香港索支撑桥的发展——从青马桥到昂船洲桥.pdf

文章编号:1671-2579(2003)01-0060-04香港索支撑桥的发展 从青马桥到昂船洲桥张劲超,颜东煌 编译(长沙交通学院,湖南 长沙 410076)摘 要:香港是一个坐落于中国南方珠江三角洲珠江口的小岛。其持续发展的经济需要有相应的基础设施支持,包括一些大跨度的索支撑桥。主跨1 377 m的青马悬索桥和主跨430 m的汲水门斜拉桥已于1997年5月竣工;主跨448 m和475 m的汀九三塔斜拉桥已于1998年5月通车;主跨1 418 m的青龙悬索桥业已完成详细设计,计划2002年动工;而主跨1 018 m的昂船洲斜拉桥将于2003年动工。关键词:悬索桥;斜拉桥;大跨径;索 1 引言香港经济基于贸易,而贸易主要依赖于机场和港口的交通便利。近年来,广东珠江三角洲地区经济发展迅速,已成为亚洲最流行的旅游地,也是世界第七大经济贸易区。香港机场是世界上最繁忙的机场之一,香港还拥有世界上最繁忙的集装箱码头和港口。为了保持香港经济的可持续发展和香港作为国际商业、船运、空运和旅游中心的地位,香港实行了一个大规模的计划。该计划称之为“机场中心计划”,它耗资210亿美元,是世界上规模最大的基础设施建设计划之一。该计划的一个重要部分是在大屿山岛的赤腊角新建国际机场,以代替原来在市中心的机场。建造新的机场需要建造一批大容量的交通干线,以满足大屿山岛机场和兴建企业与住宅区的需要。这条线上包括两座主要的大桥:主跨1 377 m的青马悬索桥和主跨430 m的汲水门斜拉桥。这两座双层桥均为公铁两用,并于1997年投入运营。20世纪80年代以后,迅速增长的跨境交通要求在深圳和香港西部之间建造一条直接连接的交通线,汀九大桥是其中的杰出作品,它是主跨448 m和475m的三塔斜拉桥。汀九大桥于1998年完工后经常被拿来与它的邻居 青马悬索桥和汲水门斜拉桥作比较。这是另一个现代桥梁设计形成了百家争鸣局面的好例子,桥梁之间互为补充。20世纪90年代后期,长期发展规划表明,在深圳和香港之间应该建造新的跨境公路和铁路。计划在蛇口修建一条交通干线,其中包括主跨1 418 m的青龙悬索桥。在青龙大桥的详细设计中,主梁由两个流线型的扁箱体构成,该桥计划于2002年动工。还有,连接香港东西部公路的重要部分 昂船洲大桥,其国际设计竞争已于2000年9月落下帷幕。获胜的方案是主跨1 018 m、烟囱形主塔的斜拉桥。以获胜方案为基础的详细设计已经开始,该桥计划于2003年动工。2 青马大桥青马大桥主跨1 377 m,是世界上最长的公铁两用悬索桥(图1)。上层为双向6车道,下层为两道铁轨和双向双车道。桥的两头各有两个重力式锚碇平衡主缆的荷载。青衣塔的塔基直接建于岩石之上,而马湾塔的塔基建在水下约12 m处的预制沉箱基础之上。这两个206 m高的塔使用高强混凝土,塔脚横向宽度为6 m,而沿纵向宽度由12 m逐渐缩小到9 m。每一个塔用滑模法施工3个月完成。60中 外 公 路 第23卷 第1期2 0 0 3年2月收稿日期:2002-11-01图1 青马大桥(单位:m)主缆采用空中纺丝法制作。每一根主缆由80股每股368根直径5.38 mm和11股每股360根直径5.38 mm的高强钢丝组成。钢丝总长度160 000 km,足可绕地球4圈。大量的风洞试验表明在主梁截面采用流线型的外轮廓和设置中央通风孔,有利于改善桥梁在台风中的动力性能。在结构上主梁截面是箱体和桁架的有序组合体。