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香港汲水门桥
2016-01-07  中国桥梁网 分享到:


   1.槪况

   汲水门桥(图1)是通往赤鱲角香港国际机场的公路及铁路系统的主要部分之一,亦是连接青衣岛及大屿山之青屿干线的重要一环。它位处大屿山及马湾岛之间的汲水门水道,其水深达10~30m。
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   图1 – 汲水门桥全景

   香港位于亚热带,年平均气温和总降雨量分别为23oC 和2214mm,每年平均受15个台风吹袭,最高风速达每小时118km。

   主要技术标准

   (1)双层主梁公路:  上层六车道高速

   下层全天候双单线行车道及双轨铁路

   (2)设计使用年限:  120年

   (3)设计交通速度:  公路:100 km/h

   铁路:135 km/h

   (4)桥梁寛度:  35 m

   (5)荷载标准

   车辆荷载:  HA + 45单位HB (根据英国运输部标准BD37/88)

   铁路荷载:  RL (根据英国标准BS5400 第二册)

   设计风速 :  85 m/s阵风、50 m/s平均时速

   船舶撞击荷载:  220,000吨级海轮于时速8浬之撞击

   地震基本烈度:  修订麦加利烈度表7级

   (6)通航凈空:  凈高45 m、凈寛300m

   2.主桥结构

   汲水门桥全长820m,为双塔双索面六孔连续箱梁斜拉桥。从大屿山端开始,桥跨布置为70m+2x80m+430m+2x80m=820m (图2), 主梁在马湾桥塔采用塔梁固结体系。主跨梁为双向钢桁架及钢筋混凝土桥面板混叠合式加劲箱梁(即桁架上下设有钢筋混凝土桥面板),边跨梁为预应力混凝土三孔箱梁,均高7.47m及寛35m。斜拉索索面按扇形布置,每一扇面由22对斜拉索组成,标准索距为8.7m;索塔采用双柱H型设计,塔高150m,大屿山索塔由长50.5m、宽16m和厚5m的钢筋混凝土筏形地基支承,而马湾索塔基础则由两支直径4m和深26m的人工挖孔桩组成,上面浇注长51m,宽18m和厚5m的钢筋混凝土桩帽。桥面铺装采用热拌沥青材料,提供了一个顺畅、防滑及易于养护的行车路面。
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   图2 – 桥型布置

   (1)索塔基础

   索塔的基础结构是整体设计中重要的一环,加上索塔自重,每个索塔基础需承受荷载高达70,000t。

   大屿山索塔基础(图3)置于浅海岩石上。兴建索塔基础的工序包括竖立混凝土围堰,在围堰内先挖出多余的岩石,再用强度35/20的混凝土填平地台至水平0.0m,以供建造长50.5m、宽16m和厚5m的筏形基础墩台。索塔基础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。
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   图3 – 大屿山索塔基础

   为符合航道净宽要求、善用天然岸矶作防卫桥塔支柱被船只意外碰撞、以及选取坚实岩层支承索塔基础的缘故,马湾索塔基础(图4)定位在离岸边35m的岩坡上,高出水平线约12m。虽然岩基十分坚实,但碍于临海岩层急速倾斜,以致基础临海一方需使用两根直径4m及深26m的人工挖孔桩来支承,其余部份均由筏形基础墩台支承桥塔。
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   图4 – 马湾索塔基础

   (2)索塔

   索塔外型雄伟而美观,为钢筋混凝土结构,高150m,釆用双柱H型结构(图5),通过三道横梁将塔柱连为一体,拉索锚碇箱室则藏于索塔顶部内壁,以便拉索安装及日后检查维修。
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   图5– 大屿山索塔

   塔柱由下而上向内微倾直达上横梁,截面由9.0mx4.5m向上渐变至7.0mx4.5m,桥身继而转为垂直向上而截面维持不变。塔柱为单箱单室布置,短边壁厚1.75m~2.5m,长边壁厚1.0m~1.25m。全桥索塔共浇注混凝土19,600m3。大屿山索塔的中横梁上设有各四个竖向支座和侧向限位支座;而马湾索塔的中横梁则与主梁固结。

