11个创新丨港珠澳大桥远不止世界最长那么简单

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海、澳门的超级跨海通道，主体工程总长29.6km，其中桥梁工程长约22.9km。港珠澳大桥桥梁工程包括3 座通航孔桥及深/浅水区非通航孔桥5部分。

青州航道桥桥跨布置为(110+236+458+236+110)m的双塔斜拉桥，主梁采用扁平流线型钢箱梁，斜拉索采用扇形式空间双索面布置，索塔采用横向“H”形框架结构，塔柱为钢筋混凝土构件，上联结系采用“中国结”造型的钢结构剪刀撑。

☝青州航道桥桥型布置（单位：m）

江海直达船航道桥桥跨布置为(110+129+258+258+129+110)m的三塔斜拉桥，主梁采用大悬臂钢箱梁，斜拉索采用竖琴式中央单索面布置，索塔采用“海豚”形钢塔。

☝江海直达船航道桥桥型布置（单位：m）

九洲航道桥桥跨布置为(85+127.5+268+127.5+85)m的双塔斜拉桥，主梁采用悬臂钢箱组合梁，斜拉索采用竖琴式中央双索面布置，索塔采用“帆”形钢塔（下塔柱局部为混凝土结构）。

☝九洲航道桥桥型布置（单位：m）

深水区非通航孔桥为110m等跨径等梁高钢箱连续梁桥，钢箱梁采用大悬臂单箱双室结构。为跨越崖13-1 气田管线需要，其中一联采用(110+150+110)m变梁高钢箱连续梁桥。

☝深水区非通航孔桥桥型布置效果图

浅水区非通航孔桥为85m等跨径等梁高组合连续梁桥，主梁采用分幅布置。

全桥基础采用大直径钢管复合群桩，通航孔桥采用现浇承台，非通航孔桥采用预制承台，全桥桥墩采用预制墩身。

主要技术标准

公路等级为双向6车道高速公路；设计行车速度100km/h；建筑限界为桥面标准宽度33.1m，净高5.1m。

设计汽车荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2004）中规定的汽车荷载提高25%用于设计。

抗风设计考虑运营阶段设计重现期120年，施工阶段设计重现期30年。

地震设防标准：以重现期表征，工作状态（E1）均为120年，极限状态（E2）通航孔桥为1200年、非通航孔桥为600年，结构完整性状态（E3）均为2400年；设计使用寿命120年。

建设条件

项目属于近海离岸跨海通道工程，海域宽度超过40km。海水和地下水均具有较强的腐蚀性。

大桥处于南亚热带海洋性季风气候区，气象条件恶劣，台风多，风力大，高温高湿。

水文条件复杂，水动力条件差，行洪、纳潮、防淤要求严。海床稳定性好，潮位变化平缓、流速不大。水深介于5～10m，局部最深点可达17m。

穿越桥区的航道多、航线复杂、通航船型类型众多、船舶通航密度大、通航要求高。

地质条件变化大。桥位处覆盖层较厚，最厚可达89.3m；下伏基岩为花岗岩，岩面及风化厚度差异较大。软土分布范围广，厚度大。

设计理念

项目建设理念和指导方针为“大型化、工厂化、标准化、装配化”。

全面实现“四化”工法是项目的总体设计思想，以适应工程复杂建设条件，保证施工安全和航运安全、确保工程质量品质、减少现场工作量、减少海中作业时间、降低施工风险、保护海洋生物、保障工期。

11个创新点

地标性桥梁建筑景观设计

在全桥桥墩造型、主梁线形协调一致的基础上，作为斜拉桥的索塔的建筑造型则成为控制性因素。基于全桥桥隧组合“珠联璧合”的总体景观设计理念，考虑中西、粤港、古今文化交融的地域文化特点，以海洋文化元素为基础，执行了“扬帆顺行”组合方案。

