1.概況
青馬大橋雄偉壯觀,是目前世界最長(zhǎng)的公鐵兩用懸索橋。大橋橫跨香港青衣島及馬灣島之間寬約兩公里的馬灣海峽,是通往赤鱲角香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)之青嶼干線上最顯要部分。大橋位處繁忙的馬灣航道之上,水深達(dá)30m。香港位于亞熱帶,年平均氣溫和總降雨量分別為23°C和2214mm,每年平均受15個(gè)臺(tái)風(fēng)吹襲,最高風(fēng)速達(dá)每小時(shí)118km。
圖1 - 青馬大橋全景
主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
(1) 雙層主梁 : 上層六車道高速公路
下層全天候雙單線車道及雙軌鐵路
(2) 設(shè)計(jì)使用年限 : 120年
(3) 設(shè)計(jì)交通速度 : 公路:100km/h
鐵路:135km/h
(4) 主梁寬度 : 41m
(5) 荷載標(biāo)準(zhǔn)
車輛荷載 : HA + 45單位HB (根據(jù)英國(guó)運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)BD37/88)
鐵路荷載 : RL (根據(jù)英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS5400 第二冊(cè))
設(shè)計(jì)風(fēng)速 : 85m/s陣風(fēng)、50m/s平均時(shí)速
船舶撞擊荷載 : 220,000噸級(jí)海輪于時(shí)速8浬之撞擊
地震基本烈度 : 修訂麥加利烈度表7級(jí)
(6) 通航凈空 : 凈高62m,凈寬1000m
2.整體設(shè)計(jì)規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)
大橋的設(shè)計(jì)規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)香港特別行政區(qū)路政署的「公路及鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)」而制訂的。同時(shí)根據(jù)英國(guó)有關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變及撓度的標(biāo)準(zhǔn),以及設(shè)計(jì)、制造及建造方面的工作守則,再加以修改,訂出切合香港情況的設(shè)計(jì)規(guī)范。當(dāng)中亦包括香港的氣象、地震、地質(zhì)及水文等各方面的數(shù)據(jù)和資料。
設(shè)計(jì)的一大目標(biāo)是確保通往大嶼山的通道在任何天氣情況下均可開放使用。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo),設(shè)計(jì)師將兩條鐵路路軌置于大橋不受風(fēng)雨影響的下層,并在路軌兩旁興建密封的行車道(圖2)。
圖2– 主梁橫斷面
設(shè)計(jì)工作上最主要的挑戰(zhàn)是大橋需要承托機(jī)場(chǎng)鐵路的高速列車所導(dǎo)致的縱向、側(cè)向及旋轉(zhuǎn)位移,這決定了大橋的整體支承體系和形態(tài);而大橋的詳細(xì)接合方法則主要取決于大橋極大的疲勞荷載。其它設(shè)計(jì)限制包括:必須保持海上和空中的航道暢通無(wú)阻、防止船只意外誤撞橋塔、抵御臺(tái)風(fēng),以及克服在潮水流動(dòng)急速的深海中施工所構(gòu)成的困難。設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的一環(huán)要算是計(jì)算大橋所須承受的風(fēng)力,過(guò)程牽涉大量計(jì)算工作,有關(guān)人員更在英國(guó)和加拿大進(jìn)行多次風(fēng)洞測(cè)試。計(jì)算及測(cè)試結(jié)果證實(shí)大橋能抵御風(fēng)速達(dá)342km/h的臺(tái)風(fēng),而在任何施工階段及竣工后,均能保持穩(wěn)妥堅(jiān)固。
