1.概況
青馬大橋雄偉壯觀，是目前世界最長的公鐵兩用懸索橋。大橋橫跨香港青衣島及馬灣島之間寬約兩公里的馬灣海峽，是通往赤鱲角香港國際機(jī)場之青嶼干線上最顯要部分。大橋位處繁忙的馬灣航道之上，水深達(dá)30m。香港位于亞熱帶，年平均氣溫和總降雨量分別為23°C和2214mm，每年平均受15個臺風(fēng)吹襲，最高風(fēng)速達(dá)每小時118km。
圖1 - 青馬大橋全景
主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
(1) 雙層主梁 ： 上層六車道高速公路
下層全天候雙單線車道及雙軌鐵路
(2) 設(shè)計使用年限 ： 120年
(3) 設(shè)計交通速度 ： 公路：100km/h
鐵路：135km/h
(4) 主梁寬度 ： 41m
(5) 荷載標(biāo)準(zhǔn)
車輛荷載 ： HA + 45單位HB (根據(jù)英國運(yùn)輸部標(biāo)準(zhǔn)BD37/88)
鐵路荷載 ： RL (根據(jù)英國標(biāo)準(zhǔn)BS5400 第二冊)
設(shè)計風(fēng)速 ： 85m/s陣風(fēng)、50m/s平均時速
船舶撞擊荷載 ： 220,000噸級海輪于時速8浬之撞擊
地震基本烈度 ： 修訂麥加利烈度表7級
(6) 通航凈空 ： 凈高62m，凈寬1000m
2.整體設(shè)計規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)
大橋的設(shè)計規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)香港特別行政區(qū)路政署的「公路及鐵路結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊」而制訂的。同時根據(jù)英國有關(guān)應(yīng)力、應(yīng)變及撓度的標(biāo)準(zhǔn)，以及設(shè)計、制造及建造方面的工作守則，再加以修改，訂出切合香港情況的設(shè)計規(guī)范。當(dāng)中亦包括香港的氣象、地震、地質(zhì)及水文等各方面的數(shù)據(jù)和資料。
設(shè)計的一大目標(biāo)是確保通往大嶼山的通道在任何天氣情況下均可開放使用。為了達(dá)到這個目標(biāo)，設(shè)計師將兩條鐵路路軌置于大橋不受風(fēng)雨影響的下層，并在路軌兩旁興建密封的行車道（圖2）。
圖2– 主梁橫斷面
設(shè)計工作上最主要的挑戰(zhàn)是大橋需要承托機(jī)場鐵路的高速列車所導(dǎo)致的縱向、側(cè)向及旋轉(zhuǎn)位移，這決定了大橋的整體支承體系和形態(tài)；而大橋的詳細(xì)接合方法則主要取決于大橋極大的疲勞荷載。其它設(shè)計限制包括：必須保持海上和空中的航道暢通無阻、防止船只意外誤撞橋塔、抵御臺風(fēng)，以及克服在潮水流動急速的深海中施工所構(gòu)成的困難。設(shè)計過程中最重要的一環(huán)要算是計算大橋所須承受的風(fēng)力，過程牽涉大量計算工作，有關(guān)人員更在英國和加拿大進(jìn)行多次風(fēng)洞測試。計算及測試結(jié)果證實大橋能抵御風(fēng)速達(dá)342km/h的臺風(fēng)，而在任何施工階段及竣工后，均能保持穩(wěn)妥堅固。
3.大橋支承體系
大橋全長2,160m，主跨1,377m，為雙跨懸吊式連續(xù)梁懸索橋。主梁結(jié)構(gòu)布置為流線形體中央開孔雙向鋼桁架加勁梁，大橋巨大的荷載由兩條直徑約1.1m的主纜及兩座高206m的鋼筋混凝土橋塔承托，每條主纜錨固在兩座采用重力式結(jié)構(gòu)的巨型錨碇。每組吊索由四根豎直的75mm直徑鋼絲繩組成。
