文/苏全科、谢红兵
苏全科：1988年9月毕业于长安大学（原西安公路学院）公路系桥梁与结构工程专业。2004年起任港珠澳大桥管理局总工程师。
介绍
港珠澳大桥横跨珠江口伶仃洋地区。西侧珠江港人工岛至粤港分界线海域29.6公里。由粤港澳三地共同投资建设（称为主体工程），采用岛桥与隧道相结合的方式。计划。桥段全长22.9公里，包括3座通航斜拉桥。不通航桥采用跨度110m钢箱连续梁和跨度85m钢箱组合连续梁。项目建设标准为双向六车道高速公路，设计时速100公里/小时。活载按《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）汽车I级提高25%。也符合香港《道路及铁路结构设计》手册规定的活载要求，桥梁设计使用寿命为120年。
港珠澳大桥使用了约16公里的钢箱梁和6公里的组合梁。它是世界上建造的最大的海上钢结构长桥。钢箱梁和组合梁具有自重轻、承载能力高、整体性强、耐用、抗震性能好等优点，适应建筑标准化、规模化、工厂化、装配化的“四化”建设理念。港珠澳大桥。 “四化”建设可以缩短施工工期，改善海上作业条件，有效控制施工安全和质量，最大限度减少施工对海洋生态环境和海上交通的影响。然而，大型化、规模化的钢结构制作和安装将对施工组织控制和安全管理带来巨大挑战。本文重点对这些问题进行回顾和分析。
约束条件和构建概念
1.1 约束条件
港珠澳大桥平面位置如图1所示。
图1 港珠澳大桥平面位置
珠江口伶仃洋海域是台风多发区、水文防洪敏感区，也是我国珍稀海洋动物白海豚国家级自然保护区。该海域是船舶进出华南地区最重要的水域，我国船舶航行密度最高。
港珠澳大桥施工的主要制约因素包括：①近海环境水文气象条件复杂，施工受浪涌、潮汐、台风、高温高湿等因素影响。有效运行时间短； ②珠江口水域携洪、受潮，防淤要求严格，要求整体工程阻水率小于10%； ③海上航线密集，客货船舶类型较多，最大日通航船舶超过4000艘，施工期航运管控风险较高； ④九洲航道大桥受澳门机场航空高度限制，其主塔建设需要技术创新； ⑤ 作为中国最宜居的城市之一和中华白海豚保护区，海洋生态和环境保护要求极高； ⑥重大工程抗震标准高； ⑦ 结构完整性状况2 400年重现期地表加速度0.24g； ⑧抗风设计标准高，120年重现期设计基准风速为47.6 m/s，是目前我国桥梁要求的最大基准风速； ⑨ 穿越油气管道，施工风险高； ⑩ 我国首次提出设计使用寿命120年的耐久性要求，海上长桥维护难度大；香港、珠海、澳门当地体制不同，项目建设管理模式和理念不同，总体技术标准较高。
1.2 建设目标和理念
港珠澳大桥管理局由香港特别行政区政府、广东省人民政府和澳门特别行政区政府共同组建，负责大桥的建设、运营、维护和管理负责港珠澳大桥主体工程管理。考虑到三地文化、环境、交通、经济的可持续发展以及本项目的特殊意义，在项目伊始，经三地政府同意，管理局确定本项目“建设一流的跨海通道，为用户提供优质的服务，成为“地标建筑”的总体建设目标。
（1）全生命周期规划和需求导向设计：项目规划不仅考虑建设期的需求，还充分考虑运营管理和维护的需求，确保项目的结构功能满足使用要求和120年生命周期内成本最低。
（二）“四化”要求：广泛贯彻工厂化批量生产、机械化装配的建设思路，变水上施工为陆上加工制造，变工地为工厂，变构件为产品，确保桥梁施工的质量和耐久性。
（3）开放、融合、自主创新：充分利用港澳国际平台，整合全球优势资源服务本项目。
