1 工程概況
港珠澳大橋主體工程由東、西人工島、海底沉管隧道及橋梁工程組成，總長(zhǎng)約29.9km。其中，橋梁工程長(zhǎng)約22.5km，由青州航道橋、江海直達(dá)船航道橋、九洲航道橋、深水區(qū)非通航孔橋、淺水區(qū)非通航孔橋及珠澳口岸連接橋等組成，里程樁號(hào)為K13+413—K35+890。按里程樁號(hào)劃分，橋梁工程共分三個(gè)土建施工標(biāo)（CB03、CB04及CB05）和兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)制造標(biāo)（CB01與CB02，對(duì)應(yīng)CB03和CB04標(biāo)），其中淺水區(qū)CB05標(biāo)含土建與鋼結(jié)構(gòu)制造。橋區(qū)建設(shè)條件復(fù)雜，航線多船行密度大，需穿越環(huán)境敏感區(qū)，環(huán)保要求高；水域涌浪大、大風(fēng)多、臺(tái)風(fēng)頻；巖面起伏大，地質(zhì)條件較差；需越崖13-1氣田管線；海洋環(huán)境腐蝕強(qiáng)，耐久性要求高。
深水區(qū)非通航橋上部結(jié)構(gòu)均采用110m跨整幅大懸臂等截面連續(xù)鋼箱梁體系，標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)為六跨一聯(lián)，CB03標(biāo)共計(jì)68跨，CB04標(biāo)共56跨。鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)梁寬33.1m，高4.5m，鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖1-1。大節(jié)段箱梁凈重約1600～2600t。
圖1-1 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：mm）
2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與原則
2.1 主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
港珠澳大橋主體工程按時(shí)速100km/h、雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)使用壽命為120年，汽車荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004）汽車荷載提高25%用于設(shè)計(jì)計(jì)算，并按香港《United Kingdom Highways Agency’s Departmental Standard BD 37/01[d1] 》（英國(guó)公路局部門標(biāo)準(zhǔn)BD37/01）汽車荷載進(jìn)行復(fù)核；其抗風(fēng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：運(yùn)營(yíng)階段設(shè)計(jì)重現(xiàn)期120年，施工期重現(xiàn)期30年；地震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震基本烈度為 VII 度，采用如下的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)（重現(xiàn)期）：
工作狀態(tài)：120年
極限狀態(tài)：非通航孔橋600年
結(jié)構(gòu)完整性狀態(tài)：2400年
3 鋼箱梁設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)
3.1 鋼箱梁設(shè)計(jì)
港珠澳大橋深水區(qū)非通航孔橋首次在國(guó)內(nèi)采用了大懸臂單箱雙室箱梁結(jié)構(gòu)，為了應(yīng)對(duì)目前業(yè)界普遍擔(dān)心的正交異性橋面板焊縫疲勞問題及鋼橋面鋪裝問題。在設(shè)計(jì)上，采取了諸多強(qiáng)化技術(shù)措施。一是板材厚度強(qiáng)化設(shè)計(jì)，尤其是頂板進(jìn)行加厚設(shè)計(jì)，較崇啟大橋的16mm-22mm增至18mm-24mm；二是構(gòu)造上強(qiáng)化，采用了4.5m梁高，高跨比達(dá)1/24.4；采用與南京四橋和鄂東長(zhǎng)江大橋相同形式的U肋構(gòu)造，頂板U肋高度由以往的280mm增加為300mm，下口寬度由170mm增至180mm；箱梁橫隔板間距10m ,兩道橫隔板之間增設(shè)三道橫肋板，其間距為2.5m（以往鋼箱梁采用3. 5m間距；現(xiàn)場(chǎng)及工廠箱梁節(jié)段連接均采用以焊接為主的栓焊組合方式，除頂板U肋、板肋采用栓接外，其余均為焊接連接。
圖3-1-1 U肋斷面圖
下表為針對(duì)U肋及橋面板剛度計(jì)算對(duì)比分析。從中可知，港珠澳大橋正交異性鋼橋面板剛度較以往鋼箱梁橋梁有了較大提高。
表3-1-1 U肋主要尺寸對(duì)比
