香港新懸索橋--青龍大橋的初步設計

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　　簡介： 青龍大橋橫跨大嶼山的拐石和青龍頭之間的馬灣海峽。這處的海峽寬約1400m．是大多數(shù)來往香港水域和珠江三角洲船只必經(jīng)之地。這地點直接位于赤蠟角香港國際機場的航道下，因為有海洋和航空的航道限制，所以橋塔和橋面高度受到嚴格限制。由于需要較長的凈跨及較矮的橋塔可行的解決方法是使用主跨長1300～1450m的吊橋。

　　關(guān)鍵字：懸索橋 初步設計

　　一、引言

　　連接香港島至離島大嶼山的“青嶼干線”已于1997年順利通車?！扒鄮Z干線”由全世界最長汽車與火車共用的吊橋-青馬大橋及斜拉橋一汲水門大橋組成。干線通車后三年，香港特別行政區(qū)政府積極進行歸劃與興建第二條連接大嶼山的橋梁。該橋梁將成為香港未來西部公路的主要一部分，南面連接至香港島，北面則與行將興建的跨境通道相連。

　　這命名為青龍大橋的初步設計已于 1999年完成，詳細設計亦于本年年初開始進行，工程預計于2002年動工，約2007年竣工。橋梁位于新的香港國際機場航道之下，飛機航道嚴重限制了橋塔高度。其次由于橋梁橫跨香港最繁忙水道——馬灣航道之上，海上航道亦限制了橋身的高度及位置?；谏鲜鱿拗疲帻埓髽?qū)砸蛔骺?418m長的吊橋形式興建，這跨度比青馬大橋還要長41m.由于橋塔高度限制，橋梁將會有一個異常大的跨度與垂度比率，加上橋梁兩旁的陡斜地形．導致橋梁的設計亦比較特別地附有很短的旁跨。

　　本文件描述了1999年完成的大橋各個部份的初步設計，更引伸至最近研究中的橋面設計，預計新的設計比初步設計更先進，提供更優(yōu)良的空氣動力所需要的穩(wěn)定程度。

　　完成后，青龍大橋?qū)挥谌澜玳L主跨吊橋的第三位，兩橋梁所處的位置，不論從海、陸、空皆可清楚看見。大橋更身處香港三大吊體系橋梁之分：即青馬大橋，汲水門大橋，及汀九橋。此處亦將成為全世界同類大橋密度最高的地方。

　　1.背景

　　1979年的“青衣至大嶼山干線可行性研究”（Lantau FIXed Crossing Feasibility Study）指出，有需要建設兩條連接道，連接北大嶼山和本港其余地區(qū)。第一條連接路稱為“青嶼干線”（Lantau Link），已于 1997年 5月22日通車。

　　1992年的“第二次整體運輸研究更新本”（Updating of the Second Comprehensive Transport Study）再度研討這交通需求，并已預測如要應付建議中大嶼山的新發(fā)展，當局便須于2006年前建成第二條連接以 1995年的“全港發(fā)展策略重研”（Territorial Development Strategy Review）預測，全港人口在 2011年將達到 750萬～810萬。此報告預測新界西北部人口將會大幅增長，導致該發(fā)展區(qū)與市區(qū)的交通需求大增。交通預測顯示，當局有需要以新干線連接大嶼山與元朗，稱為十號干線——北大嶼山至元朗公路（Route 10- North Lantau to yuen Long Highway），這條干線與十號干線——港島至大嶼山連接路（Route 10——HongKong Lantau Link）、連接堅尼地城至香港仔段的七號干線（Route 7）、后海灣干線（Deep Bay Link）和深圳西部通道（Shenzhen Western Corridor）將形成一條重要的“西部公路”（Western Highway），連接港島與深圳蛇口。

　　1995年5月，路政署委聘顧問公司進行“深井連接路可行性研究”（Sham Tseng Link Feasibility Study）。這報告建議在大嶼山東北部的海角——拐石興建一座跨海大橋橫跨馬灣海峽，將十號干線接駁到北面的青龍頭地段，又由于地勢的關(guān)系，大橋的旁跨將直接大欖隧道，隧道將在繁忙的屯門公路下橫越，路線再如北面走。

　　1998年3月，路政署委聘顧問公司進行“十號干線（北大嶼山至元朗公路）勘察及初步設計工作”，以重新研討可行性研究的結(jié)果，并且更準確地確定土地需求，勘察這條路線對環(huán)境、海事、排水、交通及其它地區(qū)的影響，以及開始進行這項目工程的初步設計工作。青龍大橋的初步設計及環(huán)境影響評估亦在這階段進行，全部過程亦與1999年11月完成。

　　2.勘察及初步設計工作目標

　　大橋的勘察及初步設計工作的主要目標，是查核可行性研究中對興建青龍大橋的建議。亦會考慮到建議可行性研究中的實際要求，建議可行路線、配置和設計，提出對該項目完善而具成本效益的初步設計，并已落實為該項目作進一步的詳細設計。