在中心距为26 m的上下桥面板之间有两道纵向的桁架把上下桥面板联结为一个具有竖向抗弯刚度的共同受力体。上下桥面板的水平斜撑使截面具有横向抗弯刚度。空腹结构的交叉框架每榀间距4.5 m,而每4榀框架则由吊索支撑。不锈钢板构成的边缘外壳面层可以起到导风的作用。整个横截面的外观表现为一个流线型边的箱子,但是在中间自顶向下开了一条纵向的缝,而在箱梁里则表现为传统的构架。桥面板由间距18 m的吊索支撑,吊索由两根直径76 mm的钢丝绳构成,固定在主缆的锚夹上。上层桥面在防水层上铺设40 mm厚的乳化沥青,而下层桥面铺设的则是7 mm厚的环氧树脂层。箱梁构件在海外制作,在中国大陆拼装为节段,再运到施工现场吊装。每个节段约1000 t,桥面总用钢量达到了5万t。1992年5月,青马大桥项目签订了一项为期5年的合同,合同签订的建设费用达9亿美元。3 汲水门大桥汲水门大桥的合同将设计和施工合在一起,因为各种相似跨径斜拉桥的设计和施工都有了一套国际通用的方法,而且投标者也有充分的时间准备设计。在一份设计与施工合同中,投标者通过设计表达他们各自与众不同的特点。中标者的结构方案是主跨430 m的斜拉桥(图2),主跨主梁为钢-混凝土组合结构,边跨主梁和索塔为混凝土结构。大桥完工后将成为世界上第二长的公-铁两用斜拉桥。四个边跨跨径均为80 m,主桥总长80+80+430+80+80=750 m。150 m高的主塔为高强混凝土结构,大屿山塔的基础建立于浅水岩石基础之上,而马湾塔的基础一部分基于人工挖孔桩之上,一部分则基于岩石之上。所有钢结构的结点均用高强摩擦型螺栓固定。拉索由51102根直径15.7 mm的钢绞线组成,而每根钢绞线由7根钢丝绞成,镀锌后强度为1 770 N/mm2。所有斜拉索总共约2 400 t,总长11 km,防锈措施采用了镀锌、防锈油脂和1 mm厚的PE护套,此外每根索还用HDPE管全部包封。1992年11月,汲水门大桥和马湾高架铁路签订161期 衡 永高速公路上一座鱼腹拱桥的设计 图2 汲水门大桥(单位:m)了一份总价为2.1亿美元,为时4.5年的合同。4 汀九大桥汀九大桥为主跨475 m和448 m的三塔斜拉桥,总长达到了1 177 m(图3)。大桥为双向8车道,有三个混凝土独腿塔,中塔位于蓝巴勒海峡中央,而其他两塔位于海岸线上。200 m高的中塔从塔顶有纵向索联系到靠近两个边塔的桥面板上,以增强稳定性。桥塔设置了防撞系统,以防止任何船只撞向桥墩。桥面板为钢-混凝土组合结构,从桥塔上伸出四索面斜拉索将其拉起。图3 汀九大桥(单位:m)主梁由四根1.5 m高的L形纵向钢梁组成,横向由间距4.5 m的钢梁连接起来形成一个平面刚架,230mm厚的预制混凝土桥面板置于其上。主梁和桥面系均被分为两个独立的部分,二者之间有一道5.8 m的纵向缝,由纵向间距为13.5 m横向钢梁将它们连接起来。合同总价为2.25亿美元,是基于设计和施工总投标价格最低的原则签订的。合同签订后45个月,即1998年5月通车。5 青龙大桥主跨1 418 m的青龙大桥(图4),桥面为双向6车道,在桥面两侧采用了硬路肩。图4 青龙大桥(单位:m)1999年提出了研究和初步设计的任务,采用了主跨1 418 m的悬索桥,加劲梁采用Split-Severn型。尽管如此,最后采用的详细设计计划使用装配的桥面构造,桥面由两个流线型扁箱梁用中距30 m的横向钢箱梁连接而成。