通航要求应高于琼州海峡。现阶段琼州海峡桥梁计划接纳了三组主通航孔,一组300000DWT,两组50000DWT。连系造船业的开展趋向,台湾海峡全线宜接纳三组主通航孔,一组500000DWT,两组100000DWT;其余桥梁做为辅通航孔通航。响应通航孔尺寸可按照国际桥协提出的“船舶活动域理论”确定,即自在通航平安通航宽度为3.2L(船主),而约束通航可减半为1.6L,详细如表2。

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主通航孔跨径与桥型

主通航孔跨径的选择要考虑进步经济性,满足通航和构造性能要求。考虑到通航办理的复杂性,本计划暂不考虑限速通航。从表2能够看出,500000DWT、100000DWT自在通航合孔要求的通航孔尺寸别离为3000m、2000m,而分孔通航只需要两个1500m、1000m通航孔,综合考虑海峡天然前提、工程质料、手艺程度、经济性等因素,宜接纳分孔通航计划。

现阶段可考虑在近大陆和台湾侧各设一个100000DWT通航孔,水深50米摆布;海峡中线附近设一个500000DWT主通航孔,水深60米摆布,其余桥孔做为辅通航孔,如图4。100000DWT的通航孔接纳两个宽1000m并列安插的单向通航孔,500000DWT的通航孔接纳两个宽1500m并列安插的单向通航孔。500000DWT的分孔通航桥梁能够有多计划选择,如图5所示。

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图4 北线线路通航孔安插

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图5 主跨1500m分孔通航桥梁计划

一般情况下,主跨1500m的桥梁,斜拉桥和悬索桥都是可行的。但是从图4能够看出,该桥所在的区间是近60m的持续深水区,在那种前提下接纳悬索桥存在深水锚碇的手艺、经济问题。悬索桥要通过锚碇将10万吨级的主缆程度力从海平面以上传递到接近60m深的海底,不只锚碇本身的造价高,并且手艺难度也很大。目前,超大跨度悬索桥中,只要丹麦大海带桥和中国孤立洋大桥将锚碇置于浅水区,尚无深水区建造锚碇的胜利先例。

为避开深水锚碇的手艺和造价高的问题,更好的计划是接纳斜拉桥。按照我们的研究,跨海工程中,主跨小于1400m时,斜拉桥在经济性能、构造刚度、抗风性能及拉索可改换等方面较其他桥型具有优势;在1400~1800m跨度范畴内,斜拉桥、岸上锚碇协做系统和岸上锚碇的悬索桥那三种系统有合作,但跟着水深增加,根底、锚碇造价进步,悬索桥和协做系统经济性能逐步劣化。近年来,苏通大桥、昂船洲大桥、俄罗斯岛大桥、沪通公铁两用长江大桥等千米级斜拉桥相继建成,常泰公铁合建桥也已开建,表白千米级斜拉桥建造手艺趋于成熟;并且1500m的斜拉桥已做过抗风研究,因而在本工程中,斜拉桥更有合作力。为进步构造刚度和经济性能,本计划500000DWT通航孔拟接纳分孔通航的主跨1500m斜拉桥,图5a);100000DWT通航孔拟接纳分孔通航的主跨1000m三塔斜拉桥计划,图5b)。

辅通航孔跨径与桥型

辅通航孔跨径安插须满足经济原则。水深和抗船碰品级的进步,会使下部构造造价增加。接纳较大跨径以削减下部构造数量,有利于降低总造价。所以,水越深经济跨径越大。表3给出了4个出名海峡桥梁计划的桥梁跨径。

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台湾海峡水深大,对应的桥梁经济跨径相对较大。参考表3和水愈深经济跨径愈大的定性认识,拟定了台湾海峡通道桥梁联络孔桥跨径安插和桥型计划,见表4。

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主通航孔桥梁概念设想

主通航孔的超大跨斜拉桥将面对深水、强震、强风感化和公铁两用与全天候通行需求,因而,设想中高塔、长梁的不变、构造刚度、钢桥面板委靡、长索垂度和车道合理安插等,将成为设想中的关键问题。

主通航孔桥梁设想

500000DWT主通航孔接纳主跨 1500m的斜拉桥。跨度安插为2×(225+510+1500+510+225)m,如图6。

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图6 500000DWT通航孔总体安插

构造系统

超大跨度斜拉桥构造系统重点要处理其刚度问题。构造横向刚度次要取决于主梁的横向刚度,拉索奉献量较小。因而,横向荷载感化下,斜拉桥受力可视为主梁在过渡墩、辅助墩、桥塔上构成的多跨持续梁,优化主梁截面形式、增设辅助墩能够增大构造横向刚度。而改动塔、墩的横向约束刚度可以改善主梁在约束部位的横向弯矩。

构造竖向刚度次要由塔、梁、索构成的三角系统供给,与塔、梁的毗连体例也有关系。进步竖向刚度的办法有:增大斜拉索刚度;设置辅助墩;减小边、中跨比;增大桥塔高度和加强塔梁彼此约束。但因为深水桥墩造价高,考虑到经济性,本计划设置一个辅助墩。

构造纵向刚度取决于桥塔的纵向刚度和塔梁纵向约束系统。考虑到单联主通航孔桥长接近3000m,温度效应大,塔梁交接处宜设纵向约束(阻尼安装、弹性约束和纵向限位安装);主梁在边墩顶宜设置纵向限位安装、梁端转角约束安装,并释放温度效应。

