1. Donghai 교

 

1.1 Donghai 교 개요

 

Donghai 교는 Shanghai Yanshan 심해 항구 사업의 주요 보완사업으로 추진되었으며 이 교량은 중국에서 최초로 해안을 가로지르는 초 장대교 사업이었다.

이 교량은 상하이 Lucao 항구를 출발하여 바다를 지나 Xiaoyangshan 항의 Phase I 분기점과 연결되며 도로의 총 연장은 32.5Km 이다. 이 사업은 그 규모의 장대함, 열악한 현장 환경, 높은 기술적 난이도 및 촉박한 공사기간 등이 특징인 사업이었다. 설계과정에서 많은 새로운 문제점들이 발생하여 심도 있는 분석과 해석이 요구되기도 하였다. 시작부터 대단히 주목받는 사업이었던 사유로 인해 높은 기준과 품질을 요구 받았으며, 이전 경험의 업그레이드와 명확한 사명의식 등이 매우 중요하게 부각되었다. 설계팀들은 효율적인 해상교량 시공을 위한 안전하고 효율적인 방법을 찾아야만 하였다. 2002년 6월 부터 2005년 10월까지 이 사업의 공사기간은 총 40개월이 소요되었다.

 

본 교량은 양방향 6차로의 고속도로 설계기준에 따라 설계되었다. 바닥판의 넓이는 31.5m 이며, 차량하중은 승용차 - Class 20 과 트레일러 - 120 활하중이 적용되었다. 더욱이, 이러한 차량하중이 교량에 촘촘히 밀집되어 있는 상황 하에서도 구조물의 안전성을 검증하였다. 교량 가설지역은 26km 폭과 수심 10~15m 인 바다를 횡단하는 지역으로 가설지점의 지반은 층후가 130m 에 이르는 연약한 4기 지질대에 속하는 지층을 보이고 있었다. 현장의 단면 유속은 일반적으로 2.0m/s ~ 2.5 m/s 이며, 파고는 100년 빈도를 기준으로 6.0m를 상회하는 수치를 나타내었다. 전체 교량 연장은 32.5km 인데 이 중 90% 에 해당하는 부분이 바다를 지나가는 교량으로 구성되었다. (그림 1. 참조) 여기에는 1개소의 주 항로 교량과 3개소의 보조항로 교량이 포함되며, 기타 항구 교량 및 비 항로 교량들로 구성되어 있다.

 

 

1.2 주 항로 사장교

 

1.2.1 교량 제안

 

주 항로의 교량은 주 경간장 420m 의 사장교 형식으로 계획되었으며, 이는 통항 선박의 항행조건을 만족시키기 위한 것이었다. 교량 계획시의 가장 큰 주안점은 공사관리 용이성과 더불어 구조적 내구성 확보 및 차량통행에 대한 주행 정숙성 확보이다. 설계하중은 11ton/m 이며 이는 복선철도에 대한 UIC 하중에 대비하여 약 80% 수준이다.

 

강 박스거더 형식의 사장교 형상은 급속시공이 가능하다는 장점이 있는 반면에 상대적으로 유연한 교량강성으로 인하여 케이블과 주 거더에 많은 응력부담을 주게 된다. 만일 이 Donghai 교량에 주 항로 경간 바닥판을 제외하고 모든 구조부재에 콘크리트를 사용할 경우에는 공용 중에 강재 바닥판 상부의 포장구조가 가장 취약한 부분이 될 것이다. 반면 콘크리트 바닥판 형식의 사장교는 강성이 좋은 반면에 시공기간이 긴 단점이 있다. 비록 프리케스트 세그먼트 시공법이 적용된다 하더라도 요구되는 공기를 맞추는 것은 대단히 어려운 상황이다. 따라서 강판과 콘크리트를 혼합하여 적용한 합성 바닥판 사장교가 교량의 강성을 증대하고 응력부담을 덜 수 있는 대안이 될 수 있는 것으로 분석되었다. 바닥판의 포장공법을 교량 전체적으로 통일시킴으로 인해 요구된 공기 또한 맞출 수 있을 것이다. 만일 콘크리트 바닥판을 사전 분절 제작하게 되면 현장 타설 연결부가 증가하여 교량의 부식 저항성이 약화될 것이다. 또한 바닥판 콘크리트를 현장에서 타설하게 되면 수상에서 작업하는 분량이 많아지게 되어 기술적인 문제발생이 증가하고 작업성이 악화될 것이다. 더욱이, 상당한 양의 강재가 외부로 노출되는 형상을 피할 수 없고, 강재를 사용하는 바닥판의 형상이 복잡하게 되어 유지관리가 대단히 곤란하게 될 것이다.

