新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选.pdf

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新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选1 新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选2 新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选3 新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选4 新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选5 新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选6
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·桥涵工程·收稿日期:20151106基金项目:中铁第五勘察设计院集团有限公司科技研发项目(T5Y2014B01)新建连盐铁路灌河特大桥主墩防船撞系统方案比选周衍领(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)摘要结合新建连盐铁路灌河特大桥水中主墩结构特点,以及桥位处气象、水文、地质条件、通航条件、港口规划,为灌河特大桥设计了3种防船撞系统方案,对各防船撞系统方案进行了详细介绍,并进行了优缺点分析和对比。通过方案对比,最终确定了一种适合连盐铁路灌河特大桥结构特点的防船撞系统。关键词新建铁路特大桥水中墩防船撞系统方案比选中图分类号U443.8文献标识码A文章编号10094539(2016)增1010205·℃×℃Ⅲ∠×①②③④ ∠ ∠ ·④① ④∠④ ④∠ · ℃×∠③℃②④ ④℃③∠② ④℃③·①℃③②③℃③④℃④ ℃℃④④②  ② !② ℃ ②④②ZhouYanling(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China)AbstractCombinedwiththecharacteristicsofthemainpierstructureinthewaterofGuanRiverSuperLargeBridgeinthenewlybuiltLianyungangYanchengRailway金金,aswellasthemeteorological,hydrologicalandgeologicalconditionsofthebridgelocation,navigablecondition,andtheharborplanning,threekindsofschemesonshipanticollisionsystemarede金金signedforGuanRiverSuperLargeBridge.Theaboveschemesareintroducedindetail,andtheadvantagesanddisadvanta金gesofeachschemeareanalyzedandcompared.Byschemecomparison,ashipanticollisionsystemsuitedforthecharac金金teristicsofthestructureofGuanRiverSuperLargeBridgeisfinallydetermined.Keywordsnewlybuiltrailway金;superlargebridge;pierinwater;shipanticollisionsystem金;schemecomparison1工程概况连盐铁路是我国沿海铁路的重要组成部分,灌河特大桥是连盐铁路中技术最复杂、跨度最大的控制性桥梁,主桥采用(120+228+120)m连续钢桁-柔性拱,为跨越灌河三级航道而设,灌河特大桥设一个通航孔,桥墩中心线之间跨度为228m,墩台边线之间跨度为210m,在河道水域内有2个桥墩,在河道滩面上布置了2个桥墩,主墩墩高15.0m,桥墩宽度7.0m,主桥立面布置见图1。