1. 서 론

 

Stonecutter 교량은 세계 장대 교량의 역사에 남을 만한 사업으로서 얼마 전 홍콩에서 완공된 교량이다. 이 교량은 세계에서 2번째로 긴 사장교로서 주 경간장이 1,000m 가 넘고, 주탑의 형상 또한 일반적인 형상에서 벗어난 특이한 모양을 하고 있는 교량이다. 이 교량은 Rammbler 해협을 지나는 교량으로서 West Kowloon의 Stonecutter 섬과 Tsing Yi 섬을 연결하는데, 신 고속도로 Route 8 에 속해있는 교량이다.

(그림 1 ) 은 이러한 주 경간 1,018m 와 주탑 높이 298m 의 교량 전경을 보여주고 있다. (그림 2)에서 보면 주탑은 단일 기둥 형식으로 되어 있고 단면은 테이퍼 형식의 변단면 형상을 가지고 있다. (그림 3)에서 보는 바와 같이 바닥판은 2개의 주형으로 구성되어 각각의 양쪽 주탑에 가설되어 있는 것을 볼 수 있다. (그림 4) 에는 주 거더가 횡 빔에 연결되어 전체적으로 그리드 형식의 구조형태를 가지고 있는 것을 보여주고 있다. 측 경간은 단순 거더형식의 약 70m 내외의 경간을 구성하고 있다. 주 경간의 강재 주형은 주탑 후방 측경간부분 50m 까지 연장되어 있고, 8 x 28 개의 평행 와이어가 바닥판을 지지하고 있으며 이들은 주탑의 상단부에 정착되어 있다.

 

 

 

2. 주탑의 시공

 

1) 하부 주탑

하부주탑의 콘크리트 기둥은 jump 거푸집 시스템을 사용하여 건설되었다. 이 거푸집 시스템은 각 콘크리트 타설 단계마다 테이퍼 형상의 기둥 기하형상을 구현하기 위해서 특별히 고안된 포스트 텐션 방식의 거푸집 시스템이다. (그림 5) 에 나타난 것처럼 이 거푸집 시스템은 “새장” 이라고 불리우는 구조 시스템 내부에 콘크리트 타설에 필요한 모든 작업 즉, 철근조립, 콘크리트 타설, 양생 및 부식방지 코팅작업등이 가능한 접근 플랫폼을 구현하고 있다. 콘크리트 작업은 타워 크레인에 의해 구동되는 skip을 이용하여 수행되는데 이는 주탑의 높이가 펌프카를 사용할 수 없을 만큼 높기 때문이다. 콘크리트는 주탑의 주변을 돌면서 편평하게 타설되는데, 이러한 거푸집 높이는 1회에 4m 이며 1 시스템을 작업하는데 걸리는 시간은 6일이 소요된다.

 

2) 상부 주탑

 

상부주탑은 118m 의 높이로서 20mm 두께의 스테인레스 강재가 외측에, 내측은 탄소강의 정착장치로 구성된 합성단면으로 구성되며 이 단면에 지지 케이블이 정착된다. 외벽의 스테인레스 강재는 콘크리트 타설시 거푸집의 용도로서도 사용되며 현장에는 반으로 절단된 형태로 반입된다. (그림 7)

스테인레스 강재와 정착 박스는 절대적 및 상대적인 가설 좌표 및 부재치수가 매우 중요한데, 그 이유는 현장에서는 부재들을 인상하여 바로 조립하게 됨으로서 부재들의 형상을 조절할 수 있는 방법이 없어서 상부 주탑의 기하형상은 이러한 강재 부재들에 의해 결정되기 때문이다. (그림 6)

3개의 박스 및 외벽 강판이 현장에서 가 조립 된 후 그 기하형상을 정밀하게 검토한다. 그 후에 제일 상단부는 다음 가 조립 시 바닥 부재로 사용하기 위해 존치 시키고 2개의 부재를 가설한다. 이렇게 함으로서 현장에서 복잡한 주탑의 기하형상을 올바르게 관리할 수 있다.

