1915恰纳卡莱大桥系列02——大桥设计

Inger Kroon, 项目总监
Jesper Pihl, 项目副经理
Henrik Polk, 技术总监

翻译注：本篇仅翻译常用名称，在本篇首次出现时会在括号中标示原文名称。不常用名称不作翻译，仅用英文表示

1 引言

土耳其是亚洲和欧洲之间的重要过境点，其快速的经济增长以及游客、农业和过境运输数量的增加导致了长期的交通拥堵。现有的交通网络无法满足交通增长带来的通行需求。

为解决这些问题，土耳其政府宣布了“Vision 2023”计划，旨在提高公路、铁路和海上运输能力。

该计划的一部分是建造一座跨过达达尼尔海峡（在土耳其称为恰纳卡莱?anakkale海峡）的首座悬索桥，这将改善该国西部的交通网络，促进社会经济和旅游业增长。

特别地，这座桥为往返于土耳其第三大城市伊兹密尔（Izmir）的欧洲交通提供了一条替代路线，避开了伊斯坦布尔。

该桥主跨2023m，是目前世界上主跨最长的悬索桥。

2 桥位

1915恰纳卡莱大桥位于伊斯坦布尔西南 200 公里处，横跨恰纳卡莱海峡，连接拉普塞基区（Lapseki）和加里波利区（Gelibolu）。

该海峡形成了欧洲和亚洲之间的自然分界线，它将马尔马拉海（Marmara）与爱琴海（Aegean）和地中海（Mediterranean）连接起来，见图 1 和图 2。

  图1 桥梁所处位置
 图2 项目概况图

这座桥位于321公里长的 K?nal?-Bal?kesir 高速公路的中部，该高速公路将连接东色雷斯（East Thrace）的 O-3和O-6高速公路与安纳托利亚（Anatolia）的O-5高速公路。

1915恰纳卡莱大桥是该计划的一部分，该计划扩展了早期的主要交通项目，例如Osmangazi大桥的 Gebze-Orhangazi-Izmir高速公路。

该项目有望增加和改善交通流量，并缓解当前和未来的交通拥堵问题。

COWI 还参与了该地区的其他大型桥梁项目，如图2所示，即2016年开通的伊兹米特湾上的 Osmangazi大桥和同样于 2016 年开通的跨越博斯普鲁斯海峡的第三座大桥：Yavuz Sultan Selim大桥。

COWI 负责Osmangazi大桥的详细设计，该桥与1915恰纳卡莱大桥有许多相似之处。

3 项目说明

由韩国 DL E&C 和 SK ecoplant 、Türkiye 的 Limak 和 Yap? Merkezi 组成的一家名为 DLSY的合资企业于2017年1月26日赢得了桥梁建设的投标，提供了略高于16年的最短特许经营期，其中包括一旦桥梁通车后的最低收入保证。

这四家公司在该项目中各有 25% 的平等份额。

公路总局 (KGM) 将公私合作模式框架内的 1915?anakkale 桥梁和公路项目授予该财团，该财团随后成立了一家合资公司（委托公司）：?anakkale Otoyol ve K?prüsü ?n?aat Yat?r?m ve ??letme A.?. （恰纳卡莱高速公路和桥梁建设、投资和运营公司）。

该桥的EPC合同于2017年3月21日在正式仪式上签署。

合资公司将以BOT方式建设、管理和运营已建成的桥梁，为期16年零两个月。

该桥将在运营期结束后移交给土耳其政府。

 图3 桥型布置图

奠基仪式于2017年3月18日举行。大桥的开通时间正好是5年后的2022年3月18日，比1923年土耳其共和国成立一百周年提前一年。

丹麦工程顾问COWI于2017年获得设计合同，COWI负责桥梁的详细设计，并进一步提供主梁架设方案的设计。

4 总体设计

大桥主体结构已成为世界上最长的悬索桥，主跨2023m，两侧跨770m，总桥长3563m。加上两条引道高架桥，桥梁总长度为4,608m。

欧洲侧加里波利引道高架桥长365m，亚洲侧拉普塞基引道高架桥长680m。

桥型布置图见图3，悬索桥的效果图见图4。塔柱高度为318m和334m，包括特殊的塔顶。

 图4 大桥渲染图

4.1 设计特点与挑战

悬索桥的设计依赖于精确的有限元建模。该桥的全局分析模型（Global analysis model, GAM）是在COWI开发的结构设计和分析系统IBDAS（Integrated bridge design and analysis system）中创建的。