　　為要在設計階段達到以上目標，在勘察及初步設計工作內(nèi)，顧問公司進行了各方面的影響評估．以確保本項目在興建和通車階段，皆能達到政府的所有要求、標準、指引。本項目所需要的土地將會根據(jù)“道路（工程、使用及補償）條例”在實報上公報有關(guān)項目，最后還要建立有關(guān)的工程范圍定義、實際估價和批核程序，并要訂定建筑、管理、運作和維修的策略。

　　二．青龍大橋初步設計

　　1.設計規(guī)定

　　此橋是雙程三線分隔行車道，每條行事道有 11m寬。旁跨會建設 3.3m寬的路肩。大橋主跨則只能容納1m寬的路肩。橋上沒有行人路和單車徑等設施。

　　由于大橋位于機場及馬灣海峽的航道中。大橋的設計受制于以下兩項規(guī)限：

　?。╨）香港機場（管制障礙物）法例，限制了青龍大橋的橋塔高度，在橋塔設計的位置，北面橋塔的凈空為+175m，而南面則為+184m.加上有需要預留適當?shù)目臻g以作興建橋塔之用，故此橋塔的實際高度只能限制在+169m（北面）及+178m（南面）。

　　（2）在海面上，為了維持馬灣海峽的航道暢通，橋身的高度不能低于+62.1m（主水平基準）。至于風速研究方面；一項由加拿大安大略省西大學風動力研究中心進行的風環(huán)境研究，建議青龍大橋的風速設計，以重現(xiàn)期為120年作設計標準，應設定每小時橋面平均風速為45m／s.

　　橋梁的斷面形狀復雜，故此用純理論分析方法求解作用于橋梁上的氣動力及風致振動響應相當困難。故此設計中為解決其抗風性能時，包括了詳盡的風洞模型測試。風洞模型測試，亦在加拿大安大略省西大學風動力研究中心進行：測試項目包括主梁節(jié)段模型作氣動及非氣動彈性響應測試；另外又以地型模型進行了風洞實驗，和測試整體模型的氣動彈性，包括全橋完成狀態(tài)、架設狀態(tài)、及獨立橋塔狀態(tài)等。

　　地震設計方面，則將會以香港現(xiàn)有及源自廣東省地震局的地震資料及反應港作為基準。大橋設計將采用地震峰值加速度為0.07g，比青馬大橋所采用的0.05g為高。

　　2.總體設計

　　青龍大橋橋梁的主跨為1418m.因為旁跨是彎曲的，所以不能由主線直接承載，而支持點是來自下面的橋墩。馬灣海峽兩旁的土地峻峭，這是唯一可行的方法。青龍大橋的輪廓，主要由橋塔及錨碇的位置所制定。

　　3.橋塔

　　因為屯門公路和大欖涌隧道相近，所以北橋塔會建在龍濤花園西面的淺水地帶。預計地基將包含預制的混凝土流箱，先將沉箱拖運到適當位置，然后沉下至已預備好的巖床。橋塔會受到填海和海堤保護。以防止來往船只碰撞。

　　南橋塔則建于接近前濱的拐石山岬上，約離海邊 50m.此橋塔的地基在+25m（主水平基準面），建于廣闊的石層之上。海岸線將會得以保留。

　　初步設計已確定了橋塔會用混凝土興建和用滑模法來建筑。橋塔支柱之間近塔頂和橋面以下興建混凝土的門式橫梁。至于混凝土的規(guī)格則會在詳細設計時制定，以確?；炷恋哪途眯阅苓m應海洋環(huán)境。

　　4.錨錠

　　北面的錨錠位于屯門公路以南一個棄置的石礦場。由于距離屯門公路及即將興建的大欖涌隧道非常接近，這個錨錠采用一個隧道形式的錨錠。減少龐大的巖石挖掘。方法是利用該處優(yōu)良的巖石，將纜索直接固定在巖石中，減少與大欖桶隧道人口和通風大樓的分界面。大橋的主鋼纜將在錨錠（約20m寬、35m長、27m深）內(nèi)分為多組散開。各級鋼索將會穿過巖石中預鉆的洞孔，直接牢固在地下約對20～40m深的的三條橫向坑道內(nèi)（坑道均長60～80m）。

　　南面錨錠的位置是根據(jù)南橋塔和公路路線而決定。在興建錨錠之前，五鼓嶺將需要進行削平工程，將地面降至（65以主水平基準面）。因為工地相對來說不受限制，所以可采用重量形的錨錠。錨錠約80m寬、60m長及46m深），足可容納一座七層高的大廈。圖3及圖4介紹了北錨錠和南錨錠的立體圖。