 

상기 사항들을 비교 분석하여 강재-콘크리트 합성거더 형식의 사장교가 주 항로 교량에 채택되어 사용성 및 환경성을 만족시키면서 요구된 기간 내에 공사를 마칠 수 있도록 하였다.

 

 

1.2.2 교량 설계

 

주 항로 교량은 (73m+132m+420m+132m+73m) 830m의 연장과 33m 의 폭을 가지는 규모이며, 2 주탑의 단일 케이블 5경간 연속 사장교 형식이다. (그림 2.) 교각들은 교량의 강성을 강화하도록 하며 동시에 주형과 주탑에 작용하는 응력을 줄여주도록 설계되었다.

 

 

바닥판 상부의 주탑 단면은 역Y 형상으로 계획되어 있으며, 바닥판 하부는 비 등방성의 상자구조 형상으로 계획되었다. 강재 정착장치가 사장재 케이블의 2/3 분량에 적용되었고 이들은 주탑 벽체에 강결 고정되었다. 나머지 1/3 분량의 케이블은 상대적으로 작은 수평력으로 인하여 직접 주탑의 콘크리트 벽면에 정착되었다.

 

높이 4.0m 의 주형은 3격실의 강재와 콘크리트 합성부재의 단일 박스 구조로 계획되었으며(그림. 3) 상부 덮개 콘크리트는 C55 콘크리트를 사용하며 4.5m 의 캔틸레버부를 포함한 33.0m 의 폭으로 설계되었다. 그 외 부분에 대한 재료는 Q345qD 강재가 적용되었다.

 

 

박스거더 덮개 콘크리트의 두께는 28cm 이며, 웨브 상단에서는 58cm 로 증가시켰다. 강구조 중 바닥슬래브와 경사 웨브 강판의 두께는 16mm를 적용하였고, 수직 웨브와 웨브 플랜지 부분은 24mm 두께를 적용하였다. 주탑 하단부 및 측경간 교각 과 보조교각의 상단부에 적용된 강판은 일반 부재에 적용된 강판의 두께 보다 두꺼운 부재를 사용하였다. 또한 바닥 플레이트와 웨브에는 8mm 두께의 U 형상의 리브로 보강하였고, 주 거더의 격벽에는 24mm 두께의 상부 플랜지와 강 트러스 구조가 적용되었다.

  

 

두 가지 형식의 전단 연결재가 22mm 직경을 가진 형태로 적용되어 강 박스구조와 콘크리트 바닥판을 연결하고 있다. 한 형식은 450mm 길이로서 상부 강 플랜지의 모서리에 부착되어 횡방향 휨모멘트에 저항하도록 하였고, 나머지 연결재의 길이는 200mm 로 적용하였다.

일반지지 케이블의 정착간격은 주형에는 8m, 주탑에는 2.2m를 적용하여, 총 224개의 케이블이 적용되었다. PE 쉬스관으로 보호된 직경 7mm 의 고강도 열처리 수평 메탈케이블이 Cold-cast 정착장치와 같이 적용되었다. 주탑은 38개의 선굴착 말뚝에 의해 지지되며 이때 말뚝의 제원은 직경 2.5m 와 길이 110m 로 건설되었다.

 

2. Shanghai Yangtze 교의 주항로 교량

 

2.1 Shanghai Yangtze 교의 개요

 

chongming Cross-River Passageway (그림 5. 참조) 는 북측 방향으로 보면 양쯔강의 남측 하상을 횡단하여 Changxing 섬의 북측 수계를 지나 이 교량을 통해 Chongmin 섬으로 연결되게 된다. 이 도로의 총 연장은 25.5km 이다. Shanghai Yangtze 교는 북측 수로를 16.55km 연장으로 통과하게 되는데, 이중 약 10km 가 수면 위를 지나가게 된다. 교량 및 터널을 포함한 전체 사업이 현재 건설공사 중에 있다.

 

 

교량설계는 양방향 6차로 고속도로의 기준에 따라 설계되었다. 설계속도는 100km/h 이고, 총 교량의 폭은 35.3m 이다. 향후 미래의 chongmin 섬에 대한 추가적인 개발과 자원의 효율적인 사용을 감안하여 교량에 철도노선에 대한 공간도 반영하였다. 따라서 3m 폭의 비상주차 차선을 양측에 4.15m 로 확장 배치하여 총 교량 폭은 35.3m 로 결정되었다. 이러한 계획을 통해 향후 교량에 2개의 철도 노선이 운행 가능하도록 배려하였다. (그림 6. 참조)

 

 

Class I 고속도로 차량하중 기준이 설계에 적용되었으며, 설계 철도하중은 철도편성당 10개의 객차가 편성되는 것으로 가정하며 이때 각각의 차량은 16.5m 길이와 48 ton 의 하중을 갖는 것으로 설계 반영하였다.

