文/苏权科，谢红兵

苏权科于 1988 年 9 月从长安大学（原西安公路学院）的公路系桥梁与结构工程专业毕业。从 2004 年开始一直到现在，他担任港珠澳大桥管理局的总工程师。

引言

港珠澳大桥横跨珠江口伶仃洋海域。从西侧登陆点珠澳口岸人工岛开始，到海中粤港分界线的 29.6km 这一段，是由粤港澳三地共同投资建设的（此段被称为主体工程），并且采用了岛桥隧结合的方案。其中，桥梁段的全长为 22.9km，里面包含 3 座通航孔斜拉桥。非通航孔桥则采用跨度 110m 的钢箱连续梁以及跨度 85m 的钢箱组合连续梁。大桥的设计使用寿命为 120 年。

港珠澳大桥使用约 16 千米的钢箱梁以及 6 千米的组合梁，它在国际上属于建设规模最为庞大的海上钢结构长桥。钢箱梁具备自重较轻的特点，组合梁也有此特点；钢箱梁承载能力较高，组合梁同样如此；钢箱梁整体性较强，组合梁也具备这一特性；钢箱梁耐久性和抗震性能较好，组合梁也具备良好的耐久性和抗震性能。这些优点使得它们能够适应港珠澳大桥标准化、大型化、工厂化、装配化的“四化”建设理念。“四化”建设能够缩短施工工期，能够改善海上作业条件，能够使施工的安全性和质量得到有效控制，还能够使施工对海洋生态环境和海上交通的影响减到最小。然而，大规模且大型化的钢结构制作与安装会给施工组织与控制以及安全管理带来巨大的挑战，在本文中着重对这些方面的问题进行综合论述和分析。

制约条件与建设理念

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港珠澳大桥平面位置示意见图1。

图1 港珠澳大桥平面位置

珠江口伶仃洋海域属于台风高发的区域，同时也是水文及防洪较为敏感的区域。并且，这里还是中国珍稀海洋动物白海豚的国家自然保护区。该海域是船舶进出中国南方最为重要的水域，中国在该海域的船舶航行密度是最大的。

港、珠、澳三地的体制不同，工程建设的管理模式和理念存在差异，对技术标准的总体要求较高。

1.2 建设目标及理念

港珠澳大桥管理局是由香港特别行政区政府、广东省人民政府以及澳门特别行政区政府共同组建而成的。它肩负着港珠澳大桥主体工程的建设任务，同时也承担着其运营、维护和管理等方面的职责。综合考虑三地的文化、环境、交通以及经济的可持续发展情况，还有本工程所具有的特殊意义。在项目开始的时候，经过三方政府的同意，管理局确定了本工程的总体建设目标为“建设一流的跨海通道，为用户提供优质的服务，成为地标性的建筑”。项目的建设理念主要包含以下方面：

全寿命周期进行规划，以需求来引导设计。项目规划一方面考虑建设期的需求，另一方面更要充分考虑运营管理以及维护保养的需求，这样就能保障工程在 120 年的全寿命周期内，其结构功能能够满足使用要求，并且成本处于最低水平。

6. 以此保证大桥建设的质量和耐久性。

开放且整合，注重自主创新：将港澳地区的国际化平台充分利用起来，把全球的优势资源进行整合，以此来为本工程提供服务。

（4）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和景观设计是紧密相连的。管理局觉得：成为地标性建筑，一方面体现在桥梁景观设计所呈现出的视觉效果，以及其中蕴含的人文、历史内涵和美好寓意；另一方面也体现在大桥建设者们的集体智慧、实践能力与创新精神，这些在桥梁建设同行和社会大众的心灵中能产生震撼力和认同感。

