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黄茅海跨海通道是港珠澳大桥西延线，起于珠海高栏港，向西跨越黄茅海水域，终于江门台山（图1）。路线全长31.26km，其中跨海段长度约14.5km。工程采用设计速度100公里/小时的双向六车道高速公路技术标准，汽车荷载等级为公路-I 级，设计使用年限100年。

图1 黄茅海跨海通道地理位置建设条件

建设条件

工程区域遭受强台风等多灾害作用的巨大威胁，设计基本风速Vs10=46m/s，平均风剖面幂指数α=0.112。近年来连续遭受强台风正面袭击，比如：2017年8月23日，台风“天鸽”正面登陆，阵风风速>45m/s；2018年9月16日，台风“山竹”正面登陆，阵风风速>48m/s；2020年8月19日，台风“海高斯”正面登陆，阵风风速>45m/s。工程区域年平均气温22.6℃，极端最高气温38.7℃，极端最低气温-0.1℃。

黄茅海航道水深约9m，潮汐属不正规半日混合潮类型，100年一遇设计流速1.3m/s，潮差1.2m。全年常浪向为SE向，出现概率26.3%；次常浪向为SSE向，出现概率22.8%。100年一遇最大有效波高H13%=3.01m（SSE向）。2018年9月16日超强台风“山竹”过境时，观测最大波高Hmax=3.4m。

海中段上覆第四系全新统Q4淤泥，厚度9.30～29.30m；下伏燕山期侵入花岗岩，中风化层顶标高-30.31～-91.50m，中风化强度24～79MP。地震基本烈度7度，Ⅱ类场地条件下设计基本地震加速度值0.10g，地震反应谱特征周期0.35s。

根据防洪要求，海域范围桥梁阻水比<10%，航道之间引桥跨径≥100m，常水位时水深超过3m区域引桥跨径≥60m，其余区段≥40m。

总体方案

桥位方案比选

黄茅海海域航路复杂，有三条主要航道（图2），分别为东东航道(5万吨级)、东航道(3万吨级）和西航道(3000吨级)。兼顾航道远期规划，综合考虑通航尺度、桥梁跨越航道位置、防洪要求和城市规划等影响因素，提出了北3线、中线(K线)、南线(GK线)三个桥位方案（图2）。

图2 黄茅海跨海通道关键线位方案比选

（1）北3线。路线局部进入平沙湿地公园130m，跨越东东航道(夹角28°)，自东航道、西航道分岔口处跨越(正交)，再左偏，至赤溪东互通，路段总长17.76km。由于路线与东东航道斜交角度过大，跨越东航道位置处位于航道分岔口，两座主通航孔桥跨径均需加大，分别为760m和1000m。

（2）中线（K线）。路线局部进入平沙湿地公园65米，与东东航道夹角10°，再北偏，跨越东、西航道，夹角均为18°，经黄茅岛北侧至赤溪东互通，路段总长18.30km。主通航孔桥跨径分别为700m和2×720m。

（3）南线（GK线）。路线不进入平沙湿地公园，跨越东东航道（正交）、稍右偏，跨越东航道（夹角12°），北偏夹小半径圆曲线（1300m），再跨越西航道（夹角6°），经黄茅岛北侧至赤溪东互通，路段总长18.58km。主通航孔桥跨径分别为660m、670m和290m。

分析三条线位可知：北3线存在与东东航道斜交角度过大、跨越东航道桥梁跨度过大（1000m）、抗台风险大、与平沙湿地公园城市规划冲突较大的问题；南线存在路线指标低，水中桥墩数量多、船撞风险大、三座通航孔桥跨度悬殊造成景观不协调等问题；中线方案路线指标较均衡，船撞风险小，两座斜拉桥主跨相当，“大C湾”景观效果好，推荐采用。

