萬(wàn)州長(zhǎng)江公路三橋水景工程安全評(píng)估分析

管羽飛 楊光武

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430056)

1 項(xiàng)目概述

萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋位于重慶市萬(wàn)州區(qū)，連接萬(wàn)州龍寶片區(qū)和江南新區(qū)，并通過(guò)南濱大道、北濱大道等道路連接國(guó)道G318，于2014年8月動(dòng)工興建。同時(shí)，萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋也是萬(wàn)州準(zhǔn)快速路內(nèi)環(huán)線的規(guī)劃跨江大橋，構(gòu)成萬(wàn)州中心城區(qū)兩岸之間便捷的交通通道，因而本項(xiàng)目具有公路橋梁和城市橋梁的雙重性質(zhì)。萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋主橋?yàn)殡p塔混合箱梁斜拉橋，主橋跨度布置為(4×57.5 m+730 m+4×57.5 m；橋面寬度36 m，雙向六車道布置道路等級(jí)為一級(jí)公路，兼城市橋梁交通功能[1]；主線橋設(shè)計(jì)車速為60 km/h；設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，主橋橋跨布置和斷面布置分別見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 萬(wàn)州三橋主橋橋跨布置圖(單位：m)

圖2 萬(wàn)州三橋主橋橫斷面布置圖(單位：m)

萬(wàn)州三橋位于長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)，大橋結(jié)合水景工程，為創(chuàng)建長(zhǎng)江三峽文化旅游示范區(qū)增添了亮點(diǎn)[2]。水景布置在主橋跨中700 m范圍內(nèi)，單側(cè)共有233個(gè)噴頭，水景效果見(jiàn)圖3。

圖3 萬(wàn)州三橋水景效果圖

2 水景對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全影響評(píng)估

2.1 增設(shè)水景工程橋梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

主橋設(shè)計(jì)荷載為：①鋼橋面7.0 cm瀝青鋪裝，計(jì)42.7 kN/m；②人行道結(jié)構(gòu)及欄桿重，13.64 kN/m；③檢查車軌道重，1.41 kN/m；④鋼箱梁自重，183.97 kN/m；以上恒載合計(jì)：241.7 kN/m；⑤活載：公路-I級(jí)，按JTG D60-2004 《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取值。

水景工程豎向荷載按照2.5 kN/m進(jìn)行計(jì)算，主要結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 增設(shè)水景前后橋梁結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

水景荷載為2.5 kN/m，僅為橋梁恒載的1.0%。上述計(jì)算結(jié)果表明，橋上增設(shè)水景前后，主梁鋼梁應(yīng)力最大值增幅1.86%，主梁混凝土應(yīng)力最大值增幅0.77%，主塔最大應(yīng)力增幅0.54%，斜拉索最大應(yīng)力增幅0.94%，結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為水景荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全影響不大。

2.2 水景沖擊荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響

水景工程布置在主橋跨中700 m范圍內(nèi)，單側(cè)共設(shè)有233個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭出水流速v=3 m/s，管道壓強(qiáng)P=98 kPa，管徑d=40 mm，可建立圖4所示力學(xué)模型。

圖4 噴頭噴水力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

根據(jù)恒定流動(dòng)量方程[3]

∑Fy=ρQ(α02v2y-α01v1y)

(1)

由于等截面，不計(jì)水頭損失，取α01=α02=1，v1=v2=3 m/s,p1=p2=98 kPa。

流量Q=πd2v/4=π/4×0.042×3=3.77×10-3m3/s，帶入式(1)得

Ry=p2A2+ρQv2=98×103×π/4×

0.042+1 000×3.77×10-3×3=134.5 N

水流對(duì)橋梁的作用，暫按照靜力方法計(jì)算，經(jīng)計(jì)算每個(gè)噴頭反力為134.5 N。

將上述荷載按最不利單側(cè)加載方式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖5 水景反力單側(cè)加載計(jì)算圖示

計(jì)算結(jié)果顯示，噴頭反力作用下，跨中產(chǎn)生1.6 mm位移，梁支點(diǎn)位置產(chǎn)生1 900 kN·m橫向彎矩。總體看，結(jié)構(gòu)位移較小，增加荷載有限，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響不大。

