香港青马大桥设计创新

香港青马大桥设计创新摘要香港青马大桥是从香港市区通向新机场的主要桥梁。它是以公路铁路两用的悬索桥，连接青衣岛及马湾岛。大桥主跨为1377m，于1997年完成通车。此桥是通往新机场的唯一通道，非常重要，因而规定要在各种天气条件下都可以通行，维持各地区的交通联系。香港的气候条件，尤其是台风的发生和腐蚀性大气，以及铁路通往机场的要求是设计的主要影响因素。对大桥的抗风设计、防腐性能设计提出了较高要求。由于海峡地形特殊，又加大了桥跨布置的困难。关键词：桥跨布置、抗风设计、防腐设计目录第一章桥跨布置......................................................................................................31.1设计思想......................................................................................................31.2具体布置方案..............................................................................................3第二章桥梁截面抗风形式的设计创新....................................................................52.1风力的影响..................................................................................................52.2桥梁断面抗风设计......................................................................................5第三章桥身的防腐蚀设计........................................................................................73.1青马大桥箱体防腐......................................................................................73.1.1车间防腐工艺要求........................................................................73.1.2组装现场防腐工艺要求................................................................83.2钢桥面行车道防腐...................................................................................8参考文献..................................................................................................................10第一章桥跨布置1.1设计思想根据香港青马大桥所在位置的地形条件差异及青衣侧公路立交布置要求，设计者提出了不对称设计思想。即中跨和马湾一侧边跨悬吊的双塔两跨悬索桥构思，也是净跨最长的公路铁路两用悬索桥。青马大桥从靠大陆一侧的青衣跨越马湾岛，除了马湾塔的基础以外，其它的基础都是支承在坚实基岩上的扩大基础，马湾塔建造在离岸350m左右的一个海底大陆架附近，大约12m深的沉箱上，塔四周还建造一个防船撞击的防护岛。这个方案决定了1377m的中跨和355m的马湾一侧悬索边跨。在青衣一侧，地形陡峭，严重限制了新建3号高速公路线的立体交叉。由于靠岸的水很深，公路线型方案要求引道从桥塔处的主线开始分道。青衣岸边的水深，要求桥塔建在岸上。公路立交定线妨碍了悬跨方案的采用，因此引桥由4个支承在空心钢筋混凝土桥墩上的72m跨径组成，并配有塔顶和锚碇之间的直线后拉索。最终完成的悬索桥将不仅是世界上净跨最长的公路铁路两用桥*，而且也将是世界上最不对称的悬索桥之一。1.2具体布置方案青马大桥东面桥塔基础为钢筋混凝土扩大基础，每个塔柱基础为长27m，宽19m，厚7m，基础混凝土直接浇筑在7m深的岩面坑洞中，顶面与岸地面齐平，因为近海的原因，基础用钢筋都涂上环氧树脂层，以防海水。近马湾岛的桥塔基础是由两个28m长，20m宽，16m高的预制钢筋混凝土沉箱做成。施工时，首先在水中把海床面不平石层爆破，整理后，用拖船把沉箱拖到地基处，加水下沉，令其下沉到设计高程。此处水深约10m，沉箱内再浇筑混凝土，形成一巨大桥塔基础。沉箱四周再加上石块保护层及防波堤，形成一个人工岛，以保护桥塔结构不受来往船只撞损。其不对称布置主要体现在两个方面：1）结构形式上的不对称。从桥梁的布局图中我们可以看出，其青衣岛侧边跨加劲梁石油桥墩支撑而不是由吊杆支撑。2）受力形式上的不对称。悬索桥的上部受力体系主要由加劲梁将桥面受力传递给吊杆，再由吊杆传递给主缆。而青马大桥靠青衣岛一侧的边跨加劲梁由桥墩支撑，近马湾岛一侧由吊杆与主缆支撑，这就形成了受力形式上的不对称。第二章桥梁截面抗风形式的设计创新2.1风力的影响在青马大桥桥址，200年一遇的3秒阵风风速为83m/s，即时速高达300km/h。在结梅设计方面，有两个重要问题要解决。