1. 서 론

 

Suzhou-Nantong 간의 양쯔강 교량 사업은 중국의 급속도로 성장하고 있는 인구 7,400만명의 Jiangsu 지방에 위치하고 있다. 최근에 남부 Jiangsu 지방은 매우 급속하게 성장하고 있지만 양쯔강이 북부지역에 대한 접근을 가로막고 있어서 그 발전을 더디게 하고 있었다. Sutong 교는 이러한 상황에서 Suzhou 와 Nantong을 연결하는 중요한 역할을 수행함으로서 이 지역의 경제발전에 지대한 영향을 미치게 되었다.

이 사업의 교량 총연장은 8.2Km 에 달하고 있다. 교량의 구성은 주 항로 교량(Sutong 교량), 특수 항로 교량 및 접속교량으로 구성되어 있다. 이 Sutong 교량은 사장교 형식이며, 특수 항로 교량은 프리스트레스 연속교로서 140+268+140 의 경간 구성을 가지고 있다. 접속교량은 프리스트레스 연속거더 형식으로서 75m, 50m 및 30m 의 연장을 각각 가지고 있다. 교량가설 현장에는 2개의 항로가 있는데, 주항로와 특수 항로 모두 Nantong 항에서 사용하고 있다.

 

중국당국은 이러한 대규모의 사업을 수행하는데 있어서 제작이나 시공을 모두 해외의 기술적인 도움 없이 모두 자국의 기술력으로 수행했다는 점에 매우 높은 자긍심을 가지고 있다. 이 사업의 시공과 관리의 주 사업시행자는 Jaingsu Sutong Bridge Construction Commanding Department 와 China Harbor Engineering Company Group 이며 각각 공정관리와 시공을 담당하였다.

 

중국의 HPDI 는 Jiangsu Province Communication Planning & Desing Institute 와 Tongji 대학교의 건축설계 연구소의 협력을 통해 이 교량의 설계를 수행하였다. 몇몇 해외사업자들이 사업의 계획 및 설계 단계에서 감리 및 특수해석등을 담당하였는데 이들 회사는 COWI 와 CHODAI 로서 각각 독립적으로 설계도서 검토를 수행하였다.

이러한 해외 업체들의 특수업무에 RM Bridge 소프트웨어의 사용이 허가되어 Bentley 소프트웨어 교량엔지니어링 사업부 부사장인 Dorian Janjic 이 HPDI 설계팀의 RM 소프트웨어 운용에 직접 도움을 주게 되었다.

HPDI 가 RM 소프트웨어를 선정한 이유는 검증된 유용성과 Bentley 교량엔지니어링 그룹의 숙련되고 문제해결 능력이 뛰어난 기술자 팀을 높이 평가하였기 때문이다. 이러한 RM 소프트웨어의 범용성은 홍콩의 세계 최초의 주경간장 1,000m 를 넘는 사장교인 Stonecutters 교량 설계에서 입증한 바 있다.

이러한 사항이 HPDI 로 하여금 발생될 난관에 대한 해결가능성에 대한 믿음을 제공하였고, 이 팀은 2004년 7월까지 상세설계를 마쳐야 하는 임무를 부여받게 되었다.

 

2. 사업의 도전 과제

 

여러 가지 제반요소와 요구 기능들로 인해 독특한 설계와 해석 및 시공분야의 도전과제가 발생하였다.

 

ㅇ 항로 요구조건 - 대규모의 컨테이너선 및 선단이 교량 하부를 주기적으로 통과한다. 이러한 항로 필요 형하공간 규모는 폭 891m 와 높이 62m 에 달하고 더욱이 주 교량은 50,000 톤급 선박의 충돌에 견디도록 설계되어야 한다.

 

ㅇ 악천후 - 이 지역은 매년 약 30일 정도의 짙은 안개 일수가 나타나고, 120일 넘는 호우 및 태풍과 토네이도의 영향을 많이 받는 곳이다. 따라서 이러한 계절적인 요인을 고려할 때 대단히 빡빡한 시공관리 일정을 수립해야만 한다.