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港珠澳大橋
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國(guó)內(nèi)其他鋼橋
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頂板最小厚度
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18 mm
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14～16 mm
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頂板U形加勁肋高度
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300 mm
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280 mm
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橫隔板間距
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設(shè)置了橫肋板，間距2.5 m
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3.5 m左右
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表3-1-2 橋面板剛度計(jì)算對(duì)比
頂板厚度(mm)
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18
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16
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14
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12
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要求
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肋間相對(duì)撓度(mm)
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0.15
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0.18
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0.21
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0.24
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≤0.4
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肋間曲率半徑(m)
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38
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32
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27
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24
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≥20
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為了確保箱梁制作質(zhì)量，設(shè)計(jì)單位在國(guó)內(nèi)首次對(duì)鋼箱梁各部件焊縫接頭型式、坡口要求及焊接方法、適用位置等在施工圖設(shè)計(jì)文件中進(jìn)行了具體明確和規(guī)定。此做法從具體實(shí)施情況看，尚值得商榷。從設(shè)計(jì)角度，鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量似乎得到保障，卻也給制造單位帶來了較多制約，一定程度上限制了制造單位的技術(shù)應(yīng)用空間。
其次，深水區(qū)非通連續(xù)鋼箱梁采用了較鈍的氣動(dòng)外形，通過1:50 主梁節(jié)段模型、1:20 主梁節(jié)段模型，以及1:70 全橋氣彈模型試驗(yàn)，顯示主梁在不同風(fēng)速發(fā)生豎向渦激共振結(jié)果基本一致，主要集中在27m/s 風(fēng)速以后，在35m/s 左右、風(fēng)攻角為+3°時(shí)出現(xiàn)第一個(gè)豎向渦激共振區(qū)振幅的最大值，最大超過100mm。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，成橋狀態(tài)一階對(duì)稱豎彎共振的振幅容許值為50mm。由此，勢(shì)必影響橋面行車舒適性和鋼結(jié)構(gòu)的疲勞性能。為此，借助風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)氣動(dòng)制振措施與機(jī)械制振措施的綜合比較，認(rèn)為兩種措施在技術(shù)上均可行。如采用橋面兩側(cè)增設(shè)導(dǎo)流板措施雖具有構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單、初期總投資較小的特點(diǎn)，但其適應(yīng)頻帶寬度范圍窄、頻率不具可調(diào)性，且對(duì)橋梁景觀具有一定的影響；考慮調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD[d2] 技術(shù)本身在國(guó)外已應(yīng)用成熟，且具有參數(shù)可調(diào)性、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，并兼顧工程進(jìn)展實(shí)際情況，最終采用在箱梁內(nèi)部設(shè)置質(zhì)量比約0.4%的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器TMD以增加結(jié)構(gòu)阻尼比的機(jī)械措施。經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)安裝TMD后結(jié)構(gòu)的等效阻尼比超過1.0%，渦激振動(dòng)基本消失。
圖3-1-2 圓弧形導(dǎo)流板抑振措施
圖3-1-3 懸掛式TMD裝置（已用于崇啟大橋）
圖3-1-4 支撐式TMD裝置（已用于俄羅斯伏爾加河大橋）
3.2 鋼箱梁加工與制造
為了保障用鋼量高達(dá)42.5萬噸的鋼箱梁加工與制造質(zhì)量，提升我國(guó)橋梁鋼結(jié)構(gòu)制造水平，在板單元制造、鋼箱梁拼裝及鋼塔制造、涂裝等方面，采用了諸多新設(shè)備、新工藝及新技術(shù)。
其中，在板單元制造方面，采用了如下新技術(shù)和工藝，實(shí)現(xiàn)了工廠自動(dòng)化生產(chǎn)。
l 全部采用數(shù)控切割機(jī)下料、同時(shí)自動(dòng)劃線和打號(hào)技術(shù)；
l 鋼板邊緣和坡口加工，通過專用數(shù)控設(shè)備，以高精密的數(shù)控銑削工藝替代了傳統(tǒng)的人工手動(dòng)控制的刨削工藝；
l 坡口加工過程中以高速銑削替代了滾剪或者刨削，坡口面的粗糙度達(dá)到Ra12.5，鈍邊尺寸偏差控制在±0.5mm以內(nèi)，坡口角度偏差控制在±0.5°以內(nèi)，為確保U形肋與橋面板的組裝精度及根部焊接熔合質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。
l 自動(dòng)裝配定位焊接替代傳統(tǒng)定位手工焊接；
l U肋板單元和橫隔板機(jī)器人焊接替代傳統(tǒng)U肋板單元和橫隔板手工焊接；采用機(jī)械校正自動(dòng)化設(shè)備替代傳統(tǒng)人工火焰校正；
l U肋角焊縫首次采用先進(jìn)的相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)。
鋼結(jié)構(gòu)節(jié)段制造在廠房?jī)?nèi)采用多節(jié)段連續(xù)匹配組焊和預(yù)拼裝一次完成工藝。節(jié)段涂裝在涂裝房?jī)?nèi)進(jìn)行，涂裝房?jī)?nèi)配置通風(fēng)除塵、除濕加熱防爆照明等專用設(shè)備，保證環(huán)境符合涂裝工藝要求。對(duì)于鋼梁大節(jié)段拼接、鋼塔節(jié)段制造與拼裝也在廠房?jī)?nèi)采用長(zhǎng)線法進(jìn)行組拼。實(shí)現(xiàn)了“車間化”鋼結(jié)構(gòu)總拼作業(yè)；并采用無馬裝配總拼裝工藝，首次將數(shù)字化焊接機(jī)器人、無盲區(qū)焊接小車應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)總拼制造；采用群控焊接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等技術(shù)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化管理。建立了配備與產(chǎn)能配套的現(xiàn)代化打砂涂裝車間，配備經(jīng)濟(jì)、合理、舒適的通風(fēng)除塵、漆霧處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全天候噴涂作業(yè)[d3] 。
。
圖3-2-2 港珠澳大橋U肋板單元機(jī)器人焊接 圖3-2-3 良好的U肋焊接焊縫外觀質(zhì)量
