港珠澳大橋設(shè)計(jì)理念及橋梁創(chuàng)新技術(shù)

孟凡超，劉明虎，吳偉勝，張革軍，張 梁

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088）

港珠澳大橋設(shè)計(jì)理念及橋梁創(chuàng)新技術(shù)

孟凡超，劉明虎，吳偉勝，張革軍，張 梁

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088）

介紹了港珠澳大橋的工程概況、建設(shè)目標(biāo)和總體設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)闡述了以“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”的設(shè)計(jì)理念和總體原則指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)采用的新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備。創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，為提高工程品質(zhì)、確保設(shè)計(jì)使用壽命提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和有利保障。

鋼管復(fù)合樁；埋床法預(yù)制墩臺(tái)；?75 mm預(yù)應(yīng)力粗鋼筋；正交異性鋼橋面板；1 860 MPa斜拉索；減隔震

1 概述

1.1 工程概況

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海、澳門的超級(jí)跨海通道，是列入《國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》的重要交通建設(shè)項(xiàng)目，是我國(guó)具有國(guó)家戰(zhàn)略意義的世界級(jí)跨海通道。項(xiàng)目西接京港澳高速公路，東接香港大嶼山高速公路，是一項(xiàng)“橋、隧、島”一體化多專業(yè)的超大型綜合集群工程，包括：主體工程（粵港分界線至珠澳口岸之間區(qū)段）、香港界內(nèi)跨海橋梁、三地口岸、三地連接線。主體工程總長(zhǎng)29.6 km，其中橋梁工程長(zhǎng)約22.9 km。港珠澳大橋橋梁工程包括3座通航孔橋及深/淺水區(qū)非通航孔橋5部分[1～3]。

青州航道橋橋跨布置為（110+236+458+236+ 110）m的雙塔斜拉橋（見圖1），主梁采用扁平流線型鋼箱梁，斜拉索采用扇形式空間雙索面布置，索塔采用橫向“H”形框架結(jié)構(gòu)，塔柱為鋼筋混凝土構(gòu)件，上聯(lián)結(jié)系采用“中國(guó)結(jié)”造型的鋼結(jié)構(gòu)剪刀撐。江海直達(dá)船航道橋橋跨布置為(110+129+258+258+ 129+110)m的三塔斜拉橋（見圖2），主梁采用大懸臂鋼箱梁，斜拉索采用豎琴式中央單索面布置，索塔采用“海豚”形鋼塔。九洲航道橋橋跨布置為（85+ 127.5+268+127.5+85）m的雙塔斜拉橋（見圖3），主梁采用懸臂鋼箱組合梁，斜拉索采用豎琴式中央雙索面布置，索塔采用“帆”形鋼塔（下塔柱局部為混凝土結(jié)構(gòu)）。深水區(qū)非通航孔橋?yàn)?10 m等跨徑等梁高鋼箱連續(xù)梁橋（見圖4），鋼箱梁采用大懸臂單箱雙室結(jié)構(gòu)。為跨越崖13-1氣田管線需要，其中一聯(lián)采用（110+150+110）m變梁高鋼箱連續(xù)梁橋。淺水區(qū)非通航孔橋?yàn)?5 m等跨徑等梁高組合連續(xù)梁橋，主梁采用分幅布置。全橋基礎(chǔ)采用大直徑鋼管復(fù)合群樁，通航孔橋采用現(xiàn)澆承臺(tái)，非通航孔橋采用預(yù)制承臺(tái)，全橋橋墩采用預(yù)制墩身。

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

公路等級(jí)為雙向6車道高速公路；設(shè)計(jì)行車速度100 km/h；建筑限界為橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度33.1 m，凈高5.1 m；設(shè)計(jì)汽車荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2004）中規(guī)定的汽車荷載提高25%用于設(shè)計(jì)，并按香港《United Kingdom Highways Agency’s Departmental Standard BD37/01》汽車荷載進(jìn)行復(fù)核；抗風(fēng)設(shè)計(jì)考慮運(yùn)營(yíng)階段設(shè)計(jì)重現(xiàn)期120年，施工階段設(shè)計(jì)重現(xiàn)期30年；地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：以重現(xiàn)期表征，工作狀態(tài)（E1）均為120年，極限狀態(tài)（E2）通航孔橋?yàn)? 200年、非通航孔橋?yàn)?00年，結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)（E3）均為2 400年；設(shè)計(jì)使用壽命120年。

圖1 青州航道橋橋型布置（單位：m）Fig.1 Layout of Qingzhou navigation bridge(unit：m)

圖2 江海直達(dá)船航道橋橋型布置（單位：m）Fig.2 Layout of Jianghai navigation bridge(unit：m)

圖3 九洲航道橋橋型布置（單位：m）Fig.3 Layout of Jiuzhou navigation bridge(unit：m)

圖4 深水區(qū)非通航孔橋橋型布置效果圖Fig.4 Image of layout of non-navigation bridge in deep water zone