IBDAS 已被用于设计多座桥梁，并且是用于悬索桥设计的最先进的有限元程序。GAM是使用梁、壳和实体元素组合创建的参数化IBDAS有限元模型。

局部分析模型具有与整体模型的直接接口，并由全局模型内部激活，从而方便地获取正确的荷载和边界条件。

IBDAS有限元模型和网格中的各几何构件的渲染如图5所示。

图5 有限元模型渲染图

除了打破世界悬索桥跨径记录这一挑战之外，还应对了许多其他具体的挑战。

首先，设计和施工的时间非常紧迫。

设计、采购和施工计划为期5年，设计过程必须高效，并包括优化的解决方案，以实现快速施工。

此外，还有一些针对1915年恰纳卡莱大桥的技术挑战需要解决——其中包括与地面条件、该地区的地震活动、恰纳卡莱海峡繁忙的船舶交通、风环境和桥梁上的预期活载。

以上挑战需要设计人员特别关注抗震设计、空气动力学设计、船舶碰撞风险分析、活载建模，重点是桥梁上的特殊交通条件等。

4.2 沉箱基础

钢塔高334m，使这座桥成为土耳其最高的桥梁。每个塔都建立在一个蜂窝混凝土沉箱上，平面尺寸约为为83m×74m。

每个沉箱最初都是在海峡的欧洲一侧的干船坞中建造的。

在主蜂窝部分建成后，沉箱通过干船坞的受控注水漂浮移动到称为湿船坞的深水域。

图6 在干船坞中被淹没的沉箱

在湿船坞，混凝土施工仍在继续，而两个沉箱结构在增加的重量下沉更深。混凝土工程完成后，在每个沉箱顶部安装两个直径为18m的双壁钢护筒，用于以后支撑塔柱。

此外，23-26m高的钢护筒确保沉箱沉入最终位置。

在建造沉箱的同时，桥塔处的海床正在进行准备放置沉箱的工作。

图7 沉降和水平阻力估计值

海床地质条件为：欧洲侧桥塔处为全新世粘土沉积，亚洲侧桥塔处则为更新世粘土和砂石沉积在，在这两个位置下方都有中新世泥岩地层。

海床最初是通过疏浚来准备的，以获得平地。然后，将直径为2.5m的开口钢桩打入泥岩中。

在欧洲侧桥塔位置安装了203根桩，长度不超过 46m，在亚洲侧桥塔位置安装了165根，长度为21m。

 钢夹桩减少了塔的沉降（欧洲塔减少了约80%），并在船舶撞击或地震作用时增加了基础的横向阻力。

然而，这些桩并没有直接连接到沉箱，如图8所示。

图8 桥塔地基和砾石床的改良

为了确保荷载从沉箱转移到钢桩，在受控浸没后在桩头周围放置3m厚的砾石床。

这种布置允许塔/沉箱在重大地震事件期间滑动。

在海底铺设砾石床并完成湿船坞的工程后，将沉箱拖至最终位置并沉入海底，海底分别位于欧洲和亚洲水位以下37m和45m处。

这些基座与系梁相互连接，使两个塔柱作为一个单元，特别适用于船舶冲击和地震载荷情况。

4.3 主塔

318m 高的桥塔是用钢建造的，主要是便于快速安装。它们外形包括带有倒角的箱形部分，具有更好的空气动力学性能。

在图9中可以看到一个塔柱的平面图，图中有纵向加劲肋和横隔板。

图9 塔柱截面，横隔板间距变化（2.2m-3.0m）

塔被分为预制构件，每个塔柱共32个节段，三个横梁各3个节段。节段的尺寸和重量主要由施工方法决定。

每个塔柱的前五个非常重的节段高度可达11.0m，重量可达800吨。如此设计的目的是有效利用浮式起重机的能力，将这些节段块体一个接一个地竖立起来。

图10 安装完成的桥塔。焊接平台可推测桥塔节段高度

这些节段通过水平接头相接，焊接盖板和内部纵向加劲肋的螺栓实现相互连接。

为了将5号节段上方的节段放置在高度+60m处，使用了起重能力为160吨的重型塔式起重机。这要求将普通节段单元细分出两个节间，而横梁和主梁高度处的特殊块需要4个节间板。节间通过块角处的螺栓相互连接。

