1. 서 론
2. 순환링 3교 교량형식
2.1 200 m 주경간장
2.2 원형 주탑 사장교
2.3 하이브리드 경간구성
2.4 PSC 박스거더 상부단면
2.5 원형 강주탑을 위한 구조계획
2.6 사재 케이블, 수평 케이블 및 Tie-down Cable
2.7 상·하부 강결 연결
2.8 새만금의 상징 교량
3. 순환링 3교 시공계획
3.1 가설현황
3.2 강주탑 및 중앙케이블 가설
4. 계측 및 유지관리
4.1 계측시스템
4.2 유지관리 시설
5. 결 론
1. 서 론
본 교량은 새만금 지역간 연결도로 건설공사 2공구(Fig. 1 좌측)의 대표 교량인 순환링 3교(Fig. 1 우측)에 계획에 관한 내용으로 지역의 상징성과 조형성을 고려하여 국내 최초의 종방향 원형 주탑 사장교로 설계하였으며 지반조건을 고려한 교량 규모, 공사여건을 고려한 구조계획과 시공방법, 원형주탑을 위한 케이블 계획 및 계측 방안에 대해 소개하고자 한다.
2. 순환링 3교 교량형식
2.1 200 m 주경간장
기본계획시 순환링 3교의 주경간교는 Fig. 2에 제시된 바와 같이, 수상보조간선 통항을 위한 최소한의 경간장으로 구성된 일반적인 강상판 거더교 형식으로 계획되었으나, 기본설계 지반조사 결과 저비저항이상대영역 및 지질이상대가 탐사됨에 따라 기초의 건전성을 확보하기 위해 주경간장을 200 m로 확대하였다.
2.2 원형 주탑 사장교
기본설계 입찰안내서에 따르면 순환링 3교는 장경간의 장대교량으로서 주변경관과의 조화, 새만금 지역의 랜드마크적 상징성, 예술성 및 창의성을 고려해야 하며, 현장 여건에 부합하는 상·하부 공법 적용이 필요하다. 주경간장 200 m를 구현하기 위해 서는 케이블 교량 형식인 사장교와 현수교를 고려해 볼 수 있다. 이 중 사장교는 주탑의 형상 변형이 현수교에 비해 상대적으로 용이하며 경관성을 높이기 유리하다. Fig. 3에 제시된 바와 같이, 본 공사 지역은 동진강 하구에 위치하지만 새만금 방조제로 둘러싸여 있어 대형해상장비의 진입이 어렵고 신시배수갑문에 의한 간헐적 통항으로 해상운반에도 제약이 있어 강상판 거더를 사용하는 현수교 형식은 배제하고 사장교 형식으로 검토하였다.
주변 지역에는 새만금동진대교(사장교, 주경간장 = 420 m), 만경간교(아치교, 170 m) 및 고군산대교(현수교, 400 m) 등 이미 다양한 형식과 대형 교량이 분포하므로 순환링 3교에는 차별화된 계획이 필요하다. 그래서, 대칭 주탑 보다는 주탑 크기와 형상을 강조할 수 있는 편측 주탑(1주탑)을 채택하였다.
주탑 형식과 형상에 대해서는 Fig. 4(좌측)에 제시된 안 외에도 다양한 비교안이 검토되었다. 기존 교량과의 차별성을 확보하고 새만금의 상징성을 부여하는 것을 우선순위로 검토하였고, 이러한 방향성에 대한 검토 결과로 Fig. 4(우측)에 제시된 바와 같이, 새만금 순환도로의 원형이미지를 주탑의 형상에 반영하였다. 원형주탑 사장교는 새만금 순환도로의 아이코닉 브릿지(Iconnic Bridge)이다.
2.3 하이브리드 경간구성
편측 1주탑 사장교는 주탑의 양측으로 모두 주경간을 배치하는 2경간으로 구성하거나 주경간의 양측으로 각각의 측경간을 두는 3경간 구성도 가능하다. 200 m를 대칭 2경간으로 구성하는 경우 항로가 아닌 경간이 필요 이상으로 크게 되어 비합리적이며, 비대칭 2경간의 경우 주탑에서부터 단부까지 주경간을 F/T로 가설하기에는 공사기간이 부족하므로, 3경간으로 구성하고 주경간을 주탑과 교각 양측에서 F/T로 가설함으로서 공기를 확보하였다.
주경간 형식은 케이블교와 PSC 박스거더교를 융합한 하이브리드(Hybrid) 방식을 적용하여 경관적 특수성과 구조적 합리성을 동시에 충족하도록 하였다. Fig. 5에 제시된 바와 같이, 주경간장 200 m는 케이블 구간과 거더 구간의 연결부에서의 상대 강성이 가장 일치하는 길이 배분을 찾아내어 130 m : 70 m의 최적 비율로 결정하였다. 케이블 측경간은 강주탑의 편기를 방지하기 위해 대칭으로 구성하고, 거더측 측경간은 부반력을 방지하기 위해 80 m로 계획하였다.