1.3 建設(shè)條件

項(xiàng)目地處珠江伶仃洋入?？冢瑢儆诮ｋx岸跨海通道工程，海域?qū)挾瘸^40 km。大橋處于南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，橋位區(qū)熱帶氣旋影響十分頻繁，氣象條件惡劣，臺(tái)風(fēng)多，風(fēng)力大，高溫高濕。橋區(qū)重現(xiàn)期120年10 m高10 min平均風(fēng)速達(dá)47.2 m/s。實(shí)測(cè)極端最高氣溫為38.9℃，極端最低氣溫為-1.8℃。年內(nèi)各月平均相對(duì)濕度均在70%以上。

水文條件復(fù)雜，水動(dòng)力條件差，行洪、納潮、防淤要求嚴(yán)。海床穩(wěn)定性好，潮位變化平緩、流速不大。水深介于5～10 m，局部最深點(diǎn)可達(dá)17 m。橋區(qū)海域?yàn)椴灰?guī)則半日潮海區(qū)，潮差不大，平均潮差僅1.24 m。實(shí)測(cè)垂線平均流速1～2節(jié)，總體上本海區(qū)流速不大。穿越橋區(qū)的航道多、航線復(fù)雜、通航船型類型眾多、船舶通航密度大、通航要求高，航行安全管理要求高。地震設(shè)防水準(zhǔn)高。地質(zhì)條件變化大。橋位處覆蓋層較厚，最厚可達(dá)89.3 m；下伏基巖為花崗巖，巖面及風(fēng)化厚度差異較大。軟土分布范圍廣，厚度大。海水和地下水均具有較強(qiáng)的腐蝕性。

香港大嶼山機(jī)場(chǎng)位于大橋東岸登陸點(diǎn)附近，澳門機(jī)場(chǎng)位于大橋西岸附近，機(jī)場(chǎng)航空限高嚴(yán)。橋軸線穿越白海豚保護(hù)區(qū)，環(huán)保要求高。

2 設(shè)計(jì)理念[4～6]

港珠澳大橋3大目標(biāo)為：建設(shè)世界級(jí)的跨海通道；為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)；成為地標(biāo)性建筑。每個(gè)目標(biāo)均具有豐富和深刻的內(nèi)涵和要求。

基于并服務(wù)于項(xiàng)目建設(shè)條件、建設(shè)目標(biāo)和需求，設(shè)計(jì)提出了項(xiàng)目建設(shè)理念和指導(dǎo)方針，即“大型化、工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化”。全面實(shí)現(xiàn)“四化”工法是項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)思想，以適應(yīng)工程復(fù)雜建設(shè)條件，保證施工安全和航運(yùn)安全、確保工程質(zhì)量品質(zhì)、減少現(xiàn)場(chǎng)工作量、減少海中作業(yè)時(shí)間、降低施工風(fēng)險(xiǎn)、保護(hù)海洋生物、保障工期。

“四化”理念是項(xiàng)目追求的最高境界，其本質(zhì)是工業(yè)化。在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)乃至于整個(gè)工程建設(shè)中，采用“四化”理念或者工業(yè)化的建設(shè)模式，將是一場(chǎng)深刻的革命。中國(guó)近20年來建設(shè)了很多橋梁，其中不乏世界頂級(jí)橋梁，但在那種勞動(dòng)密集型的生產(chǎn)組織方式下，很難有工業(yè)化的充分實(shí)踐。工程建設(shè)的工業(yè)化是一個(gè)國(guó)家工業(yè)化水平的表現(xiàn)：大型施工船舶、大型設(shè)備的研發(fā)制造取決于國(guó)家裝備工業(yè)的水平；大型構(gòu)件的生產(chǎn)制造安裝體現(xiàn)了國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)能力；標(biāo)準(zhǔn)化水平的高低取決于國(guó)家工業(yè)管理水平?？梢哉f“四化”理念是國(guó)家實(shí)力的體現(xiàn)。

港珠澳大橋是中國(guó)交通建設(shè)史上規(guī)模最大、技術(shù)最復(fù)雜、標(biāo)準(zhǔn)最高的工程，作為世界級(jí)挑戰(zhàn)性的通道，它的建設(shè)必須采用世界先進(jìn)技術(shù)和方法，以及與之匹配的先進(jìn)建設(shè)理念，必須推行“以需求和建設(shè)目標(biāo)引導(dǎo)設(shè)計(jì)”，推行先進(jìn)的“四化”建設(shè)思想，依靠當(dāng)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和國(guó)家強(qiáng)大的工業(yè)化實(shí)力，確保其“新技術(shù)、高品質(zhì)、長(zhǎng)壽命”重要目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。相對(duì)來說，橋梁建設(shè)的工業(yè)化水平在港珠澳大橋上達(dá)到了空前的高度，“四化”建設(shè)理念將引領(lǐng)中國(guó)橋梁及交通建設(shè)領(lǐng)域的工業(yè)化革命，是中國(guó)邁向橋梁強(qiáng)國(guó)的里程碑項(xiàng)目。