灌河水位受潮汐影响,河道条件优越,规划通行3000t海轮。为了保护桥墩,灌河特大桥水中桥墩应设置防船撞系统,防船撞系统在遭受船舶或漂流物撞击时,能通过自身的变形和破损来消耗船舶或漂流物撞击的动能,避免失控偏航船只和漂流物直接撞击桥墩,从而达到保护桥墩进而保护大桥的目的。2桥区特点气象:极端最高气温达℃40,极端最低气温为℃-21.7;全年平均风速2.9m/s,最大风速18.3m/s。水文:灌河为冲击平原地区潮汐河流,多年平均年径流量15×108m3,平均流量50m3/s。201铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(增1)·桥涵工程·图1主桥立面布置水位:桥位处设计最高通航水位3.80m,设计最低通航水位-1.79m。桥位通航条件:拟建大桥河段航道等级为Ⅲ级,桥位处河道顺直,河床稳定,主槽水深条件良好(水深5m左右)。水流基本为顺河道方向的往复流,最大流速在2m/s左右,受潮汐影响,最大流速为涨潮流速。涨落潮流向与桥梁轴线的法线基本一致。根据通航论证结合当地海事调研,船舶以7节航速过桥。3防船撞系统方案3.1防船撞系统方案一:阻尼消能钢浮体防撞系统方案[1-6]3.1.1方案特点阻尼消能钢浮体防撞系统方案的最大优点是结构合理,不占用太多航道空间,拆除后不遗留任何残积物,造价低,易于制造和维护。阻尼消能防撞系统方案有如下特点:(1)防撞系统对于小型碰撞,只有局部损伤,阻尼消能元件变形联合钢性护舷破损消能,阻尼消能元件和钢性护舷可更换。对于大型碰撞,主结构舱室破损消能,吸收消减船舶碰撞力,确保桥墩、承台不受损,防撞系统模块化设计,在碰撞后可进行局部更换和修复,继续使用。(2)系统能自浮于水面上,可随水位变化上下浮动,在各种水位条件下,对各种装载状态的船舶,防撞系统均能保证来撞船舶不直接触及墩壁,水下的球艏不直接撞击承台。(3)防撞系统制造成本适中,防撞功能可靠、完善,便于维护和修理。在使用期内,防撞系统本身有足够强度,并能耐受潮水的长期冲击和海水的腐蚀。(4)合理设计阻尼消能系统构造,在确保桥梁安全的同时,也能减少撞击船舶的损伤。(5)本防撞系统占用的航道宽度相对较小,满足航道净宽的要求。3.1.2方案构造阻尼消能钢浮体防撞系统总长31.80m,型宽12.2m,两柱间长31.20m,型深3.80m,结构吃水约1.80m,主要板厚10mm、12mm、14mm、20mm,横梁、肋骨、纵骨∠140×90×10、加强构件T10×300/12×120。护舷材高度300mm,板厚10mm。钢浮体内侧与墩身接触位置处安装拱型耐摩阻尼吸能元件,外侧易撞处悬挂飘浮橡胶浮筒。其平面布置、剖面布置见图2~图4。图2主墩阻尼消能钢浮体防撞系统平面图图3主墩阻尼消能钢浮体防撞系统方案一剖面图1图4主墩阻尼消能钢浮体防撞系统方案一剖面图23000t级船舶在最高通航水位和最低通航水位情况下满载撞击桥墩情况见图5、图6。图53000t级海轮(有球艏)满载撞击桥墩相对位置示意图63000t级海轮(无球艏)满载撞击桥墩相对位置示意阻尼消能钢浮体防撞系统方案(方案一),能随着水位的变化上下浮动,保证了船艏撞击过程中,301铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(增1)·桥涵工程·撞击力通过阻尼消能钢浮体消能后,传递到桥墩上的力在桥梁安全承受的范围内。3.1.3工程量(见表1)3.2防撞系统方案二:全复合材料防撞系统方案[7-9]3.2.1方案特点全复合材料防撞系统是近年才发展起来的新型桥梁防撞系统。一般由外壳、复合消能柱和内部填充物等组成。外壳通常采用强度较高的玻璃纤维布和合成树脂固化制成,内部的填充物可以根据不同需要选择。