第44期南沙大桥（虎门二桥项目）设计与关键技术

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第44期南沙大桥（虎门二桥项目）设计与关键技术

2019-7-16 14:04

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南沙大桥（虎门二桥项目）设计与关键技术梅刚中交公路规划设计院有限公司大桥二部部门经理

52监测网专家报告分享-第44期

南沙大桥（虎门二桥项目）设计与关键技术

梅刚中交公路规划设计院有限公司大桥二部部门经理

一、工程概述

二、建设条件

三、桥位选择及桥跨布置

四、桥型方案设计

五、科研专题成果

一、工程概述

南沙大桥（原虎门二桥项目）是广东省高速公路网规划中连接珠江两岸的重要过江通道。项目西起广州市南沙区，对接珠二环南环高速（与京珠高速互通）向东跨越大沙水道、坭洲水道，穿过虎门港区后终点于东莞沙田镇对接规划番莞高速（与沿江高速互通）。

南沙大桥由坭洲水道桥、大沙水道桥和引桥及四座互通立交组成，坭洲水道桥为658+1688双跨吊悬索桥，大沙水道为主跨1200m单跨吊悬索桥，引桥为30～62.5m预应力混凝土桥。总长12.891km的标准八车道高速公路，总投资约105亿元，2014年开工建设，已于019年4月2日通车。

主要技术标准

二、建设条件

气象

桥位处亚热带海洋气候，工程区域的灾害性天气系统主要有热带气旋、暴雨、龙卷、雷击、短时雷雨大风，其中热带气旋具有强度强、频率高、灾害重，是对工程设计、建设和营运最具威胁的自然灾害之一。

水文

工程区域河面宽广呈喇叭型，水系发达，河网密布，水量大，迳流量变幅大，淤积严重；水道为潮汐水道，既受径流作用，又受潮汐影响。

坭洲水道河宽约2300m，河底地形也呈现出中间深，两边浅的态势，过渡较为平滑，最深处水深达24m左右，距离东莞岸约636m处。大沙水道河宽约为1500m，平均水深约为7.5m。桥位处的300年一遇洪水位为+2.644m，历史最高潮位为+3.294m。

地质

工程区覆盖层为淤泥、淤泥质土、粉质黏土及砂土；基岩为泥岩、泥质粉砂岩、中砂岩。坭洲水道以西基岩以泥岩为主，偶夹有泥质粉砂岩、薄层石英砂岩；坭洲水道以东以泥质粉砂岩为主，夹有中砂岩。具风化倒置、风化夹层现象，遇水易软化，失水干裂，易崩解。

地震

桥址处地震基本烈度为Ⅶ度。50年出现概率10%的基岩地震动加速度为0.82m/s2

通航

对工程的影响

（1）施工水域宽广，受径流潮汐两方面影响，水流、波浪条件复杂；

（2）桥址区域台风较频繁，风速较高，是桥梁结构设计和施工的控制工况之一。

（3）地质情况变化大，海鸥岛软岩承载能力低，砂岩区段成桩困难。

（4）项目临近人口密集区域施工和运营期间的环保要求较高。

（5）桥址处航运繁忙，穿越桥轴线的航道情况复杂，通航等级高。

（6）水利防洪要求高，阻水率要求严格，对桥梁方案选择影响较大。

三、桥位选择及桥跨布置

坭洲水道桥

坭洲水道桥轴线需要与上游的500kv过江电缆保持270m以上平行过江，从虎门港规划预留的狭窄走廊带穿过，尽量远离下游的西大坦作业区；海鸥岛侧锚碇需要避开水闸和大堤，坭洲水道桥桥位选择具有唯一性。

坭洲水道桥考虑虎门港船舶进出港的要求，东塔须置于岸边堤外浅水区，距离航道170m。东塔位置和通航要求使得坭洲水道桥主跨不小于1366m，选择悬索桥方案更为合适。为了避免水中锚碇对行洪纳潮及河势稳定的不利影响，将西锚碇置于海鸥岛岸上，西锚、东塔间距为2346m，综合考虑桥梁的合理刚度和经济跨径，边中跨比取0.4，最终确定坭洲水道桥采用主跨1688m双塔双跨吊悬索桥方案。

大沙水道桥

大沙水道桥位于沙湾水道和浮莲岗水道的汇流处，两水道间设有调头区。桥位南方的小虎岛上建有新中国船厂，船厂生产六万吨级海轮出船口正对大沙水道桥桥位，船舶下水后需要在桥下回旋，并去小虎岛西侧的小虎西水道舾装。

