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999.6米，主橋長810米，為145+2×260+145米的四跨預應(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。該河段航道為國家Ⅲ級航道同時通航1000T級海輪。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，基巖為微風化凝灰熔巖。橋址所在地區(qū)屬于中亞熱帶海洋性季風氣候，具有四季分明、氣候溫暖、多雨，無霜期長，臺風頻繁等特點。多年平均氣溫19℃，極端最高氣溫39.4℃，設(shè)計最大風速40m/s。
主要技術(shù)標準
1) 橋 梁 總 寬：24.5米，雙向四車道，分兩幅獨立大橋，每幅橋?qū)?2米，兩橋橋面間距0.5米；
2) 計算行車速度：80 Km/h；
3) 荷 載 等 級： 汽車－超20級，掛車－120；
4) 風 荷 載： 設(shè)計最大風速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999.6米，全橋橋跨布置為4×45+（145+2×260+145）米，其中主橋為145+2×260+145米四跨連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋長810米，引橋為4×45米四跨預應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋。
整個主橋處于豎曲線范圍內(nèi)，豎曲線半徑R＝52000米，橋面縱坡變坡點在5號和6號墩之間，距6號墩42米，兩側(cè)坡度分別為0.9%和-0.3%。主橋平曲線從起點到7號墩處位于緩和曲線段上，從7號墩到終點位于半徑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。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號梁段長14.00米，三個“T構(gòu)”的懸臂各分為29對梁段，其梁段數(shù)及梁段長度從根部至跨中分別為：8×3.0米、7×4.0米、14×5.0米，累計懸臂總長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，兩個邊跨現(xiàn)澆梁段各長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應(yīng)力體系。縱向預應(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、邊跨頂板束以及預備束和臨時束。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。頂板鋼束最長達260米。
主橋箱梁橫向預應(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，張拉伸長量為8.38厘米。施工中預應(yīng)力錨具張拉端與錨固端交錯布置。
主橋箱梁豎向預應(yīng)力鋼筋采用直徑為32mm的高強度精軋螺紋粗鋼筋，屈服強度為1080MPa。設(shè)計張拉噸位為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，順橋向為2.5米，兩墩柱順橋向間凈距6.5米，每個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)為實心段。
5、6號主墩位于主河道內(nèi)，采用群樁基礎(chǔ)，為防止船舶直接撞擊墩身，在承臺頂設(shè)置了混凝土護墻，護墻與墩身間留有一定間隙，護墻內(nèi)填筑砂礫，起緩沖作用，減少對墩身和船舶的沖擊損害。左右幅橋共設(shè)一座承臺，承臺迎水面采用圓弧形，橫橋向最寬處為38.70米，縱橋向?qū)?3.0米，承臺厚6.0米，一個承臺的混凝土澆筑體積達5100立方米。由于在施工水位時，承臺部分位于水中，采用有底鋼套箱施工，在承臺底設(shè)置了3米厚度的套箱封底混凝土。 一個主墩下設(shè)24根直徑3米的鉆孔樁，樁長50米左右，樁基嵌入微風化巖層。
7號墩墩身構(gòu)造與5、6號墩基本一致，但墩底實心段高度為10.5米。7號墩處基巖埋藏較淺，強度高，為降低基礎(chǔ)工程量，減少基礎(chǔ)開挖，降低施工難度和費用，7號墩基礎(chǔ)采用新型明挖墻式基礎(chǔ)。四個墩柱各設(shè)一獨立基礎(chǔ)，平面尺寸比墩身略大，為3米×6.5米。7號墩基礎(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“T”同步施工。墩頂0號梁段在墩頂預埋牛腿支承的托架上施工，由于0號梁段混凝土方量較大，且管道、鋼筋密集，為減輕托架負載和保證混凝土澆筑質(zhì)量，豎向分段澆筑。
1～29號箱梁是在掛籃上對稱懸臂澆筑的，懸澆掛籃在0號梁段上安裝完畢后，進行預壓測試，并記錄預壓時的彈性變形曲線，以盡可能消除非彈性變形和獲得標高控制的數(shù)據(jù)。各懸臂施工梁段要求一次澆筑完成，無論在澆筑階段、掛籃移動或拆除階段，均需保持對稱平衡施工。
邊跨現(xiàn)澆段在落地支架上一次連續(xù)澆筑完成，落地支架進行預壓以確保安全和消除非彈性變形，并按實測的彈性變形量和施工控制要求，確定底模標高和預拱度。
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格控制。全橋箱梁合攏由邊至中對稱進行，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)計時考慮一個合攏段吊架和模板共重約50噸。
5、6號墩基礎(chǔ)采用鋼套箱施工。 由于7號墩基礎(chǔ)頂面位于常水位以下，基巖面坡度較大，水下無法實施明挖施工，設(shè)計中采用了四個獨立的鋼板圍堰。
3. 主要技術(shù)特點和創(chuàng)新點
?。?）、 上部結(jié)構(gòu)輕型化
盡管設(shè)計人員很容易地會認為較大的梁高和截面尺寸會使結(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)，并且預應(yīng)力鋼筋和普通鋼筋等材料用量顯著增加，進而增加下部以及基礎(chǔ)的負擔，是非常不經(jīng)濟，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方面與澳大利亞門道橋、虎門大橋的對比情況見下表：
梁高對比表
由表可見，下白石大橋與澳大利亞門道橋（Gateway）相比，跨徑相同，而梁高無論是根部還是跨中都顯著降低，跨徑比虎門大橋輔航道橋少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，此值門道橋和虎門大橋輔航道橋分別達到1/50和1/54。
箱板厚度對比表