（四）绿色环保、可持续发展。
桥梁景观设计
港珠澳大桥的结构设计与景观设计密不可分。管理局认为，成为标志性建筑，不仅体现在桥梁景观设计的视觉效果及其人文、历史内涵和美好寓意上，更体现在桥梁建设者心目中的集体智慧、实践能力和创新精神。他们的桥梁建设同行和公众。其中产生的震撼和认可感。
项目前期，管理局组织了景观设计竞赛，进行初步设计和施工图设计。经三地政府专家审定，港珠澳长桥岛、桥梁、隧道的景观理念和效果错落有致，衔接完美。 。
港珠澳大桥主体工程为非通航桥梁，全长约20公里，包括长约15公里的110m跨钢箱连续梁和85m跨钢箱组合连续梁。梁长约5公里。梁高约4.5m。大桥采用等高梁、单柱桥墩设计，桥帽嵌入海底，建筑宏伟、简洁、连贯，极具工业化和现代感。上述全钢桥型不仅具有独特的结构选择和深厚的环境印记，而且创造了港珠澳大桥非通航桥独特的视觉效果。
三座斜拉桥颇具地标性。九洲航道大桥主跨268m，双塔斜拉桥。钢混凝土双塔的形状像双帆。景观造型表达了乘风破浪、长航远航的意境[图2(a)]。江海直航航道桥主跨258m，三塔斜拉桥。三个主钢塔的造型就像中华白海豚在空中跳跃、嬉戏，体现了保护海洋生态的意识[图2(b)]。青州航道大桥是一座双塔斜拉桥，主跨458 m。 H型混凝土框架桥塔梁采用具有民族传统文化元素的钢制“中国结”造型，象征团圆回归和三地同心[图2(c)]。图2(d)～(f)为港珠澳大桥施工现场。
图2 三座斜拉桥景观及施工场景
钢结构选型
港珠澳大桥以钢结构为主桥型。考虑的因素不仅包括工程的施工约束、全寿命周期成本理念、耐久性等因素，还与改革开放以来我国钢结构行业的快速发展以及我国日益重视的理念有关。环境保护是密不可分的。一些关键考虑因素包括：
(1)抗震性能。由于防水能力有限桥梁钢结构防腐问题分析，带有不可通航开口的桥帽被埋在海底。为了解决水下桥墩和敏感区域的可达性问题，需要保证桥墩、桥台在大地震作用下仍处于弹性状态。正交异性板钢箱梁重量轻，结合减振隔振技术的应用，可以满足上述性能要求，并显着降低下部结构的应力和成本。
(2)耐久性。钢结构桥梁是具有120年以上正常使用记录的结构。随着涂层技术的不断发展，钢结构的实际寿命上限也可以提高。
(3)可施工性。如前所述，钢箱梁和组合梁方案都可以实现大跨度吊装，符合“四化”建设理念，可以缓解诸多施工约束的影响。
(4)结构维护。除了桥面的疲劳问题外，钢箱梁的维护还可简化为涂层系统和桥面铺装系统两个“保护层”的维护和修复。维护策略可以降低海上上部设施检修的风险。
（五）环境保护。钢结构材料可回收利用。即使它们在使用寿命结束后被拆除，也不会在环境中留下废物。它们是绿色环保、可持续发展的材料。大规模采用钢结构不仅有利于国家的战略资源储备，也符合我国目前对钢结构行业的政策引导。
业主充分认识到钢结构选型中隐藏的技术和管理风险与挑战。通过一系列专题研究，有针对性地解决设计、施工、维护等方面的可预见问题，形成项目专项技术标准。钢结构相关课题包括钢箱连续梁合理施工体系和设计标准专题研究、疲劳控制与试验研究、制造与安装关键技术研究、抗风性能试验研究、抗震设计与性能优化研究、钢箱梁防腐与维护关键技术研究、自动化制造工艺研究、正交异性板U肋相控阵无损检测技术研究等。
钢箱梁设计
深水区非通航桥梁采用大型悬臂单箱双室钢箱梁（图3）。整个钢箱梁刚度高，整体受力性能好，裸露面积小，支撑数量少，涂装和维护工作量大。小的。设计阶段对全封闭钢箱梁进行了比选。全封闭箱体虽然外观简洁流畅，外露面积较小，但后期维护和喷漆工作量相对较小。但由于宽体箱体用钢量相对增加，风力发电稳定的风险并未降低，且建设成本较高，并未被采用。
