昂船洲大桥—耐久性、维修和安全考虑

发布时间:2008-07-28  阅读次数:620

       昂船洲大桥—耐久性、维修和安全考虑许志豪 黄剑波 (香港特别行政区路政署 香港) 摘 要: 昂船洲大桥的主跨长1,018米,建成后,将成为全球最大跨度的斜拉桥之一,并是第一座位于香港市区、以维多利亚港作为背景的大型桥梁。桥梁设计包含多项重要的美学特点,包括设有金属外壳的圆形独柱式桥塔和双箱分离式的箱梁结构。在此,耐用程度、维修及安全运作是桥梁设计的主要考虑因素。由于昂船洲大桥位置显要,亦是一座地标性建筑物,故在大桥的120年设计使用寿命内维持其美学特质是十分重要的。对桥梁工程师而言,要达至这个目标而又不损害大桥的运作和结构表现是一项重大挑战。本文将阐述大桥的耐用性、维修和安全考虑。 关键词: 昂船洲大桥 耐用性 维修 安全考虑 1. 昂船洲大桥昂船洲大桥属斜拉桥设计,全长1596米。大桥的主跨度长达1018米,横跨蓝巴勒海峡,并建有每边四个边跨部分,分别长79.75米、70米、70米和69.25米。桥塔由地面至175米为混凝土结构,而由175米至293米的部分则以钢与混凝土的组合结构,钢外壳以不锈钢制造。顶部5米属玻璃覆盖的钢结构,具备建筑照明设施和提供地方存放维修设备。斜拉索两面基本为扇形排列,紧系于桥面外缘,在主跨部分的间距为18米,而边跨部分的间距为10米。请参阅图1—桥梁外观和图2—大桥的整体布局。 图1 位于香港海港的昂船洲大桥 图2 昂船洲大桥—整体布局 2. 耐久性考虑 [1] 昂船洲大桥的概念设计源于一项桥梁设计比赛的冠军作品,它的外形非常优美,如何能确保设计特色得以耐久而不需花很昂贵的保养费是设计的重要考虑。香港的桥梁的设计使用寿命一般为120年。对于那些处于严重侵蚀环境的桥梁而言,制定科学、合理、经济耐久性方案,绝对是一项重大挑战。以下部份将讨论大桥设计所采用的一些比较特别的措施。 2.1 桥塔的下半部分桥塔较低部分属钢筋混凝土结构。在设计守则和标准内阐述的改善钢筋混凝土结构耐用程度的传统方法,是在混凝土混合料成分设计及幅盖规定方面改变混凝土的规格。虽然这个方法可以改善混凝土的结构耐久性,但对于氯化物引起的侵蚀问题,此法并非理想的解决方法。这个方法始终存在风险,即在构筑物的设计使用寿命内仍可能需进行大规模的维修。增强钢筋混凝土构筑物达耐久性的传统方法,是使用含粉煤灰或高炉矿渣的高效能混凝土,以减低混凝土内的氯离子扩散系数。我们以氯离子扩散的模拟分析,在理论上可勉强达到120年的设计使用寿命。然而,这个模拟分析须假设混凝土素质良好和一致,但在工地环境实难做到。这些混凝土除了难以在实地浇筑外,亦有赖良好的养护环境以达至较强高的结构耐久性。即使能满足上述条件,但我们预期在桥梁设计使用寿命的最后20或30年,混凝土部分仍须进行维修。在过去十年使用不锈钢钢筋的发展趋势显示,在受到氯化物严重污染的大气层中,采用不锈钢钢筋会对混凝土的耐用程度会有重大改善。这种情况鼓励了专门制造商制造不锈钢钢筋作为比较优惠的一个商业选择。此举可避免使用较难浇筑的高耐久性的混凝土,但仍可达到较长的设计使用寿命。我们在设计昂船洲大桥时,决定在混凝土的最外一层的垂直钢筋和箍筋采用不锈钢钢筋。根据理论模拟方法预测,此等设计可提供超过120年的设计使用寿命。在桥塔钢筋的外围使用不锈钢钢筋,桥塔的造价预计会增加15%,当中尚未考虑因毋须使用极高耐久性的混凝土而减省的费用。有关费用会因节省日后的维修费用而得以抵销。此外,当中亦未考虑因修葺腐蚀的普通钢筋而引至的额外社会代价,包括对交通造成的滋扰、收益和生产力下降等。 2.2 桥塔的上半部分[2] 昂船洲大桥设计比赛得奖设计的桥塔的上半部分属圆形的钢结构,亦是设计的其中一项特点。这项设计为这座于二十一世纪兴建的大桥增添现代感。在详细设计优化过程中保留这些特点是非常重要的。然而,风洞测试却显示较轻的桥塔容易受到涡激掁动的影响,此现象亦会引致大振幅拉索振动的风险。为改善桥塔的气动性能并同时保持大桥的外观,我们将桥塔的上半部的设计优化,改为钢外壳和混凝土内壁的组合结构。