 

ㅇ 복잡한 수리여건 - 조수 간만의 영향으로 인해 강물의 유속, 방향 및 깊이의 변화가 매우 심하다. 파도는 3m 높이에 달할 때도 있고 물살은 대단히 빠르며, 간만의 차가 4m 에 달할 때도 있다. 설계유속은 평균 4.1m/s 의 물살에도 단면 안전성에 문제가 없도록 설계하여야 한다.

 

ㅇ 연약지반 -지지 기반암이 지표 하부 270m 에 위치하고 있고, 상부 토층은 침전물, 모래 및 실트층으로 구성 되어 있다. 이러한 지반 상태의 의미는 기초공법에 특별한 설계가 필요하다는 것인데 지지층까지 말뚝을 항타하는 것이 불가능하기 때문이다.

 

이러한 도전과제들은 심도있는 해석과 많은 발생가능한 요소들에 의한 과도한 변위들에 대한 검토가 필요하다. 여기에 추가적으로 주탑에 대한 선박의 충돌, 지진의 영향, 바람의 영향 등에 따른 동적인 검토가 가장 중요한 요소이다. 전체적인 시공 단계별 해석이 수행되어야 하고, 이때 각 시공 단계별로 가장 중요한 케이블 인장력을 최적화 하는 것에 중점이 맞추어져야 한다. 이러한 해석은 다음을 포함한다.

 

ㅇ 케이블 인장력의 최적화 - 사장교 형식의 교량에서는 케이블 인장력을 적절하게 조정하여야만 전체 구조계의 내력분포를 이상적으로 분배할 수 있다. 일반적으로 이러한 사업에서는 이상적인 최종단계는 영구하중 하에서의 최소 바닥판 및 주탑의 휨모멘트와 같은 기본적인 상황에 의해 지배받게 되므로 이러한 개념이 케이블 인장력 관리를 지배하게 된다. RM 소프트웨어의 특수기능인 AddCon 은 자동적으로 케이블의 최적 분포와 케이블 인장 순서를 계산하도록 한다.

 

ㅇ 시공 단계별 해석 - 모든 가설 단계에 대해 설계자에 필요한 최적 최종 고정하중을 획득하기 위한 순차해석을 AddCon 모듈을 이용하여 수행할 수 있다. 이 해석모듈은 폭 넓은 시공 단계에 대한 해석을 수행할 수 있도록 한다. 본 교량 설계 팀은 각 시공 단계별 가장 문제 발생 가능성이 높은 여러 방향에서의 정적 풍하중에 대해 검토하였다.

 

ㅇ 대규모 변위 - 설계팀은 전체 시공단계에서의 기하 비선형성에 대해 특히 중점을 기울여 분석하였다. 기술진들은 기하 비선형성에 대해 상세 해석을 수행하였는데, 그 결과는 기하 비선형성이 전체 구조계에 주목할 만한 영향을 준다는 사실을 파악하였다. 각 지지 케이블은 특별히 개발된 케이터너리 부재로 모델링하여 케이블의 처짐을 기존의 개략적인 탄성계수 추정방법에 비해 좀 더 정확하게 추정할 수 있도록 하였다. 비교 분석결과 1,000m 가 넘는 장대 사장교의 경우에는 이러한 케이터너리 요소를 사용하여 해석하는 것이 훨씬 더 정확성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

 

ㅇ 시공 단계에서 설계 형상과 매우 다른 변위형상이 Pre-camber 형식으로 도입되어 시공 완료 후 필요한 설계 모양을 영구하중 하에서 확보하도록 하였다.

 

ㅇ 풍하중 영향 - 설계 팀은 대규모의 풍하중에 의한 영향을 분석하였다.