这种方法可以实现快速施工，并有可能在完成焊接工作之前在上方竖立更多桥塔节段。

为了准确捕捉桥塔复杂部分的结构力学行为，使用了几个局部有限元模型。

建立了塔底和横梁模型，如图11所示。

图11 用于桥塔验算的局部有限元模型

节段的截面力由IBDAS整体模型获取，从而研究局部效应。

在塔顶安装了索鞍。索鞍支撑塔顶上方的主缆。

4.3 锚碇、边墩和主缆

锚碇的地面条件至关重要，因为需要抵抗来自每条主缆大约500MN（50,000 吨）的设计拉力。

图12 桥塔索鞍

然而，欧洲和亚洲海岸线的上层土壤都很薄弱，在相对较深处方有更有效的中新世地层。

因此，将锚碇从海岸线移到中新世地层的位置是有益的。

为了将锚碇放置在中新世地层上，与通常相比，边中跨比有所增加，并且需要将主缆在边墩处进一步约束。

进一步提高边中跨比，使得可将边墩放置在船舶撞击风险较低且岩土条件更有利的位置，如在欧洲侧海岸，远离水下斜坡，如亚洲侧，进入比较浅的浅水区。

图13 地面条件和锚碇（左：欧洲侧；右：亚洲侧）

锚碇的设计旨在最大限度地减少它们的高度，因此张力尽可能直接传递到基础中，从而减少倾覆力矩。

锚碇位于引桥两端的桥面下方，这意味着它们离悬索桥的边跨末端分别有250m和350m的距离。

在锚碇区，散索鞍将支撑和张开主缆，以便将主缆中非常高的集中力（约 500MN ULS）散开到锚固强度低得多混凝土中。

主索鞍和散索鞍对于整个结构的安全都至关重要。

图14 加工完成的散索鞍

图15 等效应力云图

这些索鞍中的一个发生故障将导致整座桥完全失效。因此，这些构件是使用先进的有限元模型精心设计的。

主缆由预制平行钢绞线 (PPWS) 构成。

一个PPWS由127根5.75mm直径的钢丝组成，极限抗拉强度为1960MPa。

主缆由主跨144股和边跨148股组成。

图16 锚碇开挖，欧洲侧

图17 主缆安装

对主缆进行弹性包裹和除湿以保护它。

吊机为PPWS型，由139/151根7mm直径的钢丝组成。

图18 安装完成的吊索用于桥梁节段吊装

图19 缆载吊机架设梁段

主塔两侧的前两个吊杆是双吊杆，以承受该区域增加的荷载。

边跨锚碇的后退意味着引入了额外的系紧索来控制端部主缆的竖向位移。每个系紧索包括四根张紧的吊索，它们夹在主缆上，将载荷直接传递到各个边墩的桩基础上。

4.4 主梁

主梁由间隔9m的双箱封闭加劲梁（或分体梁）组成，且每24m设置宽度为3m的横梁。

分体梁之间9m的开槽保证了主梁在强风条件下的空气动力稳定性。

分体梁的总宽度为45m，包括每侧一个检修道。

这座桥将设置有双向六车道，分体梁高度为3.5m。

图20 主梁标准图-带有9.0m宽开槽的分体梁（或双箱梁）

分体梁的使用表明了近期技术的进步，此梁型也已应用于其他超大跨度桥梁。

分体梁底部位于主跨+82.5m水平高度处，确保了70mx1600m（高x宽）船舶的通航净空。

两端引桥梁为预应力混凝土箱形截面。

验证了桥面板的疲劳应力。该分析使用的是半局部IBDAS模型。

部分主梁使用壳单元建模，应力直接从全局模型中获得，如图21所示。

图21 半局部IBDAS模型用于桥面板疲劳验算

4.5 特殊分析和测试

4.5.1 空气动力学测试

大跨度桥梁的空气动力学建模和测试对于了解桥梁结构在风荷载下的动力响应、进行气动性能优化设计、确保抗风稳定性等方面至关重要。

对当地风参数的分析得出基本风速为v10=29m/s（10m高度处10分钟平均风速），换算至桥面高度 +86m处 v10 = 46m/s。

风洞试验在全球三个地方进行，每个地方的风洞试验考查不同方面的抗风性能：

?节段模型缩尺比为1:60, 随后在加拿大(BLWTL)开展1:30缩尺比节段模型试验

? 桥塔模型（1:80 比例）、全塔模型（1:225）和主塔安装阶段（1:225）在丹麦开展（测力）

? 在中国西南交大开展全桥气弹模型 (1:190) 和主梁架设阶段模型试验 (1:190)