因而本计划构造在竖向:各墩处设置竖向收座,此中边墩、辅助墩设减隔振收座;横向:桥塔墩、辅助墩、边墩设置横向约束安装;纵向:塔墩处设阻尼约束和限位安装,边墩顶设置纵向限位安装、梁端转角约束安装,其余各墩处设活动收座。

主梁选型

主梁选型次要考虑横断面安插满足公铁两用及部门车道全天候通行;进步大轴力感化下主梁不变性;改善主梁气动外形,减小横风效应等。

本计划拟对平层安插的钢箱梁与分层安插的钢桁梁停止综合比选(图7)。一般情况下,钢箱梁的用钢量要比桁梁小。据统计,诺曼底斜拉桥钢箱梁用钢量:552kg/m2,博斯普鲁斯三桥钢箱梁用钢量:723kg/m2,而某钢桁梁斜拉桥(6车道+4线铁路)用钢量:1560kg/m2;箱梁梁高小,宽度大,使其横向抗弯刚度远大于桁梁,有利于减小横风效应,进步抗风性能,改善高速列车运营的平稳性。而分层安插的钢桁梁,上层安插双向6车道高速公路,下层安插全天候通行的双向4车道高速公路和双线铁路,更利于实现全天候通行。两种主梁都能够安拆智能风障,通过实时监测风压,控造风障主动开合,以包管极端横风下构造的平安。风压一旦超限,发制止通行指令并翻开风障。

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图7 主梁横断面计划示意

全桥主梁按照轴力大小接纳四种尺度横断面:①sec_A跨中段定为尺度段;②sec_B近塔段,接纳增大钢板厚度构成加强截面;③sec_C塔、梁接壤段,轴力更大,在加强截面内浇筑UHPC构成组合构件参与整体受力;④sec_D压重段,钢与混凝土组合。

主塔和根底

桥塔接纳空间四肢锥形桥塔,以进步构造刚度和抗弯才能。全线大部门桥塔根底接纳尺度沉箱组合根底,尺度沉箱先在岸边干船厂施工成形,船厂放水后将沉箱根底浮运就位,下沉接高,构成根底和塔墩。主桥桥塔能够由四个沉箱根底和桥墩组合,在水面以上加设横向联络,构成组合根底整体塔墩配合受力。其他桥梁能够按照需要,用同样的办法由单个或几个沉箱根底组合受力,再在上面停止桥塔施工。桥塔选材应考虑海上高空功课特点,以钢、钢-混凝土(或UHPC)组合预造大构件,现场拼拆为备选计划。

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图8 沉箱根底施工

斜拉索

斜拉索等效刚度是决定超大跨度斜拉桥整体刚度的关键因素之一。超大跨度斜拉桥外索垂度效应明显、承载效率低,为此,外索可接纳 CFRP 组合拉索来进步斜拉索等效刚度。

经初步阐发,接纳钢桁梁的主通航孔斜拉桥,构造的强度、刚度、不变性都能满足我国标准要求。

100000DWT主通航孔接纳 1000m三塔斜拉桥,塔、梁形式与500000DWT主通航孔不异。跨度安插为(100+350+1000+1000+350+100)m(图5b)。

辅通航孔桥梁及引桥

按照如上阐发,辅通航孔桥梁跨径按照水深合理安插。因为辅通航孔桥在台湾海峡通道中占比很大,必需提早对计划的手艺经济性停止深切研究。做为概念设想初探,本文提出如下计划:

多跨轻型组合梁斜拉桥

接纳轻型组合梁斜拉桥,安插在70~90m的深水区间,图9为总体安插示企图。边中跨比取0.45~0.5(沪通长江大桥0.440),为增大整体刚度,接纳空间四肢锥形桥塔,塔的高跨比取0.28。

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图9 总体安插示企图

多塔持续组合梁斜拉桥

400~600m跨度桥接纳多塔持续组合梁斜拉桥,4~6跨一联,塔、梁形式与主跨一致,与希腊Rion-Antirion桥类似(图10),安插在50~70m的深水区间。

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图10 多塔持续组合梁斜拉桥示企图

深水联络孔桥和近岸段梁桥

200~400m跨度接纳多跨持续部门斜拉桥,安插在30~50m的深水区间。大跨持续组合梁桥(跨径≤200m),安插在小于30m的水深区间。横断面设想与部门斜拉桥连结一致。

结语

台湾海峡通道将是中国更大的桥梁工程,也是具有国度同一意义的伟大工程。该通道的建立是两岸同胞实现中华同一的重要构成部门,也是中国桥梁工程界的配合愿望。本文通过对通道功用需乞降手艺尺度的初步阐发,提出一些设想构想,以期抛砖引玉。

次要建议可归纳为以下几点:

1.宜用公铁合建的较经济计划,并比选同层和双层安插,以满足经济性和全天候交通的需求。

2.为制止深水锚碇,进步抗风性能,宜接纳斜拉桥计划,为此,主通航孔桥接纳双向分孔通航计划以减小跨度。

3.提出了尺度沉箱组合根底和桥塔接纳钢或钢-混组合预造大构件,现场拼拆的计划备选。因为海峡水深大部门在60米以上,必需深切研究便于施工且经济性好的深水根底计划,以节约造价,从而进步桥梁计划对隧道的合作力。

(注:杂志社略去了原文中参考文献十余篇。若有需求,可与杂志社联络。)

本文刊载 / 《桥梁》杂志 2023年 第4期 总第114期

做者 / 肖汝诚 项海帆

做者单元 / 同济大学