從馬灣端開始，橋跨布置為63m + 76.5m + 355.5m +1,377m + 72m + 72m + 72m + 72m = 2,160m（圖3）。大橋兩端邊跨的結(jié)構(gòu)布置顯著不同，馬灣懸吊邊跨由馬灣錨碇及兩座橋墩支撐。至于青衣邊跨由于通往青衣引道須逐步擴(kuò)闊（圖1），以容納延伸向三號干線交匯處的引路，若采用懸扣方式支撐漸寬的主梁，必須制造懸吊纜索的特別接駁構(gòu)件，在施工上會增加一定的困難和風(fēng)險。另外由于青衣邊跨建于陸地上，所以最終采用橋墩來支承，這方案也比較經(jīng)濟(jì)。
圖3 – 橋型布置
為滿足因荷載、溫度及風(fēng)力所產(chǎn)生的橋跨位移及達(dá)至高速平穩(wěn)的行車要求，大橋主梁結(jié)構(gòu)采用連續(xù)梁，全橋縱向位移錨固在馬灣橋臺，使大橋之伸縮集中在設(shè)有大位移行車道及鐵路伸縮縫的青衣活動端，該伸縮縫的伸縮量達(dá)±750mm，是世界上同類型中最大之一。大橋主梁通過青衣及馬灣橋塔時分別支承在橋塔最低橫梁上的滑動和旋臂式支座，采用兩種不同的支座，是由于主跨主梁在某些荷載模式下，近馬灣的橋面可能會向上傾斜，故須使用旋臂式支座來應(yīng)付這種情況，相對來說，由于青衣旁跨建于橋墩上，可起穩(wěn)定作用，故減低近青衣的主梁向上挑起的可能。此外，安裝在橋塔支柱內(nèi)側(cè)的預(yù)壓滑動及可調(diào)整支座限制了大橋在橋塔支柱內(nèi)側(cè)的橫向擺動幅度。
4.主橋結(jié)構(gòu)
(1)錨碇
大橋錨碇采重力式設(shè)計，憑錨碇本身重量承受每根主纜逾5萬噸的巨大拉力。位于青衣的錨碇重約20萬噸，深藏地下（圖4）；而馬灣錨碇則局部埋藏于地下，重約250000t。錨碇狀似一個嵌入石床內(nèi)的混凝土箱，錨碇的底部建有永久排水道。主纜錨固采用前錨式，具錨固容易、檢修和保養(yǎng)方便等優(yōu)點，纜束索靴透過兩根螺栓固定在鋼板上，再通過兩束加上400t預(yù)應(yīng)力拉索將纜力傳至錨體。
圖4- 青衣的錨碇截面
馬灣錨碇的挖掘工程比較簡單，只需掘至地下約20m深，在纜束斜張室底部的石面，挖成一層層向上傾斜的闊大梯級，以增加錨碇憑自重產(chǎn)生的抗拉力；而青衣錨碇因地形所限，必須建于山坡上一個深入地下約50m的漏斗形深坑（圖5）。挖掘工程歷時五個月，涉及爆破巖石約共300000 m3。
圖5 – 青衣錨碇的深坑
(2)橋塔基礎(chǔ)
大橋橋塔高206m，支承主纜及其荷載。組成橋塔的一對支柱建于混凝土地基上。每個地基承受最大荷載超逾100000t。由于海水含鹽份和活性化學(xué)物質(zhì)，為防海水滲入地基的混凝土以致侵蝕鋼筋，所有鋼筋均涂上環(huán)氧樹脂保護(hù)層。
青衣橋塔地基直接建于岸邊堅穩(wěn)的巖石上。每條橋塔支柱分別由長27m、寬19m及厚7m的鋼筋混凝土地基支承。地基底部約在水深2m處。青衣橋塔地基臨海建造，四周再筑起混凝土海堤，可防止橋塔支柱被重型船舶直接碰撞。而馬灣橋塔地基則建于海床，水深達(dá)12至14m。建造時首先將地基范圍內(nèi)的淤泥挖走，然后在水中進(jìn)行爆破工作，在海床巖石上造成兩個約1m深的凹槽，以便放置兩個鋼筋混凝土沉箱。每個沉箱長約28m及寬20m。這兩個沉箱在一艘可半潛的躉船上并排建成（圖6），利用灌水法將躉船上的沉箱滑下，當(dāng)拖至預(yù)定位置時，開啟沉箱底部12個臨時密封裝置讓水淹進(jìn)，使沉箱安放于海底石床的凹槽上。與青衣橋塔的船舶防撞設(shè)施一樣，橋塔四周筑建人工島以防止橋塔支柱被船只直接碰撞。
圖6– 馬灣橋塔地基沉箱
(3)橋塔
橋塔的形狀經(jīng)過審慎設(shè)計，顧及整體建筑比例，以柔和的弧線向上收窄（圖7），橋塔用鋼筋混凝土建造，高206m，最大荷載約為40000t。馬灣橋塔和青衣橋塔各有兩條支柱，由四道橫梁連成一體。每座橋塔各有兩個豎井，其一裝有升降機(jī)，另一建有爬梯及工作臺。支柱頂安放鑄鋼鞍座及不銹鋼上蓋覆罩。
圖7– 橋塔外型
橋塔支柱是采用滑模建造法成對建造，歷時約三個月(圖8)。滑模上移速度為每日1至3m，故此混凝土的成份須經(jīng)特別設(shè)計，確?；炷烈赃m當(dāng)?shù)乃俣饶?。橫梁及鞍座底座的灌筑工程另需時約三個月。在建筑期間，橋塔支柱必須能抵御臺風(fēng)或狂風(fēng)吹襲；為此，承建商預(yù)先制造橋塔模型進(jìn)行風(fēng)洞測試，以確保在預(yù)計風(fēng)力吹襲下，整座橋塔均安全穩(wěn)固。