3.大橋支承體系
大橋全長(zhǎng)2,160m,主跨1,377m,為雙跨懸吊式連續(xù)梁懸索橋。主梁結(jié)構(gòu)布置為流線形體中央開孔雙向鋼桁架加勁梁,大橋巨大的荷載由兩條直徑約1.1m的主纜及兩座高206m的鋼筋混凝土橋塔承托,每條主纜錨固在兩座采用重力式結(jié)構(gòu)的巨型錨碇。每組吊索由四根豎直的75mm直徑鋼絲繩組成。
從馬灣端開始,橋跨布置為63m + 76.5m + 355.5m +1,377m + 72m + 72m + 72m + 72m = 2,160m(圖3)。大橋兩端邊跨的結(jié)構(gòu)布置顯著不同,馬灣懸吊邊跨由馬灣錨碇及兩座橋墩支撐。至于青衣邊跨由于通往青衣引道須逐步擴(kuò)闊(圖1),以容納延伸向三號(hào)干線交匯處的引路,若采用懸扣方式支撐漸寬的主梁,必須制造懸吊纜索的特別接駁構(gòu)件,在施工上會(huì)增加一定的困難和風(fēng)險(xiǎn)。另外由于青衣邊跨建于陸地上,所以最終采用橋墩來(lái)支承,這方案也比較經(jīng)濟(jì)。
圖3 – 橋型布置
為滿足因荷載、溫度及風(fēng)力所產(chǎn)生的橋跨位移及達(dá)至高速平穩(wěn)的行車要求,大橋主梁結(jié)構(gòu)采用連續(xù)梁,全橋縱向位移錨固在馬灣橋臺(tái),使大橋之伸縮集中在設(shè)有大位移行車道及鐵路伸縮縫的青衣活動(dòng)端,該伸縮縫的伸縮量達(dá)±750mm,是世界上同類型中最大之一。大橋主梁通過(guò)青衣及馬灣橋塔時(shí)分別支承在橋塔最低橫梁上的滑動(dòng)和旋臂式支座,采用兩種不同的支座,是由于主跨主梁在某些荷載模式下,近馬灣的橋面可能會(huì)向上傾斜,故須使用旋臂式支座來(lái)應(yīng)付這種情況,相對(duì)來(lái)說(shuō),由于青衣旁跨建于橋墩上,可起穩(wěn)定作用,故減低近青衣的主梁向上挑起的可能。此外,安裝在橋塔支柱內(nèi)側(cè)的預(yù)壓滑動(dòng)及可調(diào)整支座限制了大橋在橋塔支柱內(nèi)側(cè)的橫向擺動(dòng)幅度。
4.主橋結(jié)構(gòu)
(1)錨碇
大橋錨碇采重力式設(shè)計(jì),憑錨碇本身重量承受每根主纜逾5萬(wàn)噸的巨大拉力。位于青衣的錨碇重約20萬(wàn)噸,深藏地下(圖4);而馬灣錨碇則局部埋藏于地下,重約250000t。錨碇狀似一個(gè)嵌入石床內(nèi)的混凝土箱,錨碇的底部建有永久排水道。主纜錨固采用前錨式,具錨固容易、檢修和保養(yǎng)方便等優(yōu)點(diǎn),纜束索靴透過(guò)兩根螺栓固定在鋼板上,再通過(guò)兩束加上400t預(yù)應(yīng)力拉索將纜力傳至錨體。
圖4- 青衣的錨碇截面
馬灣錨碇的挖掘工程比較簡(jiǎn)單,只需掘至地下約20m深,在纜束斜張室底部的石面,挖成一層層向上傾斜的闊大梯級(jí),以增加錨碇憑自重產(chǎn)生的抗拉力;而青衣錨碇因地形所限,必須建于山坡上一個(gè)深入地下約50m的漏斗形深坑(圖5)。挖掘工程歷時(shí)五個(gè)月,涉及爆破巖石約共300000 m3。
圖5 – 青衣錨碇的深坑
(2)橋塔基礎(chǔ)
大橋橋塔高206m,支承主纜及其荷載。組成橋塔的一對(duì)支柱建于混凝土地基上。每個(gè)地基承受最大荷載超逾100000t。由于海水含鹽份和活性化學(xué)物質(zhì),為防海水滲入地基的混凝土以致侵蝕鋼筋,所有鋼筋均涂上環(huán)氧樹脂保護(hù)層。
