1.槪況
汲水門橋(圖1)是通往赤鱲角香港國際機(jī)場的公路及鐵路系統(tǒng)的主要部分之一，亦是連接青衣島及大嶼山之青嶼干線的重要一環(huán)。它位處大嶼山及馬灣島之間的汲水門水道，其水深達(dá)10~30m。
圖1 – 汲水門橋全景
香港位于亞熱帶，年平均氣溫和總降雨量分別為23oC 和2214mm，每年平均受15個臺風(fēng)吹襲，最高風(fēng)速達(dá)每小時118km。
主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
(1)雙層主梁公路： 上層六車道高速
下層全天候雙單線行車道及雙軌鐵路
(2)設(shè)計使用年限： 120年
(3)設(shè)計交通速度： 公路：100 km/h
鐵路：135 km/h
(4)橋梁寛度： 35 m
(5)荷載標(biāo)準(zhǔn)
車輛荷載： HA + 45單位HB (根據(jù)英國運輸部標(biāo)準(zhǔn)BD37/88)
鐵路荷載： RL (根據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400 第二冊)
設(shè)計風(fēng)速 ： 85 m/s陣風(fēng)、50 m/s平均時速
船舶撞擊荷載： 220,000噸級海輪于時速8浬之撞擊
地震基本烈度： 修訂麥加利烈度表7級
(6)通航凈空： 凈高45 m、凈寛300m
2.主橋結(jié)構(gòu)
汲水門橋全長820m，為雙塔雙索面六孔連續(xù)箱梁斜拉橋。從大嶼山端開始，橋跨布置為70m+2x80m+430m+2x80m=820m (圖2)， 主梁在馬灣橋塔采用塔梁固結(jié)體系。主跨梁為雙向鋼桁架及鋼筋混凝土橋面板混疊合式加勁箱梁(即桁架上下設(shè)有鋼筋混凝土橋面板)，邊跨梁為預(yù)應(yīng)力混凝土三孔箱梁，均高7.47m及寛35m。斜拉索索面按扇形布置，每一扇面由22對斜拉索組成，標(biāo)準(zhǔn)索距為8.7m；索塔采用雙柱H型設(shè)計，塔高150m，大嶼山索塔由長50.5m、寬16m和厚5m的鋼筋混凝土筏形地基支承，而馬灣索塔基礎(chǔ)則由兩支直徑4m和深26m的人工挖孔樁組成，上面澆注長51m，寬18m和厚5m的鋼筋混凝土樁帽。橋面鋪裝采用熱拌瀝青材料，提供了一個順暢、防滑及易于養(yǎng)護(hù)的行車路面。
圖2 – 橋型布置
(1)索塔基礎(chǔ)
索塔的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是整體設(shè)計中重要的一環(huán)，加上索塔自重，每個索塔基礎(chǔ)需承受荷載高達(dá)70,000t。
大嶼山索塔基礎(chǔ)(圖3)置于淺海巖石上。興建索塔基礎(chǔ)的工序包括豎立混凝土圍堰，在圍堰內(nèi)先挖出多余的巖石，再用強(qiáng)度35/20的混凝土填平地臺至水平0.0m，以供建造長50.5m、寬16m和厚5m的筏形基礎(chǔ)墩臺。索塔基礎(chǔ)四周筑起斜坡式堆石防波堤，可防止索塔被重型船舶直接碰撞。
圖3 – 大嶼山索塔基礎(chǔ)
為符合航道凈寬要求、善用天然岸磯作防衛(wèi)橋塔支柱被船只意外碰撞、以及選取堅實巖層支承索塔基礎(chǔ)的緣故，馬灣索塔基礎(chǔ)（圖4）定位在離岸邊35m的巖坡上，高出水平線約12m。雖然巖基十分堅實，但礙于臨海巖層急速傾斜，以致基礎(chǔ)臨海一方需使用兩根直徑4m及深26m的人工挖孔樁來支承，其余部份均由筏形基礎(chǔ)墩臺支承橋塔。
圖4 – 馬灣索塔基礎(chǔ)
(2)索塔
索塔外型雄偉而美觀，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高150m，釆用雙柱H型結(jié)構(gòu)(圖5)，通過三道橫梁將塔柱連為一體，拉索錨碇箱室則藏于索塔頂部內(nèi)壁，以便拉索安裝及日后檢查維修。
圖5– 大嶼山索塔
塔柱由下而上向內(nèi)微傾直達(dá)上橫梁，截面由9.0mx4.5m向上漸變至7.0mx4.5m，橋身繼而轉(zhuǎn)為垂直向上而截面維持不變。塔柱為單箱單室布置，短邊壁厚1.75m~2.5m，長邊壁厚1.0m~1.25m。全橋索塔共澆注混凝土19,600m3。大嶼山索塔的中橫梁上設(shè)有各四個豎向支座和側(cè)向限位支座；而馬灣索塔的中橫梁則與主梁固結(jié)。
由于斜拉索扇面對稱錨固于塔柱頂部內(nèi)，產(chǎn)生巨大剪應(yīng)力，故需于混凝土長短塔壁內(nèi)分別加裝環(huán)形預(yù)應(yīng)力鋼束及高強(qiáng)度鋼螺栓，兩者皆為后張預(yù)應(yīng)力設(shè)計。