桥梁总体设计

（1）总体布置。黄茅海跨海通道跨海段设置两座主桥跨越三条航道，自珠海向台山方向，主要构筑物分别为高栏港互通、东引桥、高栏港大桥、中引桥、黄茅海大桥、西引桥、赤溪东互通（图3）。其中，黄茅海大桥为主跨2×720m三塔斜拉桥，高栏港大桥为主跨700m双塔斜拉桥；水中引桥总长10960m。

图3 海中桥梁总体布置

（2）黄茅海大桥。根据建设条件，黄茅海大桥采用三塔斜拉桥方案（图4），桥长2200m，桥跨布置为(100+280+720+720+280+100)m，边中跨比0.53，高跨比为0.25。为了提高结构的颤振稳定性，主梁采用分离式钢箱梁，梁高4.0m，拉索横向间距46.9m。索塔采用混凝土变截面独柱塔，塔底为圆形截面（直径20m），桥面处为圆端形截面（顺桥向15.18m，横桥向10m），上塔柱腰部为圆形截面（直径8.5m），塔顶为圆形截面（直径为11m）。斜拉索采用平行钢丝拉索，全桥共3×4×24=288根斜拉索。为了提高主梁竖向刚度，设置4×5=20根中央辅助索。

图4 黄茅海大桥设计方案

支撑体系采用竖向全漂浮约束体系，塔梁处不设竖向支座，辅助墩和过渡墩处设置竖向支座，中塔塔-梁连接采用纵向弹性索体系+横向抗风支座，边塔塔-梁连接采用纵向阻尼+横向抗风支座，辅助墩和过渡墩采用竖向支座+横向抗风支座。

（3）高栏港大桥。为保持结构风格统一性和景观协调性，高栏港大桥索塔和主梁设计元素与黄茅海大桥保持一致，采用独柱塔+分体箱的双索面双塔斜拉桥。桥长1416m，桥跨布置为(110+248+700+248+110)m，边中跨比为0.51，高跨比为0.25。

（4）引桥。根据水深条件和防洪要求，中引桥采用16×100m跨钢箱梁桥，东引桥和西引桥泄洪区采用60m跨径预应力混凝土节段梁，西引桥浅滩区采用40m跨径预应力混凝土小箱梁桥。

桥梁景观设计

设计思想

随着结构理论、施工工艺和材料科学的创新发展，大桥建设不仅要满足交通功能需求，还要将桥梁建筑与艺术美学和周围环境有机结合起来，赋予其时代特色、人文内涵和观赏特质。

黄茅海跨海通道地处粤港澳大湾区核心地带,作为世界级跨海工程,应使之成为独具特色的标志性人文景观。不但具有优良的内在质量,而且还应体现现代桥梁优雅精美的结构形象,提升城市交通和文化品质。在桥型选择和景观设计思路上，围绕最醒目最具代表性的黄茅海大桥的来展开。采用“极简”美学设计思想，运用简洁、通透的结构造型和自然的材质来营造空间，展示结构的技术魅力和自然的秀美，反应内心的空灵，呈现出一种东方文化的禅意。

景观设计方案

（1）桥梁布跨设计

利用和谐音阶比例进行桥梁空间布跨设计，通过对称布置手法获得大桥整体的稳定和谐之美。从建筑美学角度而言，桥梁边中跨比应尽可能高到0.5左右。黄茅海大桥的边中跨比设计为0.53，从而获得更纤细、更优雅的整体美感。采用比例图解法对大桥的布跨尺寸进行分析（图5），大桥的跨径布置体现了和谐音阶的均衡性和韵律感。

图5 黄茅海大桥布跨及空间韵律

（2）桥塔设计

桥塔是表达桥梁个性和景观效果的最重要结构物。根据黄茅海开阔的海洋环境特点，采用通透、构件少的独柱式桥塔造型。高耸桥塔在承受拉索传递来的竖向汽车荷载的同时，还要抵抗水平向的风力、船撞力和地震力等作用。根据桥塔受力特点，采用形体造型法获得简洁优雅的变截面独柱形桥塔（图6）。通过力线造型和拓扑优化寻求在荷载作用及使用功能要求下桥塔结构最佳的几何布置。