최초 4개의 인상작업 시에는 정착박스가 설치되지 않는다 그 이유는 처음 3개의지지 케이블은 주탑의 콘크리트 구조에 직접 정착되기 때문이다. 그 이후부터 정착장치 설치 후에 외벽 플레이트 인상 전 콘크리트 타설 작업이 수행된다. (그림 7)

 

 

 

3. 강재 바닥판 제작

 

강재 바닥판은 Grade S420 M/ML 강판을 열처리 하여 제작한다. 이때 강판은 매우 정밀한 가열, 롤링 및 냉각 조절 공정이 필요한데 이 S420 강재는 아직 극동지역에서는 잘 사용되지 않는 재료이다. 이러한 연유로 인해 강재를 수급하는 것이 상당히 힘들어 대부분을 일본이나 유럽에서 수입해야만 하였다. 바닥판 총 중량은 33,200 ton 이며, 일반 세그먼트 1개의 중량은 500 ton 이다.

 

 

 

작업장에서의 모든 용접작업은 CO2 아크용접을 사용하여 수행되었는데, 이 용접방법은 어떤 형태의 용접작업도 적용이 가능하고 연속적인 용접작업도 수행이 가능하다. 구조물의 기하학적인 관점에서 보면 가장 중요한 작업공정은 지지 케이블의 정착 튜브로서 외벽 강판 세그먼트에 0.1° 의 오차범위 내로 부착되어야 한다.

이러한 작업이 완료되면 모든 바닥판 플레이트는 인근 항구로 옮겨져서 진주강 삼각주의 Dongguan 으로 수송된 후 그곳에서 조립되게 된다. 전체 65개의 바닥판 세그먼트가 조립되며 각각의 세그먼트들은 200개의 부분으로 조립되어 있다. (그림 8) 이러한 세그먼트 조립은 2개의 작업라인을 거쳐서 완성되는데 이 작업라인은 비바람을 피할 수 있도록 이동식 작업장 시설을 갖추고 있다. 이 바닥판 작업 공정은 각 공정당 60일 공정으로 짜여져 있다.

각각의 세그먼트들은 바닥에서부터 위로 유압잭을 통해 조립되어 지는데 이 유압잭을 통해서 지지층 변위 및 작업 에러등에 의한 오차를 보정한다. 각 세그먼트들은 한번에 7~8 개의 세그먼트를 조립하게 되는데 현장에서 가설시 정확하게 조립부가 일치되도록 가 조립 후 오차 보정을 실시한다. 최초 3개의 세그먼트가 완성되면 각 세그먼트들은 가 조립을 실시하여 선형, 수직좌표, 세그먼트 기하형상 및 강판의 편평도 등을 검사한다. 만일 검사결과 허용치 안으로 합격이 되면 상부와 하부의 용접에 의한 여유폭을 절단하고 인접 세그먼트들과 가조립 한 후 임시 볼트 연결을 수행하여 실제 현장에서 조립할 때 상대적인 기하형상이 일치하도록 조정한다.

바닥판의 일반 세그먼트는 길이 18m의 세그먼트 주형 2개와 와 1개의 연결 횡빔으로 구성되어 있다.

 

 

 

4. 바닥판 가설

 

바닥판의 인양 가설은 콘크리트 측경간 시공이 완료된 후에 실행한다.

 

1) 대중량 인상공법

Stonecutter 교의 주경간 주형은 주탑을 지나 48m 까지 측경간으로 연장되어 있다. 2개의 주탑에 길이 88m 의 강재 주형이 육상에서 대중량 인상공법에 의해 인양 가설되며, (그림 9) 이 공사 완료 후에는 이 구조물이 주 경간 바닥판의 켄틸레버 인상 플랫폼으로서 역할을 하게 된다.