组合方法是利用剪力键把外层的钢结构和混凝土壁连接起来(参阅图3)。 图3:桥塔的上半部组合结构切面图 图4 不锈钢外壳的1:1模型在详细设计阶段,路政署决定采用不锈钢外壳代替普通的含碳钢,以进一步改善桥塔设计,并再三加强金属饰面的耐用程度,毋须定期重新为钢结构表层髹漆。这项建议可大幅减低桥塔的维修需求。建造不锈钢外壳时会采用栓接预制组件的方法,避免在工地的高空焊接。此法可改善构筑物这个重要部分的可建性和保持预制不锈钢组件饰面的良好素质。我们委聘英国Ancon Buildings Products Ltd.的一名专家制造一个1:1的不锈钢外壳预制组件的模型。预制工程包括焊接预制的不锈钢组件和剪力键,以及用螺栓和螺帽焊接不同组件之间的接驳处。这项工作的目的,是要确定如使用适当的施工工艺,不锈钢表层的可达到良好的焊接饰面。图4显示模型的外观。 2.3 钢箱梁桥面桥面主跨及两端伸延至边跨49.75米长的部分为钢箱梁结构,两个箱梁并由横梁连在一起,在主跨部分的间距为18米,而在边跨部分的间距则为15米。桥面箱的内部的空气湿度会受到控制,以便提供低于相对湿度60%的环境。此举可有效预防钢箱内层腐蚀,从而减低在外层使用精密防蚀措施的需要。降低湿度系统的操作费用预计远远低于重新为桥面内层髹漆的费用。图5显示干燥空气在桥身的流动方向,而图6则显示一般抽湿机的安排。 图5 干燥空气在桥身的流动方向 图6 一般抽湿机的安排桥面外层会以下列髹漆系统保护:涂料 物料 厚度(μm) 底漆 锌环氧树脂 40 第一层防护漆 环氧云母氧化铁 150 第二层防护漆 环氧云母氧化铁 150 饰面 聚氨酯 50 (注:所有涂料须在预制场处理) 预计这套油漆系统会有20至30年使用寿命,此后需进行修补和补髹。 3. 维修考虑 3.1 风力及桥梁结构健康监察系统[3] 昂船洲大桥将会安装一套风力及桥梁结构健康监察系统,以监控大桥对不同荷载情况,包括风荷载、温度荷载和公路荷载的反应。这套系统包括一套感应器和用作输入讯息的对应连接组件。这些讯息来自各种监控设备,例如风速及风向仪、温度感应器、内置动力感应器、腐蚀感应器、湿度计、气压表、降雨测量器、应变仪、排水传感器、全球卫星定位系统及加速仪。这套系统在确保桥梁完整性、尽量降低维修费用和维持桥梁的使用寿命方面非常重要。此外,这套系统亦可检定设计/分析的假设和为操作人员提供重要参数,以便筹划其巡查和维修时间表/策略,从而确保大桥能安全和可靠地运作。图7显示在大桥安装的各种感应器 图7在大桥安装的各种感应器 3.2 维修通道[4] 桥梁设计的基本原则,是构筑物的所有重要部分均应设有通道,而有关设施的设计亦应符合这项原则。有关的主要考虑因素是通往构筑物所有重要部分的通道不得对交通造成任何滋扰,此举是由于昂船洲大桥是一条前往香港国际机场和货柜港的策略性主要干线。桥塔通道大桥桥塔会安装一部升降机,以便沿桥塔提供通道通往七层,包括地面、桥面、隔梁及一些指定的拉索锚固箱及锚固平台的顶部。此外,大桥亦会有25个通往其它锚固箱地点的中间站的限制通道。如须在此等中间层的其中一层进行维修工作,有关人员仍可经由一个限制使用的升降机站直接把重型设备运往平台。由于此升降机的开口尺寸太小,并不适合常规工作人员使用,但却足以运送有关设备。其内部尺寸为1.56米x 1.04米,荷载容量为700公斤。 图8 桥塔顶部吊架立视图 图9 穿梭车立视图桥塔顶部位于混凝土桥塔顶部的吊架,隐藏在桥塔顶部的照明设施后,被桥顶遮挡。桥塔顶部吊架包括一个由吊臂起重机吊起的托架。吊臂起重机设有可伸缩的吊臂,使托架在不使用时可收藏在桥塔顶部内。3000毫米阔的托架主要供一般使用,而1000毫米阔的托架则在拉索之间的窄隙使用。托架可沿桥塔以每分钟9米的速度一直下降至行车道10米以上的水平。若有需要,可由手动操作下降至桥面。图8显示桥塔顶部吊架的安排。桥面内的内部维修穿梭车大桥南面主梁的通道口会装设一道在轨道上滑行的自动维修穿梭车,以便运送设备和物料(参阅图9)。这穿梭车沿大桥滑动,其大小尺寸亦可穿过钢箱梁和混凝土穿梭车内的隔梁的设计通道孔。