6 世界桥梁 2012,40(4) 韩国仁川大桥的设计与施工 编译 ( 中铁大桥局集团桥科院有限公司, 湖北武汉 430034) 摘要 : 韩国仁川大桥 (IncheonBridge) 跨越仁川港, 连接仁川国际机场 ( 永宗岛 ) 和松岛自由经济特区 ( 仁川广域市 ), 由跨主航道的斜拉桥 东西引桥及连接引桥和陆地的高架桥组成, 跨海部分全长 12.3km, 其中斜拉桥主跨长 800m 为节约工期, 该桥采用快速施工方法 为减少海上作业, 主要构件均在工厂预制后运至施工现场安装 各部分桥梁上部结构根据施工条件采用不同架设方法, 通过施工精度控制, 误差均在容许值内 为保证大桥使用寿命 100 年的目标, 在斜拉桥上安装了健康监测系统 ; 为防船撞在斜拉桥主墩及两侧桥墩周围安装防撞墩 关键词 : 仁川大桥 ; 斜拉桥 ; 快速施工 ; 健康监测 ; 防撞墩中图分类号 :U448.27;U445.4 文献标志码 :A 文章编号 :1671-7767(2012)04-0006-05 1 前言韩国仁川大桥 (IncheonBridge) 跨越仁川港, 连接仁川国际机场 ( 永宗岛 ) 和松岛自由经济特区 ( 仁川广域市 ), 大桥全长 21.27km, 其中跨海部分长 12.3km, 由跨主航道的斜拉桥 东西引桥及连接引桥和陆地的高架桥组成, 其中斜拉桥主跨长 800m 修建仁川大桥有助于松岛自由经济特区成为东亚金融中心城市, 有望大大改善韩国首都首尔交通和物流接近饱和的状况 韩国政府预测仁川大桥通车时的交通量为 35000 台 / 日,30 年后将增加到 90000 台 / 日 仁川大桥是韩国政府首次接受外国投资公司出资的基础建设项目, 由英国的投资公司 AMEC( 出资 51%) 和仁川市 ( 出资 49%) 共同出资, 成立仁川大桥公司管理桥梁施工, 采用建设 - 经营 - 转让 (BOT) 模式施工, 桥梁营运 30 年后, 仁川大桥公司将桥梁的管理权移交给韩国政府 主桥和引桥分别由日本的长大公司和韩国的西永公司设计, 由三星 大林 大宇 GS 韩进 韩化 锦湖 7 家建设公司组成的联合体施工 仁川大桥施工目标是控制施工成本以降低桥梁通行费用, 并建设成为一座美观 耐久性好的桥梁 2004 年 10 月, 仁川大桥设计 施工合同采用 交钥匙 方式签订, 工程总造价约 13000 亿韩元, 工期 52 个月 该桥设计的同时开始施工, 是韩国首次采用快速施工方法的桥梁 设计采用美国规范 AASHTO LRFD, 该规范以极限状态设计法为基础, 和传统的容许应力设计法不同 2 桥梁线路及自然条件为使桥梁长度最短, 最初计划东西方向以直线线形横跨海面 但由于仁川港船舶出入频繁, 为确保船舶有安全的海域转弯, 路线变更为距仁川港 3 km 向南方向以圆曲线线形通过 ( 见图 1) 为避免该桥成为船舶航行的障碍, 必须充分确保桥下航行净空, 同时考虑桥墩受船舶撞击的可能性高, 根据船撞概率在桥墩周围安装相应等级的防撞墩 图 1 仁川大桥分布施工现场水域潮差大, 从落潮时 -4.5m 变化到涨潮时 +4.5m 因此遇到采用浮吊设备施工时, 要在平均海平面附近安全的潮差时间内完成 桥位处海水浑浊 涨潮流速达 1.7 m/s, 有时还会有大风 大雾, 海运航线一年停航约 40d, 再加上降雨,1 年中约有 96d 现场不能施工 通过夜间和休息日加班作业, 确保平均 1 个月有 20d 的施工时间 3 工程特点 3.1 设计规范该桥设计采用美国规范 AASHTO LRFD 无 收稿日期 :2011-11-29 编译者简介 : 刘海燕 (1974-), 女, 副译审,1998 年毕业于湖南大学日语专业, 文学学士 (E-mail:lhypxf@126.com)