图22 风洞试验：桥塔模型（丹麦），主梁节段模型（加拿大），全桥模型（中国）

图23 不同主梁气动外形性能测试（加拿大）

通过全桥气动弹性模型风洞试验验证了桥梁结构的 气动稳定性。

已针对分体梁选定的9m开槽进行了验证，在每个塔柱2/3高度处安装了主动质量阻尼器（AMD）对于塔架。每个箱梁的气动外形都可以最大限度地减少风力的影响并保持空气动力学稳定性。

测试了许多不同的气动外形，包括改变内侧腹板的几何形状、间隙宽度和使用不同高度的风障，来进行气动性能优化。

颤振稳定性取决于桥梁在风荷载作用下的平均扭转角，颤振检验风速为69m/s，必须保证大桥在该风速下保持稳定。

4.5.2 船舶撞击

恰纳卡莱海峡通过马尔马拉海(Marmara)连接地中海和黑海，是货运的重要纽带，2016 年约有 44,000 艘注册船舶通过该海峡。

今天的运输量包括260,000 DWT散货船、167,000 DWT油轮和 16,000 TEU集装箱船。

尽管这些不是世界舰队中最大的船只，但它们的尺寸非常大，人们认为未来恰纳卡莱海峡可能会有更大的船只。

以主跨为中心，桥梁通航净空围线宽1600m，高70m。

到今天为止，这将允许每年大约 44,000 艘船舶安全通行，并可以支撑未来大幅增加的船舶通行量。

然而，即使有这么大的通航跨度和适当的交通控制，塔式结构的沉箱基础也需要考虑船舶的潜在影响。此外，高出海平面 29.5m 的塔的下部也暴露在船舶撞击范围内。

船舶撞击设计要求基于船舶碰撞风险分析，从而得出抵抗船舶撞击的最小阻力。船舶将可能以30度的角度撞击，全局撞击力为 370 MN（37,000 吨）。

图 24给出了一个潜在船只的设计图，以对比船只的尺寸与复合沉箱轴的尺寸。

图24 潜在的船只设计图

然后，这些载荷主要通过复合轴和沉箱向下传递到改良了土壤的海床。

半局部和局部影响控制钢桥塔+29.5m高范围的设计。

钢塔箱体部分用水平横隔板加固，并且增加了壁板厚度以应对这些撞击。

图25 沉箱 - 墙壁对角线钢筋布置以抵抗船舶撞击

图26 针对高达+29.5m的桥塔半局部和局部船舶撞击设计

图27 大型集装箱货轮通过正在施工的桥梁

此外，还增加了水平横隔板以增加壁板的局部抗弯能力。

引入了严格的设计标准，以最大限度地减少意外荷载作用下桩基础无法触及的部分的损伤。

这导致了具体的设计挑战和配筋的细节，例如，一些墙和板中的对角钢筋。

4.5.3 抗震分析

这座桥相对靠近北安纳托利亚（Anatolian）断层，但并不直接穿过它。设计标准考虑了 3 个潜在事件：

? 地震功能评估 (Functional evalution earthquake, FEE) – 145 年重现期

?地震安全性评估 (Safety evaluation earthquake, SEE) – 975 年重现期

?地震无倒塌 (No collapse earthquake, NCE) – 2,475 年重现期

为了分析地震事件期间桥梁构件的非线性力学行为，使用全局有限元模型在六个主要边界条件处（两个锚碇、两个端部支座和两个塔）施加三个方向的地震位移进行动力分析。

共七组时程用于模拟七种不同的地震，以评估三种威胁地震安全性的潜在事件的影响。

分析过程中考察了在塔上使用液压缓冲器、风障和土壤-结构相互作用的影响。

4.5.4 桥上交通荷载

主跨长度超过 2,000m 的桥梁的交通负荷变得非常重要，因为欧洲规范中该部分只适用于跨度不超过 200m的桥梁。

因此，对于跨径大于200m的桥梁，荷载模型是较为保守的，故可以为该项目单独设立标准。

对于1915?anakkale大桥，使用了瑞典国标中适用于200m以上承载长度桥梁的条文。

因此，该桥的交通荷载从以下方面进行考虑：

?承载长度≤200m，根据 Eurocode 1991-2 荷载模型 1、2、3，均布荷载 (UDL) 变为 81.8kN/m（2x3 车道）

?承载长度>200m，UDL = 58.8kN/m（2x3 通道） EN 1991-2 SE-NA

5 结论

本文以COWI项目组进行的详细设计为基础。我们感谢为 1915?anakkale 大桥的详细设计提供专业知识的同事。

此外，我们必须感谢承包商 DLSY 在整个详细设计过程中的卓有成效的合作，从而实现了这座打破世界跨度纪录的悬索桥的全面设计。