 

1. 설계팀은 성능 요구조건을 만족시키고 풍하중 저항 조건 및 지지력 성능을 확보하기 위한 적절한 단면을 개발하였고, Tongji 대학교에서 유선형의 폐합 박스거더 단면에 대한 풍동실험을 수행하였다.

 

2. 설계팀은 풍하중, 강우 및 진동에 의해 유발되는 케이블 진동에 대해 검토하고, RM 소프트웨어를 사용하여 지지 케이블의 진동 저감방안을 검토 하였다.

 

3. 설계팀은 교통하중 유무에 따른 전체 교량의 풍압 버텟팅 효과에 대한 동적 해석을 수행하였다. 이러한 해석은 풍동실험을 통해 얻은 공기역학적인 계수를 이용하였으며 이때 케이블 안정화 및 거더와 주탑 연결부의 비선형 감쇄 요소도 포함하여 수행하였다.

 

？ 동적 거동 분석 - 간혹 온도변화를 통해 발생하는 대규모 변위가 이러한 형식의 구조물에 발생할 가능성이 많다. 이러한 변위를 해석중에 배제하여 과도한 변형율이 발생하지 않도록 하여야 한다. 본 사업에서는 이러한 목적에 맞도록 비선형 감쇄기가 적용되었다. 그러나 이러한 감쇄장치는 자연상태 에서의 변위를 제어하지는 못하므로 적절한 감쇄장치의 설계 모수를 정의하는 것이 무엇보다 중요하다. RM 소프트웨어는 이러한 장치들의 형상을 결정하기 위해 필요한 모수해석을 수행한다. 이때 동적 모수들은 일반적인 입력 지지파에 의한 시간이력 해석 수행을 통하여 결정하게 된다.

 

 

3. 교량의 개요

 

경간 구성

 

현장여건에 적합한 다양한 형태의 기하구성을 검토한 결과 설계팀은 그림 1과 같은 2면 케이블의 2개의 주탑을 가진 연장 2,088m (100 + 100 + 300 + 1,088 + 300 + 100 + 100) 의 사장교 형식을 주 항로교량에 적합한 형식으로 선정하였으며 측경간에 2개의 보조 교각과 1개의 수평변위 교각을 설치하였다. 교량의 주경간장은 1,088m 이며 이는 현재 이 형식의 교량으로는 세계 최 장대 경간이다.

 

 

 

< 그림 1. 경간 분할 (단위 : m ) >

 

 

거더

 

교량의 거더는 유선형의 편평하고 폐합단면을 가지는 강 박스 구조를 채택하였다. 전체 폭은 부속장치를 포함하여 41.0m 에 달하며 양 방향 8차로의 차선폭을 가진다. 단면 높이는 4.0m 이며, 종방향으로 강재 트라프를 통해 강성을 보완하였다. 횡방향 격벽을 일반구간에 4,0m 간격으로 도입하고, 주탑 부근에는 2.27m 로 조밀하게 배치하여 강성을 증대시켰다. 사용된 강재의 항복강도는 345MPa 과 370MPa 이다. <그림 2> 에 거더의 일반단면을 나타내었고 스커트와 보강재의 두께는 교량의 종방향 위치에 따라 변화되게 배치하였다.

 

< 그림 2. 거더의 일반 단면도 (단위:m) >

 

 

주탑

 

300m 높이의 2개의 역 Y 형 주탑이 중국 설계기준 JT01-89 에 의거하여 강도 C50의 콘크리트를 사용하여 설계 되었다. 주탑은 지지케이블을 상부에 정착하기 위해 전단보강재 콘크리트를 부착한 36 ton 의 강 박스를 지지한다. 주탑의 레그 사이에는 타이 빔이 프리스트레스 콘크리트 구조로 설치되어 주탑 레그가 지진하중 및 사용하중에 의해 이탈되지 않도록 저항한다. 기술팀의 검토와 COWI 사의 의견을 수렴하여 주탑의 발생 균열폭을 0.2mm 로 제한하였다.