 

이 사업은 양쯔강의 입구에 해당하는 위치에 건설되며 따라서 지속적인 태풍의 영향권 하에 있게 된다. 결과적으로 이 교량은 풍하중에 대해 강한 저항성이 필요하다. 교량건설 지역은 양쯔강 삼각주의 충적토층에 위치하며 일반적으로 연약지반 층이다. 따라서 교량설계는 복잡한 환경적 및 시공여건에 대한 난재를 해결해야만 하는 동시에 자동차하중과 철도하중의 혼합 적용 및 양쯔강 입구의 구조물로서의 상징성 등을 동시에 고려하여 설계 되어야만 하였다.

 

수면 위를 지나는 교량의 구성은 주 항로교량, 보조항로 교량 및 비항로 교량으로 구성되어 있으며 전체적인 조감도는 (그림 7.) 에 나타나 있다.

 

 

2.2 주 항로 구간 사장교

 

주 항로구간의 사장교는 강의 중앙에 위치하고 있다. 주 항로는 30,000 ton 급 컨테이너선과 50,000 ton 급 벌크선에 대한 양방향의 항로기준인 585m X 52.7m 의 여유폭을 확보해야만 하였다. 양측의 보조항로는 5,000 ton 급 선박통행에 대한 일방향 항로기준인 146m x 36m 의 여유폭을 만족시켜야만 하였다. 교량의 경간분할은 92m+258m+730m+258m+92m = 1430m 이다. (그림 8.9. 참조)

 

 

교량의 주탑은 콘크리트 구조로 계획하였다. 바닥판의 상부는 단일 기둥형상을 채택하였고, 바닥판 하부는 역 V 형상을 채용하였다. 강재 정착박스를 사용하여 주탑에 지지 케이블을 정착하였으며 주탑의 정착부는 분절시공을 도입하여 인양 가설하였다. 주탑의 일반도는 (그림 10.) 에 나타내었다.

 

 

강박스 거더는 51.5m 의 폭으로서 분리형상으로 계획되었다. 분리된 강박스의 간격은 10m 로서 이러한 분리 거더를 연결시키기 위해 10m 간격으로 강박스 형태의 횡빔이 적용되었다. 이 강박스 거더의 높이는 4m 이며 거더의 일반도는 (그림 8.) 에 나타내었다. 상부 플레이트의 두께는 14mm~16mm 가 적용되었고, 바닥 플레이트와 웨브강판의 두께는 각각 12mm, 16mm, 20mm 또는 30mm 가 적용되었다. 또한 외부 웨브 정착부분의 강판 두께는 각각 30mm, 40mm, 50mm 또는 60mm 가 적용되었다. 일반구간의 강 박스거더의 길이는 15m 이며 각각의 박스 세그먼트들은 현장에서 켄틸레버 공법으로 시공된다. 볼트 연결을 채택한 종방향 보강재를 제외하고는 모든 연결은 용접연결로 적용되었다.

 

사장교 주형 끝부분의 회전각도를 줄이고, 철도차량의 주행성을 개선하며 측경간의 구조 안전성을 향상시키기 위해서 35cm 두께의 콘크리트 슬래브를 측경간 92m 구간의 강박스 주형 하부에 부착하여 주형의 강성을 증대시켰다.

 

 

케이블 정착 간격은 일반구간의 경우 주형은 15m, 주탑에는 2.3m를 적용하여 총 192 개의 케이블을 적용하였고, PE 쉬스관 으로 보호된 직경 7mm 의 고강도 열처리 수평 메탈 케이블이 cold-cast 정착장치에 부착되었다. 주탑은 심해에 가설된 대규모 기초에 의해 지지되도록 하였고, 각각의 기초는 2,500mm 직경과 105m 의 길이를 가지는 현장타설 말뚝 60개로 지지되도록 하였다.

 

3. Minpu 교

 

3.1 사업의 개요

 

상하이 A15 고속도로는 상하이 시 외곽에서 출발하여 Zhejiang 지방의 서쪽을 지나 푸동 국제공항까지 연결되는 도로로서 약 83km 에 이른다. 이 사업은 상하이 교외 거주자들 및 인근 위성도시 거주민들 에게 푸동 국제공항 까지 빠르게 접근할 수 있는 수단을 제공하게 된다.