3 橋梁創(chuàng)新技術(shù)

3.1 地標(biāo)性橋梁建筑景觀設(shè)計(jì)

為建成地標(biāo)性建筑，進(jìn)行了長(zhǎng)期的艱苦卓絕的建筑景觀設(shè)計(jì)。其中，航道橋?qū)θ珮蚓坝^效果和地標(biāo)性目標(biāo)影響至關(guān)重要。在全橋橋墩造型、主梁線形協(xié)調(diào)一致的基礎(chǔ)上，作為斜拉橋的索塔的建筑造型則成為控制性因素。基于全橋橋隧組合“珠聯(lián)璧合”的總體景觀設(shè)計(jì)理念，在對(duì)景觀文化內(nèi)涵、橋梁元素特征、視點(diǎn)進(jìn)行研究分析的基礎(chǔ)上，考慮中西、粵港、古今文化交融的地域文化特點(diǎn)，最終從眾多套橋梁方案中篩選出以海洋文化元素為基礎(chǔ)的“揚(yáng)帆順行”組合方案（見圖5）。三座通航孔橋橋塔造型既有統(tǒng)一的主題元素，又各具特色，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的原創(chuàng)性，極具可識(shí)別性。

圖5 通航孔橋建筑景觀效果圖Fig.5 Images of landscapes of navigation bridges

3.2 大型鋼管復(fù)合樁研究與應(yīng)用

在廣泛吸收國(guó)內(nèi)外跨海橋梁基礎(chǔ)建設(shè)的有益經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)打入樁、鉆孔灌注樁和鋼管復(fù)合樁綜合比選，最終確定采用鋼管復(fù)合樁，鋼管與鋼筋混凝土共同組成樁結(jié)構(gòu)主體。通航孔橋基礎(chǔ)采用變直徑鋼管復(fù)合樁。樁身由兩部分組成：有鋼管段、無鋼管段。有鋼管段的長(zhǎng)度根據(jù)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)受力、沉樁能力、施工期承載等綜合確定。復(fù)合樁鋼管內(nèi)徑2 450 mm，鋼管壁厚分兩種：下部約2 m范圍壁厚為36 mm，其余壁厚為25 mm。鋼管對(duì)接時(shí)內(nèi)壁對(duì)齊，采用全熔透對(duì)接焊。在頂部一定區(qū)段鋼管內(nèi)壁設(shè)置多道剪力環(huán)。復(fù)合樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用水下C35，樁身根據(jù)受力配置鋼筋。非通航孔橋復(fù)合樁鋼管內(nèi)徑2 150/1 950 mm，樁身根據(jù)受力配置鋼筋。其余與通航孔橋相同。

雖然鋼管復(fù)合樁以其優(yōu)越的力學(xué)性能越來越受到工程界的重視和青睞，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋼管復(fù)合樁復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理、協(xié)同工作性能以及設(shè)計(jì)計(jì)算理論還不完善，缺乏系統(tǒng)理論研究[7，8]。工程上常常只是把鋼管作為鉆孔樁的臨時(shí)護(hù)筒，設(shè)計(jì)時(shí)未將鋼管與核心混凝土作為復(fù)合體加以共同考慮。目前鋼管復(fù)合樁計(jì)算理論和設(shè)計(jì)方法的研究大大落后于工程應(yīng)用。一方面，實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)因樁基沉降過大等引起的工程事故，另一方面也暴露出樁基設(shè)計(jì)中存在著保守的趨勢(shì)和現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)狀的原因是樁周介質(zhì)（巖土）性狀的復(fù)雜性，同時(shí)鋼管和混凝土樁體之間的受力分析相對(duì)困難，導(dǎo)致現(xiàn)在對(duì)大直徑鋼管混凝土復(fù)合樁的荷載傳遞機(jī)理、變形規(guī)律等還未完全研究清楚。鑒于此，對(duì)鋼管復(fù)合樁的變形分析、承載力計(jì)算理論以及樁的合理構(gòu)造形式等方面開展了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究（制作了14根鋼管復(fù)合樁試件開展模型試驗(yàn)），在充分了解其承載特性和受力機(jī)理的基礎(chǔ)上，獲取了大直徑鋼管復(fù)合樁的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了鋼管復(fù)合樁豎向和水平承載能力計(jì)算方法，并將研究成果應(yīng)用于設(shè)計(jì)。