2.4 PSC 박스거더 상부단면
새만금 제방으로 둘러 쌓인 해상운반 제약을 고려하여 FCM 가설을 위해 PSC 박스거더 단면을 채택하였다. Fig. 6에서와 같이, 왕복 6차로의 광폭 횡단 구성을 위해 주탑과 케이블을 중앙에 배치하고 양측 바닥판을 캔틸레버로 구성하여 상부단면을 최적화하였다.
원형주탑 부근의 케이블이 없는 구간은 FCM 변단면으로 계획하고, 교각구간도 변단면을 적용하였으며 Key Seg. 연결부에서 단면이 일치하도록 하였다.
2.5 원형 강주탑을 위한 구조계획
완전한 원형 형상을 구현하기 위해 강재 주탑을 채택하였다. 원형주탑은 연직력에 의해 휨모멘트가 발생하는 구조이므로 중량이 큰 PSC 박스거더 중량의 부담을 최소하 하기 위한 케이블 배치를 계획하였다. Fig. 7(좌측)에서 제시된 바와 같이, 원형 주탑의 교축방향 변형을 제어하기 위해 원형주탑 내부에 중앙 케이블을 추가하고, 주탑측 케이블 정착구를 분산배치하여 부재력을 분배 하였으며, 사재케이블과 중앙케이블간의 축선을 연결하여 국부적인 부재력을 배제시켰고, 주경간측 케이블과 측경간측 케이블을 대칭으로 구성하여 케이블에 의한 양측 수평력이 유사하도록 배치하여 주탑 정착부에 앵커의 부담을 경감시켰다.
강강재 주탑의 내풍 특성을 고려하여 Fig. 6(우측 상단)에서와 같이, 공기력 계수와 겔로핑(Galloping)에 가장 안전성이 가장 높은 1/9의 코너컷(Corner-Cut)을 단면 적용하였다(JWEIA, 1988). 강주탑은 주두부에 강봉으로 정착하며 충분한 정착 공간을 확보하였고 상부거더에 배치된 종방향 강연선의 압축력으로 인한 균열에 대한 저항 효과를 확보하였다(Fig. 6우측 하단).
2.6 사재 케이블, 수평 케이블 및 Tie-down Cable
사재 케이블과 수평 케이블은 주탑의 안전성을 위해 분산 배치하였다. Harp Type 케이블 배치는 Fig. 8에서와 같이, 시각적 안정감과 경관성 향상에도 유리하다. 케이블은 파단 시 신속 교체 가능하고, 국내 생산으로 품질 보증 및 적용실적이 가장 많은 MS Type의 인장강도 1,860 MPa을 적용하였다.
시점측 교각(P15)에는 Tie-down cable을 배치하여 부반력을 제어하였다. 교각(P15)은 Pilecap과 중공교각 없는 단일현장타설말뚝 형식이므로 Fig. 8(우측)에서와 같이, 상부거더 높이와 코핑에 정착블럭을 추가한 최소 구조로 Tie-down cable 길이 7.5 m를 확보하였다.
2.7 상·하부 강결 연결
상부거더의 FCM 가설 중 안전성을 확보하기 위해 상부와 하부를 강결로 연결하였다. 강결 구조 계획시 주경간장에서의 온도와 크리프로 인해 교축방향 변형에 의해 부재력이 크게 발생하지만, Fig. 9에서와 같이, 주탑과 교각의 심도가 40 m로 매우 깊고 대부분 연약 지반층이므로 교축방향 변위에 유연하여 부재력을 감소시킬 수 있다.
2.8 새만금의 상징 교량
국내외 건설된 원형 주탑 사장교와 현수교는 주경간장이 100~129 m 수준으로 길이가 크지 않다. 원형 주탑은 기하하적 형상으로 인해 연직력에 의해 휨모멘트가 발생하는 구조적 제약이 있어 경간장 증가에 어려움이 있다. 순환링 3교는 시공 여건상의 제약으로 인해 PSC 박스거더 단면을 적용하였으며, 중량이 큰 상부구조임에도 불구하고 하이브리드(Hybrid) 형식으로 구성함으로써 강주탑에 작용하는 하중을 경감시켰다. 아울러, 주탑을 위한 케이블 배치 등 다양한 기술적 요소를 반영하여 주경간장 200 m의 사장교를 구현하였으며, Fig. 10에 제시된 바와 같이, 순환링 3교는 현재까지 보고된 원형 주탑 교량들 가운데 주경간장(410 m) 및 주탑 높이(약 55 m) 측면에서 가장 큰 규모로 설계되었다. 특히 종방향으로 배치된 원형 주탑 형식은 국내에서 유일한 사례이다.