이러한 대중량 인상공사가 완료되면 주탑 전면의 바닥판 끝단은 주탑 으로부터 40m 이격이 되어 있게 되며 여기에 3개 세트의 후면 케이블과 2개 세트의 전면 케이블이 이러한 바닥판 구조를 지탱하기 위해 긴장된다. 바닥판은 주탑에서 수평 베어링을 통해 수평방향으로 고정되며, 종방향 으로는 유압 버퍼에 연결된다.

 

2) 주 경간 세그먼트 인상

 

주 경간의 인상작업은 바지선을 통해서 기 시공된 경간 세그먼트 끝에 부착된 켄틸레버 인상 겐트리 타워를 사용하여 수행된다. 이러한 세그먼트 인상작업 및 세그먼트의 적재 및 운송에 지장이 없도록 여러 가지 조치가 현장의 해상통행 선박들에게 취해졌다. DP 바지를 사용하여 세그먼트를 정확한 위치에 옮긴 후 GPS를 이용하여 바지선을 계속적으로 정확한 위치에 머물도록 제어하여 별도의 앵커를 사용할 필요가 없게 하였고 세그먼트 인상 시 불필요한 시간 낭비를 줄이기 위해 스트랜드 잭 대신 윈치를 사용하였다.

 

 

 

3) 세그먼트 설치

 

새로 인상된 세그먼트를 켄틸레버 끝단에 접합시키는 작업은 본 교량 주형이 2 주형 단면을 가지고 있어서 횡방향 강성이 작기 때문에 특별한 방법을 사용해야만 하였다. 시공시 단부의 처짐은 인상 겐트리의 횡방향 반력에 비하면 상당히 미소하게 발생하였으며, 수직변위는 교축 중심점에서 단면 양 끝단까지 약 50m 폭 전체에 약 100mm 정도 발생하였다. 이러한 발생 모멘트는 주형단면과 횡빔으로 지탱해야 하는 것이다. 그런데 이러한 본 교량의 주형 단면의 특수성으로 인하여 주형 인상시 횡방향 처짐의 단차가 발생하는데 이러한 단차를 소거하기 위하여 활차 모양의 기구가 설치되었다. 이 장치는 유압으로 작동하며 주형 인상 시 중심점과 외곽지점에 강제적인 모멘트를 발생시켜 횡방향의 처짐을 방지하도록 하였다.

이렇게 한 세그먼트가 정확한 기하형상으로 시공되면 연결부위를 키퍼 강판에 볼트연결을 통해서 부착시킨 후 전체 연결부위를 용접한 다음 켄트리를 새로운 세그먼트 끝단으로 이동하고 다시 같은 작업을 반복하도록 하였다.

 

4) 지지 케이블 설치

 

사전 제작된 PWS 케이블이 Stonecutter 교에 적용되었는데, 이는 이 케이블이 매우 적은 드레그 형상을 제공하며 형상도 간단하기 때문이다. 이 케이블은 일본제철에서 제작되어 현장까지 선박을 통해 운송되었다. 주탑에 시공되는 상대적으로 짧은 케이블은 바로 육상에서 타워크레인으로 인상 정착되었으며, 장대 케이블은 주탑 인근에 설치된 특수 제작된 적재 겐트리에 의해 바닥판으로 이동된 후 이동 크레인에 의해 바닥판과 주탑에 정착 및 긴장되었다.(그림 13)

 

 

 

5) 키 스팬의 설치

 

주 경간의 시공은 (그림 14) 에서 보는 바와 같이 중앙부 세그먼트의 시공으로 끝나게 된다. 이러한 키 세그먼트는 원래의 정 치수보다 약간 크게 제작된 후 현장에서 적절하게 절단되어 부착되게 된다. 이러한 키 세그먼트에는 횡빔이 가설되지 않기 때문에 각각 종방향 거더에 부탁된 채로 별도로 인상이 된다. 이 세그먼트가 소정에 위치에 부착되기 위해 교축방향으로 프리스트레스를 주어 부재를 수축시킨 후 소정의 위치에 가설하고 부재의 레벨 및 기하형상을 정확히 일치시킨 후에 각 부재를 용접 연결하고 동시에 이전에 가했던 프리스트레스를 풀어주게 된다.

