1、引言

昂船洲大桥是8号路的一部分（以前的9号路）。这是一条东西高速公路，为大屿山岛的香港国际机场和西Kowloon的城区提供进一步的联系。1997年完成的青马大桥和汲水门大桥也是这条路线的一部分。

　　桥梁概念产生于2000年的国际设计竞赛 。2001年3月把详细设计的咨询授予Arup和COWI。通过对竞争获胜的基准方案的技术审查，导致许多改进，而同时仍保持方案的外貌。2002年3月开始桥梁的详细设计。以下叙述详细设计的各个方面。

　　2、 桥梁

　　昂船洲大桥是座斜拉桥，全长1596m。主跨1018m跨越Rambler运河，每侧4个背跨，跨径79.75m，70m，70m，69.25m。独柱塔至高程+175m用混凝土，从高程+175m至+293m用带有不锈钢外壳的钢-混凝土组合结构。顶上5m是光泽的钢结构，它作为建筑灯光特性，并为养护设备提供储藏处。双索面取改进的扇形布置，锚固在桥面的外边，主跨间距18m，背跨间距10m。

　　桥面是双箱梁，主跨用钢，背跨用预应力混凝土。钢和混凝土的交界进入背跨49.25m。两纵梁用横梁连接。主跨的线形是直的，桥面等宽。然而，背跨需在西侧适应变宽的车道，东侧适应带有超高的平曲线。

　　背跨的墩与桥面整体连接。3个内墩为独柱墩，而毗邻高架桥的墩为双柱门架结构。桥面横向受塔上竖向支座和背跨墩的约束。纵向由塔处的液压阻尼器和背跨墩提供约束。阻尼器是这样的来安设，使静力作用例如温度和平稳风作用下可发生位移，而抵抗由于风的抖振和地震活动的短期动力作用。每侧地基包含高程-40m至-90m覆盖在基岩上，厚度很不相同的人工堆积层。两侧都在填筑地基上。

3、设计

昂船洲大桥是跨径超过1km已完成详细设计的第一座斜拉桥。在设计中遭遇特殊的挑战，这是由于桥位暴露在台风区和处在繁忙的港口，意味着施工操作的严重限制。桥梁还承担重货运车占很高比例的交通。

　　3.1设计准则

　　设计准则概括在设计备忘录中，它基于香港由HyD颁布的公路和铁路结构设计手册（SDM），并以BS 5400和其他有关规程作补充。然而，进行许多调查研究以建立工地特殊的设计荷载，如风、地震活动和偶然的船只碰撞事故。

　　3.1.1风荷载

　　风支配着设计。桥梁是一个巨大空间范围的高度柔性结构，要求一个动力风载计算的完整风模型。虽然SDM规定了风气侯，但它用其他来源的资料作补充，包括邻近桥梁处测得的风紊流资料，风洞中的地形模型试验，以及桥位处风紊流测量。

　　海洋方位的特征是高风速和低扰动。风越过山区/城市地形则具有较低的风速，但扰动很大。高扰动风通常控制设计。

表1     颤振临界风速（桥面高程处1min平均风速）

桥梁曾在表1所示风速限值，即相当于桥面高程处1min平均风速下检验空气动力稳定性。临界颤振风速采用实验方法加以证实。

　　3.1.2地震荷载

　　关于昂船洲大桥的危险程度的研究建立3个极限状态：SLS 120年，ULS 2400年，以及SILS 6000年（结构整体性极限状态）回归期的地震，在频繁发生或微小的地震SLS期间，桥梁应能弹性地工作而不需任何维修。在中等地震（ULS）期间，一些构件可能在弹性后范围出现大的变形，但强度无明显的减小，损坏程度很小，进行维修时不需要封闭桥梁。在严重地震（SILS）期间桥梁的变形和损坏不应危及紧急交通或导致结构整体性的丧失，但维修时需封闭桥梁。设计地震地面活动以三种回归期决定的桥位指定设计响应谱（5%阻尼）来表示。