3.3 埋床法全預(yù)制墩臺(tái)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

為使全橋橋隧組合軸線斷面阻水率滿足不大于10%的要求，需將全部非通航孔橋的承臺(tái)埋于海床面以下。同時(shí)，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)采用了埋床法全預(yù)制墩身和承臺(tái)方案（見圖6）。墩身根據(jù)吊裝能力分成1～3節(jié)預(yù)制拼裝，承臺(tái)隨同首節(jié)墩身一同預(yù)制，預(yù)留樁位孔洞和后澆混凝土空間。樁位孔洞用以實(shí)現(xiàn)止水、樁基與預(yù)制承臺(tái)臨時(shí)連接；后澆混凝土空間在抽水后澆注后澆混凝土，實(shí)現(xiàn)承臺(tái)與樁基的整體化。預(yù)制承臺(tái)既是承臺(tái)主體結(jié)構(gòu)，又是實(shí)現(xiàn)承臺(tái)與樁基連接的圍堰結(jié)構(gòu)，除附著于預(yù)制承臺(tái)之上的臨時(shí)周轉(zhuǎn)使用的圍堰設(shè)施外，承臺(tái)本身施工不需要額外的圍堰結(jié)構(gòu)。下節(jié)段墩身及承臺(tái)整體最大吊裝重量約2 850 t，最大高度約27 m。

圖6 埋床法全預(yù)制墩身和承臺(tái)構(gòu)造（單位：cm）Fig.6 Configuration of fully fabricated pier shaft and pile cap embedded below sea bed(unit：cm)

預(yù)制承臺(tái)底板厚0.6 m，底板開孔直徑2.13 m，孔壁設(shè)有槽口，用于置入整體式止水膠囊，通過充水后實(shí)現(xiàn)止水。需研制新型封堵止水裝置及相應(yīng)工藝解決16 m水深處潛水預(yù)制承臺(tái)與鋼管復(fù)合樁間的止水問題，確保后澆混凝土能夠在干作業(yè)環(huán)境內(nèi)進(jìn)行施工。膠囊正常充水壓力0.3 MPa，極限充水壓力1.2 MPa，正常情況下可在水下大于16 m深處工作。為確保整體式止水膠囊實(shí)現(xiàn)止水，設(shè)計(jì)要求鋼管復(fù)合樁豎向傾斜不大于1/400～1/320，樁中心平面位置允許絕對(duì)誤差小于150 mm，各樁之間允許相對(duì)誤差小于50 mm。若施工能采取其他可靠措施實(shí)現(xiàn)止水和后續(xù)工序，也可將上述精度要求降至常規(guī)要求。

為確保實(shí)現(xiàn)上述施工精度和工期要求，設(shè)計(jì)提出了以下施工方案和保證措施：a.鋼管沉樁施工宜采用在定位船上設(shè)置的導(dǎo)向架和大功率液壓振動(dòng)錘對(duì)鋼管進(jìn)行振動(dòng)下沉。b.三次定位措施：駁船首先采用錨索初定位；再下放4根錨樁將駁船定位；下放鋼管，樁底離泥面50 cm左右時(shí)，通過導(dǎo)向架的液壓背板微調(diào)鋼管平面位置及傾斜率，進(jìn)行精確定位。c.樁基施工采用可拆卸周轉(zhuǎn)使用的整體式裝配化鉆孔平臺(tái)（鉆機(jī)、泥漿池、沉淀池、鉆桿和工作房集成一體），以縮短海上作業(yè)時(shí)間、節(jié)約造價(jià)、降低風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 預(yù)制墩身連接技術(shù)及?75 mm預(yù)應(yīng)力螺紋粗鋼筋研發(fā)

全橋橋墩均采用工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)安裝。其中，青州航道橋、江海直達(dá)船航道橋、深水區(qū)非通航孔橋的墩身根據(jù)吊裝能力采用節(jié)段預(yù)制，并通過預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行連接（見圖7），墩身接縫采用干接縫，設(shè)置匹配的凹凸剪力鍵，接縫處涂抹滿足技術(shù)要求的環(huán)氧樹脂。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，并重點(diǎn)考慮施工的可操作性、壽命保證的可靠性，預(yù)應(yīng)力確定采用全螺紋粗鋼筋體系（見圖8）。由于受力所需及墩身斷面限值，粗鋼筋直徑需達(dá)75 mm。鑒于《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》（GB/T 20065—2006）最大規(guī)格僅50 mm，為此，在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)水平及市場(chǎng)情況的基礎(chǔ)上，確定采用?75 mm預(yù)應(yīng)力螺紋粗鋼筋（目前國(guó)內(nèi)已研發(fā)成功并應(yīng)用到項(xiàng)目中，鋼筋屈服強(qiáng)度830 MPa，抗拉強(qiáng)度1 030 MPa）連接墩身節(jié)段。要求所采用的精軋螺紋鋼筋或滾壓連續(xù)外螺紋粗鋼筋均符合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范規(guī)定的尺寸、外形及技術(shù)性能要求。連接墩身節(jié)段的預(yù)應(yīng)力粗鋼筋采用“電隔離防護(hù)＋真空灌漿”措施進(jìn)行防腐，并進(jìn)行了詳細(xì)的防腐構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

圖7 預(yù)制墩身及連接構(gòu)造（單位：cm）Fig.7 Prefabricated pier shaft and connection detailing (unit：cm)