　　5.主跨

　　主跨采用箱形鋼橋身的設計，其橋面采用了正交雙向的鋼板，有38m寬，5m深，并在橋身中央設有一個3.5m寬的通風口，提供橋身在空氣動力所需要的穩(wěn)定程度。橋身是由鋼架和每隔 4.5m的橫隔梁支援的，以求能同時符合經(jīng)濟和實用效益。

　　選用的主梁在風洞測試中，在紊流或均勻流風場中，于不同的風攻角下，成功達致設計所需的抖振風速。

　　主梁寬 38m，深5m，梁中設有 3.5m寬的氣孔，及豎折流板（以阻礙氣流）高于橋面1m，并附設有預應力鋼纜護欄及維修橫梁路軌。

　　橋梁主跨由每18m的懸垂纜索承載，共78條，約每四個橫隔梁就有一個，橋面則架設在橋塔橫梁上的軸承。主跨的總長度為1，418m，即77 * 18m＋2*16m.

　　由于橋塔高度受飛機航道限制，因此主線的垂度較理想的設計為?。ㄖ骺?垂度的比率約為15），造成主纜直徑異常的大。主跨和旁跨的主纜直徑是1018mm和1042mm，設計是使用強力的鋼絲，以預制纜束方法建造。初步設計亦考慮其他建造方法如空中絞織方法來建造。

　　懸垂纜索是鍍鋅鋼纜，將會回掛在主纜的纜箍上，以便承載鋼制橋身。

　　6.旁跨

　　旁跨的設計是采用預應力混凝土箱形梁。旁跨能夠配合公路的弧度，可獨立于主跨而建筑。北跨的總長度為190m，為了避免橋墩影響橋塔附近的青山公路，遂分成三段路跨，即75m，65m及 50m三段。其中較長的兩段將預留加闊路肩及路面，作為維修大欖涌隧道所需的匯流／分流地段。而南面只有一段長 180m的路跨。

　　7.運作和維修

　　在運作或維修階段將會采用交通控制及監(jiān)察系統(tǒng)來調(diào)節(jié)橋上的交通。橋中有檢查和維修專用的通道，大橋的結(jié)構(gòu)健全監(jiān)控系統(tǒng)的主要條件亦已確定。

　　三、青龍大橋-新構(gòu)思的主梁

　　1.前言

　　完成初步設計后，香港特別行政區(qū)政府于本年二月，委任新的顧問工程公司為青龍大橋進行詳細設計、制訂工程合約、甄選適合的承建商進行興建、及監(jiān)查工程的進行。

　　新的顧問工程公司建議為青龍大橋的主梁，采用一種嶄新的主梁，暫訂名為“第三代主梁”（G3主梁），預計G3主梁校初步設計的主梁有更佳的抗風表現(xiàn)。圖5展示新主梁的橫切面。這設計原自意大利 Messina Crossing的主梁設計，設計在歐洲經(jīng)過長時間的測試，證明有非常優(yōu)良的抗風表現(xiàn)。在高速下，主梁的兩個箱形鋼橋身會保持上下振動，并不依靠傳統(tǒng)主梁的的扭力系統(tǒng)來抵抗風速。

　　2、G3主梁的優(yōu)點

　　倘若可證實G3主梁能夠改善橋梁的空氣動力中的穩(wěn)定性，預計將會有以下顯著的優(yōu)點：

　?。?）G3主梁將會較初步設計的主梁為輕，不單可節(jié)省主梁的成本，更可減輕主鋼纜、懸垂纜索、橋塔、錨錠及地基的負荷。

　?。?）流線型的G3主梁，使空氣阻力減至最低。G3主梁的抗風表現(xiàn)亦可從流動解析（computational Fluid Dynamic）所引證。

　?。?）淺薄的G3主梁可改善青龍大橋的主纜垂度．從而減輕主纜的負重，及橋塔和錨錠的負荷。

　?。?）較薄的G3主梁可以采納多種不同的橋梁建設方法，方便了制造及裝配的程度。

　?。?）較薄的G3主梁可以在工廠內(nèi)以半自動化機械制造，有較佳的品質(zhì)控制和保證。

　　（6）預計橋梁能以較便宜和較短的建筑時間完成。

　　3.抗風設計

　　G3主梁的風洞節(jié)段模型測試，正在加拿大安大略省西大學風動力研究中心進行。從初步的風洞測試結(jié)果，G3主梁的空氣動力穩(wěn)定性得以引證。當然，測試仍在早期階段。詳細的設計還有待進一步的探討和確立。

　　四、結(jié)論

　　前文詳細描述了香港特別行政區(qū)政府，采取了一系列的程序，將一項主要道路橋梁工程，從構(gòu)思逐步邁向建設。在青龍大橋設計方面，從傳統(tǒng)的橋架設計，吸取經(jīng)驗，引進其他先進理論，配合詳盡的實驗測試，開拓新的吊橋主梁概念。從青龍大橋開始，G3主梁將會被廣泛注意，只要配合不同理論的引證，預計在很短的未來，G3主梁將會成為新一代懸索大橋的研究焦點。