圖8– 建造中之馬灣橋塔
兩座橋塔的頂部合共裝上四個鞍座，每個重約500t，采三節(jié)分體式結(jié)構(gòu)，以減低吊裝能力的限制。鞍座下裝有格床，格床與鞍座之間設(shè)有一個滑動支座，用螺栓鎖緊。在架設(shè)主梁時，主纜的拉力會逐步增加，但磨擦力使主纜不能在鞍座內(nèi)槽上滑動，引致主纜將橋塔頂拉向主跨，造成橋塔支柱撓曲。為預(yù)防橋塔支柱過度撓曲，以致支柱承受過大應(yīng)力，滑動支座在工程進(jìn)行時是松開的，使原先偏向旁跨兩邊的鞍座能夠被頂回橋塔的中心，從而令橋塔頂回原位。頂回的工序在架設(shè)主梁時分三個階段進(jìn)行，鞍座的最大位移量為1200mm，當(dāng)工程完竣后、滑動支座即被永久鎖緊。
(1) 主纜
大橋主纜采用空中絞織法建造，此方法是在工地將逐條鋼絲絞合制成主纜。鋼絲由絞織盤牽引反復(fù)來回于兩個錨碇之間，織成纜束繼而成纜。旁跨共有97組纜束，而主跨則有91組。每組纜束鋼絲數(shù)目略有不同，但一般為368根。兩條主纜均由5.38mm直徑的鍍鋅高拉力鋼絲平衡并列織成。在主跨部分，每條主纜索由33,400根鋼絲組成。但在邊跨部份，由于主纜角度陡峭，主纜需承受較大拉力，因此組成主纜索的鋼絲多達(dá)35,224根。主纜從橋塔頂端陡直而下穿過斜壁，進(jìn)入錨碇內(nèi)的纜束斜張室，經(jīng)過散展鞍座后分成多組纜束，每組纜束回繞由鋼鑄成的半月形纜束索靴將纜力傳至錨體。絞織工序歷時共九個月完成（圖9）。
圖9– 調(diào)整主纜鋼絲垂度
絞織工序完成后，緊纜工作隨即展開（圖10）。兩條主纜均被壓縮成圓形并用鋼制的臨時箝帶捆扎。壓縮機(jī)內(nèi)安裝了六個250t的向心壓頭，能夠?qū)⒅骼|壓縮至大約1.1m直徑。緊纜完成后，主纜裝上244個由兩半月形鑄鋼組成的索夾，以螺栓鎖緊。因青衣引跨主纜沒有裝置吊索，只需54個索夾鎖緊主纜，其余190個索夾的槽溝回掛著兩條直徑為75mm的鍍鋅鋼絲繩，形成每組四根纜索吊索（圖11），合共760根懸吊纜索。
圖10 – 緊纜工作進(jìn)行中
圖11– 索夾及吊索布置
圖12 – 主梁結(jié)構(gòu)透視
圖13– 主梁吊裝
在防腐措施方面，每條主纜均涂上紅鉛漆并用上直徑3.5mm的鍍鋅鋼絲包捆（后頁圖14）。主纜包捆妥當(dāng)后，再髹上六層保護(hù)漆。完成后的主纜直徑為1.1m，總長約4.4km，總重接近26,700t。
(2) 主梁
大橋主梁寬41m及厚7.2m，采用首創(chuàng)及別具特色的流線型體中央開孔雙向鋼桁架結(jié)構(gòu)（圖12），縱向及橫向分別采用華倫式及空腹式桁架，上及下層橋面鋪上正交異性鋼板，具自重輕及剛度大的優(yōu)點。主梁采用翼剖面形設(shè)計，兩邊外緣裝上流線型不銹鋼覆面及經(jīng)特別設(shè)計的風(fēng)咀，以便令氣流轉(zhuǎn)向。主梁在上下層橋面中央預(yù)留一道氣隙，可提高主梁的氣動穩(wěn)定性。
香港位處臺風(fēng)地帶，風(fēng)力強(qiáng)大。此外，由于橋面寬及跨度大，為確保大橋具抗風(fēng)穩(wěn)定性，主梁須進(jìn)行節(jié)段和全橋氣動彈性模型風(fēng)洞試驗，對橋梁風(fēng)致振動進(jìn)行了全面的分析研究。根據(jù)試驗結(jié)果，施工狀態(tài)在最不利的 +5° 風(fēng)攻角時的顫振臨界風(fēng)速在低紊流度（Iu = 9%）和高紊流度（Iu = 16%）分別大于48m/s及45m/s；成橋狀態(tài)在 0° 風(fēng)攻角時顫振臨界風(fēng)速大于95m/s，完全滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。