韩国仁川大桥的设计与施工 7 镀层钢绞线的各项标准符合美国后张协会标准要求, 但是这个标准是以目前在欧美广泛采用的 MS ( 多股 ) 索为对象, 没有考虑 PWS( 平行钢丝 ) 索 桥梁活载 (AASHTO HL93) 兼采用韩国道路桥规范 (KBDC)DL24 进行设计 DL24 用于重荷载情况下, 由于混合使用 KBDC 和 AASHTO 两种规范, 需对两者间的差异进行讨论和研究 3.2 快速施工方法韩国仁川机场和世界杯足球赛场采用快速施工方法修建 由于能缩短工期, 仁川大桥也采用了该方法施工 快速施工方法与传统施工方法比较见图 2, 该方法中规划 设计 机械材料采购 施工等一连串的项目施工界限不复存在, 在时间上搭接, 从而提高了项目的实施速度, 缩短了工期 图 2 快速施工方法与传统施工方法的比较由于该桥下部结构设计一完成即开始施工, 因此上部结构的设计受到已经确定的下部结构强度限制, 必须准确判断下部结构预留的富余, 若富余大, 则上部结构设计的自由度大, 易导致成本提高 在采用快速施工方法时, 准确地预测富余量是非常重要的 3.3 预制场仁川大桥预制场设置在距施工现场船运约 30 min 的位置 场地面积约 125000m 2 在预制场生产 组装桥梁构件和施工机具, 如现浇桩用钢护筒 钢筋笼 PC 桥墩 引桥预制节段梁和高架桥主梁, 同时还组装防撞墩骨架及转臂起重机等施工机械 4 提高施工效率的施工技术 4.1 高架桥 4.1.1 设计在整条线路上高架桥全长约 8.4km, 统一采用跨度 50m 的 PC 梁,5 跨一联 在直线区段采用统一的跨度可减少设计工作量, 也可以减少施工时间 箱梁梁高 3m, 混凝土强度为 45 MPa, 采用整跨架设法施工 下部结构为现浇桩基础和桥墩刚性连接的门架式结构, 和引桥相连的有坡区间下部结构为现浇桩基础和圆形实桥墩 4.1.2 施工预制场厂房高 25 m 宽 30 m 长 210 m 高架桥预制梁长 50m 重 1350t 预制梁钢筋绑扎需要 1d 时间, 由与预制场相邻的混凝土工厂供给混凝土 混凝土浇注后, 用最高温度 60 的蒸汽养护 17h 达到早期强度, 以缩短养护时间 因此,2d 时间就可制作出 1 片预制梁 平底车运送预制梁至存梁场存放, 再用上跨式吊机移至平底船运至施工地点 在深水区使用浮吊直接架设 ; 其它大部分施工场所水深不足, 不能使用浮吊施工, 因此采用架桥机整跨架设法施工 首先, 采用浮吊将预制梁吊至深水区高架桥已架梁体上, 然后用平底车 ( 有 20 个车轮, 具有 600t 的运输能力 ) 运梁至架设位置, 使用架桥机整跨架设预制梁, 完成主梁施工 4.2 引桥 4.2.1 设计引桥采用 7 跨 PC 连续刚构箱梁桥 ( 见图 3) 的结构形式, 是目前韩国最大跨径的刚构桥, 跨径布置为 82m+5 145m+82m 东侧和西侧引桥各长 889m, 梁高 3.0~8.5 m, 混凝土强度为 45 MPa 上部结构采用悬臂浇筑法施工 下部结构为现浇桩基础和四边形空心桥墩 图 3 引桥 4.2.2 施工上部结构由支点节段 ( 高 20m, 重 1500t) 跨间节段 ( 最大节段重 150t) 以及合龙节段构成 在预拱度容许误差为 L/1000( 垂直方向 150 mm) 范围内完成引桥施工 ( 见图 4) 4.3 斜拉桥 4.3.1 设计仁川大桥主桥为 5 跨连续钢箱梁斜拉桥 ( 见图 5), 基础采用直径 3m 的灌注桩, 桥塔下设 24 根基
