下白石大橋全景
1. 概況
下白石大橋位于福建省寧德市東北部下白石鎮(zhèn)，是國(guó)道主干線同江（黑龍江）至三亞（海南）高速公路福建省境內(nèi)福寧高速公路上的一座特大型橋梁。橋梁全長(zhǎng)999.6米，主橋長(zhǎng)810米，為145+2×260+145米的四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。
下白石大橋跨越賽江賽歧至下白石河段，橋位處河面寬約750米，水深15～32米，斷面平均流速2.44 m/s,斷面最大流速3.42 m/s，最大沖刷深度20.88米，橋位處河道受潮汐、徑流共同作用，潮汐占主導(dǎo)地位，最大潮差8.38m，最小潮差1.94m，平均潮差5.35m。該河段航道為國(guó)家Ⅲ級(jí)航道同時(shí)通航1000T級(jí)海輪。覆蓋層為砂與卵石，厚約23～45米，其中卵石層厚約15～26米，最大卵石粒徑70cm，基巖為微風(fēng)化凝灰熔巖。橋址所在地區(qū)屬于中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，具有四季分明、氣候溫暖、多雨，無(wú)霜期長(zhǎng)，臺(tái)風(fēng)頻繁等特點(diǎn)。多年平均氣溫19℃，極端最高氣溫39.4℃，設(shè)計(jì)最大風(fēng)速40m/s。
主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
1) 橋 梁 總 寬：24.5米，雙向四車(chē)道，分兩幅獨(dú)立大橋，每幅橋?qū)?2米，兩橋橋面間距0.5米；
2) 計(jì)算行車(chē)速度：80 Km/h；
3) 荷 載 等 級(jí)： 汽車(chē)－超20級(jí)，掛車(chē)－120；
4) 風(fēng) 荷 載： 設(shè)計(jì)最大風(fēng)速40 m/s；
5) 地 震 烈 度： 地震基本烈度Ⅵ度；
6) 通 航 凈 空：最高通航水位以上29m，凈寬不小于200m；
7) 設(shè)計(jì)洪水頻率： 1/300年；
8) 船舶撞擊力：橫橋向：1340噸；順橋向：670噸；
2. 主橋結(jié)構(gòu)
橋梁總長(zhǎng)999.6米，全橋橋跨布置為4×45+（145+2×260+145）米，其中主橋?yàn)?45+2×260+145米四跨連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋長(zhǎng)810米，引橋?yàn)?×45米四跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋。
整個(gè)主橋處于豎曲線范圍內(nèi)，豎曲線半徑R＝52000米，橋面縱坡變坡點(diǎn)在5號(hào)和6號(hào)墩之間，距6號(hào)墩42米，兩側(cè)坡度分別為0.9%和-0.3%。主橋平曲線從起點(diǎn)到7號(hào)墩處位于緩和曲線段上，從7號(hào)墩到終點(diǎn)位于半徑R＝4000米的圓曲線段上。橋面設(shè)2％的單向橫坡，其中4號(hào)墩側(cè)邊跨右幅橋橫坡從-0.68%變化到-2.0%。
主橋橋面總寬24.50米，分兩幅，僅在主橋主墩處將兩幅橋主梁用四道橫梁連接起來(lái)。每幅橋主梁采用單箱單室斷面，箱梁頂板寬12.00米，底板寬6.00米，箱梁頂面設(shè)單向橫坡。箱梁根部梁高為14.00米，跨中以及現(xiàn)澆段梁高均為4.20米。主橋箱梁梁高按1.6次拋物線變化。墩頂0號(hào)梁段長(zhǎng)14.00米，三個(gè)“T構(gòu)”的懸臂各分為29對(duì)梁段，其梁段數(shù)及梁段長(zhǎng)度從根部至跨中分別為：8×3.0米、7×4.0米、14×5.0米，累計(jì)懸臂總長(zhǎng)123.25米，懸臂澆筑梁段最大控制重量約為2252KN，跨中合攏段和邊跨合攏段均為2.00米長(zhǎng)，兩個(gè)邊跨現(xiàn)澆梁段各長(zhǎng)13.52米。箱梁頂板厚為25厘米～40厘米。箱梁底板根部