2.3 增設(shè)水景橋梁動(dòng)力特性

增設(shè)水景后結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性見(jiàn)表2。經(jīng)計(jì)算，增加水景荷載對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響不大，可忽略不計(jì)。

表2 萬(wàn)州三橋增設(shè)水景后橋梁動(dòng)力特性表

3 水景對(duì)通航安全影響評(píng)估

3.1 通航標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論，萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋通航技術(shù)要求[4]如下。

3.1.1通航標(biāo)準(zhǔn)

重慶萬(wàn)州長(zhǎng)江三橋位于長(zhǎng)江干線萬(wàn)州河段，航道里程334.1 km。該河段為三峽水庫(kù)常年回水區(qū)，航道等級(jí)為I級(jí)。

3.1.2航道尺度

目前，萬(wàn)州河段航道維護(hù)尺度為：4.5 m×140 m×1 000 m，航道標(biāo)志按一類標(biāo)配布設(shè)。

3.1.3設(shè)計(jì)代表船隊(duì)

根據(jù)相關(guān)規(guī)劃及三峽建庫(kù)后航道條件，萬(wàn)州河段通航代表船型如下。

1) 船隊(duì)。采用I-2級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)的3排3列船隊(duì)，尺度為：264 m×32.4 m×3.0 m(1 942 kW+9×1 000 t)。

2) 單船。選用“川江及三峽庫(kù)區(qū)運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列”具有代表性的5 000 t級(jí)干散貨船，其尺度為：110.0 m×19.2 m×4.3 m。船舶空載時(shí)最大桅桿高度按17.5 m左右控制。

3.1.4最高、最低通航水位

1) 最高通航水位。依據(jù)三峽工程的前期研究成果，即三峽工程成庫(kù)淤積100年后，長(zhǎng)江發(fā)生20年一遇的洪水時(shí)萬(wàn)州河段的水位為175.96 m(吳淞)，相應(yīng)黃海高程為174.22 m。

2) 最低通航水位。根據(jù)相關(guān)資料推算[5]，橋位處最低通航水位為145.5 m(吳淞)，相應(yīng)黃海高程為143.76 m。

3.2 水景對(duì)行船安全影響

按照水景方案設(shè)計(jì)，在主橋跨中700 m范圍內(nèi)，單側(cè)設(shè)置233個(gè)噴頭，噴水流速v=3 m/s，噴水管徑d=40 mm，則噴水流量為

Q=n·π/4·d2v=2×333×π/4×

0.042×3=1.76 m3/s

換算成暴雨強(qiáng)度為

采用重慶市暴雨強(qiáng)度公式[6-7]計(jì)算，即：

式中：q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，L/(s·hm2)；p為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，取p=20，年；t為集水時(shí)間，取t=8 min。

上述計(jì)算結(jié)果表明：水景換算成的暴雨強(qiáng)度q1=474.7 L/(s·hm2)小于重慶市20年重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度q2=513.86 L/(s·hm2)，開(kāi)起水景下泄水量要小于暴雨強(qiáng)度水量。

同時(shí)，由于橋梁寬度僅36 m，如果船舶按5 kn較低速度行駛，輪船通過(guò)橋梁僅用時(shí)14 s?？紤]到主橋跨度730 m，基本覆蓋全部可通航水域，因而可以認(rèn)為，水景對(duì)通航安全的影響非常小。

從另一角度看，水景開(kāi)啟時(shí)，燈光增加了橋下范圍的亮度，一定程度上提高了對(duì)水上障礙物的分辨率，有利于提高船舶駕駛的安全性。

4 水景對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性影響評(píng)估

4.1 萬(wàn)州三橋鋼箱梁腐蝕影響分析

結(jié)合大橋環(huán)境，萬(wàn)州三橋鋼箱梁腐蝕主要有以下2種類型。

1) 大氣腐蝕。大氣腐蝕特點(diǎn)與完全浸沒(méi)在電解液內(nèi)的腐蝕過(guò)程有所不同，因大氣腐蝕的鋼材表面含水分，相對(duì)濕度達(dá)70%時(shí)，還會(huì)在鋼材表面結(jié)露。因此，使得上述反應(yīng)易于進(jìn)行。主要可采用以下防治措施：①采用耐蝕鋼材。如摻銅、鉻、鎳等合金組合的低合金鋼，耐蝕性較好；②使用涂層和金屬鍍層保護(hù)；③降低大氣濕度。加強(qiáng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護(hù)和管理，防止縫隙中存水、除塵、加入吸濕劑、除濕機(jī)，等等。