图3 钢箱梁标准截面（单位：mm）
疲劳开裂是正交各向异性板的最大风险。项目在对欧美、日本、国内相关钢桥疲劳开裂病害及规范研究的基础上，结合仿真分析和足尺模型疲劳试验研究（图4），进行了参数优化，确定了参数有利于钢桥面板的抗疲劳性能。细致的施工耐久性；同时对主体结构连接焊缝的焊缝设计、焊缝坡口形式、焊接方法以及焊缝内部质量控制和检验方法提出了明确的要求。 U型肋板厚度为8mm，要求与顶板的角焊缝熔透率大于80%。图5示出了所采用的隔板和横肋上的U型肋穿过部分的槽形。
图4 正交异性钢桥面全尺寸模型疲劳试验
图5 U筋穿过的槽口形状（单位：mm）
钢箱梁屋盖最小厚度为18毫米； U筋中部到中部的距离为600毫米，上开口宽300毫米，下开口宽180毫米，高300毫米。 U筋的高度和下开口的宽度比平常要高；箱梁为实心，腹板间距10m，中间有3根横肋。加固桥面系统可以减少轮载作用下桥面的挠度变形，改善局部力传递路径和应力分布，有利于解决或缓解桥面焊缝疲劳和钢桥面铺装问题。屋顶U型肋一般采用螺栓连接。
钢箱梁疲劳设计的另一个重要领域是悬臂板与钢箱梁外腹板之间的焊接部分，直接承受重型车辆的冲击。除了优化详细结构外，还重点研究了该零件的理论分析和疲劳性能。疲劳计算。悬臂钢桥在日本广泛使用。疲劳校核方法参考日本《钢结构疲劳设计导则（修订版）》，施加荷载采用《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）中的轮荷，增加25%。之后的值。
大悬臂整个宽体箱形截面新颖独特，但气动造型生硬。风洞试验研究发现，主梁在22 m/s和27~32 m/s的低风速附近会发生垂直涡激振动。如果最大振幅超过《公路桥梁抗风设计规范》规定的桥梁振幅允许值，必须采取适当措施抑制其响应，以免出现桥梁构件疲劳等问题，影响行车安全和舒适性。经过专门研究分析，借鉴国内外同类桥梁的经验，悬臂钢箱梁采用了调谐质量阻尼器（TMD）振动控制方案（图6）。
图6 钢箱梁调谐质量阻尼器
施工质量保证
港珠澳大桥主桥工程建设是世界级的系统工程。施工周期长，施工受气候、海上交通、环境条件限制。技术难度大、专业要求高、涉及面广、各标段施工配合要求高。不可预见或不确定因素较多，施工质量控制容易出现盲点或灰色地带。
作为该项目世界级跨海通道建设目标的施工规范和要求的直接体现，在招标技术要求、质量验收标准等施工指导性技术文件的编制过程中，借鉴了国际同类项目的经验被广泛收集和参考。根据该项目的特点，制定了质量控制/质量保证（QA/QC）技术要求、各施工环节的质量控制及验收标准，以及板材单元自动化生产、大断面车间装配及U介绍了肋骨超声相控阵测试。等国际先进技术。在质量管理中，特别注重承包商主要施工技术文件的编制和审查。除了监理和设计师的审核外，咨询和质量管理顾问也更多地参与相关文件的审核和施工现场的管理，定期审核各单位的工作。对质量体系运行情况进行检查和评价，降低系统性质量风险。