 

 

 

5. 시공 공학

 

1) 구조 적합성 검토

구조물의 하중에 대한 지지능력은 시공의 각 단계별로 검증 되어야만 한다. 이러한 작업은 시공의 각 단계별로 고정하중과 시공하중에 대한 해석을 수행하여 이 결과를 다른 종류의 하중 결과치와 합성하여 구조 안전성을 검토하는 것으로 확인할 수 있다. 여기서 다른 종류의 하중이란 인상시의 충격하중, 온도변화에 의한 영향 및 풍하중 등이다. 대부분의 전체구조계에서 중요하게 취급하는 하중조합은 고정하중과 풍하중인데 이 풍하중 중에서도 동적 버펫팅 영향이 중요하다. 이러한 풍하중에 의한 풍압 터널 현상 및 수치적인 풍압 버펫팅 해석은 뒤의 공기역학 부분에서 다루어 진다. 주형 및 케이블의 인상 시 가장 취약한 상태는 새로운 주형 세그먼트 인상 후 해당되는 케이블을 거치하는 시점이다. 이 시점에서는 고정하중과 가설하중이 상당히 큰 휨모멘트를 주형의 켄틸레버 끝단의 후방 100m 지점에 발생시키게 된다. (그림 15)

 

 

 

2) 기하형상 제어

교량 완공 후에 원래 설계된 교량의 형상이 유지되기 위해서는 상당히 엄격한 형상관리가 필요하다. 첫 번째 형상관리 단계는 각 부재의 하중 재하전의 허용 기하형상을 규정하는 것으로서 기본적으로 완성계 구조물의 일반형상 및 처짐형상으로 인해 결정된다. 압축을 받는 콘크리트 주탑, 콘크리트 측경간 교각 및 주 경간 주형등은 완성계의 기하형상 보다 약간 크게 제작되어 지며, 휨모멘트를 받는 측경간의 상부구조 주 경간의 일부 구조물 및 지지케이블 등은 사전에 재하 모멘트의 역방향의 캠버를 주게 된다. 더욱이, 교량의 기하형상은 이러한 부재 외에도 상부구조 자중, 케이블 자중, 케이블의 탄성계수등 다양한 요소에 의해 영향을 받으므로 케이블의 경우에는 가설 중에 이러한 보정이 필요할 경우 오차 수정이 가능하도록 제작이 되어야 한다. (그림 16)에서 보는 바와 같이 다양한 영향에 의한 구조물의 변위에 대한 민감도 분석을 통해 케이블 길이를 보정하는 데 이용할 수 있도록 하여야 한다.

 

 

  

3) 공기역학적인 고려

풍하중은 구조물의 적정성 검토시 현장에서의 시공성과 더불어 가장 중요한 부분을 차지한다. 따라서 여러 단계의 풍동실험이 수행되어 교량의 풍하중 특성치 들을 규명하고 공기역학적인 안전성을 확보하여야 한다. Maunsell사는 전체적인 풍동실험을 수행하고 실험결과를 정리 보고 및 실험과 실험결과에 대한 결론을 유추해 내었다. 풍동실험은 JV 및 BMT 유체역학에서 수행하였으며, 실험의 범위는 (그림 18)에서 보는 바와 같이 부분적인 주탑 시공시, 켄틸레버 주형 시공시 및 주형단면 실험 등이 포함되었으며 이러한 풍동실험 결과는 Maunsell사에 의한 수치 버펫팅 해석결과와 비교 분석하여 적정성을 확인하였다.

 

 

▣ 원문제목 : Engineering the Tower and Main Span Construction of Stonecutters Bridge