厚為140厘米，跨中為30厘米，邊跨現(xiàn)澆梁段13.52米范圍內(nèi)由30厘米變?yōu)?0厘米，按直線變化。腹板厚度在0號(hào)梁段的隔板范圍內(nèi)為70厘米，隔板外及1～8梁段為60厘米，9～15梁段為50厘米，16～29梁段為40厘米，邊跨現(xiàn)澆段13.52米范圍內(nèi)由40厘米變?yōu)?20厘米，按直線變化。每幅橋墩頂箱梁內(nèi)設(shè)柔性橫隔板4道，梁端各設(shè)橫隔板一道。
主橋箱梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系?？v向預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)置了頂板束、墩頂下彎束、中跨底板束、邊跨底板束、邊跨頂板束以及預(yù)備束和臨時(shí)束。除中跨底板束采用27×φ
j15.24型鋼束外，余縱向鋼束均采用25×φ
j15.24型，均采用相應(yīng)的大噸位預(yù)應(yīng)力錨固體系。其中頂板束和墩頂下彎束隨施工階段張拉錨固。其余鋼束待主橋箱梁合攏后分段張拉錨固。頂板鋼束最長(zhǎng)達(dá)260米。
主橋箱梁橫向預(yù)應(yīng)力沿橋縱向每一米設(shè)置一道，鋼束采用BM15－3扁錨體系，一端單根張拉方式，張拉噸位為195 KN，張拉伸長(zhǎng)量為8.38厘米。施工中預(yù)應(yīng)力錨具張拉端與錨固端交錯(cuò)布置。
主橋箱梁豎向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直徑為32mm的高強(qiáng)度精軋螺紋粗鋼筋，屈服強(qiáng)度為1080MPa。設(shè)計(jì)張拉噸位為782KN，采用梁頂一端張拉方式。
主墩均采用雙柱式空心薄壁墩身，5、6、7號(hào)主墩墩高均為25米左右，墩身斷面外輪廓為矩形，墩身橫橋向?qū)?米，與主梁箱底同寬，順橋向?yàn)?.5米，兩墩柱順橋向間凈距6.5米，每個(gè)空心薄壁墩身順橋向壁厚50厘米，橫橋向壁厚80厘米，墩身底部高度3米范圍內(nèi)為實(shí)心段。
5、6號(hào)主墩位于主河道內(nèi)，采用群樁基礎(chǔ)，為防止船舶直接撞擊墩身，在承臺(tái)頂設(shè)置了混凝土護(hù)墻，護(hù)墻與墩身間留有一定間隙，護(hù)墻內(nèi)填筑砂礫，起緩沖作用，減少對(duì)墩身和船舶的沖擊損害。左右幅橋共設(shè)一座承臺(tái)，承臺(tái)迎水面采用圓弧形，橫橋向最寬處為38.70米，縱橋向?qū)?3.0米，承臺(tái)厚6.0米，一個(gè)承臺(tái)的混凝土澆筑體積達(dá)5100立方米。由于在施工水位時(shí)，承臺(tái)部分位于水中，采用有底鋼套箱施工，在承臺(tái)底設(shè)置了3米厚度的套箱封底混凝土。 一個(gè)主墩下設(shè)24根直徑3米的鉆孔樁，樁長(zhǎng)50米左右，樁基嵌入微風(fēng)化巖層。
7號(hào)墩墩身構(gòu)造與5、6號(hào)墩基本一致，但墩底實(shí)心段高度為10.5米。7號(hào)墩處基巖埋藏較淺，強(qiáng)度高，為降低基礎(chǔ)工程量，減少基礎(chǔ)開(kāi)挖，降低施工難度和費(fèi)用，7號(hào)墩基礎(chǔ)采用新型明挖墻式基礎(chǔ)。四個(gè)墩柱各設(shè)一獨(dú)立基礎(chǔ)，平面尺寸比墩身略大，為3米×6.5米。7號(hào)墩基礎(chǔ)頂面位于常水位以下，采用鋼圍堰圍水施工。
箱梁施工順序按單幅箱梁（上游幅與下游幅）的三個(gè)“T”同步施工。墩頂0號(hào)梁段在墩頂預(yù)埋牛腿支承的托架上施工，由于0號(hào)梁段混凝土方量較大，且管道、鋼筋密集，為減輕托架負(fù)載和保證混凝土澆筑質(zhì)量，豎向分段澆筑。
1～29號(hào)箱梁是在掛籃上對(duì)稱懸臂澆筑的，懸澆掛籃在0號(hào)梁段上安裝完畢后，進(jìn)行預(yù)壓測(cè)試，并記錄預(yù)壓時(shí)的彈性變形曲線，以盡可能消除非彈性變形和獲得標(biāo)高控制的數(shù)據(jù)。各懸臂施工梁段要求一次澆筑完成，無(wú)論在澆筑階段、掛籃移動(dòng)或拆除階段，均需保持對(duì)稱平衡施工。