3. 순환링 3교 시공계획
3.1 가설현황
순환링 3교 구간은 수심 4 m~12 m이므로 새만금호 내에 반입 가능한 장비 수급 조건을 고려하여 해상가설 계획을 수립하였다. Fig. 11에 제시된 바와 같이, 신시배수갑문의 통항 조건(폭 16 m × 길이 56 m, 1개소)에서는 2,000~2,500톤급(크기 15 m × 45 m × 3 m) 바지선의 통과가 가능하여, 이 바지선에 선적 가능한 350 ton 크레인의 용량에 맞추어 가설계획을 수립하였다.
3.2 강주탑 및 중앙케이블 가설
주탑과 교각의 PC House는 2,000 P 바지선과 350 ton 크레인의 인양 작업 용량에 맞추어 분할 가설하도록 계획하였다. 상부거더는 주두부 가설 완료 후 F/T에 의해 Segment 단위로 시공된다. 강주탑 가설시 F/T와의 간섭 배제 및 작업 공간을 확보하기 위해 F/T로 4 Segment를 선 가설 후 강주탑을 시공한다(Fig. 12 좌측). 강주탑은 블록으로 육상 운반 후 현장에서 바지선과 크레인으로 소블록 단위로 가설한다. 차량 운반 조건에 따라 총 39블럭으로 분할(Fig. 12 우측)하였고, Skin Plate는 용접으로 연결하고 종리브는 Bolt로 체결한다. 이음부는 종리브 볼트 연결만으로 최대 3블럭까지 추가 설치 가능하므로 용접작업을 병행공정으로 계획하여 공기지연을 예방하였다(Fig. 12 중앙). 또한, 볼트 홀에 과대구멍 규격을 적용하여 시공 오차발생시 블록간 단차 조정이 가능하도록 하였다. 원형주탑 내부 케이블은 강주탑 폐합 후 설치하며, 사재 케이블 설치 단계에서 시공단계 장력을 도입하도록 계획하였다.
4. 계측 및 유지관리
4.1 계측시스템
지진가속도계측기 설치 및 운영기준(행전안전부고시 제 2023-88호)을 준수하고 특수교 계측시스템 설치 및 운영 요령(국토안전관리원)을 따라 시공중 및 공용중 계측계획을 수립하였다.
케이블교량의 안전 및 거동분석을 위해 케이블 영상모니터링 시스템 구축하였다. Fig. 13에 제시된 바와 같이, CCTV를 이용하여 케이블 진동 영상을 측정하여 케이블의 고유진동수 추출 후 계산식을 이용하여 케이블 장력을 산정할 수 있도록 계획하였으며, 주탑 내 수평 케이블은 노면에서 고도가 높아 접근이 어려울 수 있으므로 접근하지 않고 케이블 장력을 확인할 수 있는 시스템을 도입하였다. ROI(Region of Interest)내 특징점은 케이블 외부 보호관로인 HDPE의 접합점이나 스파이럴(딤플) 패턴을 적용하며, 서해대교에 실적용하여 진동을 측정하여 확인한 사례가 있다. 영상 품질은 날씨 영향이 크므로 본 CCTV영상 계측은 주광의 상태에서 1일 1회~2회 전체 케이블을 대상으로 Pen-Tilting-Zoom 화각을 이동하며 케이블의 진동을 측정한다. 기존의 유선 가속도계는 가속도계가 설치된 케이블만의 진동을 측정하나 본 CCTV영상 계측은 화각이 지원하는 다수의 케이블을 대상으로 하므로 소수의 CCTV로 다수의 케이블 진동을 관리할 수 있는 경제적인 시스템이다.
4.2 유지관리 시설
점검원 안전 및 유지관리 편의를 고려하여 점검시설을 계획하였다. 주탑 내부 진입 출입구와 내부에 고정식 사다리를 배치하고, 주두부 내부에 고정식 점검시설을 설치하였으며 보강거더 내부 복부에 횡방향 이동 통로를 배치하여 격실간 이동이 원활하도록 계획하여 유지관리 동선을 최소화 하였다(Fig. 14 참조).
5. 결 론
새만금 지역간 연결도로(2공구) 내 순환링 3교는 지반조건, 시공여건, 경관성, 지역 상징성 등을 종합적으로 고려하여 세계 최대 규모의 원형주탑 사장교로 설계되었다. 주경간 200 m를 하이브리드 형식으로 구현하고, 원형 강주탑의 구조적 특성에 부합하는 구조계획을 수립하였다. 또한, 해상장비 운용을 최적화하여 시공성과 안전성을 확보하고, 교량 특성에 적합한 계측 시스템을 구축하여 효율적인 유지관리가 가능하도록 계획하였다. 순환링 3교는 새만금 순환도로를 상징하는 교량으로서, 신성장 중심지인 새만금의 아이코닉(Iconic) 교량이 될 것으로 여겨진다.