大沙水道通航条件很复杂，经分析认为桥塔应尽量布置在两岸浅滩区并尽量远离各种航道。广州侧岸边的油码头和海鸥岛上的沙南小学等关键点需要绕行避让。同时需要考虑与起点南环高速和坭洲水道桥的衔接，综合多种因素最终确定目前的大沙水道桥桥位。大沙水道桥根据通航需要跨径需在1200m以上。

四、桥型方案设计

坭洲水道桥跨径布置为658m+1688m+522m（钢箱梁长度为548+1688），矢跨比1/9.5。在西塔处加劲梁连续，为半漂浮体系，东边跨为锚跨，西边跨和中跨均采用悬吊体系，过渡墩设限位拉索约束主缆位移。主梁案采用整体式钢箱梁，梁高4m，宽44.7m，主缆横向间距42.1m；索塔高260m，设三道横梁。哑铃型承台厚7m，64根D2.8m群桩基础。主缆通长索股有252股，西边跨另设6根背索，索股由127丝、直径5.0mm强度1960MPa高强钢丝组成。锚体顺向长73.5m，横向为整体式，外轮廓宽68m。地连墙外径90m，壁厚1.5m，采用逆作法施工。

大沙水道桥为单跨吊悬索桥，跨径布置为360+1200+480m，矢跨比1/9.5。主梁断面与坭洲水道桥相同。索塔高191.1m，设两道横梁。哑铃型承台厚6m，52根D2.5m群桩基础。主缆有169股，索股由127丝、D5.20mm强度1770MPa高强钢丝组成。锚体顺桥向长66.5m，横桥向为分离式，单体外轮廓宽23m。地连墙外径82m。

南沙大桥中的主跨1688m的坭洲水道桥建成后将成为世界上最大跨径钢箱梁悬索桥，采用世界上最大直径的锚碇圆形地连墙基础（直径90m），最宽的整箱断面钢箱梁（宽49.7m），最大混凝土用量的索塔（单塔40000m3），国内最大主缆（5万吨缆力、缆长3km）。除此之外，南沙大桥另外一座大沙水道桥亦是千米级的特大型桥梁。

南沙大桥工程作为世界级超大规模工程项目，在复杂的自然条件和施工环境下，对整个项目的设计、施工、协调管理、风险管控等多方面提出了很高的要求，是我国交通建设史上的巨大挑战。

五、科研专题成果

1960MPa高强度钢丝主缆索股技术研究

随着悬索桥主跨跨径的增大，主缆单位跨径的自重呈非线性加速增长，使得悬索桥单位跨径总自重也加速增大。在悬索桥发展过程中，主缆材料的每一次更新都对悬索桥发展起到了决定性的推动作用。高强度高性能主缆材料研发及产业化是下一次悬索桥产业升级的关键。标准强度为1770MPa的高强镀锌钢丝在国内外桥梁缆索上已得到广泛应用，1860MPa和1960MPa的高强钢丝在悬索桥主缆上的应用刚刚起步，国内悬索桥尚无应用。

南沙大桥工程创新性的开展了1960MPa级高强度钢丝主缆索股技术的研究及应用，推进了国内桥梁缆索技术水平的发展，达到了同行业世界领先水平。缆索用以承担其自身重量的比例降低，承载效率大大提高；主缆钢丝用量减少，造价降低；索夹、索鞍和缆套等结构尺寸减小；进一步提高悬索桥的极限跨越能力。

可更换多股成品索预应力锚固系统

传统预应力锚固系统需要在管道中灌注油脂，容易出现油脂渗漏问题，比例可达10%；渗漏原因是由于管道密封性难以保证和油脂渗透性强；如对管道制造和施工密封性要求提高和将灌注材料改为渗透性弱的高分子材料则提高了造价和施工难度；同时灌注油脂在20年后均存在老化酸化问题，从而加速钢丝腐蚀。

南沙大桥拟首次采用可更换多束成品索锚固系统，索体采用挤压锚成品索，锚固性能优于夹片锚，且不受环境、人员等因素影响。多重防护的成品索具有优异防腐性能，不需要在孔道内灌入油脂，不再有油脂滲漏的问题，同时降低了对施工的要求。多股成品索无需重型设备即可完成穿束和张拉，在不影响运营的条件下，方便而快捷地逐根更换，更换效率是传统预应力锚固系统的5~7倍。

良好抗风稳定性的整体式钢箱梁

桥梁的风致振动主要依赖于结构的外形、刚度、阻尼和质量特性等。以往研究认为强风区内超过1500米的悬索桥需要采用桁架梁或者分离式钢箱梁解决颤振稳定问题，但是桁架梁造价高，分离箱又较容易出现低风速涡激共振问题。