3.5 大懸臂鋼箱梁耐疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

全橋鋼箱梁梁高4.5 m；箱梁設(shè)置邊縱腹板和中縱腹板。中縱腹板采用實(shí)腹式，但開設(shè)了聯(lián)通人孔方便出入，并聯(lián)通箱室內(nèi)干空氣，利于除濕。為使箱室內(nèi)部更加通透，采用了實(shí)腹式橫隔板和橫肋板交替布設(shè)的構(gòu)造，通航孔橋橫隔板間距7.5 m，深水區(qū)非通航孔橋橫隔板間距10 m，中間每隔2.5 m設(shè)置1道橫肋板。深水區(qū)非通航孔橋鋼箱梁橫斷面見圖9。

在細(xì)節(jié)研究及疲勞驗(yàn)算的基礎(chǔ)上，確定了鋼橋面板的細(xì)部構(gòu)造：橋面板厚度≥18 mm；縱向U肋間隔300 mm、厚度≥8 mm、內(nèi)側(cè)彎曲加工半徑不小于5倍板厚；橋面板與縱向U肋熔透量不小于縱肋板厚的80%；縱向U肋接頭采用高強(qiáng)螺栓連接，過焊孔長(zhǎng)度80 mm；橋面板的焊接利用X坡口或利用焊接墊板的V形坡口實(shí)施完全熔透焊接，接頭位置避免布置在輪載正下方；橫肋間隔≤2.5 m；豎向加勁構(gòu)件與頂板之間設(shè)置35 mm的間距；對(duì)縱向U肋與頂板、橫隔板（橫肋板）之間的組裝、焊接及細(xì)部處理做了嚴(yán)格規(guī)定（見圖10）。理論分析表明，該構(gòu)造能夠確保耐疲勞安全。進(jìn)一步開展了試件疲勞試驗(yàn)，對(duì)病害最突出的“橫隔板在U肋附近開槽處、橫隔板與U肋焊縫、頂板與U肋焊縫、U肋對(duì)接（栓接）”構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了疲勞性能驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)造完全滿足耐疲勞性能要求。

圖8 預(yù)應(yīng)力粗鋼筋及體系Fig.8 Prestressing thicker reinforcing bar and system

3.6 超大尺度鋼箱梁的制作與安裝

深水區(qū)非通主梁架設(shè)采用大節(jié)段整孔逐跨吊裝方案，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)110 m，吊重約2 300 t，最長(zhǎng)節(jié)段長(zhǎng)133 m，最大控制吊裝重量約2 750 t。通航孔橋邊跨無索區(qū)大節(jié)段長(zhǎng)度134.5 m，采用浮吊整體吊裝，吊裝重量約3 580 t。

鋼箱梁結(jié)構(gòu)規(guī)模及數(shù)量巨大，健康、安全、環(huán)保、制造標(biāo)準(zhǔn)、品質(zhì)及耐久性要求高，為此實(shí)施了“全新的廠房、尖端的設(shè)備、先進(jìn)的技術(shù)、科學(xué)的管理”的工作方針，大幅度提升“車間化、機(jī)械化、自動(dòng)化”水平。通過“全面實(shí)現(xiàn)車間化作業(yè)、廣泛使用機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備、采用計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)、世界先進(jìn)的電弧跟蹤自動(dòng)焊技術(shù)、反變形船位施焊技術(shù)、U肋焊縫相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)及信息化質(zhì)量控制手段”，大幅度提升鋼箱梁制造質(zhì)量水平。

圖9 深水區(qū)非通航孔橋主梁橫斷面（單位：mm）Fig.9 Cross section of main girder of non-navigation bridge in deep water zone(unit：mm)

圖10 組裝、焊接、細(xì)部處理要求（單位：mm）Fig.10 Requirement on connection，welding and details (unit：mm)

對(duì)所有板單元均采用全自動(dòng)化制造，主要體現(xiàn)在以下內(nèi)容。a.鋼板下料采用空氣等離子及火焰數(shù)控切割機(jī)進(jìn)行精密切割，切割設(shè)備同時(shí)完成自動(dòng)劃線、標(biāo)識(shí)噴寫。b.U肋加工：鋼板下料后，用雙面銑床加工邊緣，螺栓孔連接的U肋采用先孔法卡樣板制孔；在專用數(shù)控銑床上同時(shí)加工U肋兩側(cè)坡口，鈍邊尺寸精度達(dá)到±0.5 mm，坡口角度達(dá)到±0.5°，最后在數(shù)控折彎?rùn)C(jī)上軋制成形。c.U肋和板肋板單元組裝：采用自主研發(fā)的自動(dòng)機(jī)床進(jìn)行組裝和定位焊。首先進(jìn)行焊縫部位自動(dòng)打磨和除塵，再利用機(jī)械卡具進(jìn)行U肋的自動(dòng)定位和壓緊，保證組裝間隙小于0.5 mm，采用日本先進(jìn)的機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行定位焊，實(shí)現(xiàn)U肋定位焊自動(dòng)化，保證U肋坡口根部焊接質(zhì)量。d.U肋和板肋板單元焊接：在反變形胎上焊接，通過自動(dòng)液壓卡具預(yù)設(shè)雙向反變形，用多頭機(jī)器人焊接系統(tǒng)進(jìn)行船位焊接，該機(jī)器人焊接系統(tǒng)采用世界技術(shù)先進(jìn)的電弧跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)坡口根部位置偏差的自動(dòng)化跟蹤調(diào)整，跟蹤進(jìn)度達(dá)到0.2 mm。配合反變形船位施焊技術(shù)，確保焊縫根部融合、內(nèi)在質(zhì)量、外觀成形及板單元焊后平整度，避免焊后矯正。e.橫隔板單元：在平臺(tái)上用專用焊接機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行施焊，大幅提升焊接質(zhì)量和效率。f.棱角銑削：板單元焊接后，采用自動(dòng)倒棱設(shè)備對(duì)非焊接自由邊棱角進(jìn)行圓角銑削。