   由于斜拉索扇面对称锚固于塔柱顶部内,产生巨大剪应力,故需于混凝土长短塔壁内分别加装环形预应力钢束及高强度钢螺栓,两者皆为后张预应力设计。

   每座索塔均设有两个竖井,其一装有升降机,另一建有爬梯及工作台,以便进行养护工作。

   (3)主跨主梁

   汲水门桥的主跨长达430m,在1997年竣工时为世界上最长的公铁两用斜拉桥。综合考虑它的受力特点和服役要求(即双层行车道),主跨主梁选用了双向钢桁架和钢筋混凝土桥面板的混叠合式加劲箱梁(图6)设计,梁高7.5m及宽35m。
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   图6– 主跨结构透视 

   主梁顶部及底部的钢筋混凝土桥面板构成了上下层行车道,两边外缘为钢腹板。若主梁采用全钢结构,虽可减轻其自重,但桥面板则须纵向加固,以承受因斜拉索拉力及重型车辆所产生的应力,最终令施工期增长及造价提升。位于下层中央的铁路,由钢梁承托,在钢梁上盖以混凝土厚板,以简化路轨的铺筑。

   主跨主梁由预制梁段装嵌而成,共39节,每节标准梁段(图 7)长8.7m、宽35m及厚7.47m。主梁截面外形包括两边外缘的整流罩及中央气隙,都经过风洞测试验证。根据试验结果,施工状态在最不利的风攻角时的颤振临界风速大于47.5 m/s;成桥状态在 0° 风攻角时颤振临界风速大于95m/s,完全满足抗风稳定性要求。
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   图7 – 主跨主梁断面

   (4)斜拉索

   斜拉索(图8)采用高强度镀锌平行钢束,共176根。每根斜拉索由51~102根钢筋索组成。钢筋索直径15.7mm,由七条钢丝绞合而成,涂上油脂,再套上高密度聚乙烯(HDPE)保护外层。 张拉工序首先是使用2t的千斤顶先后把每根钢束张拉,然后用1,500t的千斤顶把整束钢筋索同时张拉。斜拉索所承受的拉力最大为1,100t。
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   图8– 塔顶斜拉索锚碇

   每根斜拉索均外置一个保护套,由多段长3m的HDPE开边胶管在工地焊接而成。斜拉索连保护套的外围直径为250mm~315mm。部分斜拉索设有阻尼器,以防止风雨振问题出现。

   (5)主梁架设和施工控制

   索塔中横梁无索区和边跨梁段均采用分段顶推的技术兴建,每阶段在已架梁段末端拼建长约18m的预应力混凝土箱形节段,再将整组箱梁向索塔向方推进,这工序重复进行直至首段箱梁及顶推导梁超越索塔。

   架设主跨主梁利用趸船把长8.7m的主梁节段运往正确的位置,然后使用已安装在桥身前端的垂直起重机,将梁段缓缓从趸船吊升就位(图9)。起重机基本结构为一条长约20m的纵向钢梁,使用螺栓固定于已架梁段末段,以悬臂式伸出海面。
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   图9- 主跨梁的架设

   汲水门水道水流甚急,最高达每小时十一公里(每小时六海浬),令重载500t梁段的趸船在操作上带来不少困难。工程须待潮退,水位稳定及航道封闭后才能展开。

   当梁段吊升至桥面的正确高度及位置后,采用高强度摩擦螺栓把梁段两侧的钢腹板接合,然后浇筑上下层混凝土桥面板的连接缝。待混凝土强度足够时,继而进行张拉斜拉索的工序。

   为能达至主梁柔顺的预拱线型,整个吊装过程及合拢工序均经精确计算,准确地控制桥身标高,同时亦利用调校斜拉索的拉力来调整主梁线型。在张拉斜拉索前,先收集桥身温度、桥塔倾斜度及桥身的标高数据,然后输入计算机运算每根拉索所需的拉力。

