台湾海峡通道桥梁方案的概念设计初探_互联网资讯__分享互联网新鲜有趣好玩的事物-云易优站长平台

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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。

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。

图2 线路图

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。

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。

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。

图4 北线线路通航孔安插

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。

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。

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。

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。

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。