表1一套阻尼消能钢浮体防撞系统工程量序号名称型号与规格数量建安费/万元1钢板10mm160.8t2钢板12mm15.6t3钢板16mm6.74钢板20mm8.9t5角钢∠140×90×1035.8t6焊条(3%)6.87钢材总重量234.6t8内外总涂装面积5427m2约410.69漂浮型橡胶浮筒D1000×1600L12套10拱型橡胶护舷SA400H×300L16套11水密人孔盖B500×400-10GB11628-8920个12高强度螺栓M30×120212套13不锈钢螺栓M30×100160套14空气管D220×416套15测深管A5016套16舷外梯(不锈钢)1付17直梯20付约58.818运输费8019浮吊船租赁费5020辅助施工平板驳船租赁费3021安装费105合计734.4(1)优点:①重量轻,便于运输、安装,防撞系统由若干独立的单元体组成,安装便捷,单元节段损坏后维修更换方便;②复合材料可设计性好,可以根据桥墩的形状灵活地设计;③工艺简单,可以一次成型,经济效果突出。(2)缺点:①弹性模量低,结构中常感到刚性不足,对大型船舶撞击的适用性有待验证;②复合材料耐久性有待进一步确定;③复合材料层间剪切强度低;④使用寿命终止后防撞系统难以回收再利用。3.2.2方案构造本方案复合材料防撞系统总长30.20m,宽16.20m,整体呈长圆形,直径4.0m。整个防撞系统有若干节段组成,运输至施工现场,通过销栓连接的方式安装,形成统一整体,在桥墩周围形成一道消能防撞圈。由于复合材料防撞系统整体密度较水小,因此可以随水位的变化上下浮动,最大限度保证桥梁和船舶的安全。复合材料防撞系统结构见图7~图9。图7全复合材料防撞系统平面布置图8全复合材料防撞系统立面布置图9全复合材料防撞系统典型截面图复合材料防撞系统主体结构由复合材料层、增强联接板等构成,外层复合材料层和增强联接板之间的空隙均匀布置复合消能柱,消能柱的形式有蜂窝形、圆形等多种形式,可根据防撞等级的不同选取,增减填充耗能闭孔材料,以增强结构的吸能效果,内部空间填充聚氨酯泡沫作为耗能材料,进一步增强复合材料整体的吸能效果。安装全复合材料防撞系统后,3000t级船舶撞击桥墩相对位置见图10、图11。全复合材料防撞系统,对于3000t级的船舶具有一定的防护效果,但是由于球艏的凸起,和无球艏船舶艏部的突出部分尺寸较大,主墩仍有遭受船舶撞击的可能。401铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(增1)·桥涵工程·图103000t级(有球艏)船舶不同水位下撞击主墩相对位置示意图113000t级(无球艏)船舶不同水位下撞击主墩相对位置示意3.2.3工程量(见表2)表2全复合材料防撞系统工程量及造价序号名称型号及规格数量造价/万元1复合材料消能防撞系统D-40080.5延米885.502导向滑轨H254062.003销栓D283218.564运输费68.005浮吊船租赁费50.06辅助施工平板驳船租赁费20.07安装费98.00合计1202.0603.3防撞系统方案三:独立防撞墩式防撞系统方案[10-12]3.3.1方案特点独立防撞墩式防撞系统主要由钢管桩、桩基础内填充的钢筋混凝土、钢筋混凝土承台等组成。在受船舶撞击时,防撞墩整体弹性变形,桩基础破坏,墩台局部破损吸收能量,其余撞击能量主要由撞击船舶破损吸收,碰撞船舶损伤较大,对碰撞船舶保护能力较弱。在遭受重大高能撞击后,独立防撞墩防撞系统损毁,修复费用较大,需要在原防撞墩周围重新建造。3.3.2方案构造独立防撞墩由桩基础和承台组成,承台长10.8m,宽19.5m,高10.0m。采用4根桩径为4.0m的钢管填充钢筋砼,桩顶通过桩帽钢筋和混凝土与承台连接起来,形成一个整体,共同抵抗船舶撞击。承台外形为流线型,在减少水阻的同时保证船舶撞击时能够有效调拨船艏,使大部分能量仍旧保留在船上,且防撞墩宽度同承台相同,不影响桥梁的通航净空宽度,此外防撞墩防撞系统可涂装成橘红色,以增加警示作用,也可将水尺刻在防撞墩墩台上,增加过往船舶对水深的了解。独立防撞墩防撞系统承台顶部可安装警示灯,起到夜间导航和警示的效果。