 

지지 케이블

 

지지 케이블은 경사지게 2면 배치하였으며 케이블 배치 간격은 일반구간에는 16m, 측경간 부근에는 12m 간격으로 배치하였다. 풍하중 영향을 감소시키기 위해지지 케이블 시스템은 7mm 직경의 수평 강선을 사용하였고 각 단면적은 38.48mm² 이다. 각 케이블의 공칭 인장강도는 1,770MPa 이며 케이블의 크기는 주탑 부근에서는 PES7-139를, 측경간 부분은 PES7-313 으로 설계되었다. 가장 긴 케이블의 길이는 577m 이며, 무게는 59 ton 에 달한다.

 

설계 수행중에 설계팀은 외부의 진동 및 비바람의 복합적인 요인에 의한 케이블의 진동에 대해 분석하였다. 검토결과 이러한 진동을 저감시키기 위해서 몇 가지 방법을 찾아냈는데, 이 방법 중에는 케이블 표면을 2가지 방법으로 가공하여 케이블에 강우로 인한 수막이 생기지 않도록 하는 방법과 외부의 감쇄장치를 배치하는 방법이 포함된다. 상세 검토 후에 최종인 방법이 결정될 것이다.

 

기초

 

주탑과 교각을 지지하기 위해 선굴착 마찰말뚝이 교각 1번에서 8번 까지 직경 2.8m의 두부와 일반직경 2.5m를 가지는 말뚝을 선정하였다. 교각 1,2,7 및 8번은 각각 19개의 말뚝이 사용되며, 교각 3 과 6 은 각각 36개의 말뚝이 사용되었다. 교각 4 및 5 의 주탑은 각각 131개의 말뚝이 적용되었고 그 길이는 108m에서 116m 로 다양하게 적용되었다.

 

거더와 주탑간의 연결

 

설계팀은 덴마크의 Graet Belt East 교량 사업에 적용하였던 동일한 형식의 비선형 감쇄장치를 선정하여 주탑과 거더간의 영구적 연결장치를 도입하였다. 이러한 감쇄장치는 온도변화, 일반적인 풍하중 및 교통하중에 대한 변위에 대해서는 구속력을 발휘하지 않지만 강력한 풍압, 지진 및 특별한 대규모의 순간적인 하중에 대해서는 구속력을 발휘하여 거더에 작용하는 하중을 주탑에 전달하게 된다.

 

한 개의 감쇄장치의 동적 특성치는 F=C？V^α 의 식에 의해 정의된다.

 

？ V 는 주탑과 거더의 상대적인 변위발생 속도

？ α 는 상수로서 0.4

？ C 는 역시 상수로서 3,750 KN(m/s)^0.4

 

각각의 주탑에 4개의 감쇄장치가 설치되는데 이때 설계기준에 맞도록 최대 두 부재간의 상대변위가 750mm 이내가 되도록 조정한다. 각각의 감쇄장치는 선형 강성을 100MN/m 보유하고 있어 상대변위가 750mm 가 넘지 않도록 저항한다. < 그림 3> 에 감쇄장치의 외력-변위 곡선을 나타내었다.

 

< 그림 3 감쇄장치의 정적 외력-변위 관계식>

 

 

 

4. 전체 구조계의 정적 해석

 

전체 해석모델

 

상세설계 단계에서 HPDI 팀은 RM 소프트웨어를 사용하여 Sutong 교량의 전체 구조계 해석을 수행하였으며, QJX 및 BAP를 이용하여 설계 검증을 수행하였다. <그림 4> 에 이러한 교량의 구조 모델링을 나타내었다. 지지케이블의 구조모델은 계획된 시공단계에 따라 수행되었으며, 각 지지케이블은 케이블의 처짐효과를 반영하기 위해 유효 탄성계수를 적용하지 않고 부재를 8개로 분할하여 반영하였다. P-delta 효과, 대변위 분석 및 전단변위 등 상호작용에 의한 비선형해석이 동시에 검토 되었다. 콘크리트 크리프와 건조수축도 CEB/FIP 90 기준에 의거하여 수행되었다. 주탑기초의 유연성은 스프링 요소를 사용하여 반영하였으며, 거더와 양 주탑 레그의 연결부는 비선형 정적 스프링 요소를 사용하였으며 이때 간격치는 750mm를 적용하고 선형 강성은 100MN/m를 부여하였다.