鋼箱梁由板單元制成小節(jié)段，然后在工廠車間內(nèi)整體組裝成大節(jié)段。小節(jié)段及大節(jié)段拼裝全部在廠房?jī)?nèi)進(jìn)行。廣泛采用數(shù)字化焊機(jī)進(jìn)行施焊。梁段在專業(yè)打砂、涂裝廠房?jī)?nèi)完成打砂、涂裝。鋼箱梁大節(jié)段通過船舶運(yùn)輸至橋位，采用單臺(tái)或雙臺(tái)浮吊起吊安裝。

3.7 抗拉強(qiáng)度1 860 MPa斜拉索研發(fā)與應(yīng)用

江海直達(dá)船航道橋采用豎琴式布置的單索面，若采用1 670 MPa斜拉索，則規(guī)格超過《斜拉索熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T 18365—2001）的最大規(guī)格；若采用1 770 MPa斜拉索，則也要用到《大跨度斜拉橋平行鋼絲斜拉索》（JTT 775—2010）的LPES7-547規(guī)格。為減輕斜拉索重量，減小索體直徑進(jìn)而減小拉索阻風(fēng)面積，在廣泛調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)水平及市場(chǎng)情況基礎(chǔ)上，確定通航孔橋采用抗拉強(qiáng)度1 860 MPa的斜拉索。斜拉索采用平行鋼絲拉索，鋼絲采用7 mm高強(qiáng)度、低松弛鋼絲，其抗拉強(qiáng)度≥1 860 MPa；屈服強(qiáng)度≥1 660 MPa；扭轉(zhuǎn)性能≥8次；成品索應(yīng)力幅為200 MPa（少數(shù)為250 MPa），對(duì)應(yīng)的鋼絲疲勞應(yīng)力為360 MPa（410 MPa）。鋼絲其余技術(shù)條件、冷鑄錨、內(nèi)、外PE護(hù)套的技術(shù)條件均應(yīng)符合《大跨度斜拉橋平行鋼絲斜拉索》（JTT 775—2010）及《斜拉索熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T 18365—2001）的要求。

為進(jìn)一步提高鋼絲表面防腐性能和斜拉索整體使用壽命，經(jīng)綜合比較，確定鋼絲采用鋅-5%鋁混合稀土合金鍍層。

3.8 橋梁減隔震設(shè)計(jì)

通航孔橋：對(duì)于塔梁非固結(jié)的青州航道橋和江海直達(dá)船航道橋，以降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)為目標(biāo)，研究選擇了主梁動(dòng)力約束體系。青州航道橋在索塔與主梁間設(shè)置了帶縱向靜力限位功能的阻尼裝置，在輔助墩與主梁間設(shè)置了橫、縱向阻尼裝置，在過渡墩與主梁間設(shè)置了縱向阻尼裝置。江海直達(dá)船航道橋在三個(gè)索塔和輔助墩、過渡墩與主梁間設(shè)置了縱橋向阻尼裝置，在中索塔和輔助墩與主梁間設(shè)置了橫向阻尼裝置。以橋梁抗震性能分析為基礎(chǔ)，優(yōu)選了阻尼裝置技術(shù)參數(shù)。

非通航孔橋：由于地震動(dòng)參數(shù)峰值加速度較大，連續(xù)梁橋橋墩處設(shè)置一般支座難以保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性及經(jīng)濟(jì)性，為了降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，確保結(jié)構(gòu)安全，在各個(gè)橋墩處設(shè)置了減隔震支座，利用其良好的滯回耗能特性和自恢復(fù)功能，在強(qiáng)震作用下達(dá)到減隔震耗能的效果，使結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)得到了很好的控制。支座具有常規(guī)使用和減隔震功能，同時(shí)還具備在罕遇地震作用下防落梁功能；支座設(shè)計(jì)壽命為60年。進(jìn)行分區(qū)段設(shè)計(jì)：深水區(qū)非通航孔橋的等寬段高墩區(qū)采用高阻尼橡膠支座，等寬段低墩區(qū)采用鉛芯橡膠支座及雙曲面球型支座，變寬段采用雙曲面球形支座。淺水區(qū)非通航孔橋全部采用鉛芯橡膠支座。