独立防撞墩结构形式见图12、图13。图12独立防撞墩立面图图13独立防撞墩平面图独立防撞墩防撞系统适合应用于中等深度(10~15m)的水中,不考虑冲刷影响,但经济投入过高,而且独立群桩防撞通常很难封闭所有船舶的撞击角度,独立防撞墩防撞系统防护角度有限,在高、低水位下,独立防撞墩仅能对正面撞击的船舶起到防护作用,桥墩墩身侧壁特别是对顺桥向靠航道一侧墩台起不到防护作用,墩身侧壁仍需要做相应的防护,可采用橡胶护舷,或者复合材料防撞等方式。为了减少船舶撞击桥墩的概率,需加大防撞墩的直径,但造价同时增加,影响防撞墩的经济合理性。加设独立防撞墩防撞系统后,3000t级船舶撞击防撞墩相对位置见图14、图15。43种防撞系统方案的对比对3种防撞系统的结构、性能、优缺点、经济性以及防撞效果等各项功能、参数和特性进行总结、提炼和对比,见表3。501铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(增1)·桥涵工程·图143000t级(有球艏)船舶不同水位下撞击独立防撞墩相对位置示意图153000t级(无球艏)船舶不同水位下撞击独立防撞墩相对位置示意表3三种防撞系统方案的特性比较防撞方案项目阻尼消能钢浮体防撞系统方案(方案一)全复合材料防撞系统方案(方案二)独立防撞墩防撞方案(方案三)消能特点阻尼元件和钢结构变形破损消能复合材料变形破损消能钢管桩变形和砼破损消能消能效果消能效果好消能效果好消能效果一般结构特点阻尼消能元件和钢结构组合体结构高分子复合材料和消能填充材料结构钢筋混凝土结构对桥墩的保护范围和效果全方位防护,防护效果好全方位防护,防护效果较好,墩身仍有被大型船舶直接撞击风险对正撞范围内防护效果好,墩身侧面仍有被船舶撞击风险建造工艺特点工厂船台建造,水密要求高工厂模块化制造现场打桩模筑砼建造建造工期短短建造受现场水文、气象、航道、海事、设备、材料供应等影响较大,建造工期长水位变化对施工影响不受水位影响不受水位影响须在枯水期,低水位,小流速时施工施工设备浮吊船,运输船、辅助平驳浮吊船,运输船、辅助平驳浮吊船,运输船、辅助平驳,打桩设备,砼灌筑设备,模板施工难易程度较容易较容易水上施工,施工工序多,受多方因素影响大,施工难度大施工安装费用低低高施工工期短短长日常维护费用较小小较小撞损后修复费用较小较大较大撞击后船舶损伤度较小小大适用特点小、中、大均可中小型船舶撞击小、中、大均可工程造价低(734.4万元)较高(1202.06万元)高(773.0万元)耐久性较好较好好拆除难易程度容易容易难拆除后材料再利用率高低低5防撞系统的确定通过对3种防撞系统方案的综合分析和比较,确定阻尼消能钢浮体防撞系统方案(方案一)为新建连盐铁路灌河特大桥主墩最终防撞系统方案。阻尼消能防撞系统方案具有设计先进合理,满足航道、海事要求,能抵抗3000t级船舶撞击,吸能效果好;且能同时满足保护桥梁墩身和来撞船舶的双向安全保护要求,可随水位变化上下浮动;对水位、环境等要求低,工程造价低,易于加工制造、安装和维护,拆除更换简单,对航道、桥梁、环境均无不良影响等诸多优点;在大部分性能、参数特点上均优于方案二和方案三。此方案通过召开专家论证会,得到了业主和与会专家的一致认可。6结束语综上所述,新建连盐铁路灌河特大桥阻尼消能钢浮体防撞系统方案的确定,为桥梁优化设计提供了参数和依据,为加工制造厂家提供了图纸和(下转第113页)601铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(增1)·桥涵工程·完成后30min内用完。由于温度对产品的凝结时间和早期强度有很大影响,在低温(℃-25)或高温(℃40)环境下应严格按照《桥梁灌浆料施工技术方法》进行施工及养护。无法恢复流动性的浆料切忌不可再次加水混合搅拌再用。7.2压胶修复(1)进行压胶前应对压胶口和钻孔孔道内进行处理,将表面的灰尘、浮渣及松散层等污物清理干净,并用有机溶剂将边缘处擦洗干净,保持干燥。(2)压胶时应待下一个排气嘴出浆时立即关闭转心阀,压胶压力应保持稳定,宜为0.2MPa。