   (6)桥梁健康监测系统

   为了监测汲水门桥的结构健康和进行结构评估工作,桥上安装了一套桥梁结构健康监测系统「简称为桥监系统」。其作用是监测桥梁在服役期间结构健康变化和进行结构评估,以作出相应的应变措施,例如进行特别检查和养护等工作。结构健康是指结构的可靠性,其中包括结构承载能力、状态和耐久能力等。而结构评估工作是指利用特定讯息,分析既有桥梁的可靠性并作出随后的修护决策。

   桥监系统主要由六个系统组成并通过网络联系运作。这六个系统包括:① 传感器系统、② 讯息收集及传送系统、③讯息处理和分析系统、 ④ 结构健康评估系统、⑤ 结构健康数据管理系统、及 ⑥ 检查及维修系统。传感器系统主要是指安装在桥上约350个传感器及有关附件,其中包括风速仪、加速仪、应变仪、位移仪、温度仪、水平仪、全球定位仪、讯息放大处理器和串联接口等。讯息收集及传送系统安装在桥上三个由微型计算器控制的讯息收集站,收集传感器传来的讯息并将之数据化,然后利用光纤网络传送至讯息处理和分析系统中,进行初步分析,并将已处理和分析讯息输送至结构健康评估系统中,进行整体结构的可靠性评估工作。

   3.主要技术特点和创新点

   汲水门桥是目前世界上第二长的公铁两用斜拉桥,现已成为香港的标志之一。由于整项工程计划非常紧迫,所以选用「设计及建造」合约方式承建,以便能够尽量善用承包商的丰富建桥技术及经验,从而达至经济及快捷的方案。承包商只须符合在设计及建造规范和桥梁外观上的要求,其它方面(如桥梁类型)均可自由选择来配合其建筑装备、工作经验和专长。

   首次采用独一无二的「双重合成」混叠合式结构的主跨主梁,即桥身面板及底板均采用钢筋混凝土结构。这设计大大增加本桥的气动稳定性,即能提高结构效能,又能减低建造成本。

   边跨运用顶推法施工,大量减少在地势不平场地的脚手架的使用量,并可和桥塔建造同步进行,大大节省时间。

   设计的另一重要考虑是要防止边跨在某种荷载组合下升离支座,故此采用预应力钢束把边跨桥身锚固在其中一座桥墩上。

   主跨主梁独特的中央通风隙设计可减低主梁底面风致压差,大大提高主梁的气动稳定性。另外主梁下层采用全天候密封式设计,确保公铁交通在恶劣天气情况下仍可运作。

   另一创举是在大桥内安装了齐备的监察仪器,利用计算机分析监察结果,藉此监察及预测大桥的结构性能表现,无疑大大推进桥梁监察技术的发展。

   桥上安装了一套精密的交通控制及监察系统,达至高效管理及提升道路安全水平,确保本桥及邻近的道路网络交通畅顺。

   汲水门桥的设计独特而创新,施工技术达国际级水平,更曾获一九九八年日本土木学会颁发「田中赏」;一九九八年美国顾问工程师学会,最佳工程设计奬以表扬其工程的卓越成就。

   4有关资料

   桥名 : 汲水门桥

   桥型 : 双塔双索面六孔连续加劲箱梁斜拉桥

   主跨径 : 430m

   桥址 : 香港特别行政区汲水门水道

   建设单位 : 香港特别行政区路政署(Highways Department, Hong

   Kong SAR Government)

   设计单位 : 佳拿国际有限公司 (Greiner International Limited)

   承建商 : 熊谷-前田-横河-日立合营企业 (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

   造价 : 16.43亿港元

   建成日期 : 1997年5月

   
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