3.9 鋼箱梁渦激共振抑制技術(shù)

根據(jù)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究結(jié)果，大懸臂鋼箱梁在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)發(fā)生了渦激振動(dòng)現(xiàn)象，且位移和加速度影響了橋梁結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)期間的舒適性。在給定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的前提下，渦振抑制措施包括：安裝附加的主動(dòng)或被動(dòng)控制面（亦稱氣動(dòng)措施）；增加結(jié)構(gòu)阻尼（亦稱機(jī)械措施）。經(jīng)對(duì)“欄桿上加導(dǎo)流板、加裝風(fēng)嘴、對(duì)護(hù)欄進(jìn)行不同程度封閉、主梁內(nèi)設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)”方案進(jìn)行同等深度的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比選，推薦采用設(shè)置TMD方案。

深水區(qū)非通航孔橋在每聯(lián)的次邊跨跨中均布置4個(gè)TMD，每聯(lián)共8個(gè)?？缪?3-1氣田管線橋在中跨跨中布置4個(gè)TMD。江海直達(dá)船通航孔橋?yàn)榱酥普竦谝回Q向振型，在兩主跨的跨中均布置4個(gè)TMD，共8個(gè)；為了制振第二豎向振型，在兩主跨的跨中均布置4個(gè)TMD，共8個(gè)。研究提出了TMD的主要技術(shù)要求，包括：擺動(dòng)質(zhì)量（單個(gè)TMD質(zhì)量）有3 000 kg、3 750 kg、4 000 kg、6 250 kg四種；質(zhì)量塊最大位移±250 mm、±300 mm；阻尼比10%；安裝TMD后主梁結(jié)構(gòu)的等效阻尼比應(yīng)大于1%；阻尼常數(shù)、彈簧剛度、最大速度由制造商分析確定；TMD系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命要求與橋梁主體結(jié)構(gòu)相同。

3.10 全自動(dòng)、全覆蓋的運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)設(shè)計(jì)與裝備

基于“為用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)、需求引導(dǎo)設(shè)計(jì)、以人為本”的建設(shè)目標(biāo)及設(shè)計(jì)理念，確定運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)設(shè)施設(shè)備的設(shè)計(jì)原則：a.滿足各部位“可到達(dá)、可檢查、可維護(hù)、可持續(xù)性”，盡量做到易檢、易修、易維護(hù)。對(duì)于可更換、需定期養(yǎng)護(hù)部件，提供足夠的操作空間、操作平臺(tái)。b.管養(yǎng)設(shè)施設(shè)備做到全自動(dòng)、全覆蓋。

全橋主梁箱外設(shè)置檢查車，采用7000型航空鋁合金，全自動(dòng)液壓控制。梁內(nèi)設(shè)置檢查車（見圖11），采用7000型航空鋁合金，內(nèi)設(shè)照明、空調(diào)、供氧和工具箱等人性化系統(tǒng)，具有重量輕、速度快、舒適性好等特點(diǎn)。

索塔均設(shè)置內(nèi)外檢修通道及平臺(tái)（設(shè)備）。以青州航道橋?yàn)槔?，在索塔下塔柱、中塔柱?nèi)設(shè)置樓梯，上塔柱設(shè)置爬梯，中上塔柱設(shè)置升降梯通道。鋼結(jié)形撐內(nèi)設(shè)置爬梯，設(shè)置通道與塔柱內(nèi)部相通。在下橫梁頂板、塔柱與下橫梁節(jié)點(diǎn)處、橋面處塔柱均設(shè)有人孔通道。塔柱頂部設(shè)置了頂板，設(shè)有人孔，可達(dá)塔頂及結(jié)形撐頂部。在塔頂設(shè)置了預(yù)埋件，在結(jié)形撐頂設(shè)置了軌道，專項(xiàng)采購(gòu)檢修維養(yǎng)設(shè)備，在通車前安裝并完成試運(yùn)營(yíng)。在運(yùn)營(yíng)期可實(shí)現(xiàn)對(duì)塔柱及結(jié)形撐外表的檢修維養(yǎng)工作。索塔外部檢修系統(tǒng)詳見圖12。對(duì)斜拉索在運(yùn)營(yíng)期根據(jù)需要購(gòu)置附著式自動(dòng)爬升機(jī)器人進(jìn)行斜拉索表面狀態(tài)全方位檢查。在橋墩頂設(shè)置有檢修平臺(tái)，從檢查車和橋面進(jìn)入墩頂，實(shí)施支座、伸縮縫及阻尼裝置的檢修和更換。

圖11 梁內(nèi)檢查車Fig.11 Inspection gantry inside girder

圖12 索塔外部檢修系統(tǒng)Fig.12 Checking and repairing system external to tower

3.11 基于120年設(shè)計(jì)使用壽命目標(biāo)的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[9]