并要按照从下到上的顺序进行灌筑,当上层压胶嘴有胶液溢出时,稳压5min后,密封该压胶嘴,然后移至上一层继续施工。(3)当吸浆率小于0.1L/min时,应再继续压注几分钟方可停止压胶。压胶结束后应立即拆除管道,并清洗干净。(4)待缺陷内胶液达到初凝不外流时,方可拆除压胶嘴,并应用掺入水泥的胶液把压胶嘴处抹平封口。7.3改性环氧树脂混凝土修复(1)强度:不低于原梁体混凝土强度,实施时可适当提高一个强度等级。(2)改性环氧树脂混凝土粗骨料:采用5mm豆石。(3)其他:可参考《环氧树脂砂浆技术规程》(DL/T5193-2004)及其他相关技术规范。7.4其他注意事项梁体上钻孔应避开钢筋,特别是预应力钢筋位置,施工时可依据现场实际情况适当移动孔位。8结论向莆铁路连续梁梁底缺陷病害于2014年12月20日治理完成,灌浆饱满强度符合设计要求[10],后期通过检测,桥梁运营状态良好,取得了理想的结果,为同类桥梁病害整治提供参考。参考文献[1]铁建设函[2005]285号新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定[S].[2]TB10002.1-2005铁路桥涵设计基本规范[S].[3]TB10002.3-2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].[4]TB10005-2010铁路混凝土结构耐久性设计规范[S].[5]CECS21:2000超声法检测混凝土缺陷技术规程[S].[6]TB10013-2010铁路工程物理勘探规程[S].[7]铁建设[2010]241号铁路混凝土工程施工技术指南[S].[8]TB10752-2010高速铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].[9]TB10424-2010铁路混凝土工程施工质量验收标准[S].[10]TB10426-2004铁路工程结构混凝土强度检测规程[S]檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪.(上接第106页)技术支持;同时也为业主方、监理方和施工方编制桥梁防撞可实施性施工组织设计、合理安排工期、与地方各主管部门加强协调提供文件和技术支持;也为其它跨航道桥梁防船撞系统设计提供参考和借鉴。参考文献[1]陈国虞.防御船撞桥的桥墩防撞系统[J].航海技术,2001(1):24.[2]岳磊,黄翔.浮箱式桥墩防撞系统设计[J].中外公路,2009,29(4):133.[3]项海帆,范立础,王君杰.船撞桥设计理论的现状与需进一步研究的问题[J].同济大学学报,2002,30(4):386.[4]严仁军,李荣,王勇,等.水路航运与桥墩防撞研究[J].交通科技,2003(3):72.[5]茹利君.深水桥梁基础钢套箱的设计与施工[J].铁道建筑技术,2014(S1):82.[6]裴玉良.组合单臂钢围堰在水中桥梁施工中的应用[J].铁道建筑技术,2013(9):8.[7]巫祖烈,徐东丰.桥墩防撞系统评述[J].重庆交通学院院报,2006,25(6):22.[8]沈刚,伏耀华,金允龙.泰州大桥中塔墩防船撞研究[J].中国工程科学,2010,12(4):73.[9]张洪光,陈礼忠.整体式钢浮箱在跨海大桥桥墩施工中的综合运用[J].城市道桥与防洪,2006(5):105.[10]杨柯.船桥碰撞理论及桥墩防护系统的研究[D].长沙:长沙理工大学,2010.[11]史元熹,金允龙,徐俊.黄石长江大桥主墩防撞系统设计[C].中国桥梁科学技术学会.第十四届全国桥梁学术会议论文集,2000:475.[12]曹映泓,左智飞,罗林格.湛江海湾大桥柔性吸能防撞系统研究[J].中外公路,2006,26(5):72.311铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2016(增1)
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