大型钢管复合桩研究与应用

通过对打入桩、钻孔灌注桩和钢管复合桩综合比选，最终确定采用钢管复合桩，钢管与钢筋混凝土共同组成桩结构主体。通航孔桥基础采用变直径钢管复合桩。

目前钢管复合桩计算理论和设计方法的研究大大落后于工程应用。

鉴于此，项目对钢管复合桩的变形、承载力以及桩的合理构造形式等，系统地进行理论分析，并制作了14 根钢管复合桩试件开展模型试验。

最终，提出了钢管复合桩竖向和水平承载能力计算方法，并应用于设计。

埋床法全预制墩台设计与施工技术

为使全桥桥隧组合轴线断面阻水率满足不大于10%的要求，需将全部非通航孔桥的承台埋于海床面以下。同时，在项目设计理念指导下，设计采用了埋床法全预制墩身和承台方案。

为确保施工精度和工期要求，设计提出了以下施工方案与措施：

• 钢管沉桩施工宜采用在定位船上设置的导向架和大功率液压振动锤对钢管进行振动下沉。

• 三次精准定位措施。

• 桩基施工采用可拆卸周转使用的整体式装配化钻孔平台。

预制墩身连接技术及

ϕ75mm 预应力螺纹粗钢筋研发

全桥桥墩均采用工厂预制、现场安装。其中，青州航道桥、江海直达船航道桥、深水区非通航孔桥的墩身根据吊装能力采用节段预制，并通过预应力筋进行连接。

☝预制墩身及连接构造（单位：cm）

出于技术经济综合比较，预应力确定采用全螺纹粗钢筋体系。由于受力所需及墩身断面限值，项目确定采用ϕ75mm预应力（2015年国内标准最大规格仅50mm）螺纹粗钢筋连接墩身节段。目前国内已研发成功并应用到项目中，钢筋屈服强度830MPa，抗拉强度1030MPa。

☝预应力粗钢筋及体系

大悬臂钢箱梁耐疲劳结构设计技术

全桥钢箱梁梁高4.5m；箱梁设置边纵腹板和中纵腹板。中纵腹板采用实腹式，但设置了通气和出入孔。为使箱室内部更加通透，采用了实腹式横隔板和横肋板交替布设的构造。

在细节研究及疲劳验算的基础上，确定了钢桥面板的细部构造，各构造细节均精确至毫米级。

超大尺度钢箱梁的制作与安装

深水区非通主梁架设采用大节段整孔逐跨吊装方案，标准节段长110m，吊重约2300t，最长节段长133m，最大控制吊装重量约2750t。通航孔桥边跨无索区大节段长度134.5m，采用浮吊整体吊装，吊装重量约3580t。

全面实现车间化作业，广泛使用机械自动化设备，采用计算机辅助制造技术、世界先进的电弧跟踪自动焊技术、反变形船位施焊技术、U肋焊缝相控阵超声波检测技术及信息化质量控制手段。

抗拉强度1860MPa 斜拉索研发与应用

江海直达船航道桥采用竖琴式布置的单索面。为减轻斜拉索重量，减小索体直径进而减小拉索阻风面积，在广泛调研国内外相关技术水平及市场情况基础上，确定通航孔桥采用抗拉强度1860MPa的斜拉索。

斜拉索采用平行钢丝拉索，钢丝采用7mm高强度、低松弛钢丝，其抗拉强度≥1860MPa；屈服强度≥1660MPa；扭转性能≥8次；成品索应力幅为200MPa（少数为250MPa），对应的钢丝疲劳应力为360MPa（410MPa）。

桥梁减隔震设计

通航孔桥：对于塔梁非固结的青州航道桥和江海直达船航道桥，以降低结构地震响应为目标，研究选择了主梁动力约束体系。以桥梁抗震性能分析为基础，优选了阻尼装置技术参数。

非通航孔桥：在各个桥墩处设置了减隔震支座，支座具有常规使用和减隔震功能，同时还具备在罕遇地震作用下防落梁功能；支座设计寿命为60 年。且分区段设计不同材质和形态的支座。

钢箱梁涡激共振抑制技术

根据结构抗风性能试验研究结果，大悬臂钢箱梁在设计风速范围内发生了涡激振动现象，这将会影响桥梁结构安全。

在给定结构设计方案的前提下，涡振抑制措施包括：安装附加的主动或被动控制面（亦称气动措施）；增加结构阻尼（亦称机械措施）。且在主梁内设置调谐质量阻尼器，设计寿命要求与桥梁主体结构相同。

全自动、全覆盖的运营管养设计与装备

基于“为用户提供优质服务、需求引导设计、以人为本”的建设目标及设计理念，确定运营管养设施设备的设计原则：

• 满足各部位“可到达、可检查、可维护、可持续性”，尽量做到易检、易修、易维护。对于可更换、需定期养护部件，提供足够的操作空间、操作平台。

• 管养设施设备做到全自动、全覆盖。

全桥主梁箱外设置检查车；索塔均设置内外检修通道及平台（设备）。

☝索塔外部检修系统

基于120年设计使用寿命目标的结构耐久性设计

为保证主体结构的120年设计使用寿命，制定了总体保证策略包括：

• 设计合理的结构；

• 采用有利于寿命的高性能材料；

• 采用“ 四化”施工方法；

• 采用提升或者保障耐久性的防护措施；

• 注重并改善利于耐久性的细节构造设计；

• 加强运营期管养、维护维修、更换等的考虑并制定有效措施。

参考资料

孟凡超,刘明虎,吴伟胜,张革军,张 梁.港珠澳大桥设计理念及桥梁创新技术[J].中国工程科学,2015,17(1):27-35

点击页末“阅读原文”可免费获取全文

点击图片阅读丨巅峰：港珠澳大桥浮运安装纪实

点击图片阅读丨港珠澳大桥岛隧技术难度到底有多高？

点击图片阅读丨前沿研究之多维世界由桥梁隧道贯通

「中国工程院院刊」志愿者招募中

改编写作、案例分享、翻译、公众号编辑

感兴趣请联系[e-mail]