专门系统编制了特种产品招标技术要求，强化了钢结构防腐涂料、桥梁养护车、除湿系统、伸缩缝、斜拉索、抗震隔震支座、不锈钢等产品的要求杆、调谐质量阻尼器和粘性阻尼器。特殊材料、特殊产品如性阻尼装置的技术监督。中标后，要求专业供应商提供完整的技术文件，包括设计方案、图纸、计算表、材料和产品测试和检验、重要的QA/QC项目，并综合考虑设备安装、运行、维护和更换要求。上述材料的质量对于保证桥梁结构的安全、正常运行和耐久性至关重要。不锈钢棒材、桥梁检测车、高阻尼橡胶隔震支座、防腐涂料中挥发性有机化合物（VOC）含量限量等多项标准首次使用，将有助于标准的建立和完善中国相关行业标准。提供有用的参考。
钢结构制作
港珠澳大桥钢结构使用总量巨大。其中，钢箱梁制造（含相应电缆塔钢结构制造）分为两个标段桥梁钢结构防腐问题分析，分别约18万吨和16万吨。合同期限为3年。相比之下，最近建成的美国加利福尼亚州旧金山新海湾大桥，钢结构总量超过4万吨，制造时间约为4年；香港昂船洲大桥使用钢材超过3万吨，制造时间约3年。港珠澳大桥钢结构3年的制造工作量相当于国际同类钢结构制造项目16至18年的工作量。如何按时保质保量完成钢结构制造，达到建设目标要求的世界一流质量水平，是港珠澳大桥面临的巨大挑战。
传统钢桥面加工、装配、焊接多采用半自动和手工操作，质量控制风险大、工作效率低。为适应“四化”总体建设理念，保证其长寿命、高质量要求，钢结构制造中最基本的板材单元生产，特别是正交异性钢，必须采用自动化、信息化生产。桥面。好的。港珠澳大桥面板单元制造量巨大，约40万吨。它具有大量的相似部件，设计标准化程度高。也非常适合自动化生产。
近年来，我国钢结构制造业通过新工艺研发、新设备配套、制造全过程精细化管理，积极提升产能和质量。新设备包括U型肋加工线、U型肋自动装配机、U型肋多头龙门焊接系统和机器人焊接系统等国际一流的智能生产设备。材料加工、焊接自动化、先进的质量检测技术和新的生产工艺主要包括：数控切割机自动打标、板材单元下料；宽板单元工艺、大板工艺、无损制造工艺； U型肋封边、坡口机械化、自动化加工成型技术； U型肋焊接大型自动化焊机机器人流水线作业系统（图7）；全自动小型焊接机器人在对接焊缝和爬坡焊缝中的应用；焊接数据信息化管理；防变形无码组装焊接、无损伤升降翻转技术，减少主板上码板的损坏； U型肋角焊缝相控阵超声检测技术等
图7 U型肋机器人自动焊接系统
招标技术规范还要求，港珠澳大桥钢结构拼装及涂装需在车间进行。所有这些理念都是为了提高生产效率、最大化工人的工作环境、消除人为错误、提高制造精度以确保钢结构质量的稳定性。性别。目前，该项目板单元制造已完成，超声波相控阵检测结果显示，各标段正交异性板U肋、顶盖角焊缝的熔透率均达到以上99.9%。
海上安装
港珠澳大桥采用标准化工厂流水线生产、大断面拼装，将大量现场施工转为工厂制造，大幅减少现场作业时间，缩短工期；但与此同时，大型结构构件的现场安装也增加了施工的难度和挑战。要求配备更加现代化的大型起重设备、大型陆上和海上转运设施、更加精细的施工规划和运营管理、采取风险控制和安全防护措施。
钢箱梁采用逐跨浮吊架设、逐跨定位、现场焊接方式。接头位于钢梁拐点附近。起吊质量（不包括吊具）大多在1 600 t至2 900 t之间，采用大吨位浮吊（4 000、3 200、2 200 t）吊装或吊装。该桥工程钢梁最大吊装质量约3500吨（不含吊具）。穿越油气管道是本工程大断面吊装的最大安全风险点（图8）。
图8 双浮吊跨油气管道吊装
安装精度采用工厂车间试装、现场部署。通过全过程施工监控，控制和调整不同阶段的施工和制造误差，避免安装过程中误差的累积。如前所述，全桥采用隔震支座系统，隔震支座能否在安装现场方便地调整预偏置距，对于保证结构的抗震安全至关重要。