2) 淡水腐蝕。淡水中常溶解有鈣、鎂等礦物，其含量高時(shí)，稱為硬水。在硬水中，鋼材的腐蝕速度有所減慢，因?yàn)樘妓徕}等沉積在鋼材表面會(huì)阻礙氧氣通過(guò)，因而使腐蝕減慢。其主要防治措施有： ①涂覆防護(hù)；②減少水流的滯流度以避免沖擊腐蝕；③盡可能消除不必要的縫隙；④減少產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕的條件；⑤減少物件的應(yīng)力集中現(xiàn)象；⑥注意焊接加工雜散電流的影響。

萬(wàn)州長(zhǎng)江公路三橋鋼箱梁防腐涂裝按照J(rèn)T/T 722-2008《公路橋梁鋼結(jié)構(gòu)防腐涂裝技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定，橋址腐蝕環(huán)境介于C3-C4之間，涂裝防腐設(shè)計(jì)年限為長(zhǎng)效型(保護(hù)年限15～25年)確定鋼箱梁防腐體系。橋上設(shè)置水景，一定程度上會(huì)增加大氣濕度，使鋼箱梁處于干濕交替狀態(tài)，對(duì)鋼梁有一定的不利影響[8]。但是由于鋼箱梁表面有防腐涂層，同時(shí)水景用水經(jīng)過(guò)加工處理，水質(zhì)達(dá)到IV類及以上標(biāo)準(zhǔn)，減少了水景水質(zhì)中的有害離子對(duì)鋼梁的腐蝕[9-10]。同時(shí)，開(kāi)啟水景，其流過(guò)或飄過(guò)鋼梁的水量小于降雨雨水量，其影響要小于雨水的影響。在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，只要加強(qiáng)對(duì)水景水質(zhì)的控制，嚴(yán)禁采用有腐蝕介質(zhì)的水質(zhì)，保證供水清潔、無(wú)腐蝕，也可降低鋼箱梁腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

5 水景對(duì)橋面行車安全影響評(píng)估

由于水景的噴射管嘴、投射燈均安裝在鋼箱梁風(fēng)嘴處，橋面最外側(cè)車行道距離水景噴射管水平距離有5.5 m，并且噴射管向外側(cè)噴射，水柱方向是遠(yuǎn)離車道方向，且高度方向不會(huì)超過(guò)橋面欄桿高度，可以認(rèn)為水景不會(huì)對(duì)橋面行車安全造成影響，噴射管嘴橫橋向布置見(jiàn)圖6。

圖6 噴射管嘴橫橋向布置圖

但是需要注意的是，橋面車輛駕駛過(guò)程中，容易被水景景色吸引，引起駕駛員分心，造成非受迫性駕駛事故，因此后期需要加強(qiáng)橋面交通引導(dǎo)和教育，規(guī)范駕駛行為，減少橋面交通事故。

6 結(jié)論

1) 萬(wàn)州三橋水景荷載僅為橋梁恒載的1.0%，橋上增設(shè)水景前后，各構(gòu)件的應(yīng)力變化不大，且均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為水景荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的安全影響不大。

2) 水景換算成的暴雨強(qiáng)度小于重慶市20年重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度，開(kāi)啟水景下泄水量小于暴雨強(qiáng)度水量。同時(shí)，輪船通過(guò)橋梁用時(shí)很短，因而可以認(rèn)為，水景對(duì)通航安全的影響非常小。

3) 水景對(duì)鋼箱梁的腐蝕小于雨水的影響，在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，保證供水清潔、無(wú)腐蝕，可大大降低鋼箱梁腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4) 水景不會(huì)對(duì)橋面行車安全造成影響， 但是需要通過(guò)加強(qiáng)橋面交通引導(dǎo)、教育和規(guī)范駕駛行為來(lái)減少橋面交通事故。