 

A15 고속도로는 상하이의 Minhang 구역의 Huangpu 강을 횡단하게 되며, 한편으로는 이 지역에 이러한 하천횡단을 통한 교통연결에 대한 필요성이 높은 상황이다. 따라서 Minpu 교는 2개 바닥판 형식으로서 이러한 요구조건을 만족시키도록 계획하였다. 이러한 이중 바닥판 교량제안은 자원 활용의 효율성 향상 뿐만 아니라 건설비용도 절감할 수 있는 대안이다. A15 고속도로의 위치 및 Minpu 교는 (그림 12.) 에 나타나 있다.

 

 

바닥판의 전체 폭은 40.5m 로서 상부 바닥판은 A15 고속도로 기능을 수행하도록 120km 설계속도로서 양방향 8개 차로를 구성하였다. 하부 바닥판은 총 26m 의 폭으로서 지방 교통수단의 역할을 수행하도록 설계속도 60km의 양방향 6차로로 계획하였다. 이 두 바닥판의 교통하중은 중국 설계기준의 Grade 1 에 의해 설계되었으며 (그림. 13 및 14) 에 일반도를 표시하였다.

 

3.2 교량 설계

 

교량의 경간분할은 (그림 15 및 16)에서 보는 바와 같이 4X63m+708m + 4X63m = 1,212m 이다. 교량형식은 9경간 연속 사장교로서 2개의 바닥판을 가지고 있으며 2개의 주탑 및 2면 케이블과 보조 교각으로 구성되어 있다.

  

 

(그림 17)에서 보는 바와 같이 H 형상의 주탑은 Huangpu 강을 횡단하는 다른 사장교와 달리 독특한 외관을 나타내고 있다. 강재 거더 정착장치가 케이블의 2/3 분량의 정착장치에 사용되었고, 이들은 주탑의 벽체에 고정되었다. 나머지 1/3 분량의 케이블은 상대적으로 작은 수평하중으로 인하여 직접 주탑 콘크리트 벽체에 정착되었다.

 

 

강재 바닥판을 포함한 트러스 주형구조가 주 경간장에 도입되었다. 이 트러스 거더는 교축방향으로 15.1m 간격으로 분절시공 되었으며 N 자 형태를 취하고 있고 상부 바닥판이 하부 바닥판 보다 넓은 연유로 인하여 역 사다리꼴 형상을 나타내고 있다. (그림 18) 상 하부 바닥판의 간격은 9m 이며, 주경간의 표준단면은 15.1m 간격으로 가설되었다. 이러한 개별 주형은 무게가 500 ton 이며 켄틸레버 공법으로 가설되었다. 각 분절 세그먼트간의 연결은 모두 용접으로 시공되며 용접방법은 현재 최적의 방법을 찾기 위해 검토중에 있다.

 

교량의 주 경간과 상대적으로 짧은 측경간 간의 균형을 맞추기 위해서 무거운 합성 트러스 주형(그림 19)이 측경간에 적용되었다. 이러한 측경간의 N 자형태의 거더 세그먼트의 길이는 10.5m 로 계획되었다. 측경간의 주형단면은 상부에 콘크리트 바닥판을 적용한 점 이외에는 주 경간의 주형단면과 거의 동일하게 계획되었다. 콘크리트 타설 및 양생과 웨브의 강재 구조물 거치를 위한 임시 트러스 구조물이 추가로 계획되었다.

 

사장재 케이블의 간격은 주 경간에는 15.1m, 측경간에는 10m 간격으로 배치되었으며, 주탑에는 2.3m 의 간격으로 수직 배치되어 총 176개의 케이블이 적용되었다. PE 쉬스관이 적용된 직경 7mm 의 고강도 열처리 수평 메탈 케이블이 Cold-casting 정착장치와 함께 사용되었다. 주탑은 385개의 강관 항타 말뚝에 의해 지지되며 이 강관말뚝의 제원은 길이 55m 및 직경 0.9m 로 계획되었다.

 

4. 결론

 

설계자는 다양한 현장 여건 및 다양한 목적에 부합하는 여러 가지 형식의 교량설계에 창의적으로 도전해야만 한다. 본 보고서에 제시한 대규모의 3가지 사장교 사업은 보강거더 설치 측면에서 상당히 혁신적인 해법을 제공하고 있다.

 

▣ 원문제목 : Recent Major Cable-Stayed Bridges in Shanghai