新版香港大桥的初步设计模板.doc

香港新悬索桥-青龙大桥初步设计蔡新荣 罗信理（香港尤其行政区路政署） 摘要青龙大桥横跨大屿山拐石和青龙头之间马湾海峡。这处海峡宽约1400m是大多数来往香港水域和珠江三角洲船只必经之地。这地点直接在赤蜡角香港国际机场航道下，因为有海洋和航空航道限制，所以桥塔和桥面高度受到严格限制。因为需要较长净跨及较矮桥塔可行处理方法是使用主跨长13001450m吊桥。关键词 青龙大桥 悬索桥 初步设计一、引言连接香港岛至离岛大屿山青屿干线已于1997年顺利通车。青屿干线由全世界最长汽车和火车共用吊桥-青马大桥及斜拉桥一汲水门大桥组成。干线通车后三年，香港尤其行政区政府主动进行归划和兴建第二条连接大屿山桥梁。该桥梁将成为香港未来西部公路关键一部分，南面连接至香港岛，北面则和行将兴建跨境通道相连。这命名为青龙大桥初步设计已于 1999年完成，具体设计亦于本年年初开始进行，工程估计于动工，约完工。桥梁在新香港国际机场航道之下，飞机航道严重限制了桥塔高度。其次因为桥梁横跨香港最繁忙水道-马湾航道之上，海上航道亦限制了桥身高度及位置。基于上述限制，青龙大桥将会以一座主跨1418m长吊桥形式兴建，这跨度比青马大桥还要长41m。因为桥塔高度限制，桥梁将会有一个异常大跨度和垂度比率，加上桥梁两旁陡斜地形造成桥梁设计亦比较尤其地附有很短旁跨。本文件描述了1999年完成大桥各个部份初步设计，更引伸至最近研究中桥面设计，估计新设计比初步设计更优异，提供更优良空气动力所需要稳定程度。完成后，青龙大桥将会在全世界长主跨吊桥第三位，两桥梁所处位置，不管从海、陆、空皆可清楚看见。大桥更身处香港三大吊体系桥梁之分：即青马大桥，汲水门大桥，及汀九桥。此处亦将成为全世界同类大桥密度最高地方。1.背景1979年青衣至大屿山干线可行性研究（Lantau FIXed Crossing Feasibility Study）指出，有需要建设两条连接道，连接北大屿山和本港其它地域。第一条连接路称为青屿干线（Lantau Link），已于 1997年 5月22日通车。1992年第二次整体运输研究更新本（Updating of the Second Comprehensive Transport Study）再度研讨这交通需求，并已估计如要应付提议中大屿山新发展，当局便须于前建成第二条连接以 1995年全港发展策略重研（Territorial Development Strategy Review）估计，全港人口在 将达成 750万810万。此汇报估计新界西北部人口将会大幅增加，造成该发展区和市区交通需求大增。交通估计显示，当局有需要以新干线连接大屿山和元朗，称为十号干线-北大屿山至元朗公路（Route 10- North Lantau to yuen Long Highway），这条干线和十号干线-港岛至大屿山连接路（Route 10HongKong Lantau Link）、连接坚尼地城至香港仔段七号干线（Route 7）、后海湾干线（Deep Bay Link）和深圳西部通道（Shenzhen Western Corridor）将形成一条关键西部公路（Western Highway），连接港岛和深圳蛇口。图1介绍了西部公路路线。1995年5月，路政署委聘顾问企业进行深井连接路可行性研究（Sham Tseng Link Feasibility Study）。这汇报提议在大屿山东北部海角-拐石兴建一座跨海大桥横跨马湾海峡，将十号干线接驳到北面青龙头地段，又因为地势关系，大桥旁跨将直接大榄隧道，隧道将在繁忙屯门公路下横越，路线再如北面走。