　　3.1.3  船只碰撞的偶然荷载

　　塔的基础位于Rambler运河两侧护岸约10m处。设计中对船只碰撞护岸而引起的碰撞荷载进行了极为接近的计算。进行了一系列离心试验，以模拟155000t集装箱船以6节速度碰撞护岸的效应。由试验结果和用弹性数字三维模型压力测量的关系，确定了船只碰撞在桥梁基础前面产生的力。

　　3.2总体分析模型

　　总体分析模型用设计工具IBDAS建立。这是由COWI研制的基于三维参数实体模型的通用计算机辅助结构和分析体系。总体模型是梁模型，附加对桥梁有选择的部分研制了局部和半局部的模型。用TDV的商业应用软件RM 2000进行了平行的独立计算，以检验总体模型的效果。

　　3.3设计中假定的施工程序

　　混凝土背跨的施工先于主跨悬臂施工，以提供悬臂上作用抖振风荷载时的稳定性和抗力。背跨桥面单元包括两根纵梁并用三根横梁连成整体，他们在临时支撑上浇筑，与邻近的墩帽间留有空隙。在用现浇混凝土将纵梁连接到帽梁之前，施加全部横向预应力。当所有桥面单元和接缝完成以后，施加纵向预应力。当斜拉索张拉并为桥面提供永久支撑后，拆除临时支撑。

　　假定邻近塔长度很短的钢桥面在临时支架上安装。水上钢主跨的大多数单元假定用传统的悬臂方法安装，预制的桥面单元浮运到位，用放在前已安装好的梁段前端的起重机提升安装。

　　3.4基础设计

　　基础用反复选代的过程进行设计，以得上下部结构间的协调性。桩基的设计适应于填筑地基正在发生的长期沉陷引起对桩附加的负摩阻力。支承应力从中等风化岩层的3.0MPa变化至新鲜或微风化坚固岩层的7.5MPa。为了得到灌注桩的优化设计，桩底放大形成向下的喇叭口以增加支承能力，使和桩柱结构承载力有相似的数值。

　　3.5塔的设计

　　具有金属上部的高而圆形的独柱塔，为昂船洲大桥提供了最有特色的视觉特征，头等重要的是在详细设计编制中保持这些特征。众所周知，圆形塔对涡流激振很灵敏，会带来由于线形共振和/或参数激振引起振动的危险。进一步发现，由于基准方案塔用钢制，且侧向频率与一些斜拉索的频率耦合，情况更为恶化。为了仍保持其外观而改善其动力性能，上塔柱采用不锈钢外壳内有混凝土墙的组合结构。组合作用藉将剪力柱头连接钢壳与混凝土而得到。假定没有剪应力传递到壳的水平拼接板上。拼接板间的距离随拉索锚头的间距而变化，有代表性的约3.3m。一般假定钢壳仅抵抗垂直和水平方向的应力。为便于养护选用不锈钢。拉索锚固力的竖直反力，用剪力柱头由钢锚箱传递到混凝土塔墙。

　　塔的下部设计成钢筋混凝土。竖直的钢筋一般用 50mm，并两根连接。外加强层由不锈钢筋组成，以加强结构在严峻海洋环境中的耐久性。

　　3.6混凝土背跨的设计

　　背跨与墩结成整体，因此由永久荷载引起的应力状态极大地取决于不同构件的施工方法和程序。如果背跨采用大的单箱，拉索连接在桥面的外侧，会导致箱的横向挠曲状态。选用以横梁连接的两个纵箱梁的外形，结果是纵箱扭转和横梁挠曲（下弯）的组合。扭转和挠曲之比取决于构件的刚度比，由于永久荷载作用，使结构中存在相当高的扭转应力。可以通过施工中加约束力的施工方法，对力的分布进行调整。然而，由于结构的规模和徐变效应，这仅能在有限范围内尝试。

　　假定的施工程序能保证横向预应力的最大有效性，因此在张拉中横梁是无约束的，它也可为纵梁的永久扭转提供一些调整。横梁预应力筋都布置在截面底部并具有最大偏心，以便在由拉索支承桥面以前即能全部进行张拉。也需设桥面高程以上的临时预应力。当连接斜拉索并在桥面边沿张拉后，卸除临时横向预应力，在两纵梁中引入有利的扭转。