圖3-2-4 單元生產(chǎn)車間布局 圖3-2-5 板單元存放
圖3-2-6 U肋角焊縫相控陣超聲波檢測(cè) 圖3-2-7 港珠澳大橋節(jié)段總拼車間
圖3-2-8 港珠澳大橋打砂涂裝車間 圖3-2-9 港珠澳大橋打砂涂裝除塵系統(tǒng)
3.3 箱梁架設(shè)與安裝施工
深水區(qū)CB03標(biāo)和CB04標(biāo)鋼箱梁架設(shè)均采用大型浮吊進(jìn)行逐跨整體吊裝安裝施工。其中，CB03標(biāo)梁除跨崖氣田管線橋2個(gè)邊跨大節(jié)段箱需采用“一航津泰”4000t浮吊和“東海工7號(hào)”2600t浮吊抬吊，其余大部分大節(jié)段箱梁均采用4000t浮吊單獨(dú)整體吊裝。
圖3-3-1 “一航津泰”4000t浮吊 圖3-3-2“東海工7號(hào)2600t浮吊
圖3-3-3 CB03標(biāo)已架鋼箱梁 圖3-3-4 跨崖氣田管線橋邊跨大節(jié)段采用雙浮吊抬吊示意圖[d4]
大節(jié)段鋼箱梁起吊作業(yè)需面對(duì)如下挑戰(zhàn)：
?。?）吊裝梁段數(shù)量多、重量大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，單浮吊起吊最大重量2800t（含臨時(shí)荷載），最大長(zhǎng)度達(dá)132.6m，雙抬吊最大梁段重達(dá)3200t（含臨時(shí)荷載），長(zhǎng)度達(dá)152.6m；海上起吊高度高，最大達(dá)45.3m；
?。?）海上作業(yè)受天氣海況影響大，安裝風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)浮吊起吊能力要求高；臨時(shí)吊點(diǎn)多，吊具需保證梁段安裝線形與局部應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。為此，采用鋼桁架式吊具，與鋼箱梁間采用串聯(lián)滑輪連接，保證吊點(diǎn)受力均勻，不需對(duì)某一吊點(diǎn)單獨(dú)調(diào)節(jié)；
?。?）鋼箱梁重心與結(jié)構(gòu)中心不重合，且安裝線形存在縱坡與平曲線，最大坡度2.0%，位于跨崖氣田管線橋及其左側(cè)梁段以及青州航道橋邊跨大節(jié)段右側(cè)梁段，吊裝過程中需精確的調(diào)整鋼箱梁的空間姿態(tài)，起吊難度大。為此，采用配重塊粗調(diào)，浮吊吊鉤微調(diào)。配重塊采用素砼塊，單個(gè)重量為5t，尺寸為1.43m*1.2m*1.2m。
圖3-3-5 132.6m長(zhǎng)梁段調(diào)整2%縱坡示意圖 圖3-3-6 配重塊布置示意圖[d5]
?。?）相鄰梁段接縫距離前一墩中心線23m，中跨及尾跨安裝梁段利用梁端牛腿臨時(shí)掛設(shè)于前一梁段懸臂端，吊裝風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)浮吊性能及現(xiàn)場(chǎng)組織均提出了較高要求。
為此，中間跨鋼箱梁安裝一端跨越墩頂（中間墩），另一端通過牛腿與已安裝鋼箱梁臨時(shí)搭接。牛腿調(diào)位裝置布置于鋼箱梁頂面，橫橋向布置，單片梁調(diào)位需布置3套。一套完整的牛腿調(diào)位裝置主要由以下幾部分組成：牛腿頭部調(diào)位支座、頭部滑移支座、牛腿本體、牛腿連接耳板、牛腿尾部支座等。單套牛腿調(diào)位支座包含300噸千斤頂2臺(tái)，位于牛腿調(diào)位支座兩側(cè)，60噸千斤頂4臺(tái)。
圖3-3-7 牛腿調(diào)位裝置千斤頂布置圖
圖3-3-8 牛腿架設(shè)位置圖
圖3-3-9 牛腿調(diào)位原理示意圖
同時(shí)，為確保高箱梁調(diào)位精度在墩頂設(shè)置了三向可調(diào)節(jié)千斤頂系統(tǒng)。過渡墩上布置2臺(tái)1000噸豎向千斤頂，分布于2個(gè)調(diào)位裝置外側(cè)，單個(gè)調(diào)位裝置內(nèi)布置100噸千斤頂2臺(tái)（其中1臺(tái)為橫橋向，1臺(tái)順橋向）。中間墩上布置4臺(tái)1000噸豎向千斤頂，分布于調(diào)節(jié)座外側(cè)；單個(gè)調(diào)位支座（共計(jì)2個(gè)）內(nèi)布置2臺(tái)100噸千斤頂（橫橋向）和1臺(tái)200噸的千斤頂（順橋向）。
圖3-3-10 過渡墩墩頂調(diào)位裝置布置示意圖 圖3-3-11中間墩墩頂平臺(tái)調(diào)位裝置布置[d6]
基于上述特點(diǎn)，箱梁安裝架設(shè)采用了逐跨架設(shè)、逐跨調(diào)位與焊接模式。值得一提的是，為了確保港珠澳大橋非通航孔橋在施工過程中結(jié)構(gòu)受力和變形始終處于安全范圍之內(nèi)，且成橋后主梁線形符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)恒載受力狀態(tài)接近設(shè)計(jì)期望，采用全過程幾何控制法進(jìn)行施工監(jiān)控。