由于澳门机场的航空高度限制，九洲海峡大桥主塔上塔柱的安装采用了创新的整体提升和垂直旋转方案。施工分为两步。首先，使用大型浮吊吊起长约70m、质量1000吨的上塔。立柱整体吊装至桥面滑道；然后利用塔体两侧搭建的临时起吊吊架，通过升降滑动完成整体垂直旋转（图9）。
图9 九洲海峡大桥钢塔垂直旋转
江海直航航道桥主塔含吊具总质量约3100t，长105m。它使用海上浮式起重机将其提升并旋转到位（图 10）。国内外同类尺寸的大型钢塔吊装尚无成熟经验可供借鉴，这是工程吊装最大、最难的点。施工依靠完整的土施组织设计和综合作业演练模拟，制定更加详细的作业程序、控制监测计划、实施细则和风险控制措施。
图10 江海大桥首座钢塔成功垂直吊装
青州海峡大桥塔柱“中国结”钢横撑高约50m，质量约450t。它们使用塔顶起重机分 5 个部分逐件组装（图 11）。结支撑的4端与混凝土塔柱相连。预埋件采用高空焊接，其余接头采用螺栓连接。打结支撑钢结构与混凝土塔柱需要精确配合，难度极大。此次高空集会在国内尚属首次。
图11 塔顶吊吊装打结斜撑
港珠澳大桥附近海域水道纵横交错，船舶交通量大，交通复杂。大桥建设导致桥区附近大量施工船舶，增加通航风险。大型桥梁构件运输、临时通道改道等特种作业，使得交通组织控制、现场预警、护送等安全保障工作显得更加重要。港珠澳大桥与交通运输部海事局合作，为本项目建设了完整的海上安全管理体系。该系统的成功实施，为上述大型吊装作业提供了保障。
防护涂层和维护
港珠澳大桥钢结构涂装面积约580万平方米，涂料消耗量约390万升。钢结构涂装系统对于防止钢结构生锈、腐蚀，保证钢结构的使用寿命至关重要。其承载能力、功能和耐用性。基于大规模涂装施工的质量可控性、现场维护和重涂的便利性、涂层的长期有效性和全生命周期的成本，环氧富锌底漆+环氧配套钢结构外表面涂层采用C5-M海洋环境云铁中间漆+氟碳面漆的重防腐复合涂层体系，总膜厚380μm。钢箱梁内部采用较低膜厚涂层和除湿系统，保证钢箱梁内部空气相对湿度小于50%。
考虑到涂料中有害物质对施工人员健康和海洋生物的潜在危害，基于我国涂料技术现状和日益严格的环保需求，参考国内外技术指标和法规，特别是在香港，按照三地的建设标准，“不算太高也不算太高”。本着“低成本”的原则，港珠澳大桥上使用的涂料产品，除常规技术指标外，还增加了VOC含量限量、游离六亚甲基二异氰酸酯等三项环保性能指标/甲苯二异氰酸酯（HDI/TDI）含量（质量分数，下面相同）和有害物质内容限制（表1），努力促进在现场使用环保涂料的使用中国的桥梁建设。
表1涂料产品环境性能的技术指标
香港Zhuhai-Macao桥的海上距离很长，其结构长期以来一直暴露于高温和高湿度海洋腐蚀环境中。桥梁的检查和维护工作是沉重且困难的。为此，进行了一项特殊研究，该研究在设计开始时进行了桥梁绘画和维护设施的组合，并为钢盒长方体配备了相对完整的内部内部和箱内维护车辆系统（图） 12）。开箱即用的维护车辆为钢制盒梁的重新配置提供了解决方案。它具有自动旋转穿过码头，传递膨胀接头，自动攀爬，自动行进并适应不同梁宽度的功能。香港Zhuhai-Macao桥的大约23公里，配备了总共28辆容器内维护车辆和34辆外部范围内维护车辆。它还具有维护车辆位置查询和电池智能管理功能，以促进以后的维护和管理。
图12梁外部维护车辆的运行测试
钢桥甲板铺路