该穿梭车可容纳两名操作人员和150公斤重的设备。为改善自南至北主梁之间的通道,大桥会在每隔五条横梁的地方设置跨桥通道。箱梁桥面维修台大桥在主跨部份的桥面两侧将设有两个维修台,每个维修台均设有可伸延部分直达大桥桥底中心(参阅图10)。备有独立结构、马达、控制器等的维修台完全独立运作。有关的伸延部分让维修台可通往桥塔外的平台,而伸延部分上面的升降平台也可让工作人员检查倾斜腹板和横梁腹板。大桥在边跨部份的桥面两侧将也设有两个维修台(参阅图11),以作检查拉索锚固之用。检查桥底其它部份需用流动维修台。 图10 钢箱梁桥面维修台立视图 图11 混凝土箱梁桥面吊架立视图 4. 安全操作的考虑 4.1 防撞栏撞击测试进行防撞栏撞击测试的目的,是要在落实有关设计之前,研究防撞栏的坚固程度。有关测试由MIRA Ltd.在英国进行。从图12和图13可以看到,4-横栏比多索栏更能保护小车,因而获接纳为大桥的防撞栏设计。 图12 正在进行多索式防撞栏撞击测试 图13 正在进行4-横栏式防撞栏撞击测试 4.2 更换拉索将在昂船洲大桥使用的拉索属预制的平行钢丝索。平行钢丝索会放置在高密度的紧合聚乙烯管道内,以防止腐蚀。有关设计顾及两根相邻拉索同时破裂的极端情况。拉索的设计使用寿命为60年。承建商亦提出一套在技术上可行的拉索更换程序。 4.3 拉索风雨振的控制为避免驾驶人士感到不适和配合拉索的疲劳设计,我们为拉索振动制订验收准则。准则规定在150米高度于十分钟内的平均风速低于21米/秒时,在十分钟时间内的拉索振动的最大横向振幅须不超过1/1700乘以拉索长度。我们已在设计阶段进行风洞测试,以确定有关准则可符合适当的减振措施。承建商须进行风洞测试,以显示他们有意提供的拉索,在附加合适的减振措施,包括在拉索护层加上凹纹及安装阻尼器后,可符合此项准则。 4.4 桥塔阻尼系统桥塔顶部会安装大型调质阻尼器,以缓解可能由风引起并与桥轴互相垂直的窝激振动。调质阻尼器的阻尼比率须大于2.5%。阻尼装置的设计,须为当装置在风的作用下,有关的阻尼频率可调校至在运作状态中的桥塔的实际自振频率。我们预期调质阻尼器应属多阶的钟摆类型,好让钟摆可在桥塔顶部可用空间内摆动。 4.5 台风时的交通管理昂船洲大桥会在强风或台风吹袭期间实施一套交通管理措施,以确保驾驶人士的驾驶安全。当在大桥地点所量度的阵风风速超过若干指标时,我们便会实施相应的交通管理安排。我们会在大桥实施任何交通管理计划之前,透过交通管制及监察系统向驾驶人士预先发出警告。如大桥在强风情况下封闭,我们亦会提供回头设施,方便车辆使用替代路线。 4.6 航道安全昂船洲大桥会跨越蓝巴勒海峡的入口处通往全球其中一个最繁忙的货柜港。我们在设计大桥时考虑到把最低拱腹水平定于73.5m.P.D.,以便为下一代的船只通道提供足够的净空。此举会令昂船洲大桥桥面成为全球最高的桥面之一。具备此等较高航道净空有助缓解船只撞向大桥桥面的危险和改善航道安全。事实上,提供航道净空在另一方面亦受到民航规定的限制。根据有关的民航规定,大桥桥塔的高度不可超过308 m.P.D.。大桥的设计要同时符合此大跨度斜拉桥的民航和航道规定是桥梁工程师的其中一项最大挑战。 5.总结昂船洲大桥属大跨度的斜拉桥。它的规划、设计、施工及维修养护的工作对桥梁工程师是一项重大的挑战。路政署考虑到大桥作为一个地标性建筑物,举行了一项国际性设计比赛,以选出一个优美的方案作为大桥设计的蓝本。在设计比赛之后的一项重要任务就是要对大桥的设计进行优化[5],目的是要确保大桥的可建性及耐久性,亦需要考虑到大桥的维修养护的设施要到位,以及大桥可安全使用的关键问题。我们在大桥项目做了充分的前期工作,在上述各方面进行了全方位的研究。大桥项目在去年四月已开始施工,到现时以到达一个关键时刻,正是要实践前期工作所考虑的各项措施,以迎接这项辉煌成就在2008年顺利完成。 6. 致谢本文得到香港特别行政区路政署署长允许发表。并特此声明论文内任何见解谨代表作者们的个人意见而己。

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