【世界桥梁纪实】日本东京京门大桥

支撑日本首都圈经济活动的东京港，其外贸集装箱吞吐量居日本国内首位，是代表日本国际物流的重要港湾。如何维持并提高东京港湾的国际竞争力，强化其物流机能，已成为当前的重要课题。为了与港湾腹地形成新的道路网，提高物流的高效率化，降低物流成本，日本国土交通省东京港湾事务所正在对东京港湾临道路实施整备。

      



东京京门大桥是目前建设中的东京港临海道路中的重要工程之一。该桥通过命名征集活动，在2010年11月正式命名为东京京门大桥（Tokyo Gate Bridge），在此之前曾被称作东京临海大桥。

桥型的比选

 



    东京京门大桥,全长2.9公里,单侧设有人行道，是一座双向四车道、横跨东京东航道的公路桥。其中，连接陆地和海上的


桥梁


为多跨连续钢箱梁桥,主桥跨越792m航道。

    

 在架桥位置，桥梁方案需要考虑以下条件：









      



(1)此区域原为河流泥沙堆积地带，地基软弱并且地基深度较大。








      (2)在确保宽300m、高度55m通航净空的同时，为不影响两侧防洪堤之间的宽度，要求主跨径为440m。








      (3)由于临近东京国际羽田飞机场，空中限制要求为∶施工时119.6m，成桥时98.1m（全部为海面以上）。







      



此外，由于该桥梁处于大城市的重要区域，必须考虑城市景观。在比选桥梁型式时，排除了由于塔高受空中限制的拉索型式的桥梁，主梁的型式采用图1所示的三跨连续钢桁架式箱梁桥，布跨为160m+440m+160m，有效宽度为四车道（15.5m）+单侧人行道（3.0m），总宽度（弦杆构件中心间距）为22.3m。作为连续桁架式桥梁，该桥为世界最大跨径的桥梁，主梁桁架采用上承式和下承式组合，主跨中央部分采用仅有钢箱梁的特异形状，表现了集装箱码头的龙门吊造型。

    



 该桥使用寿命以100年为目标，在设计和施工中引入了多个先端技术。

桥梁下部构造

      

支撑主跨的为两座大型墙壁式桥墩，外侧的边跨桥墩为空心式钢筋混凝土构造。







      



考虑由于地基软弱，以及追求实现抗强烈地震的效果，海上部位桥墩的基础采用了串联钢管壁式基础。根据开挖深度和抑制残留应力以及承载力的关系，主体采用直径1.5m的大口径钢管。为了提高地震时的抗剪承载力，钢管之间的小钢管接头采用了斜纹钢板并在小钢管接头内充填40MPa的高强度砂浆，这样可以提高与砂浆的附着强度，与以往构造相比，抗剪承载力提高了5倍以上，与当初设计相比大幅度减少了基础桩的根数。

    



陆地上的桥梁基础，除了软弱地基的问题之外，还要考虑填海层内存有废弃物，为防止浇注基础桩产生地下污水渗漏，采用了与钢套管并用的2层钢管桩构造。

桥梁上部构造

      



由于该桥的规模超出了日本道路桥设计示意书的适用范围，而且由于是特大桥梁，恒载应力的比率较高，设计中采用了独自的荷载系数，对于不确定因为较低的恒载使用比活载低的安全系数，力图使设计更加合理。

      



该桥在构造方面的最大特色是，大量采用了最新日本工业规格（JIS）中新增加的桥梁用高屈服点钢板（BHS）。这种钢板在制造时，对加热、精轧以及精轧后冷却的各个过程采取适当的控制，制造具有更高强度、韧性、焊接性的TMCP钢。与同等级的各种现行钢材相比，到100mm的板厚为止，具有更高的屈服点。同时为提高焊接性能，实现了省略预热以及减少预热。例如，BHS500钢材与现有的SM570钢材都具有同样的公称抗拉强度570MPa，前者的标准屈服点为500MPa，后者的屈服点为430MPa。该桥上部结构所用钢材,大约有半数都采用BHS500钢材，实现了缩小构件截面并提高了制作性。BHS钢材的规格见下表。

     


 

该桥上部结构施工为实现轻量化，桥面板全部采用钢桥面板，并在设计上为改进桥面板的抗疲劳耐久性进行了很多研究。例如，钢桥面板厚度设计为16mm，采用比以往尺寸大的Ｕ肋，同时对横肋交叉部分的过焊孔形状也有创新。对以上这些改进采用三维空间有限元模型验算，并采用大尺寸试件的静态荷载试验和疲劳试验进行了验证。钢桥面板箱梁与桁架形成一体化的构造。由此，可省略桥面板的支座，并可以缩小桁架弦杆构件截面。

      


在从前的日本特大桥梁施工中，现场接头原则上都是采用高强螺栓连接方式。但，该桥主梁的所有截面都采用焊接方式。桁架梁节点没有使用以往的节点板连接各构件结构，而是拼装在一起的构件相互间直接连接方式，使节点构造小型化。通过直接传递应力，实现了构件截面的合理化，对此利用三维空间有限元模型进行高精度的验算同时,使用大尺寸模型试验对制作加工、施工性进行了确认

。

 


抗震设计

   

  




东京湾沿岸地区将来发生强烈地震的可能性较大，对该桥这样大规模的构造物来说，抗震性能是极其重要的课题。由主桥上部在主墩支座上所产生的竖向反力达10000吨左右，对于在大地震时由此所产生水平的地震力，如果采用以往的铅芯橡胶支座的话，将很难满足抗震要求。为此，针对竖向反力和水平地震力，采用2个可以发挥各自功能的支座，一个是承担上部结构竖向反力的钢板支座，该支座的顶板可以沿水平方向滑动，而水平地震力则由橡胶抗震支座承担，具体如图2所示。通过采用功能分离型支座，一方面减少了水平反力,另一方面缩小了支座的规模。

上部结构的架设

      



主桥上部结构是从边跨向主跨采用臂拼方式进行架设的。首先在工地现场拼装地所架设的临时支架上，利用750吨的履带式起重机进行桁架的拼装。然后，再利用1400吨浮吊安装钢桥面板梁段。拼装后的边跨桁架梁段成为长度为232m、宽度24m、高度35m、重量约6800吨的巨大结构。

      


对于组拼好的、包括了中跨3个下部节间的大型桁架梁段，采用1艘4100t、2艘3700t，共计3艘大型浮吊同步作业进行装船，从距离桥位4公里和34公里的２个加工场运送到架设现场。到2010年秋季为止，上部结构桁架部分架设完毕，跨中的钢箱梁部分尚未完成。

结语

      



东京京门大桥的设计和施工中，为克服航道、空域限制以及临海部的地基软弱等各种严峻不利条件，引进了众多的新技术和先端技术，其结果使这座日本的特大桥梁达到了大幅度降低成本的目标。

    


在此所介绍的主桥作为首都东京海域的大门的最新地标性建筑，期待着其成为东京港湾的象征性标志。

(本文作者系日本国土交通省关东地方整备局东京港湾事务所所长)