图6 桥塔造型

利用黄金分割比例法，确定变截面桥塔的“腰部”位置,实现桥塔与主梁的整体均衡性。譬如中塔,塔高为257.83m,按黄金分割确定腰部为距离塔顶98.49m位置处；然而,考虑到主梁对桥塔造成的压重感,在黄金分割比基础上对腰部以下的塔柱长度增加6%～10%,从而平衡掉主梁带来的压重感。为此,将桥塔腰部设置在距离塔顶86m处,使得桥塔更具灵动感,展现扶摇直上的聚力融合之势。

在材料应用上，采用自然而成的清水混凝土来展现精致的纹理和绵密的质感。极简的造型和冷灰的色调搭配，营造出一种沉静安宁的心境。

（3）主梁设计

与独柱塔的动感柔美相适应，流线型分体式箱梁显得轻盈与优雅（图7）。主梁通过斜拉索与桥塔连接，构成稳定的受力大三角，主梁荷载通过两扇斜拉索传递给桥塔，构成优美的力线造型。箱梁中间开槽有助于提高大桥抗风性能，并使桥面增添通透感和轻巧感。

图7 主梁造型

采用中央辅助索来提升主梁的竖向刚度，避免了采用尺寸更大显得臃肿的中塔。将主梁上的辅助索锚固点从传统的主梁两侧位置，移到主梁中央的横向连接箱上，避免了辅助索与两侧斜拉索交叉引起的碰撞问题和视觉混乱。

如何保证主梁水平线形与桥塔垂直线形的整体均衡和线形流畅，也是需要重视的问题。综合考虑桥下通航高度、海洋地形环境特点和美学要求，将桥面位置设置在桥塔高度的0.25～0.30之间，形成主梁行车动线和桥塔造型线的和谐融合。结合竖曲线设计，获得了主、引桥主梁之间良好的视觉连续性（图8）。

图8 桥梁景观效果图

黄茅海大桥三塔斜拉桥结构体系

三塔斜拉桥受力特征及竖向刚度控制标准

由于三塔斜拉桥具有塔多、联长的布置特点，中塔两侧既无辅助墩和过渡墩，也没有端锚索，导致主梁挠度、斜拉索疲劳应力幅和塔底内力比双塔斜拉桥大得多。黄茅海大桥主跨2×720m，需要提出适宜的结构体系来获得优异的桥梁整体力学性能，保障结构规模的经济性。

国内外桥梁规范中均对大跨径斜拉桥竖向挠度限值作了相关规定。日本规范和我国规范限值相同，均为L/400，欧美规范的竖向挠度限值相对较松。针对三塔斜拉桥而言，在进行挠度限值计算时挠度的取值，是汽车活载作用下产生的该跨径内最大竖向变形。

结构体系分析

为了提高桥梁的整体刚度，对三塔斜拉桥的刚度影响因素进行了系统分析，并主要从以下两个途径来考虑：一是降低中塔高度，通过增加两个边塔负荷来减小中塔受力；二是在中塔设置额外的缆索或提高中塔自身刚度来增强受力性能。考虑黄茅海跨海通道包含两个通航孔桥的景观协调统一要求，降低中塔高度方式会导致全线整体景观效果的失调和破坏，因此黄茅海大桥三塔斜拉桥结构体系研究主要从第二个途径来进行。

通过改变索塔、主梁和斜拉索组成的三角区中斜拉索布置形式，可以提高斜拉索对桥塔和主梁的约束作用。由于辅助索或交叉索的作用，不平衡活载作用下会引起塔顶的纵向偏移，从而达到提高多塔斜拉桥竖向刚度的目的。