由表可見，下白石大橋較門道橋大幅減少了根部底板厚度，較虎門大橋輔航道橋適當減少了跨中底板厚度，這是經(jīng)認真分析，在反復驗算的基礎(chǔ)上決定的，結(jié)果表明這對改善整個橋梁上部結(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，在反復驗算的基礎(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，而且整個主梁的受力都處于一個良好的狀態(tài)。
?。?）、 預應(yīng)力鋼束精細布置
合理配置預應(yīng)力鋼絞線、優(yōu)化鋼絞線的布局，可以充分發(fā)揮預應(yīng)力材料的作用。一般來說幾何線形上流暢、均衡的鋼絞線，在結(jié)構(gòu)受力中也是合理的。反之，會使結(jié)構(gòu)受力變得復雜，產(chǎn)生突變，發(fā)生難于預料的結(jié)果。在本橋設(shè)計中，對鋼絞線的布局進行了反復調(diào)整，力爭使其線形流暢、位置均衡，將鋼絞線設(shè)置在最有利的部位，提高了預應(yīng)力效率，節(jié)約了鋼材，計算結(jié)果表明，本橋主梁應(yīng)力控制理想，運營階段主梁不出現(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時為3.6Mpa，各種組合時最大壓應(yīng)力不超過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)無預應(yīng)力管道，從而給腹板混凝土的澆注帶來極大的方便，而在0#塊兩側(cè)的8個梁段內(nèi)設(shè)置了下彎束，這對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。
?。?）、 7號墩采用新型墻式嵌巖基礎(chǔ)
7號墩基巖埋藏較淺，初步設(shè)計為擴大基礎(chǔ)，基巖開挖量大，施工難度高。為減少基坑開挖量，經(jīng)認真分析7號墩的實際地質(zhì)情況，提出了墻式基礎(chǔ)方案，新型的墻式基礎(chǔ)可使基巖開挖量減少為原設(shè)計的11%，工程數(shù)量僅為原設(shè)計的13%，具有造價低廉、施工方便的優(yōu)點。
?。?）、 主梁采用60號高強砼
大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋其極限狀態(tài)承載能力的驗算較難通過規(guī)范要求，通過采用高強度混凝土，不僅使結(jié)構(gòu)安全得到保證，也與高強度的預應(yīng)力材料相匹配，另外，提高砼的強度可以有效降低梁高和減少底板寬度，進而減少自重彎矩所占比例，使結(jié)構(gòu)受力更趨合理，達到減少材料用量，提高經(jīng)濟性的目的。因此，本橋主橋箱梁決定采用60號高強混凝土，為當時橋梁規(guī)范規(guī)定的最高混凝土標號（2004年頒布的新規(guī)范混凝土最高標號已達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
我國的預應(yīng)力結(jié)構(gòu)波紋管一般均采用金屬波紋管，但其易生銹，壓漿密實度較難達到要求，且存在摩阻系數(shù)和孔道偏差系數(shù)較大的缺點，為克服以上缺點，本橋縱、豎向預應(yīng)力管道大膽采用塑料波紋管，代替原來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。同時，縱向管道采用了真空輔助壓漿技術(shù)，壓漿時保持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，提高了鋼絞線的防銹腐能力。本橋的成功經(jīng)驗，大大推進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，空氣中的氯成份對鋼筋具有很強的腐蝕性，為了確保主墩安全，增強主墩的耐久性，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月涂層鋼筋在我國內(nèi)地首次試用，后逐漸在我國港口工程中使用，在國內(nèi)大跨徑混凝土橋梁中，本橋為率先使用。
C. 高強豎向預應(yīng)力粗鋼筋
在大跨徑混凝土梁式橋中設(shè)置豎向預應(yīng)力是十分必要的，因此，一定要確保豎向預應(yīng)力的有效性。但在我國的橋梁中，豎向預應(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，一方面是國產(chǎn)螺紋粗鋼筋的屈服強度較低，僅有750MPa，另一方面豎向預應(yīng)力的施工質(zhì)量控制難度較大，壓漿很難保證密實，錨固不到位。針對這些問題，對豎向預應(yīng)力采用形式、施工關(guān)鍵技術(shù)進行了對比分析后，本橋采用進口的精軋螺紋粗鋼筋，其屈服強度達到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，并采用二次復拉工藝，這樣豎向預應(yīng)力損失維持在一個較低的水平，使豎向預應(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)計采用了許多創(chuàng)新技術(shù)，施工過程也面臨了不少新的棘手問題，如深水基礎(chǔ)（最大水深32m）、厚覆蓋層（覆蓋層最厚達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（該橋在這種復雜地質(zhì)條件下成功使用了鋼套箱護筒法）、連續(xù)兩跨260m大跨兩個主孔同時合攏、縱向、豎向預應(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，運營已近四年，荷載試驗結(jié)果和常規(guī)檢測結(jié)果均表現(xiàn)良好，其在解決國內(nèi)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋普遍出現(xiàn)的跨中嚴重下?lián)蠁栴}和梁體裂縫方面較為成功，表明通過調(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)計預應(yīng)力的布局等方式，可以大大改善橋梁受力模式，使整個橋梁處于一個良好的工作狀態(tài)中，增加了橋梁的耐久性和安全性。
下白石大橋的建成標志著國內(nèi)大跨徑預應(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)條件復雜等條件下的設(shè)計和施工技術(shù)又向前邁進了一步，為促進國內(nèi)該類型橋梁的繼續(xù)發(fā)展進一步打下基礎(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)計單位：中交第一公路勘察設(shè)計研究院
?。═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：2.017億元
建成日期：2003年3月