1998年3月，路政署委聘顾问企业进行十号干线（北大屿山至元朗公路）勘察及初步设计工作，以重新研讨可行性研究结果，而且更正确地确定土地需求，勘察这条路线对环境、海事、排水、交通及其它地域影响，和开始进行这项目工程初步设计工作。青龙大桥初步设计及环境影响评定亦在这阶段进行，全部过程亦和1999年11月完成。2.勘察及初步设计工作目标大桥勘察及初步设计工作关键目标，是查核可行性研究中对兴建青龙大桥提议。亦会考虑到提议可行性研究中实际要求，提议可行路线、配置和设计，提出对该项目完善而具成本效益初步设计，并已落实为该项目作深入具体设计。为要在设计阶段达成以上目标，在勘察及初步设计工作内，顾问企业进行了各方面影响评定以确保本项目在兴建和通车阶段，皆能达成政府全部要求、标准、指导。本项目所需要土地将会依据道路（工程、使用及赔偿）条例在实报上公报相关项目，最终还要建立相关工程范围定义、实际估价和批核程序，并要订定建筑、管理、运作和维修策略。二青龙大桥初步设计1.设计要求此桥是双程三线分隔行车道，每条行事道有 11m宽。旁跨会建设 3.3m宽路肩。大桥主跨则只能容纳1m宽路肩。桥上没有行人路和单车径等设施。因为大桥在机场及马湾海峡航道中。大桥设计受制于以下两项规限：（l）香港机场（管制障碍物）法例，限制了青龙大桥桥塔高度，在桥塔设计位置，北面桥塔净空为+175m，而南面则为+184m。加上有需要预留合适空间以作兴建桥塔之用，故此桥塔实际高度只能限制在+169m（北面）及+178m（南面）。（2）在海面上，为了维持马湾海峡航道通畅，桥身高度不能低于+62.1m(主水平基准）。至于风速研究方面；一项由加拿大安大略省西大学风动力研究中心进行风环境研究，提议青龙大桥风速设计，以重现期为120年作设计标准，应设定每小时桥面平均风速为45ms。桥梁断面形状复杂，故此用纯理论分析方法求解作用于桥梁上气动力及风致振动响应相当困难。故此设计中为处理其抗风性能时，包含了详尽风洞模型测试。风洞模型测试，亦在加拿大安大略省西大学风动力研究中心进行：测试项目包含主梁节段模型作气动及非气动弹性响应测试；另外又以地型模型进行了风洞试验，和测试整体模型气动弹性，包含全桥完成状态、架设状态、及独立桥塔状态等。地震设计方面，则将会以香港现有及源自广东省地震局地震资料及反应港作为基准。大桥设计将采取地震峰值加速度为0.07g，比青马大桥所采取0.05g为高。2.总体设计青龙大桥桥梁主跨为1418m。因为旁跨是弯曲，所以不能由根本直接承载，而支持点是来自下面桥墩。马湾海峡两旁土地峻峭，这是唯一可行方法。图2说明了青龙大桥分布和立面图。青龙大桥轮廓，关键由桥塔及锚碇位置所制订。3.桥塔因为屯门公路和大榄涌隧道相近，所以北桥塔会建在龙涛花园西面浅水地带。估计地基将包含预制混凝土流箱，先将沉箱拖运到合适位置，然后沉下至已预备好岩床。桥塔会受到填海和海堤保护。以预防来往船只碰撞。南桥塔则建于靠近前滨拐石山岬上，约离海边 50m。此桥塔地基在+25m（主水平基准面），建于宽广石层之上。海岸线将会得以保留。初步设计已确定了桥塔会用混凝土兴建和用滑模法来建筑。桥塔支柱之间近塔顶和桥面以下兴建混凝土门式横梁。至于混凝土规格则会在具体设计时制订，以确保混凝土耐久性能适应海洋环境。4.锚锭北面锚锭在屯门公路以南一个弃置石矿场。因为距离屯门公路及立即兴建大榄涌隧道很靠近，这个锚锭采取一个隧道形式锚锭。降低庞大岩石挖掘。方法是利用该处优良岩石，将缆索直接固定在岩石中，降低和大榄桶隧道人口和通风大楼分界面。大桥主钢缆将在锚锭（约20m宽、35m长、27m深）内分为多组散开。各级钢索将会穿过岩石中预钻洞孔，直接牢靠在地下约对2040m深三条横向坑道内（坑道均长6080m）。南面锚锭位置是依据南桥塔和公路路线而决定。在兴建锚锭之前，五鼓岭将需要进行削平工程，将地面降至（65以主水平基准面）。