 

 

< 그림 4. 교량의 유한요소 모델 >

 

 

교량의 최종단계의 정의 및 해석 결과

 

사장교 형식의 교량은 완성계의 구조 부재력을 케이블 인장력을 이용하여 내부적으로 분배한다. 케이블 인장력 분배는 사용하중 상태에서 바닥판과 주탑에 작용하는 휨모멘트를 최소화 또는 제거하도록 조정하는데, 이때 동시에 케이블에 의도하지 않는 진동이 발생하지 않도록 한다.

 

Sutong 교량의 차량하중에 의한 하중 분담비율이 바닥판에 너무 높이 적용되어 측경간에 상쇄하중을 부가하였다. 최종단계의 해석은 차량하중이 있을 경우와 없을 경우에 검토하였으며 <그림 5> 는 바닥판의 고정하중 및 하중조합 상태에서의 응력 포락선을 나타내고 있다. 28.0 MN/m에서 주탑의 최대 모멘트가 발생하는데 이 수치는 매우 작은 것을 나타나고 있으며 (그림 5 참조) 이러한 결과는 최종단계의 교량 설계가 매우 적절함을 대변하고 있다.

 

< 그림 5. 바닥판의 모멘트 포락선 >

단계별 해석

 

RM AddCon 의 순차 해석방법을 통해 설계팀은 시공단계별 해석을 통해 최종단계의 응력상태가 위에 기술한 정적해석 결과와 일치함을 확인하였다. 해석 모델은 가설구조물 설치단계, 타이-다운 상태, 시공을 위한 데릭 이동시, 임시 하중재하 및 사용하중 단계 등 전체의 설계 시공단계를 모두 고려하여 수행되었다. 설계팀은 가장 시공중 불리한 상태에서의 등가 풍하중을 구하여 여러 방향에 대해 재하하여 검토를 수행하였다.

RM 소프트웨어는 자동적으로 모든 시공단계에서의 사전 켐버량을 계산하였다. 바닥판의 설계 높이를 제외하고는 이 사전 캠버량의 3차 효과에 대해서도 고려하여 반영하였다. 단계별 해석결과 최종 구조물 완성 전까지 최소량의 강성 변화를 보여주었다. 예를 들어 중앙경간의 가장 긴 케이블의 초기 인장력은 켄틸레버 단부에서 수직 변위량을 1.3m 발생시켰으나 최종 키세그 가설 후에는 고정하중 재하 후에 중앙경간의 수직변위가 1.8m 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 RM 소프트웨어의 기하적 비선형성, 특히 바닥판 인양시의 가하적 특성을 반영하는 결과를 보여주고 잇다.

 

구조시스템 및 모수분석

 

앞에서 언급한 대로 감쇄장치는 온도변화, 일반적인 풍하중 및 교통하중 등으로 인해 야기되는 변위는 제한하지 않지만 강력한 풍압, 지진 및 특별한 대규모의 순간적인 하중에 대해서는 구속력을 발휘하여 거더에 작용하는 하중을 주탑에 전달하게 된다. 따라서 감쇄장치의 적절한 설계모수를 규정하는 것은 설계 목표를 달성하기 위해 매우 중요하다. 정적 및 동적하중이 포함된 몇 가지 지배적인 하중에 대한 모수해석이 수행되었다.

 

동적 모수는 시간이력해석 및 몇가지 내진해석 결과에 기초하여 반영되었다.