對(duì)于CB04標(biāo)鋼箱梁的安裝方案，其技術(shù)思路與安裝工藝同CB03基本一致。所不同的是，采用的浮吊設(shè)備不同。對(duì)于其110m鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段及尾跨箱梁的吊裝，均采用“長(zhǎng)大海升” 3200噸起重船吊裝；而對(duì)于每聯(lián)首跨132.6m大節(jié)段，由于其節(jié)段自重達(dá)到2913噸，加上吊具等設(shè)備，吊裝總重量達(dá)到3700噸，需借助“正力2200”起重船與“長(zhǎng)大海升”起重船一起抬吊。
圖3-3-14 CB04標(biāo)首片鋼箱梁抬吊施工
3.4 鋼箱梁與組合梁造價(jià)比較
為便于110 m鋼箱梁與85m組合梁的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，根據(jù)深水區(qū)與淺水區(qū)橋梁工程概算造價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表3-4-1、表3-4-2所列。
由上表分析可知，就綜合單價(jià)而言，110m鋼箱梁與85m組合梁之比約1.1；從每平米造價(jià)而言，110m鋼箱梁與85m組合梁之比約1.2。
由上對(duì)比可知，與鋼箱梁相比，組合梁經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比鋼箱梁具有一定優(yōu)勢(shì)。如考慮施工安裝及質(zhì)量控制等方面，則組合梁不具優(yōu)勢(shì)。由于組合梁受吊裝重量限制，橫斷面需按雙幅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加組合梁制造、組合及施工安裝的工程量。同時(shí)，工程實(shí)踐表明，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)組合梁的施工安裝，較之標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)鋼箱梁要復(fù)雜的多。一是，組合梁結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是其橋面板與槽型鋼梁建的剪力釘群剛度無法準(zhǔn)確模擬，施工監(jiān)控難度相對(duì)大。二是組合梁體系轉(zhuǎn)換施工工序多、耗時(shí)長(zhǎng)，港珠澳大橋標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)組合梁比標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)鋼箱梁施工周期至少要多三個(gè)月。三是，組合梁負(fù)彎矩區(qū)橋面板需在現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)澆，其施工質(zhì)量控制難度大。因此，今后需要進(jìn)一步尋求優(yōu)化、改進(jìn)組合梁施工安裝工序與工藝，以提高其與鋼箱梁及常規(guī)預(yù)制PC混凝土梁的競(jìng)爭(zhēng)力。
4 結(jié)語
港珠澳大橋主體橋梁工程已于2013年全面開工建設(shè)，目前工程建設(shè)已進(jìn)入關(guān)鍵階段。在非通航孔橋鋼箱梁的設(shè)計(jì)與施工中，采用了諸多的新理念和方法，在實(shí)施過程克服了不少困難，也有了新的認(rèn)識(shí)。歸結(jié)起來，主要有以下幾點(diǎn)：
一、港珠澳大橋工程的實(shí)施提升了國(guó)內(nèi)鋼箱梁加工企業(yè)的制造水平和制造能力。特別是在板單元自動(dòng)化制造、單元裝配及機(jī)器人焊接、室內(nèi)長(zhǎng)線法拼裝、箱梁節(jié)段室內(nèi)涂裝、超聲波相控陣檢測(cè)等技術(shù)有了極大提升，群控焊接數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用提升了項(xiàng)目管理水平。
二、鋼箱梁大節(jié)段吊裝作業(yè)能力由杭州灣大橋、東海大橋的2000噸級(jí)提升到4000噸級(jí)水平，整體提升了我國(guó)海上橋梁工程大噸位構(gòu)件吊裝作業(yè)裝備能力和水平；
三、基于施工全過程幾何控制理念，形成了成套的多跨連續(xù)鋼箱梁施工監(jiān)控方法，確保大節(jié)段鋼箱梁加工制作及現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量；
四、在吸收國(guó)內(nèi)外已有鋼箱梁結(jié)構(gòu)規(guī)范成果基礎(chǔ)上，針對(duì)港珠澳大橋工程特點(diǎn)編制形成了成套大節(jié)段鋼箱梁加工制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
以上是筆者結(jié)合自身參與本項(xiàng)目的體會(huì)，限于篇幅和個(gè)人水平，文中觀點(diǎn)未必正確。借此拋磚引玉，引起業(yè)內(nèi)同行關(guān)注和探討交流。