因为工地相对来说不受限制，所以可采取重量形锚锭。锚锭约80m宽、60m长及46m深），足可容纳一座七层高大厦。图3及图4介绍了北锚锭和南锚锭立体图。5.主跨主跨采取箱形钢桥身设计，其桥面采取了正交双向钢板，有38m宽，5m深，并在桥身中央设有一个3.5m宽通风口，提供桥身在空气动力所需要稳定程度。桥身是由钢架和每隔 4.5m横隔梁支援，以求能同时符合经济和实用效益。选择主梁在风洞测试中，在紊流或均匀流风场中，于不一样风攻角下，成功达致设计所需抖振风速，以下列出部价风速统计以作参考（表1）：主梁宽 38m，深5m，梁中设有 3.5m宽气孔，及竖折流板（以阻碍气流）高于桥面1m，并附设有预应力钢缆护栏及维修横梁路轨。桥梁主跨由每18m悬垂缆索承载，共78条，约每四个横隔梁就有一个，桥面则架设在桥塔横梁上轴承。主跨总长度为1，418m，即77 * 18m2*16m。因为桥塔高度受飞机航道限制，所以根本垂度较理想设计为小（主跨/垂度比率约为15），造成主缆直径异常大。主跨和旁跨主缆直径是1018mm和1042mm，设计是使用强力钢丝，以预制缆束方法建造。初步设计亦考虑其它建造方法如空中绞织方法来建造。悬垂缆索是镀锌钢缆，将会回挂在主缆缆箍上，方便承载钢制桥身。6.旁跨旁跨设计是采取预应力混凝土箱形梁。旁跨能够配合公路弧度，可独立于主跨而建筑。北跨总长度为190m，为了避免桥墩影响桥塔周围青山公路，遂分成三段路跨，即75m，65m及 50m三段。其中较长两段将预留加阔路肩及路面，作为维修大榄涌隧道所需汇流分流地段。而南面只有一段长 180m路跨。7.运作和维修在运作或维修阶段将会采取交通控制及监察系统来调整桥上交通。桥中有检验和维修专用通道，大桥结构健全监控系统关键条件亦已确定。三、青龙大桥-新构思主梁1.序言完成初步设计后，香港尤其行政区政府于本年二月，委任新顾问工程企业为青龙大桥进行具体设计、制订工程合约、甄选适合承建商进行兴建、及监查工程进行。新顾问工程企业提议为青龙大桥主梁，采取一个崭新主梁，暂订名为第三代主梁（G3主梁），估计G3主梁校初步设计主梁有更佳抗风表现。图5展示新主梁横切面。这设计原自意大利 Messina Crossing主梁设计，设计在欧洲经过长时间测试，证实有很优良抗风表现。在高速下，主梁两个箱形钢桥身会保持上下振动，并不依靠传统主梁扭力系统来抵御风速。2、G3主梁优点倘若可证实G3主梁能够改善桥梁空气动力中稳定性，估计将会有以下显著优点：（1）G3主梁将会较初步设计主梁为轻，不单可节省主梁成本，更可减轻主钢缆、悬垂缆索、桥塔、锚锭及地基负荷。（2）流线型G3主梁，使空气阻力减至最低。G3主梁抗风表现亦可从流动解析（computational Fluid Dynamic)所引证。（3）浅薄G3主梁可改善青龙大桥主缆垂度从而减轻主缆负重，及桥塔和锚锭负荷。（4）较薄G3主梁能够采纳多个不一样桥梁建设方法，方便了制造及装配程度。（5）较薄G3主梁能够在工厂内以半自动化机械制造，有较佳品质控制和确保。（6）估计桥梁能以较廉价和较短建筑时间完成。3.抗风设计G3主梁风洞节段模型测试，正在加拿大安大略省西大学风动力研究中心进行。从初步风洞测试结果，G3主梁空气动力稳定性得以引证。当然，测试仍在早期阶段。具体设计还有待深入探讨和确立。四、结论前文具体描述了香港尤其行政区政府，采取了一系列程序，将一项关键道路桥梁工程，从构思逐步迈向建设。在青龙大桥设计方面，从传统桥架设计，吸收经验，引进其它优异理论，配合详尽试验测试，开拓新吊桥主梁概念。从青龙大桥开始，G3主梁将会被广泛注意，只要配合不一样理论引证，估计在很短未来，G3主梁将会成为新一代悬索大桥研究焦点。致谢对路政署署长，梁国新先生，许可本文发表和发表，本文作者特向她致以谢意。