邊跨現(xiàn)澆段在落地支架上一次連續(xù)澆筑完成，落地支架進(jìn)行預(yù)壓以確保安全和消除非彈性變形，并按實(shí)測(cè)的彈性變形量和施工控制要求，確定底模標(biāo)高和預(yù)拱度。
箱梁的合攏，即體系轉(zhuǎn)換，是控制全橋受力狀況和線性的關(guān)鍵工序，因此箱梁的合攏順序、合攏溫度和工藝都嚴(yán)格控制。全橋箱梁合攏由邊至中對(duì)稱進(jìn)行，即先兩邊跨合攏，其次兩中跨合攏。合攏梁段利用合攏吊架施工，設(shè)計(jì)時(shí)考慮一個(gè)合攏段吊架和模板共重約50噸。
5、6號(hào)墩基礎(chǔ)采用鋼套箱施工。 由于7號(hào)墩基礎(chǔ)頂面位于常水位以下，基巖面坡度較大，水下無(wú)法實(shí)施明挖施工，設(shè)計(jì)中采用了四個(gè)獨(dú)立的鋼板圍堰。
3. 主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)
?。?）、 上部結(jié)構(gòu)輕型化
盡管設(shè)計(jì)人員很容易地會(huì)認(rèn)為較大的梁高和截面尺寸會(huì)使結(jié)構(gòu)更加安全，但是，混凝土橋梁跨徑越大，恒載彎矩所占比例越大，使得主梁應(yīng)力難以控制到理想狀態(tài)，并且預(yù)應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋等材料用量顯著增加，進(jìn)而增加下部以及基礎(chǔ)的負(fù)擔(dān)，是非常不經(jīng)濟(jì)，也是不合理的。因此，下白石大橋在減少梁高、減小梁寬、減小箱梁厚度等方面都作了有益的嘗試。下白石大橋在這幾個(gè)方面與澳大利亞門(mén)道橋、虎門(mén)大橋的對(duì)比情況見(jiàn)下表：
梁高對(duì)比表
由表可見(jiàn)，下白石大橋與澳大利亞門(mén)道橋（Gateway）相比，跨徑相同，而梁高無(wú)論是根部還是跨中都顯著降低，跨徑比虎門(mén)大橋輔航道橋少10米，梁高卻減少了0.8米之多，尤其跨中高跨比（梁高/主跨徑）僅為1/61.9，此值門(mén)道橋和虎門(mén)大橋輔航道橋分別達(dá)到1/50和1/54。
箱板厚度對(duì)比表
由表可見(jiàn)，下白石大橋較門(mén)道橋大幅減少了根部底板厚度，較虎門(mén)大橋輔航道橋適當(dāng)減少了跨中底板厚度，這是經(jīng)認(rèn)真分析，在反復(fù)驗(yàn)算的基礎(chǔ)上決定的，結(jié)果表明這對(duì)改善整個(gè)橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力非常有效。
?。?）、 梁底線形優(yōu)化
一般連續(xù)剛構(gòu)橋梁底曲線都采用2次拋物線變化，但我們發(fā)現(xiàn)采用2次拋物線使得L/4～L/8梁段梁底壓應(yīng)力控制緊張，因此，在反復(fù)驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，決定下白石大橋梁底曲線采用1.6次拋物線，不僅改善了L/4～L/8梁段梁底受力狀況，而且整個(gè)主梁的受力都處于一個(gè)良好的狀態(tài)。
?。?）、 預(yù)應(yīng)力鋼束精細(xì)布置
合理配置預(yù)應(yīng)力鋼絞線、優(yōu)化鋼絞線的布局，可以充分發(fā)揮預(yù)應(yīng)力材料的作用。一般來(lái)說(shuō)幾何線形上流暢、均衡的鋼絞線，在結(jié)構(gòu)受力中也是合理的。反之，會(huì)使結(jié)構(gòu)受力變得復(fù)雜，產(chǎn)生突變，發(fā)生難于預(yù)料的結(jié)果。在本橋設(shè)計(jì)中，對(duì)鋼絞線的布局進(jìn)行了反復(fù)調(diào)整，力爭(zhēng)使其線形流暢、位置均衡，將鋼絞線設(shè)置在最有利的部位，提高了預(yù)應(yīng)力效率，節(jié)約了鋼材，計(jì)算結(jié)果表明，本橋主梁應(yīng)力控制理想，運(yùn)營(yíng)階段主梁不出現(xiàn)拉應(yīng)力，中跨下緣最小壓應(yīng)力在組合Ⅰ為5.0Mpa，組合Ⅲ時(shí)為3.6Mpa，各種組合時(shí)最大壓應(yīng)力不超過(guò)18.0Mpa，應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。本橋在80%的梁段均未設(shè)置下彎束，使得腹板高度的90%范圍內(nèi)無(wú)預(yù)應(yīng)力管道，從而給腹板混凝土的澆注帶來(lái)極大的方便，而在0#塊兩側(cè)的8個(gè)梁段內(nèi)設(shè)置了下彎束，這對(duì)于抵抗根部范圍的主拉應(yīng)力，提高橋梁耐久性是很重要的。