每座索塔均設(shè)有兩個豎井，其一裝有升降機(jī)，另一建有爬梯及工作臺，以便進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作。
(3)主跨主梁
汲水門橋的主跨長達(dá)430m，在1997年竣工時為世界上最長的公鐵兩用斜拉橋。綜合考慮它的受力特點和服役要求(即雙層行車道)，主跨主梁選用了雙向鋼桁架和鋼筋混凝土橋面板的混疊合式加勁箱梁(圖6)設(shè)計，梁高7.5m及寬35m。
圖6– 主跨結(jié)構(gòu)透視
主梁頂部及底部的鋼筋混凝土橋面板構(gòu)成了上下層行車道，兩邊外緣為鋼腹板。若主梁采用全鋼結(jié)構(gòu)，雖可減輕其自重，但橋面板則須縱向加固，以承受因斜拉索拉力及重型車輛所產(chǎn)生的應(yīng)力，最終令施工期增長及造價提升。位于下層中央的鐵路，由鋼梁承托，在鋼梁上蓋以混凝土厚板，以簡化路軌的鋪筑。
主跨主梁由預(yù)制梁段裝嵌而成，共39節(jié)，每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)梁段(圖 7)長8.7m、寬35m及厚7.47m。主梁截面外形包括兩邊外緣的整流罩及中央氣隙，都經(jīng)過風(fēng)洞測試驗證。根據(jù)試驗結(jié)果，施工狀態(tài)在最不利的風(fēng)攻角時的顫振臨界風(fēng)速大于47.5 m/s；成橋狀態(tài)在 0° 風(fēng)攻角時顫振臨界風(fēng)速大于95m/s，完全滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。
圖7 – 主跨主梁斷面
(4)斜拉索
斜拉索(圖8)采用高強(qiáng)度鍍鋅平行鋼束，共176根。每根斜拉索由51~102根鋼筋索組成。鋼筋索直徑15.7mm，由七條鋼絲絞合而成，涂上油脂，再套上高密度聚乙烯(HDPE)保護(hù)外層。 張拉工序首先是使用2t的千斤頂先后把每根鋼束張拉，然后用1,500t的千斤頂把整束鋼筋索同時張拉。斜拉索所承受的拉力最大為1,100t。
圖8– 塔頂斜拉索錨碇
每根斜拉索均外置一個保護(hù)套，由多段長3m的HDPE開邊膠管在工地焊接而成。斜拉索連保護(hù)套的外圍直徑為250mm~315mm。部分斜拉索設(shè)有阻尼器，以防止風(fēng)雨振問題出現(xiàn)。
(5)主梁架設(shè)和施工控制
索塔中橫梁無索區(qū)和邊跨梁段均采用分段頂推的技術(shù)興建，每階段在已架梁段末端拼建長約18m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形節(jié)段，再將整組箱梁向索塔向方推進(jìn)，這工序重復(fù)進(jìn)行直至首段箱梁及頂推導(dǎo)梁超越索塔。
架設(shè)主跨主梁利用躉船把長8.7m的主梁節(jié)段運往正確的位置，然后使用已安裝在橋身前端的垂直起重機(jī)，將梁段緩緩從躉船吊升就位(圖9)。起重機(jī)基本結(jié)構(gòu)為一條長約20m的縱向鋼梁，使用螺栓固定于已架梁段末段，以懸臂式伸出海面。
圖9- 主跨梁的架設(shè)
汲水門水道水流甚急，最高達(dá)每小時十一公里(每小時六海浬)，令重載500t梁段的躉船在操作上帶來不少困難。工程須待潮退，水位穩(wěn)定及航道封閉后才能展開。
當(dāng)梁段吊升至橋面的正確高度及位置后，采用高強(qiáng)度摩擦螺栓把梁段兩側(cè)的鋼腹板接合，然后澆筑上下層混凝土橋面板的連接縫。待混凝土強(qiáng)度足夠時，繼而進(jìn)行張拉斜拉索的工序。
為能達(dá)至主梁柔順的預(yù)拱線型，整個吊裝過程及合攏工序均經(jīng)精確計算，準(zhǔn)確地控制橋身標(biāo)高，同時亦利用調(diào)校斜拉索的拉力來調(diào)整主梁線型。在張拉斜拉索前，先收集橋身溫度、橋塔傾斜度及橋身的標(biāo)高數(shù)據(jù)，然后輸入計算機(jī)運算每根拉索所需的拉力。
(6)橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)