比较分析跨中增设辅助索、塔-梁间长斜拉辅助索、塔间水平辅助索、梁底下拉辅助索等多种辅助索布置形式对主梁竖向刚度的影响，结果表明：设置跨中辅助索、塔-梁间长斜拉辅助索、塔间水平辅助索均能将三塔斜拉桥主梁竖向刚度提高24%以上，且跨中辅助索的作用尤其显著；当设置3对、5对、7对跨中辅助索时，主梁竖向刚度分别提高了29%、39%和45%。综合考虑辅助索的耐久性和极端偶然荷载作用效应，黄茅海大桥中塔两侧分别设置5对中央辅助索，汽车荷载作用下的最大竖向挠跨值为L/684。

在构造设计上，对比了中央辅助索和两侧交叉索方案，中央辅助索将拉索置于钢箱梁横向连接箱位置，避免了与其他斜拉索的交叉。

超宽分体式钢箱梁涡振控制技术

涡振控制标准

在中国桥梁抗风设计规范中，桥梁涡振性能检验属于“抗风正常使用极限状态设计”中的行车安全性和舒适性验算范畴，只需考虑W1级风作用水平，即最大风速取10年重现期超越概率65.1%对应的设计风速和25m/s两者中最大值。国外规范也有类似规定，其中英国规范涡振检验的上限风速为20m/s，美国规范设定了0～13.4 m/s和13.4～22.4m/s两个风速区间。

涡振容许振幅的标准通常都是按照舒适度标准来制定，并以加速度大小作为评判标准。中国规范规定的涡振允许振幅值仅适用于跨径小于200m的桥梁，舒适度检验标准为加速度不超过1.0m/s2，与英国规范中涡振检验允许加速度1.184m/s2接近。美国规范中，0～13.4 m/s风速区间的涡振加速度限值为0.05g，13.4～22.4m/s风速区间的涡振加速度限值是0.1g。

综合考虑桥梁结构安全性、行车舒适性、经济性和大湾区高负荷交通运营需求，黄茅海大桥的涡振控制标准取值为：涡振检验最高风速为25m/s；按允许加速度幅值1.0m/s2为检验标准，且最大容许振幅小于0.35m，以满足最大振幅不影响车辆驾驶员视线要求；按允许加速度幅值0.5m/s2作为行人舒适性控制标准。

涡振控制措施

为了应对强台风引起的桥梁结构颤振稳定性问题，黄茅海大桥主梁采用分体式钢箱梁，颤振临界风速达90m/s。如何有效控制分体式钢箱梁的涡振是大桥建设面临的巨大挑战。为此，开展了长时间、多轮次、成批次的平行风洞试验研究，包括缩尺比1:70主梁节段模型试验、缩尺比1:30主梁节段模型试验（图9），完成了超过150种气动控制方案研究。

图9 1∶30大比例节段模型涡振试验

从试验现象总结试验规律发现，风嘴、检查车轨道、护栏透风率、中央开槽局部封闭等是涡振高敏感度影响要素。进一步提出了“风嘴+隔涡板”“倒L形翼板”“水平翼板”等组合涡振控制措施。风洞试验结果见表1。

黄茅海跨海通道面临着台风频发的恶劣建设环境，桥梁景观要求和平安百年品质工程要求高，主桥采用国际上最大跨径的三塔斜拉桥方案，主跨跨径达2×720m。综合通航、建设风险和线形指标等因素，比选提出了确定了“大C湾”线位方案。采用“极简”美学设计思想，运用简洁的索塔造型、通透主梁结构、自然的清水混凝土材质，展示了超大跨桥梁结构的技术魅力和自然的秀美。应对台风频发恶劣环境，通过的理论分析、数值模拟和试验研究，提出了变截面独柱式索塔+分体式钢箱梁+中央辅助索的超大跨三塔斜拉桥方案，解决了主梁竖向刚度低、颤振检验风速要求高等问题。通过风洞试验，提出了“风嘴+隔涡板”组合气动控制措施，有效抑制了分体式钢箱梁的涡激振动。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2021年 第1期 总第99期

作者 / 潘放

作者单位 / 广东省公路建设有限公司

黄茅海跨海通道管理中心

编辑 / 陈晨

美编 / 赵雯

责编 / 陈晨

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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