青衣橋塔地基直接建于岸邊堅(jiān)穩(wěn)的巖石上。每條橋塔支柱分別由長(zhǎng)27m、寬19m及厚7m的鋼筋混凝土地基支承。地基底部約在水深2m處。青衣橋塔地基臨海建造,四周再筑起混凝土海堤,可防止橋塔支柱被重型船舶直接碰撞。而馬灣橋塔地基則建于海床,水深達(dá)12至14m。建造時(shí)首先將地基范圍內(nèi)的淤泥挖走,然后在水中進(jìn)行爆破工作,在海床巖石上造成兩個(gè)約1m深的凹槽,以便放置兩個(gè)鋼筋混凝土沉箱。每個(gè)沉箱長(zhǎng)約28m及寬20m。這兩個(gè)沉箱在一艘可半潛的躉船上并排建成(圖6),利用灌水法將躉船上的沉箱滑下,當(dāng)拖至預(yù)定位置時(shí),開啟沉箱底部12個(gè)臨時(shí)密封裝置讓水淹進(jìn),使沉箱安放于海底石床的凹槽上。與青衣橋塔的船舶防撞設(shè)施一樣,橋塔四周筑建人工島以防止橋塔支柱被船只直接碰撞。
圖6– 馬灣橋塔地基沉箱
(3)橋塔
橋塔的形狀經(jīng)過(guò)審慎設(shè)計(jì),顧及整體建筑比例,以柔和的弧線向上收窄(圖7),橋塔用鋼筋混凝土建造,高206m,最大荷載約為40000t。馬灣橋塔和青衣橋塔各有兩條支柱,由四道橫梁連成一體。每座橋塔各有兩個(gè)豎井,其一裝有升降機(jī),另一建有爬梯及工作臺(tái)。支柱頂安放鑄鋼鞍座及不銹鋼上蓋覆罩。
圖7– 橋塔外型
橋塔支柱是采用滑模建造法成對(duì)建造,歷時(shí)約三個(gè)月(圖8)。滑模上移速度為每日1至3m,故此混凝土的成份須經(jīng)特別設(shè)計(jì),確?;炷烈赃m當(dāng)?shù)乃俣饶?。橫梁及鞍座底座的灌筑工程另需時(shí)約三個(gè)月。在建筑期間,橋塔支柱必須能抵御臺(tái)風(fēng)或狂風(fēng)吹襲;為此,承建商預(yù)先制造橋塔模型進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試,以確保在預(yù)計(jì)風(fēng)力吹襲下,整座橋塔均安全穩(wěn)固。
圖8– 建造中之馬灣橋塔
兩座橋塔的頂部合共裝上四個(gè)鞍座,每個(gè)重約500t,采三節(jié)分體式結(jié)構(gòu),以減低吊裝能力的限制。鞍座下裝有格床,格床與鞍座之間設(shè)有一個(gè)滑動(dòng)支座,用螺栓鎖緊。在架設(shè)主梁時(shí),主纜的拉力會(huì)逐步增加,但磨擦力使主纜不能在鞍座內(nèi)槽上滑動(dòng),引致主纜將橋塔頂拉向主跨,造成橋塔支柱撓曲。為預(yù)防橋塔支柱過(guò)度撓曲,以致支柱承受過(guò)大應(yīng)力,滑動(dòng)支座在工程進(jìn)行時(shí)是松開的,使原先偏向旁跨兩邊的鞍座能夠被頂回橋塔的中心,從而令橋塔頂回原位。頂回的工序在架設(shè)主梁時(shí)分三個(gè)階段進(jìn)行,鞍座的最大位移量為1200mm,當(dāng)工程完竣后、滑動(dòng)支座即被永久鎖緊。
(1) 主纜
大橋主纜采用空中絞織法建造,此方法是在工地將逐條鋼絲絞合制成主纜。鋼絲由絞織盤牽引反復(fù)來(lái)回于兩個(gè)錨碇之間,織成纜束繼而成纜。旁跨共有97組纜束,而主跨則有91組。每組纜束鋼絲數(shù)目略有不同,但一般為368根。兩條主纜均由5.38mm直徑的鍍鋅高拉力鋼絲平衡并列織成。在主跨部分,每條主纜索由33,400根鋼絲組成。但在邊跨部份,由于主纜角度陡峭,主纜需承受較大拉力,因此組成主纜索的鋼絲多達(dá)35,224根。主纜從橋塔頂端陡直而下穿過(guò)斜壁,進(jìn)入錨碇內(nèi)的纜束斜張室,經(jīng)過(guò)散展鞍座后分成多組纜束,每組纜束回繞由鋼鑄成的半月形纜束索靴將纜力傳至錨體。絞織工序歷時(shí)共九個(gè)月完成(圖9)。
圖9– 調(diào)整主纜鋼絲垂度
絞織工序完成后,緊纜工作隨即展開(圖10)。兩條主纜均被壓縮成圓形并用鋼制的臨時(shí)箝帶捆扎。壓縮機(jī)內(nèi)安裝了六個(gè)250t的向心壓頭,能夠?qū)⒅骼|壓縮至大約1.1m直徑。緊纜完成后,主纜裝上244個(gè)由兩半月形鑄鋼組成的索夾,以螺栓鎖緊。因青衣引跨主纜沒(méi)有裝置吊索,只需54個(gè)索夾鎖緊主纜,其余190個(gè)索夾的槽溝回掛著兩條直徑為75mm的鍍鋅鋼絲繩,形成每組四根纜索吊索(圖11),合共760根懸吊纜索。