8 世界桥梁 2012,40(4) 桩 2005 年 7 月, 下部结构基础开始施工,2005 年 11 月, 开始在基桩上浇注尺寸为 70 m( 长 ) 25 m ( 宽 ) 5.4m( 高 ) 的承台 4.3.2 施工为缩短承台施工时间, 在工厂制作承台模板 承台模板尺寸过大, 不便于一次搬运, 分为 2 次搬运 ( 见图 6) 模板内绑扎钢筋, 连续 2d 浇注大体积混凝土, 采用水管冷却和低热水泥控制水化热 斜拉桥桥塔高 238.5m, 为倒 Y 形混凝土结构 ( 见图 7), 采用爬模法施工 爬模系统由脚手架 模图 6 吊装承台模板 板 油压千斤顶上升装置组成 施工步骤为移动脚手架 绑扎钢筋 安装模板 浇筑混凝土 利用桥塔的空心截面泵送混凝土至塔顶端以提高施工效率 与滑模法相比, 爬模法施工便捷, 适应气候变化, 高压泵设备少, 有经济优势 2006 年 6 月, 开始采用自动爬模系统施工塔柱,2008 年 2 月, 高 238.5 m 的桥塔施工完成 桥塔施工重点内容有 :1 塔柱的线形和垂直度 (1/2000) 控制 ;2 大体积混凝土及高位混凝土的浇注 ;3 易产生裂缝部位的裂缝控制 ;4 变截面倾斜塔柱模板的选择及使用 ;5 中间横梁的施工 ;6 斜拉索锚固区的安装等 各施工阶段线形控制考虑混凝土龄期 弹性变形及收缩徐变进行预拱度计算 根据计算求得的设计线形设定目标值进行施工控制 结果表明, 两桥塔顶部顺桥向误差约 20 mm, 横桥向约 30 mm, 垂直方向约 20mm, 施工精度控制较好 为节约 3 个月的桥塔横梁现场施工时间, 在工厂预制横梁, 并使用浮吊现场安装 由于是在冬季
韩国仁川大桥的设计与施工 9 图 8 摩擦减振器的衰减力产生部位行凹凸处理, 并涂上防滑涂料 应用 IT 技术在仁川大桥上安装伸缩缝监控系统 ( 见图 9), 安装位移传感器监测伸缩缝的位移, 只需通过网络输入口令 点击操作在任何地方都可查看 下载伸缩缝位移数据 监控系统使用太阳能供电, 可长期使用 图 7 桥塔结构布置示意施工, 横梁与塔柱连接部位的外模上设热导管和保温材料, 内模上设保温材料, 混凝土浇注后覆盖塑料布和养生膜防止开裂 4.3.3 斜拉索和减振器日本常用的平行钢丝索外型小巧, 阻风面积小, 因此也被用于仁川大桥 为防雨振使用表面有凹凸点的新型平行钢丝索, 同时为防止斜拉索上产生涡流激振 跳跃等现象, 必须确保斜拉索阻尼比大于 0.5% 最长的斜拉索长约 420 m, 重约 50t, 斜拉索在中国生产后运到现场 桥塔端斜拉索锚管内采用弹性密封材料, 主梁端采用减振橡胶垫圈及摩擦减振器 当斜拉索产生大幅度的振动时, 借助斜拉索上安装的摩擦减振器与粗糙度高的钢板表面接触, 产生衰减力 ( 见图 8) 摩擦减振器保养简单 价格便宜 在靠近桥塔的短索上, 桥塔 主梁两端的锚管内插入高衰减橡胶减振, 不需要安装摩擦减振器 摩擦减振器和高衰减橡胶具有缓和斜拉索次应力的作用 4.3.4 伸缩缝比较目前桥梁上使用的各种伸缩缝后, 采用瑞士生产的定型伸缩缝 为降低成本, 全桥的伸缩缝整体发包 其中 : 斜拉桥采用伸缩量最大的 1920 mm 型伸缩缝 (4 组 ),1 组伸缩缝的尺寸是 16 m ( 长 ) 4.9 m( 宽 ) 0.8 m( 高 ); 引桥采用伸缩量 800mm 型 (4 组 ), 高架桥采用伸缩量 400 mm 型 (64 组 ) 为防止雨雪天气表面打滑, 特别在表面进 图 9 伸缩缝监控系统 4.3.5 大节段施工和施工精度控制斜拉桥主梁为流线型扁平钢箱梁 ( 见图 10), 抗风稳定性好 斜拉桥约 75% 的钢箱梁在韩国仁川市郊外的工厂制作, 其余的 25% 在中国的工厂制作 仁川市的钢箱梁制作工厂靠近仁川港, 有装运场所, 可适时地运送钢箱梁至现场 图 10 钢箱梁截面示意为大幅度地缩短工期, 在两边跨设置临时墩, 采用大节段整体吊装法施工边跨 边跨主梁分为 4 个节段, 最大节段重 2700t, 采用吊重 4000t 的浮吊