為了監(jiān)測汲水門橋的結(jié)構(gòu)健康和進(jìn)行結(jié)構(gòu)評估工作，橋上安裝了一套橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)「簡稱為橋監(jiān)系統(tǒng)」。其作用是監(jiān)測橋梁在服役期間結(jié)構(gòu)健康變化和進(jìn)行結(jié)構(gòu)評估，以作出相應(yīng)的應(yīng)變措施，例如進(jìn)行特別檢查和養(yǎng)護(hù)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)主要由六個系統(tǒng)組成并通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系運作。這六個系統(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)主要是指安裝在橋上約350個傳感器及有關(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、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)安裝在橋上三個由微型計算器控制的訊息收集站，收集傳感器傳來的訊息并將之?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)健康評估系統(tǒng)中，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的可靠性評估工作。
3.主要技術(shù)特點和創(chuàng)新點
汲水門橋是目前世界上第二長的公鐵兩用斜拉橋，現(xiàn)已成為香港的標(biāo)志之一。由于整項工程計劃非常緊迫，所以選用「設(shè)計及建造」合約方式承建，以便能夠盡量善用承包商的豐富建橋技術(shù)及經(jīng)驗，從而達(dá)至經(jīng)濟(jì)及快捷的方案。承包商只須符合在設(shè)計及建造規(guī)范和橋梁外觀上的要求，其它方面(如橋梁類型)均可自由選擇來配合其建筑裝備、工作經(jīng)驗和專長。
首次采用獨一無二的「雙重合成」混疊合式結(jié)構(gòu)的主跨主梁，即橋身面板及底板均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這設(shè)計大大增加本橋的氣動穩(wěn)定性，即能提高結(jié)構(gòu)效能，又能減低建造成本。
邊跨運用頂推法施工，大量減少在地勢不平場地的腳手架的使用量，并可和橋塔建造同步進(jìn)行，大大節(jié)省時間。
設(shè)計的另一重要考慮是要防止邊跨在某種荷載組合下升離支座，故此采用預(yù)應(yīng)力鋼束把邊跨橋身錨固在其中一座橋墩上。
主跨主梁獨特的中央通風(fēng)隙設(shè)計可減低主梁底面風(fēng)致壓差，大大提高主梁的氣動穩(wěn)定性。另外主梁下層采用全天候密封式設(shè)計，確保公鐵交通在惡劣天氣情況下仍可運作。
另一創(chuàng)舉是在大橋內(nèi)安裝了齊備的監(jiān)察儀器，利用計算機(jī)分析監(jiān)察結(jié)果，藉此監(jiān)察及預(yù)測大橋的結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)，無疑大大推進(jìn)橋梁監(jiān)察技術(shù)的發(fā)展。
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，確保本橋及鄰近的道路網(wǎng)絡(luò)交通暢順。
汲水門橋的設(shè)計獨特而創(chuàng)新，施工技術(shù)達(dá)國際級水平，更曾獲一九九八年日本土木學(xué)會頒發(fā)「田中賞」；一九九八年美國顧問工程師學(xué)會，最佳工程設(shè)計奬以表揚其工程的卓越成就。
4有關(guān)資料
橋名 : 汲水門橋
橋型 : 雙塔雙索面六孔連續(xù)加勁箱梁斜拉橋
主跨徑 : 430m
橋址 : 香港特別行政區(qū)汲水門水道
建設(shè)單位 : 香港特別行政區(qū)路政署(Highways Department, Hong
Kong SAR Government)
設(shè)計單位 : 佳拿國際有限公司 (Greiner International Limited)
承建商 : 熊谷-前田-橫河-日立合營企業(yè) (Kumagai – Maeda – Yokogawa - Hitachi Joint Venture)
鋼材用量 : 4,770t
主跨主梁重量 : 60t/m
旁跨主梁重量 : 220t/m
造價 : 16.43億港元
建成日期 : 1997年5月