為保證主體結(jié)構(gòu)的120年設(shè)計(jì)使用壽命，制定了總體保證策略包括：a.設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)；b.采用有利于壽命的高性能材料；c.采用“四化”施工方法；d.采用提升或者保障耐久性的防護(hù)措施；e.注重并改善利于耐久性的細(xì)節(jié)構(gòu)造設(shè)計(jì)；f.加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)期管養(yǎng)、維護(hù)維修、更換等的考慮并制定有效措施。

耐久性設(shè)計(jì)首先根據(jù)其所處海洋環(huán)境確定了工程環(huán)境分類與作用等級(jí)，基于橋梁主體結(jié)構(gòu)120年的設(shè)計(jì)使用壽命需求，研究制定了各構(gòu)件設(shè)計(jì)使用壽命；進(jìn)而從原材料要求、各構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)及氯離子擴(kuò)散系數(shù)要求、各構(gòu)件鋼筋凈保護(hù)層厚度、各構(gòu)件裂縫寬度限制、各構(gòu)件附加防腐蝕措施等方面開展了詳細(xì)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)；從材料的選擇、表面防腐涂裝技術(shù)措施、內(nèi)部除濕系統(tǒng)等方面開展了鋼結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)；對(duì)所有附屬構(gòu)件或附屬工程同樣開展了耐久性設(shè)計(jì)或提出要求。

耐久性設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工作，與結(jié)構(gòu)、材料、工藝設(shè)計(jì)密切相關(guān)，且貫穿于建造、運(yùn)營(yíng)維養(yǎng)全過程，集宏觀和細(xì)節(jié)為一體，系統(tǒng)龐大、內(nèi)容繁雜，以下簡(jiǎn)介主要耐久性措施：a.鋼管復(fù)合樁采用高性能環(huán)氧涂層和犧牲陽極陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)。b.預(yù)制構(gòu)件下節(jié)段墩身全部鋼筋采用高性能雙層環(huán)氧樹脂涂層鋼筋，中、上墩身外層鋼筋及其拉筋、支座墊石鋼筋采用高性能單層環(huán)氧樹脂涂層鋼筋；現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件對(duì)索塔下塔柱及下橫梁的外層鋼筋及其露頭的拉筋、各類支座（阻尼裝置）墊石采用耐海洋腐蝕不銹鋼鋼筋。不銹鋼筋的綁扎鋼絲采用直徑1.2 mm柔軟的不銹鋼絲。c.預(yù)制墩身內(nèi)外表面、索塔、承臺(tái)外表面均采用硅烷浸漬。d.所有鋼結(jié)構(gòu)均進(jìn)行油漆涂裝防腐。其中，鋼箱梁外表面采用“環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧云鐵中間漆+氟碳面漆”體系，內(nèi)表面采用“環(huán)氧富鋅底漆+環(huán)氧厚漿漆+除濕系統(tǒng)”體系。

4 結(jié)語

港珠澳大橋的綜合建設(shè)技術(shù)難度和水平是世界級(jí)的。如何建成“景觀美、品質(zhì)高、壽命長(zhǎng)”的精品工程，甚至成為里程碑式的經(jīng)典之作，必須積極主動(dòng)、因地制宜、實(shí)事求是地提升建設(shè)理念、踐行創(chuàng)新技術(shù)、深化細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，這是我國(guó)橋梁建設(shè)水平與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距所在，也是努力的方向。為此，在總體設(shè)計(jì)理念指導(dǎo)下，開展了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，以期為實(shí)現(xiàn)港珠澳大橋的宏偉建設(shè)目標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并為國(guó)內(nèi)后續(xù)橋梁工程提供示范。港珠澳大橋主體工程的橋梁工程于2012年5月開工，目前，項(xiàng)目施工正按計(jì)劃順利進(jìn)行之中，預(yù)計(jì)2016年底建成通車。

[1] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合體.港珠澳大橋初步設(shè)計(jì)[R].2009.

[2] 中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合體.港珠澳大橋橋梁DB01標(biāo)施工圖設(shè)計(jì)[R].2012.

[3] 中鐵大橋勘察設(shè)計(jì)院有限公司聯(lián)合體.港珠澳大橋橋梁DB02標(biāo)施工圖設(shè)計(jì)[R].2012.

[4] 嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，1996.

[5] 劉士林，梁智濤.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[6] 陳明憲.斜拉橋的建造技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004.

[7] 鐘善桐.鋼管混凝土中鋼管與混凝土的共同工作[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，34(1)：6-10.

[8] 韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

[9] 孟凡超，吳偉勝，劉明虎，等.港珠澳大橋橋梁耐久性設(shè)計(jì)創(chuàng)新[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2010(6)：11-27.

The design philosophy and bridge’s technical innovation of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge

Meng Fanchao，Liu Minghu，Wu Weisheng，Zhang Gejun，Zhang Liang
(CCCC Highway Planning and Design Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China)

This article introduces the project overview，construction goal and design philosophy of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge.Based on large scale，factory production，standardiza-

U44

A

1009-1742(2015)01-0027-09

2013-07-10

孟凡超，1959年出生，男，四川遂寧市人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究；E-mail：mengfanchao@hpdi.com.cn