圖10 – 緊纜工作進(jìn)行中
圖11– 索夾及吊索布置
圖12 – 主梁結(jié)構(gòu)透視
圖13– 主梁吊裝
在防腐措施方面,每條主纜均涂上紅鉛漆并用上直徑3.5mm的鍍鋅鋼絲包捆(后頁(yè)圖14)。主纜包捆妥當(dāng)后,再髹上六層保護(hù)漆。完成后的主纜直徑為1.1m,總長(zhǎng)約4.4km,總重接近26,700t。
(2) 主梁
大橋主梁寬41m及厚7.2m,采用首創(chuàng)及別具特色的流線型體中央開孔雙向鋼桁架結(jié)構(gòu)(圖12),縱向及橫向分別采用華倫式及空腹式桁架,上及下層橋面鋪上正交異性鋼板,具自重輕及剛度大的優(yōu)點(diǎn)。主梁采用翼剖面形設(shè)計(jì),兩邊外緣裝上流線型不銹鋼覆面及經(jīng)特別設(shè)計(jì)的風(fēng)咀,以便令氣流轉(zhuǎn)向。主梁在上下層橋面中央預(yù)留一道氣隙,可提高主梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性。
香港位處臺(tái)風(fēng)地帶,風(fēng)力強(qiáng)大。此外,由于橋面寬及跨度大,為確保大橋具抗風(fēng)穩(wěn)定性,主梁須進(jìn)行節(jié)段和全橋氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn),對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行了全面的分析研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,施工狀態(tài)在最不利的 +5° 風(fēng)攻角時(shí)的顫振臨界風(fēng)速在低紊流度(Iu = 9%)和高紊流度(Iu = 16%)分別大于48m/s及45m/s;成橋狀態(tài)在 0° 風(fēng)攻角時(shí)顫振臨界風(fēng)速大于95m/s,完全滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。
主梁組件共用逾49,000t優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼建造。在95件主梁節(jié)段中,大部份均為18m長(zhǎng)。主梁吊裝采節(jié)段架設(shè)方法,由大型駁船運(yùn)至預(yù)定位置,然后垂直吊裝。為使工地架設(shè)工作更快完成,每?jī)晒?jié)段預(yù)先嵌接成36m,重1,000t組件然后順序吊裝。架設(shè)工程在主跨中央對(duì)稱逐步向兩側(cè)橋塔推進(jìn)(圖13)。主梁組件由鋼絞線起重機(jī)吊放,開創(chuàng)了吊橋工程的先河。
為減少焊接變形和有利于焊接應(yīng)力釋放,已架梁段之間通過(guò)每個(gè)節(jié)段兩端的工地匹配件臨時(shí)連結(jié),以滿足抗風(fēng)穩(wěn)定要求。在架設(shè)約六成梁段后,梁段成橋線形接近設(shè)計(jì)線形,此時(shí)開始焊接部分上下層橋面鋼板,繼而用螺栓將各段桁架連接,最后再進(jìn)行焊接,逐一固接梁段。最后一節(jié)梁段的架設(shè)必須將整段已架設(shè)梁段拉后400mm,以便有足夠的間隙待嵌。梁段架接歷時(shí)八個(gè)月完成。
5.車道鋪裝
為減少大橋的靜載,車道鋪裝物料均采用特制材料,上層車道鋪裝采用40mm厚瀝青馬蹄脂,此物料使用特里尼達(dá)湖瀝青混合石油瀝青和碎石料制成,具低溫抗裂和高溫穩(wěn)定特性,除堅(jiān)固耐用外,也可提供舒適的行車路面。鋪裝表面灑上花崗巖碎石,加強(qiáng)車道防滑作用。為防止水份滲透而侵蝕鋼橋路板,在鋪筑瀝青馬蹄脂前,鋪上經(jīng)特別設(shè)計(jì)的防水膠膜(圖14),可抵御施工時(shí)達(dá)220-240°C高溫。下層車道使用量較少,只在緊急事故或修護(hù)時(shí)使用,因此,鋪裝物料選用7mm厚環(huán)氧樹脂鋼沙料,可進(jìn)一步減輕主梁靜載。