10 世界桥梁 2012,40(4) 安装 主跨采用悬臂拼装法施工, 采用平底船运至悬臂施工节段的正下方, 使用转臂起重机吊装长 15 m 的钢箱梁节段 ( 最大重量 300t), 现场焊接上翼缘, 其它部位栓接, 依次悬臂施工 ( 见图 11) 图 11 主跨钢箱梁节段悬臂施工斜拉桥施工精度控制采用调整斜拉索锚下垫片的方法 其中主跨 2 束 边跨 2 束, 共计 4 束斜拉索通过插入或去掉垫片的方法调整主梁线形及增减斜拉索拉力, 并反复调整垫片以控制施工精度 主梁合龙后的线形控制只需再调整以上 4 束斜拉索即可 主跨跨中主梁预拱度误差的容许值为 ±200 mm, 主梁实测预拱度误差最大为 85 mm, 最小为 -98mm; 塔顶水平方向容许误差为 ±110 mm, 西塔实测水平误差为 -56 mm, 东塔水平误差为 +51 mm, 均满足容许值, 两座桥塔均向边跨方向倾斜 由于成桥后斜拉索上还要安装摩擦减振器等附属设施, 不能准确测量斜拉索拉力 二期恒载中桥面铺装等占大部分, 而位移和截面应力变化与分析值没有很大差异, 可预测成桥时桥塔 主梁预拱度及斜拉索拉力 通过结构分析确认成桥时的误差和主跨合龙时的误差几乎相同, 顺利完成斜拉桥施工精度控制 2008 年 12 月主跨合龙, 两侧的引桥和高架桥与斜拉桥几乎同时完工 斜拉桥完工后, 在钢箱梁内安装除湿机, 并安装斜拉索减振器 照明设备和监控系统 2009 年 10 月全桥顺利完工 4.3.6 后期维修养护和健康监测为实现该桥设计使用寿命 100 年的目标, 钢箱梁内安装机械养护方便 可信度高的除湿机防锈 桥墩的海中混凝土根据施工地点的海水成分特性确定水泥构成成分 为防腐蚀, 桥墩的混凝土保护层厚度根据施工场所有所不同 健康监测系统测量桥塔塔顶 主跨跨中和边跨桥墩的状态, 测量桥梁倾斜度, 支座 伸缩缝的位移, 桥体温度, 主梁的加速度和应变, 斜拉索拉力变化等 桥上还安装风速计和地 震仪等 通过健康监测系统实时测量桥梁动态, 合并数据后保存在数据库, 数据通过网络等方式向道路使用者公开 若发生地震等大灾害, 启动灾害管理系统, 道路使用者通过桥梁前可以实时查阅桥梁动态信息, 可避免交通堵塞, 防止引发二次灾害 通过积极采用最新的 IT 技术, 仁川大桥可以说是一座具有自动记录 保存 发布桥梁动态信息的现代建筑 4.3.7 防撞墩仁川港内航行的船舶多, 且有很多的油船出入, 为防止桥墩受船舶撞击, 在斜拉桥主墩及两侧桥墩周围布置 44 个系缆柱型防撞墩 ( 见图 12) 防撞墩高约 38 m, 直径 25 m 或 20 m, 外壳由壁厚 12.7 mm 垂直的钢板组成, 顶部设置圆筒形的混凝土帽盖加固 防撞墩在工厂组装骨架模板后, 拼装外壳钢板 ( 约 160 块 ), 并喷涂防腐蚀保护层, 使用 3000 t 浮吊运至现场, 在施工现场浇注混凝土帽盖 外壳自重约 1000t 桥墩防撞设计以 10nm/h( 海里 / 小时 ) 速度行驶的 10 万吨油船 (DWT) 碰撞桥墩, 桥墩依然安全为原则 图 12 仁川大桥防撞墩布置 5 结语仁川大桥采用 BOT 模式施工, 是韩国首座采用快速施工方法修建的桥梁, 是一座美观 安全 技术含量高的桥梁 2009 年 10 月 16 日正式通车, 大大缩短了韩国各地通往仁川国际机场的距离, 产生了巨大的经济效益 参考文献 : [1]Shin Hyun-yang,Kim Hwa-soo,SonYu-suk, 等. 仁川大橋建設プロジェクトの特徴 [J]. 橋梁と基礎,2010, 44(1):19-29. ( 编辑 : 赵兴雅 )