主梁組件共用逾49,000t優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼建造。在95件主梁節(jié)段中，大部份均為18m長。主梁吊裝采節(jié)段架設(shè)方法，由大型駁船運(yùn)至預(yù)定位置，然后垂直吊裝。為使工地架設(shè)工作更快完成，每兩節(jié)段預(yù)先嵌接成36m，重1,000t組件然后順序吊裝。架設(shè)工程在主跨中央對稱逐步向兩側(cè)橋塔推進(jìn)（圖13）。主梁組件由鋼絞線起重機(jī)吊放，開創(chuàng)了吊橋工程的先河。
為減少焊接變形和有利于焊接應(yīng)力釋放，已架梁段之間通過每個節(jié)段兩端的工地匹配件臨時連結(jié)，以滿足抗風(fēng)穩(wěn)定要求。在架設(shè)約六成梁段后，梁段成橋線形接近設(shè)計線形，此時開始焊接部分上下層橋面鋼板，繼而用螺栓將各段桁架連接，最后再進(jìn)行焊接，逐一固接梁段。最后一節(jié)梁段的架設(shè)必須將整段已架設(shè)梁段拉后400mm，以便有足夠的間隙待嵌。梁段架接歷時八個月完成。
5.車道鋪裝
為減少大橋的靜載，車道鋪裝物料均采用特制材料，上層車道鋪裝采用40mm厚瀝青馬蹄脂，此物料使用特里尼達(dá)湖瀝青混合石油瀝青和碎石料制成，具低溫抗裂和高溫穩(wěn)定特性，除堅固耐用外，也可提供舒適的行車路面。鋪裝表面灑上花崗巖碎石，加強(qiáng)車道防滑作用。為防止水份滲透而侵蝕鋼橋路板，在鋪筑瀝青馬蹄脂前，鋪上經(jīng)特別設(shè)計的防水膠膜（圖14），可抵御施工時達(dá)220-240°C高溫。下層車道使用量較少，只在緊急事故或修護(hù)時使用，因此，鋪裝物料選用7mm厚環(huán)氧樹脂鋼沙料，可進(jìn)一步減輕主梁靜載。
圖14 – 車道防水膠膜鋪裝及主纜防腐進(jìn)行中主梁吊裝中
6.橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)
為了監(jiān)測大橋的結(jié)構(gòu)健康和進(jìn)行結(jié)構(gòu)評估工作，大橋上安裝了一套橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)「簡稱為橋監(jiān)系統(tǒng)」。其作用是監(jiān)測大橋在使用期間結(jié)構(gòu)健康變化和進(jìn)行結(jié)構(gòu)評估，以作出相應(yīng)的應(yīng)變措施，例如進(jìn)行特別檢查和維修等工作。結(jié)構(gòu)健康是指結(jié)構(gòu)的可靠性，其中包括結(jié)構(gòu)承載能力、狀態(tài)和耐久能力等。而結(jié)構(gòu)評估工作是指利用特定訊息，分析既有橋梁的可靠性并作出隨后的修護(hù)決策。
橋監(jiān)系統(tǒng)主要由六個系統(tǒng)組成并通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系運(yùn)作。這六個系統(tǒng)包括：(1) 傳感器系統(tǒng)、(2) 訊息收集及傳送系統(tǒng)、(3) 訊息處理和分析系統(tǒng)、 (4) 結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)、(5) 結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、及 (6) 檢查及維修系統(tǒng)。傳感器系統(tǒng)主要是指安裝在大橋內(nèi)約350個傳感器及有關(guān)附件，其中包括風(fēng)速儀、加速儀、應(yīng)變儀、位移儀、溫度儀、水平儀、車軸車速儀、全球定位儀、訊息放大處理器和串聯(lián)接口等。訊息收集及傳送系統(tǒng)安裝在大橋內(nèi)三個由微型計算器控制的訊息收集站，收集傳感器傳來的訊息并將之?dāng)?shù)據(jù)化，然后利用光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至訊息處理和分析系統(tǒng)中，進(jìn)行初步分析，并將已處理和分析訊息輸送至結(jié)構(gòu)健康評估系統(tǒng)中，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的可靠性評估工作。