圖14 – 車道防水膠膜鋪裝及主纜防腐進(jìn)行中主梁吊裝中
6.橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
為了監(jiān)測(cè)大橋的結(jié)構(gòu)健康和進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估工作,大橋上安裝了一套橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)「簡(jiǎn)稱為橋監(jiān)系統(tǒng)」。其作用是監(jiān)測(cè)大橋在使用期間結(jié)構(gòu)健康變化和進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估,以作出相應(yīng)的應(yīng)變措施,例如進(jìn)行特別檢查和維修等工作。結(jié)構(gòu)健康是指結(jié)構(gòu)的可靠性,其中包括結(jié)構(gòu)承載能力、狀態(tài)和耐久能力等。而結(jié)構(gòu)評(píng)估工作是指利用特定訊息,分析既有橋梁的可靠性并作出隨后的修護(hù)決策。
橋監(jiān)系統(tǒng)主要由六個(gè)系統(tǒng)組成并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系運(yùn)作。這六個(gè)系統(tǒng)包括:(1) 傳感器系統(tǒng)、(2) 訊息收集及傳送系統(tǒng)、(3) 訊息處理和分析系統(tǒng)、 (4) 結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)、(5) 結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、及 (6) 檢查及維修系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)主要是指安裝在大橋內(nèi)約350個(gè)傳感器及有關(guān)附件,其中包括風(fēng)速儀、加速儀、應(yīng)變儀、位移儀、溫度儀、水平儀、車軸車速儀、全球定位儀、訊息放大處理器和串聯(lián)接口等。訊息收集及傳送系統(tǒng)安裝在大橋內(nèi)三個(gè)由微型計(jì)算器控制的訊息收集站,收集傳感器傳來(lái)的訊息并將之?dāng)?shù)據(jù)化,然后利用光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至訊息處理和分析系統(tǒng)中,進(jìn)行初步分析,并將已處理和分析訊息輸送至結(jié)構(gòu)健康評(píng)估系統(tǒng)中,進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)估工作。
7.主要技術(shù)特點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)
(1)青馬大橋是目前世界最長(zhǎng)的公鐵兩用懸索橋,現(xiàn)已成為香港的新地標(biāo)。整項(xiàng)工程計(jì)劃在非常緊迫的時(shí)限下完成,以當(dāng)時(shí)建筑規(guī)模及復(fù)雜程度上,能夠在僅僅五年內(nèi)建成,尤其難能可貴。大橋的建成,成功地體現(xiàn)由世界十七個(gè)不同國(guó)家的工程人員攜手合作的成果。