（4）、 7號(hào)墩采用新型墻式嵌巖基礎(chǔ)
7號(hào)墩基巖埋藏較淺，初步設(shè)計(jì)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基巖開(kāi)挖量大，施工難度高。為減少基坑開(kāi)挖量，經(jīng)認(rèn)真分析7號(hào)墩的實(shí)際地質(zhì)情況，提出了墻式基礎(chǔ)方案，新型的墻式基礎(chǔ)可使基巖開(kāi)挖量減少為原設(shè)計(jì)的11%，工程數(shù)量?jī)H為原設(shè)計(jì)的13%，具有造價(jià)低廉、施工方便的優(yōu)點(diǎn)。
?。?）、 主梁采用60號(hào)高強(qiáng)砼
大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋其極限狀態(tài)承載能力的驗(yàn)算較難通過(guò)規(guī)范要求，通過(guò)采用高強(qiáng)度混凝土，不僅使結(jié)構(gòu)安全得到保證，也與高強(qiáng)度的預(yù)應(yīng)力材料相匹配，另外，提高砼的強(qiáng)度可以有效降低梁高和減少底板寬度，進(jìn)而減少自重彎矩所占比例，使結(jié)構(gòu)受力更趨合理，達(dá)到減少材料用量，提高經(jīng)濟(jì)性的目的。因此，本橋主橋箱梁決定采用60號(hào)高強(qiáng)混凝土，為當(dāng)時(shí)橋梁規(guī)范規(guī)定的最高混凝土標(biāo)號(hào)（2004年頒布的新規(guī)范混凝土最高標(biāo)號(hào)已達(dá)C80）。
?。?）、 新材料、新工藝的推廣應(yīng)用
A. 塑料波紋管及真空輔助壓漿工藝
我國(guó)的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)波紋管一般均采用金屬波紋管，但其易生銹，壓漿密實(shí)度較難達(dá)到要求，且存在摩阻系數(shù)和孔道偏差系數(shù)較大的缺點(diǎn)，為克服以上缺點(diǎn)，本橋縱、豎向預(yù)應(yīng)力管道大膽采用塑料波紋管，代替原來(lái)普遍采用的金屬波紋管，孔道摩阻系數(shù)和孔道偏差系數(shù)由0.25和0.002分別減為0.14和0.001，從而提高了預(yù)應(yīng)力效率，減小了鋼絞線用量，而且塑料波紋管具有不易燒穿、變形小、方便施工的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，縱向管道采用了真空輔助壓漿技術(shù)，壓漿時(shí)保持80%的真空度和0.5～0.8Mpa的真空度，從而保證了管道漿體的飽滿、密實(shí)，提高了鋼絞線的防銹腐能力。本橋的成功經(jīng)驗(yàn)，大大推進(jìn)了塑料波紋管及真空輔助壓漿工藝的廣泛應(yīng)用。
B. 環(huán)氧涂層鋼筋的使用
本橋處于海洋性環(huán)境中，空氣中的氯成份對(duì)鋼筋具有很強(qiáng)的腐蝕性，為了確保主墩安全，增強(qiáng)主墩的耐久性，本橋主墩墩身主筋首次采用環(huán)氧涂層鋼筋。大量研究和多年的工程應(yīng)用表明，采用這種鋼筋能有效地防止處于惡劣環(huán)境條件下的鋼筋被腐蝕，從而大大提高工程結(jié)構(gòu)的耐久性。1997年11月涂層鋼筋在我國(guó)內(nèi)地首次試用，后逐漸在我國(guó)港口工程中使用，在國(guó)內(nèi)大跨徑混凝土橋梁中，本橋?yàn)槁氏仁褂谩?br />