7.主要技術(shù)特點和創(chuàng)新點
(1)青馬大橋是目前世界最長的公鐵兩用懸索橋，現(xiàn)已成為香港的新地標(biāo)。整項工程計劃在非常緊迫的時限下完成，以當(dāng)時建筑規(guī)模及復(fù)雜程度上，能夠在僅僅五年內(nèi)建成，尤其難能可貴。大橋的建成，成功地體現(xiàn)由世界十七個不同國家的工程人員攜手合作的成果。
(2)大橋主梁創(chuàng)新采用從未結(jié)合的工程方案，使用別具特色的流線型體中央開孔雙向鋼桁架結(jié)構(gòu)，流線型體橋身加上獨(dú)特的中央通風(fēng)隙設(shè)計有效地減低主梁底面風(fēng)致壓差，大大提高主梁的氣動穩(wěn)定性。另外主梁下層采用全天候密封式設(shè)計，確保公鐵交通在惡劣天氣情況下仍可運(yùn)作。
(3)另一創(chuàng)舉是在大橋內(nèi)安裝了齊備的監(jiān)察儀器，利用計算機(jī)分析監(jiān)察結(jié)果，藉此監(jiān)察及預(yù)測大橋的結(jié)構(gòu)性能表現(xiàn)，無疑大大推進(jìn)橋梁監(jiān)察技術(shù)的發(fā)展。
(4)大橋主纜是世界上使用空中絞織法建成中最大的。另外大橋設(shè)置的大位移行車道及鐵路伸縮縫，是世界上同類型中最大之一。
(5)大橋首創(chuàng)采用安裝在主纜上的鋼絞線起重機(jī)吊裝重達(dá)1000噸的主梁組件，大大提高吊裝能力，從而縮減吊裝工時，達(dá)至加快建筑速度，對海上交通影響減至最低。
(6)大橋上安裝了一套精密的交通控制及監(jiān)察系統(tǒng)，達(dá)至高效管理及提升道路安全水平，確保大橋及鄰近的道路網(wǎng)絡(luò)交通暢順。
青馬大橋在橋梁技術(shù)上除達(dá)至國際級水平外，更在多方面技術(shù)上擠身世界領(lǐng)先地位。大橋更在一九九七年囊括兩項英國建筑大獎，在172項參選工程中，榮獲英國建造業(yè)土木工程獎及英國建造業(yè)榮譽(yù)獎。除上述獎項外，青馬大橋也榮獲一九九七年度英國結(jié)構(gòu)工程師學(xué)會特別獎及一九九八年度鋼料結(jié)構(gòu)設(shè)計獎，更被選定為英國千禧年產(chǎn)品。一九九九年，日本土木學(xué)會，‘田中賞’；二零零零年為香港十大杰出工程項目選舉之冠軍；二零零四年，中國土木工程學(xué)會，橋梁及結(jié)構(gòu)工程分會，選為“全國十佳橋梁”之一。
8.有關(guān)資料
橋名 ： 青馬大橋
橋型 ： 雙塔雙跨懸吊式連續(xù)鋼桁架公鐵兩用懸索橋
主跨徑 ： 1３７７m
橋址 ： 香港特別行政區(qū)馬灣海峽
建設(shè)單位 ： 香港特別行政區(qū)路政署 (Highways Department, Hong Kong SAR Government)
設(shè)計單位 ： 萬隆工程師顧問香港有限公司 (Mott MacDonald Hong Kong Limited)
施工單位 ： 英高日建筑聯(lián)營所（由特法佳建筑（亞洲）有限公司、高捷達(dá)土木工程有限公司及三井物業(yè)有限公司聯(lián)營）(Anglo Japanese Construction Joint Venture comprising Trafalgar House Construction (Asia) Limited, Costain Civil Engineering Limited and Mitsui and Company Limited)
混凝土用量 ： 橋塔52,000 t、青衣錨碇200,000 t、馬灣錨碇250,000 t
鋼材用量 ： 主纜26,700 t、主梁49,000 t
造價 ： 約70.6億港元
建成日期 ： 1997年5月