(2)大橋主梁創(chuàng)新采用從未結(jié)合的工程方案,使用別具特色的流線型體中央開孔雙向鋼桁架結(jié)構(gòu),流線型體橋身加上獨(dú)特的中央通風(fēng)隙設(shè)計(jì)有效地減低主梁底面風(fēng)致壓差,大大提高主梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性。另外主梁下層采用全天候密封式設(shè)計(jì),確保公鐵交通在惡劣天氣情況下仍可運(yùn)作。
(3)另一創(chuàng)舉是在大橋內(nèi)安裝了齊備的監(jiān)察儀器,利用計(jì)算機(jī)分析監(jiān)察結(jié)果,藉此監(jiān)察及預(yù)測(cè)大橋的結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn),無(wú)疑大大推進(jìn)橋梁監(jiān)察技術(shù)的發(fā)展。
(4)大橋主纜是世界上使用空中絞織法建成中最大的。另外大橋設(shè)置的大位移行車道及鐵路伸縮縫,是世界上同類型中最大之一。
(5)大橋首創(chuàng)采用安裝在主纜上的鋼絞線起重機(jī)吊裝重達(dá)1000噸的主梁組件,大大提高吊裝能力,從而縮減吊裝工時(shí),達(dá)至加快建筑速度,對(duì)海上交通影響減至最低。
(6)大橋上安裝了一套精密的交通控制及監(jiān)察系統(tǒng),達(dá)至高效管理及提升道路安全水平,確保大橋及鄰近的道路網(wǎng)絡(luò)交通暢順。
青馬大橋在橋梁技術(shù)上除達(dá)至國(guó)際級(jí)水平外,更在多方面技術(shù)上擠身世界領(lǐng)先地位。大橋更在一九九七年囊括兩項(xiàng)英國(guó)建筑大獎(jiǎng),在172項(xiàng)參選工程中,榮獲英國(guó)建造業(yè)土木工程獎(jiǎng)及英國(guó)建造業(yè)榮譽(yù)獎(jiǎng)。除上述獎(jiǎng)項(xiàng)外,青馬大橋也榮獲一九九七年度英國(guó)結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會(huì)特別獎(jiǎng)及一九九八年度鋼料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獎(jiǎng),更被選定為英國(guó)千禧年產(chǎn)品。一九九九年,日本土木學(xué)會(huì),‘田中賞’;二零零零年為香港十大杰出工程項(xiàng)目選舉之冠軍;二零零四年,中國(guó)土木工程學(xué)會(huì),橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會(huì),選為“全國(guó)十佳橋梁”之一。
8.有關(guān)資料
橋名 : 青馬大橋
橋型 : 雙塔雙跨懸吊式連續(xù)鋼桁架公鐵兩用懸索橋
主跨徑 : 1377m
橋址 : 香港特別行政區(qū)馬灣海峽
建設(shè)單位 : 香港特別行政區(qū)路政署 (Highways Department, Hong Kong SAR Government)
設(shè)計(jì)單位 : 萬(wàn)隆工程師顧問(wèn)香港有限公司 (Mott MacDonald Hong Kong Limited)
施工單位 : 英高日建筑聯(lián)營(yíng)所(由特法佳建筑(亞洲)有限公司、高捷達(dá)土木工程有限公司及三井物業(yè)有限公司聯(lián)營(yíng))(Anglo Japanese Construction Joint Venture comprising Trafalgar House Construction (Asia) Limited, Costain Civil Engineering Limited and Mitsui and Company Limited)
混凝土用量 : 橋塔52,000 t、青衣錨碇200,000 t、馬灣錨碇250,000 t
鋼材用量 : 主纜26,700 t、主梁49,000 t
造價(jià) : 約70.6億港元
建成日期 : 1997年5月