坭洲水道桥位处颤振检验风速为63m/s，经反复风洞试验研究，发现在钢箱梁风嘴外侧设置较长水平稳定板对提高整体箱颤振稳定性具有明显的效果，优化气动外形后的整体式箱梁经过风洞试验验证满足颤振稳定要求，并且没有出现明显涡振。同时满足颤振和涡振要求，且重量更轻，造价更经济。

智能集成主动式防腐体系

主缆是悬索桥的生命线，它是悬索桥中最重要的受力构件，承担了全桥上部结构所有的静载和动载。它与锚碇、索塔、索鞍共同构成大桥的第一受力体系，在悬索桥100年设计基准期内不考虑更换。主缆是由数以万计的钢丝组合而成，在跨江、跨海的自然环境下，容易因腐蚀而失效。为了保证和延长悬索桥的安全使用寿命，采用有效的主缆防护体系至关重要。

南沙大桥主缆和吊索钢丝采用耐腐蚀性更为突出的镀锌铝钢丝，主缆钢丝外面缠绕S型钢丝，外层涂覆全新高耐候长寿命柔性密封铠装体系。新型除湿体系在各部位采用了全新的空气流程设计，使全桥除湿系统形成一个相辅相成的整体，真正实现一个完整的全桥除湿防腐系统。

合理结构体系及关键装置研发

为了解决悬索桥较大的梁端纵向位移，控制伸缩装置规模，提高大桥的安全性和经济性，南沙大桥采用了静力限位-动力阻尼约束体系。即静力工况下：在一定行程范围内塔梁间自由变形，当达到某一指定相对位移时，塔梁相对运动受到约束而限制主梁纵向变形；动力工况下阻尼器在其冲程范围内正常工作；并通过研究确定了大桥静力限位-动力阻尼约束体系的最优参数。

传统悬索桥横向约束通常采用横向刚性抗风支座,其主要特点为：抗风支座无减震耗能功能，抗风支座与主梁之间存在一定间隙，在大风、地震等作用下发生撞击。南沙大桥首次研发了碟形弹簧与动力阻尼组合的新型减震抗风支座，弥补了传统抗风支座缺点，改善了桥梁横向静动力受力性能。

复合地连墙锚碇基础技术

一般锚碇设计中不考虑地下连续墙对锚碇承载力的贡献，而坭洲水道桥单根缆力接近五万吨，锚碇受荷大，锚碇规模较大，圆形地连墙基础直径达到90m。因此明确复合锚碇基础适用地层，揭示地下连续墙-锚碇协同工作机理，提出相关设计参数确定方法，建立了复合锚碇基础设计方法从而优化结构设计就变得非常有意义。初步研究表明地连墙侧面摩擦力和墙体抗剪对于水平承载力提高约35%，地连墙对于竖向承载力提高约13%。

高效平稳安全的钢箱梁检查车

南沙大桥钢箱梁外检查车全宽52.5m，轨道间距28m，为国内之最。行驶速度可达18m/min，是以往检查车车速的2倍。采用锂电池作为动力电源，相对传统滑导线取电方式更清洁、环保，无噪音，无污染，运行稳定性好。采用三套制动方式，包括电机抱闸制动、电磁铁顶轨制动和手动丝杠制动。保证检查车在行走及突发状况时的安全性。

吊索减振装置的研发

摆式阻尼器

利用防撞护栏作为外置式阻尼器的支撑基础，采用杠杆放大原理，降低了外置式阻尼器的安装高度，对桥梁景观影响小，可有效控制吊索各方向及各阶次的振动。

冲击式阻尼器

兼具刚性减振架和阻尼器的性能，通过索夹安装在吊索中间，可有效增加吊索阻尼，对桥梁景观影响很小，其完全密封的构造具有更好的耐久性。

摆锤式MTMD

有效增加吊索自身阻尼比，对吊索振动具有有效的宽频振动控制，安装维护方便，可服务于施工期和运营期整个桥梁寿命周期。

电控排水系统

南沙大桥首次创新使用了桥面智能排水系统。智能排水系统由电控箱、紧急控制按钮、电磁阀机构及预制式线性排水沟等部分组成。暴雨来临时，雨水快速流入排水沟内，经泄水口排走。

当桥面有污染物泄漏时，桥上智能排水系统启动，现场人员通过按下护栏上的紧急控制按钮关闭桥面相关污染区域的泄水口；或中央控制室人员通过监控观察到污染事故发生，远程操作关闭桥面相关污染区域的泄水口。

确保污染物流入排水沟槽内并储存，同时通知相关单位进行桥面污染物处理。待污染物处理完毕后，现场相关人员可通过污染区域内的紧急控制按钮或中央控制室人员通过远程操作，打开原污染区域内的排水阀，并解除警报。

基于BIM技术的建管养一体化研究