由于它与气候环境和交通状况密切相关，因此世界各地的大多数国家和地区都有自己的首选钢桥甲板铺路类型。在中国桥梁中使用了orthotropic板钢盒梁。在中国大陆可以找到世界上一些典型的桥梁甲板类型，但它们的性能可能并不令人满意或尚未随着时间的推移进行测试。钢甲板安装一直是桥梁建造者的挑战。香港Zhuhai-Macao桥的钢甲板路面巨大，覆盖了50,000平方米以上的区域，并且位于温暖而潮湿的亚热带海洋季风气候区域，使情况变得更加复杂。
前面提到的钢制箱式部分设计已考虑增强正交钢桥甲板的刚度，以减少车轮载荷在桥甲板路面上的直接作用下桥甲板的局部变形的影响。考虑到该项目的气候环境和交通状况类似于香港，中国，英国铸型的沥青砂岩（MA）在香港Tsing MA Bridge中使用的路面已成功运营了16年（直到2013年）没有重大维修；还请参考西部走廊和石头桥的深度铺路练习，香港Zhuhai-Macao桥计划使用甲基丙烯酸甲酯（MMA）防水粘合层 +香港 - Zhuhai-macao cast asphalt（GMA） + asphalt（GMA） + asphalt + asphalt乳胶（SMA）铺路计划，总厚度为7厘米。 GMA表示，考虑到工作效率因素，德国倒入沥青（GA）的一次性混合过程需要用于构建MA。当然，大规模路面构造中质量控制的敏感性以及修复和重新刷新的易度性也是计划选择的重要考虑因素。
在桥梁甲板路面计划的设计阶段，基于实验室研究，在中山进行了钢制盒梁全尺寸桥梁甲板路面的加速加载测试（图13），以测试MA+的高温稳定性SMA和GMA+SMA。比较了低温疲劳测试。测试结果表明，在各个方面的GMA+SMA解决方案的性能都可以达到甚至超过MA+SMA的性能，并且可以满足香港Zhuhai-Macao桥的15年设计服务寿命要求。
图13桥甲板路面的加速加载测试
目前，项目承包商根据混合物指标和加速装载测试确定的混合技术指标和施工要求完成了GMA测试部分的生产混合设计和试验铺路。所有技术指标和施工性能都符合设计要求。桥甲板将于2016年底正式开始。铺路建筑。当然，桥梁甲板路面结构大胆地尝试使用MA骨料比例并根据GA工艺进行混合。相关的实际效果也需要按时间进行测试。
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结论
为了实现项目建设目标，香港Zhuhai-Macao Bridge Authority选择了世界一流的设计，咨询和建筑团队，建立了协调管理系统并在各个层面上审查工作机制，从国际规范和标准中学习，以及制定项目技术规格和接受标准。在项目管理，高级建筑技术应用和过程创新等方面已做出了许多富有成果的努力。相关经验和结果总结如下：
（1）标准化，出厂化和大规模生产钢盒的要求促进了钢结构的每个构造链接的过程创新；机械化，自动化和信息技术的应用改善了中国桥梁钢结构加工企业的整体生产能力和性能。管理水平。
（2）海上组装建设促进了大型离岸设备的开发和应用以及吊装施工方法的创新。成功的经验为海上项目的设计和建设开辟了新的方式。
（3）借鉴国内外的相关经验和规格，并结合了香港Zhuhai-Macao桥项目的特征，我们为钢制盒子的加工和制造，安装，质量接受标准和一系列一系列的技术规格编写了技术规格桥梁产品和材料的技术要求，可以有效地实现完整过程控制的概念。
（4）为用户提供高质量的服务不仅反映在设计标准和施工质量中，还包括以后的操作和维护系统的计划，包括计划和有效实施这三个地方的跨境集成运营和维护政策。相关工作仍在继续。
注意：本文发表在2016年的《中国公路杂志》第12期中。