主梁的革新结构采用的两部分、流线型通风的扁箱有许多优点,包括减轻主梁自重,从而也减轻了索、支架、塔、锚和基础的荷载,提高了风动力性能;便于在工厂预制各部件,易于保证加工精度;便于运输等。新主梁方案技术上是创新,且经济性能好,视觉效果极26 中 外 公 路 23卷 佳。从安全角度而言,硬路肩使检查和维护不用关闭繁忙的车道。该桥计划2002年动工,预计耗时5年。6 昂船洲大桥昂船洲大桥是连接赤腊角的新机场到香港东部Sha tin新城公路的重要组成部分,从港口,从香港岛的山顶和西九龙都可以看到该桥。由于该桥位置特殊,2000年特地组织了一个国际设计招标以确定其结构,并能作为港口的标志性建筑和机场道路的大门。另外该设计还应该有新意、有魅力,投标还应带上一份详细设计和结构的方案。1999年11月宣布开始设计招标,由103家公司或个人组成的31个队参加了资格预审,有16个队通过。通过预审的队被邀请于2000年1月参加第一阶段的竞标。2000年2月,第一阶段竞标收到了方案,有11个队交了两份,还有5个队交了一份,总共27个方案。其中22个是斜拉桥,2个是悬索桥,还有3个是混合型。方案通过技术评定委员会和美学评定委员会的评估后,其中前者占70%,后者占30%,分数最高的那些方案将进入第二阶段竞标。2000年4月的总会最后选择了5个方案。2000年7月收到这5个第二阶段的投标方案都是斜拉桥。除了一份更为详细的报告外,还附上了一个中等大小的大桥模型和一个放在环境模型里的小模型。2000年9月初选出了获胜方案。这是一个主跨1 018 m的、塔为烟囱状的斜拉桥(图5)。该桥主梁为两个由横向钢梁连接起来的钢箱梁,该桥计划于2003图5 昂船洲大桥(单位:m)年开始动工,2008年完工。大桥建成之后将成为世界上跨度最大的斜拉桥。7 小结从香港索支撑桥的发展我们可以获得几点有益的经验。青马大桥是台风地区建造的最长的悬索桥,这就要求主梁结构在台风风速下(风速可达到95 m/s)具有良好的风动力性能。结果表明,主梁截面设计为流线型,并在中间设置纵向缝是成功的。另外,双层桥面构造保证高速列车和汽车在恶劣的天气条件下仍然可以通行。在汲水门大桥和汀九大桥合同中采用“设计+施工”的模式,不仅节约了时间,而且节约了财政资金。“设计+施工”的合同模式成为了一个在不同环境下简单、快捷、经济地解决问题的范例。青龙大桥主梁采用两个流线型的扁箱梁构造,对于大跨径悬索桥的发展是一种革新。流线型的扁箱梁构造使主梁的高跨比达到了1/600,这使主梁的抗扭刚度减小,并导致竖向和扭转方向频率降低。这种影响可以通过改善风动力性能来解决,比较两个箱体的透风的横截面和传统的做法就可以知道。国际设计招标导致了跨径1 018 m的昂船洲斜拉桥诞生,并将突破斜拉桥的已有技术。若采用传统的模式,就会收到少得多的方案,其设计也会保守得多。今天,参观者们可以驻足观看优美的青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥,并为它们的技术进步而高兴。几年后,他们可以在同一处拿它们和青龙大桥相比较。加上昂船洲大桥,这5座大桥使香港成为了现代大跨径索支撑桥的活的博物馆,先进的工程技术和合同管理方式将对世界各地的桥梁建设有所裨益。编译自IABSE Conference on Cable2SupportedBridges Challenging Technical LimitsSeoul Korea.June 2001.361期 香港索支撑桥的发展