C. 高強(qiáng)豎向預(yù)應(yīng)力粗鋼筋
在大跨徑混凝土梁式橋中設(shè)置豎向預(yù)應(yīng)力是十分必要的，因此，一定要確保豎向預(yù)應(yīng)力的有效性。但在我國(guó)的橋梁中，豎向預(yù)應(yīng)力的有效性普遍得不到保證，使得很多橋梁出現(xiàn)了由于主拉應(yīng)力引起的裂縫，究其原因，一方面是國(guó)產(chǎn)螺紋粗鋼筋的屈服強(qiáng)度較低，僅有750MPa，另一方面豎向預(yù)應(yīng)力的施工質(zhì)量控制難度較大，壓漿很難保證密實(shí)，錨固不到位。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)豎向預(yù)應(yīng)力采用形式、施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析后，本橋采用進(jìn)口的精軋螺紋粗鋼筋，其屈服強(qiáng)度達(dá)到1080MPa，螺紋公差得到有效保證，精軋螺紋筋錨具墊板與螺帽的支承方式為球面支承錨具，并采用二次復(fù)拉工藝，這樣豎向預(yù)應(yīng)力損失維持在一個(gè)較低的水平，使豎向預(yù)應(yīng)力得到可靠保證，避免了主拉應(yīng)力裂縫的出現(xiàn)。
下白石大橋的設(shè)計(jì)采用了許多創(chuàng)新技術(shù)，施工過(guò)程也面臨了不少新的棘手問(wèn)題，如深水基礎(chǔ)（最大水深32m）、厚覆蓋層（覆蓋層最厚達(dá)45m）、厚卵石層（厚20米左右，最大卵石粒徑70cm）、高潮差（最大潮差8.38m）、大流速（最大流速3.42m/s）、鋼套箱承臺(tái)（該橋在這種復(fù)雜地質(zhì)條件下成功使用了鋼套箱護(hù)筒法）、連續(xù)兩跨260m大跨兩個(gè)主孔同時(shí)合攏、縱向、豎向預(yù)應(yīng)力施工采用塑料波紋管輔助真空吸漿法等。
下白石大橋于2003年3月15日順利合攏，運(yùn)營(yíng)已近四年，荷載試驗(yàn)結(jié)果和常規(guī)檢測(cè)結(jié)果均表現(xiàn)良好，其在解決國(guó)內(nèi)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋普遍出現(xiàn)的跨中嚴(yán)重下?lián)蠁?wèn)題和梁體裂縫方面較為成功，表明通過(guò)調(diào)整梁體結(jié)構(gòu)布置，合理處理梁的高跨比，優(yōu)化梁底曲線線形，合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力的布局等方式，可以大大改善橋梁受力模式，使整個(gè)橋梁處于一個(gè)良好的工作狀態(tài)中，增加了橋梁的耐久性和安全性。
下白石大橋的建成標(biāo)志著國(guó)內(nèi)大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的建設(shè)在連續(xù)大跨、新材料的使用、高潮差、大流速、地質(zhì)條件復(fù)雜等條件下的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)該類型橋梁的繼續(xù)發(fā)展進(jìn)一步打下基礎(chǔ)。
4. 有關(guān)資料
橋名：福建寧德福寧高速公路下白石大橋
橋型：大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋
跨徑：260m
橋址：福建省寧德市東北部下白石鎮(zhèn)
建設(shè)單位：福建省高速公路有限公司福寧分公司
設(shè)計(jì)單位：中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院
?。═he First Highway Survey & Design Institute of China）
施工單位：湖南省公路橋梁建設(shè)總公司
混凝土用量：全橋 81402 m
3；主橋 68815 m
3
鋼材用量：全橋 12214 t；主橋 10791 t
造價(jià)：2.017億元
建成日期：2003年3月