 

정적 특성에 대해서 적절한 이격 수치가 이러한 모수를 지배하게 된다. 상기의 모든 하중과 현재의 신축이음장치 제품의 특성치들을 감안하여 이격거리는 750mm 로 선정하였는데 이 수치는 설계기준에도 적합한 수치이다. 결과적으로 몇 가지 모수해석이 스프링 강성치를 적절하게 규정하기 위해 수행되었는데 이 수치는 교축방향 풍하중과 주탑 하단의 휨모멘트 와의 상호관게 그래프를 통해 얻어지게 된다.

 

<그림 6~8> 은 이러한 모수해석 결과를 나타내는데 스프링 계수는 1에서부터 1000MN/m 로 나타난다. 이러한 그래프를 통해서 스프링 계수는 100MN/m 가 적절한 것으로 판단할 수 있다. 여기서는 다음과 같은 하나의 가정을 적용하였는데, 주탑 4와 5 중에 하나의 감쇄장치만이 다른 하나가 작동되기 전에 기능을 수행한다는 것이다. 이 가정은 시공상의 불확실성과 교량 바닥판의 온도로 인한 팽창에 기인한다.

 

<그림 6. 주탑하단의 최대모멘트> <그림 7. 주탑상단의 변위> <그림 8. 갬쇄장치의 반력>

 

Sutong 교의 거더와 주탑과의 연결부는 돌풍과 지진에 대한 주탑의 안전성에 매우 중요한 요소이다. 따라서 기 수행된 모수분석 결과와 가설 허용치 및 안전여유를 고려한 추가적인 해석을 통해서 하나의 감쇄장치당 최대 10MN을 허용치로 규정하였다. 이와 별도로, HPDI 와 COWI의 별도 검토 결과에 대한 비교 분석을 통하여 주탑의 재료 비선형성이 ULS 상태에서 최종 응력에 매우 지대한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

 

 

기하 비선형성 영향

 

설계자는 계획설게 단계에서부터 기하 비선형성에 대해 매우 주의를 기울이고 있었다. 설계팀은 비선형성에 대해 심도 있는 검토를 수행하였으며 2가지 주목할 만한 기하 비선형성에 대한 영향을 도출하였다.

 

？ 선형해석 결과에 비해서 기하비선형의 영향은 거더와 주탑 부재의 최대 및 최소응력을 10%에서 20% 정도 안쪽으로 이동시키는 동시에 이러한 응력이 발생하는 구간도 이동시킨다.

 

？ 일반적으로 사장재 케이블의 유한요소 해석모델은 유효 탄성계수의 직선 트러스 모델을 사용하거나 RM 소프트웨어를 이용한 분할 요소 또는 케이터너리 요소를 사용하게 된다. 이러한 케이블 처짐을 다루는 여러 방식은 시공단계나 케이블 제작시 여러 가지 변수로 작용하게 된다. 이러한 의미는 등가 트러스 요소를 사용시에는 최대 0.538m 나 최종 단계 해석에서 최대 발생 응력위치를 이동시키게 된다. 이러한 현상의 발생 원인중 하나는 장대지지 케이블의 부정확한 축력 백터에 기인한다. 만일 1,000m 연장이 넘는 사장교의 경우 이러한 간략화는 반드시 지양되어야 하는데, 특히 인양단계에서는 더욱 이러한 모델링의 간략화는 상당히 위험하다. 또한 케이터너리 요소를 사용하는 것이 분할 요소를 사용하는 것보다 정확하지만 이 오차는 허용범위 이내인 것으로 나타났다.

 

 

5. 결론

 

명백하게, Sutong 교량은 설계 및 엔지니어링 역사에서 대단한 업적이다. 이 교량의 설계 및 시공 그 자체는 중국과 세계적인 기업간의 상호 협력을 촉진하는 좋은 기회를 제공하였다. 가장 중요한 점은 이 교량이 양쯔강 유역에 거주하는 사람들에게 새로운 차원의 편익을 제공하였다는 점이고 이 교량이 위치하는 인근 도시들의 상호 부의 증대와 경제적 개발을 가속화 하였다는 점에 있다.