　　所有桥面单元都完成，并连接至墩帽后，张拉纵向预应力。纵向预应力主要包括箱内体外束，在横梁墙外有预应力筋偏离。挠曲所要求的预应力随向塔应力的增加而减小。混凝土和钢间交界面的张拉，使连接部分在SLS荷载时全部面积受压，在ULS时提供足够的压力以安全地传递剪力。

3.7钢桥面的设计

钢箱设计成正交各向异性钢桥面，其设计由桥梁上的疲劳荷载控制。桥梁位于亚热带气候，夏天下午的温度往往在 C以上。在高温下沥青面层刚度的减小，意味着限制了面层与桥面板组合对减小局部应力的有利作用。而且，由于桥梁联系Kwai Chung集装箱终端，预期通过桥梁的交通会有特别高数量的重货车。预计总交通量的42%为重货车。为适应这样强的疲劳荷载，而且又没有面层的有利组合作用，正交各向异性钢桥面设计成18mm厚桥面板和325mm深、9mm厚槽形加劲件，横隔梁的间距一般为3.8m，横梁处2.8m。这样产生了相对较重而刚的顶翼缘，也有利于延长60mm厚沥青玛王帝脂面层的寿命。

　　进行了大节段模型风洞试验以证明桥梁运营阶段和施工阶段的空气动力稳定性，以及确定涡漩脱落响应。大桥梁的涡漩脱落由于拉索支承的激振，会产生拉索的振动。然而，引入导流板将缓和涡漩脱落振动。除了在丹麦海运学院（DMI）进行的比例为1：80的传统节段模型试验外，决定进行比例1：20的试验，以增加雷诺数使在1：80试验以上一个数量级。这些高雷诺数的试验在加拿大国家研究院（NRCC）进行。在评细设计中，根据1：20比例模型的强迫运动试验，对导流板的布置进行了精致改进。

　　结构钢的总量计算约为32000t。对于纵梁，采用的最大板厚一般为40mm。横梁的最大板厚为50mm。钢的数量受台风荷载，特别是结构对扰动风动力响应的控制。确定钢号为S420M和S420ML。在钢桥面梁的外露面采用厚390 涂装体系，而内面用抽湿防护。

　　3.8斜拉索的设计

　　在详细设计中采用的斜拉索为用φ7mm镀锌钢丝预制的PWS类型，外包HDPE层。钢丝强度1770MPa。斜拉索的外径，由靠近塔的113mm（163丝）变动为背跨端部的192mm(499丝)。最长的索长540m，重约70t。对比例1：1不同直径的拉索进行了风洞试验，以证实设计中采用的阻力系数，并研究遭遇风雨振时各种表面外形的效应。在两塔和桥面拉索锚头处安装内阻尼。

　　4、结论

　　现在，桥梁审美已正确地提上业主的议事日程，全世界都已知道这座美丽的桥梁结构有多么有力的印象，因此通过设计竞赛增加桥梁设计的选择性，竞赛中考虑和评价了审美以及技术性。

　　公路局为昂船洲大桥进行设计竞赛的方法保证了获胜方案、基准方案具有高度的技术优点和高度的审美价值。在详细设计开始以前进行彻底的审查证实了概念的可行性，所引入的改制无论如何也不改变结构的审美外貌。

　　5、 感谢

　　本文的发表，得到香港特别行政区路政署的允许。

6、参考文献

　　（1）    GIMSING N.J.，LLOYD R.H.，HUI M.C.H.and FALBE-HANSEN K.，“Stonecutters Bridge-Planning and Competition”，Symposium Proceedings：5th International Symposium on steel Bridges，Barcelona 2003，ECCS Publication 117，pp.139-158.

　　（2）    HUSSAIN N.，HAUGE L.，FALBE-HANSEN K.and KONG A.S.K., “Design of the Stonecutters Cable Stayed Bridge in Hong Kong ”，IABSE Symposium Mel bourne 2002: Towards a Better Built Environment-Innovation,Sustainability,Information Technology ,IABSE Report,Vol.86，2002.
 

（楼庄鸿 译自“Stonecutters Bridge—Detailed Design”,
IABSE上海会议论文集，2004）