首先，桥身结构要尽量减少风阻力和有足够的抗风能力，因而选择最合适的结构横断面是十分必要的。其次，在遇到台风时，桥结构能维持动力平衡及不产生颤动和不平稳现象。2.2桥梁断面抗风设计经验证明，在传统的箱形桥身两旁安上像飞机翼的桥身稳定器，可大大降低牵引力。传统的吊桥设计型式，符合50m/s的最大风速要求。在欧洲，改良后的流线型箱形桥身，其稳定性也可达到风速为55m/s，的要录。但青马大桥的设计风速标准，均比上述为高。根据桁架桥的施工经验，如在桥身中央加上空气隙，由于便利空气流通，增加了桥身的稳定性。因此，青马大桥的桥身设计，除采用与近年欧洲所建吊桥的流线型闭合箱形断面外，在桥身中央上下都留有空气隙，起通风的作用，并在两旁稳定器的冀端，加上不锈钢镶面以减少风阻力。风洞试验结果，确定桥身临界颇动速度仍超过设计标准(74ms/)，但在低风速下，由于旋涡激发的振荡很小，对公路车及火车没有影响。因此桥身两旁的稳定器可不需要，因此减少了工程所用钢材。其断面形式如下图。桥身外形符合气体动力稳定性的要求。桥身为一桁架，用上层和下层桥面钢板作为翼缘，并与纵向桥身结构组成组合梁。横向梁是空腹桁架，横悬于吊索间。桁架有三个空腹，中央空腹用作机场高速载客火车运行，两旁之空腹各容一行车道，以作紧急行车和维修之用。桥身结构原定分段组成，原设计为每段长18m，与吊索的纵向间距相同。横梁的中心距为4.5m即每一段预制桥身有四根横梁。为了避免预制桥身连接处和吊索连接处集中于一处卜和减少细部设计及施工时的困难，最后设计采用15m和21m长的预制桥身，相错连接。桥身平板和横梁全用焊接连接，其他桁架则用高拉力摩阻螺栓连接。桥身为两层。上层为公路桥，下层为公路铁道两用。在正常情况下，上层桥面供客货车使用。在发生强风时，即平均风速为40~65km/h时(阵风为60km/h)，上层桥面靠边缘的行车道将封闭，以防发生危险，届时每方向只行两行车道；同时高的货车也不准在上层桥面行驶，但可在下层的紧急行车道行驶。当平均风速增至65~90km/h时，即阵风为12okm/h时，上层桥面将停止使用，所有车辆只能使用下层的紧急行车道。而平均风速增加至90km/h时，即阵风速为220km/h时，桥即封闭，除紧急抢救车辆外，其他车辆均不准过桥。闭合箱式之桥身模型在风洞试验时，箱内即下层桥面的风速约为桥外风速的40%，这是上述桥梁交通管理的试验依据。第三章桥身的防腐蚀设计3.1青马大桥箱体防腐青马大桥全桥共分95个箱体结构，整个涂装工作分为:车间防腐和组装现场防腐。青马大桥钢结构重量接近6万t，防腐面积大约在40万m2。由于工程量巨大，因此，在当时制作现场的广东省东莞市沙田镇兴建了东南亚地区第一个具有全天候涂装条件的工厂。涂层系统包括:(1)热喷金属涂层，根据设计要求在车间施工;(2)红色磷酸锌底漆，车间施工;(3)灰色磷酸锌底漆，车间施工;(4)黑色环氧云母氧化铁中间漆，车间施工;(5)银灰色环氧云母氧化铁面漆，外场地组装现场施工;(6)聚胺脂面漆(根据设计需要暴露在外界之区域，外场地施工。3.1.1车间防腐工艺要求(1)所有构件进入车间进行表面处理之前，事先进行外观检查，包括:表面有无油污，焊缝有无利角、毛刺、焊渣、飞溅、气孔等。(2)高压淡水清洗表面油污及盐份。(3)清洁的压缩空气吹干表面的水份。(4)将工件推至打砂房进行喷砂除锈至Sa2.5级，喷砂采用钢砂作为磨料。(5)喷砂结束后，检查钢板清洁度及粗糙度是否达到设计要求。(6)清除表面的砂粒及粉尘。(7)构件推出打砂车间，根据设计如果需要喷铝或喷锌则将构件推至喷金属车间，金属涂层的厚度要求为175μm±50μm。(8)当热喷金属工作完成后，清除表面粉尘，将构件推至底漆涂装车间。热喷金属及现场焊接部位应事先用防水胶纸进行密封，不做涂装。如采用磷酸锌作为底漆，在底漆喷涂之前，所有焊缝、边角及不易涂装之处应用刷子进行预涂。(9)待底漆施作完毕并达到覆涂时间后，推至第二油漆涂装车间，喷涂第二道灰色磷酸锌底漆。(10)待底漆固化后推至第三油漆车间施工环氧云母氧化铁中间漆，在涂装之前先用刷子进行预涂。(11)将构件推至验收车间，待涂层固化后，检查漆膜厚度，如有需要对涂层进行修补。(12)验收发货。3.1.2组装现场防腐工艺要求(1)对现场焊接部位，进行外观检查，确保无焊渣、油污、飞溅、毛刺、利角、咬边及气孔等缺陷。(2)用溶剂清洗焊接处。(3)对现场焊接部位进行除锈处理至Sa2.5级，并清洁干净表面的粉尘及砂粒，然后再依次补涂原有之涂层系统至环氧云母氧化铁涂层。(4)检查原有已施工完的涂层系统是否有吊装及焊接损伤，根据损伤程度决定修补方法，小面积损伤区采用电动打磨机打磨至Sa3级，并用溶剂清洁打磨位置，然后再依次补回原有涂层系统。(5)确保所有的修补工作全部完工后，用砂纸将环氧云母氧化铁涂层表面拉毛。(6)用高压淡水及清洁剂清洗，将表面的灰尘、油污及其它杂物清除干净。(7)待表面干燥后，预涂环氧云母氧化铁(银灰色)后再以无气喷涂方式施工两道该涂层。(8)待涂层固化后检查、修补及移交验收。(9)对于暴露在外界的钢结构件再依次施工两道聚胺脂面漆。3.2钢桥面行车道防腐(1)当分段拼装工作结束后，采用高压淡水及清洁剂并结合洗地擦，将表面的油污及盐份清洁干净。(2)采用自动无尘打砂机打砂处理至Sa3级，在喷砂之前，先安排2台打砂机以S40钢丸作为磨料先作一次清洁处理，之后紧接着另外3台打砂机以G16钢砂作为磨料，使钢板的粗糙度达到设计要求。(3)热喷锌厚度达到175μm±50μm。(4)热喷锌完工后，检查锌层附着力，若达到设计要求，则施工一道磷化底漆。参考文献[1]交通部重庆公路科学研究所.厦门海沧大桥钢桥面铺装试验研究报告.1999.