项目前期，管理局开展了初步设计和施工图设计的景观设计竞赛。经过专家评审以及三地政府的认可，最终确立了港珠澳跨海长桥岛、桥、隧相互交错、完美结合的景观理念与效果。

极具工业化和现代化的观感。上述全钢桥型结构选型独特，并且环保印记深刻，还形成了港珠澳大桥非通航孔桥独特的视觉效果。

3 座斜拉桥具有地标特色。九州航道桥是主跨 268 米的双塔斜拉桥，其钢混双塔像双帆，景观造型展现出乘风破浪、扬帆远行的意境。江海直达船航道桥为主跨 258 米的三塔斜拉桥，3 座钢主塔如同凌空腾跃、结伴嬉戏的中华白海豚，体现了对海洋生态的保护意识。青州航道桥是一座主跨 458 米的双塔斜拉桥。H 型混凝土框架桥塔的横梁采用了钢制“中国结”造型，这种造型具有传统民族文化元素。它寓意着团圆回归以及三地同心。[图 2(c)]。图 2(d)到图 2(f)展示的是港珠澳大桥的施工场景。

图2 3座斜拉桥景观与施工场景

钢结构选型

港珠澳大桥选用钢结构作为主选桥型，这一考虑涵盖了诸多方面。一方面是项目的建设制约条件，另一方面是全寿命周期成本理念，还有耐久性等因素。同时，这也与改革开放以来中国钢结构行业的迅速发展以及中国日益重视的环保理念紧密相连。一些主要的考虑因素如下：

抗震性能方面，由于阻水率的限制，非通航孔桥梁的承台都埋在了海床中。要解决水下墩台结合敏感区域能够维修和到达的难题，就必须保证在大震作用下墩台依然处于弹性状态。正交异性板钢箱形梁自身重量较轻，再结合减隔震技术的应用，既可以满足上述性能要求，又能够大幅降低下部结构的受力和造价。

钢结构桥梁目前有 120 年以上的正常使用记录。随着涂装技术不断发展，钢结构的实际寿命上限能够提高。

施工性方面。正如前面所讲，钢箱梁方案能够实现大跨吊装，组合梁方案也能够实现大跨吊装，这两种方案都符合“四化”建设理念，并且都可以缓解很多建设制约条件所带来的影响。

结构维护方面，除了桥面板存在疲劳问题之外，钢箱梁的维护可以简化为对涂装体系以及桥面铺装体系这两种“保护层”进行维护和维修。在维护策略上，能够降低海中上部结构进行大修的风险。

环保方面，钢结构材料能够循环利用。即便在其寿命终期后进行拆除，也不会给环境留下垃圾，属于可持续发展的绿色环保型材料。大规模使用钢结构，一方面有利于国家战略性资源储备，另一方面也符合中国当前对于钢结构行业的政策导向。

业主深刻认识到在钢结构的抉择过程中，蕴含着技术方面的风险、管理方面的风险以及挑战。通过开展一系列的专题研究，能够有针对性地去解决在设计、施工以及维养等环节中可能会遇到的难题，并且还形成了项目的专项技术标准。钢结构相关专题包含多个方面的研究。其中有钢箱连续梁合理构造系统的专题研究以及设计标准的专题研究；还有疲劳控制方面的研究以及相关试验研究；制造及安装关键技术也在研究之列；抗风性能试验研究同样包含其中；抗震设计和性能优化研究也属于此专题；钢箱梁防腐及维护关键技术的研究也被涵盖；自动化制造工艺的研究也在其中；正交异性板 U 肋相控阵无损检测技术的研究也包含于钢结构相关专题中。

钢箱梁设计

深水区非通航孔桥采用了大悬臂单箱双室钢箱梁。（图 3 显示了这一结构）这种钢箱梁的整幅刚度较大，整体的受力性能良好，外露的面积比较小，支座的数量较少，涂装以及维护的工作量也较小。设计阶段曾对全封闭钢箱梁进行过比选。全封闭箱的外形简洁且流畅，其外露面积较小，这使得后期养护涂装的工作量相对较小。然而，由于宽体箱的用钢量相对有所增加，风动力稳定方面的风险并未减少，并且建设费用较高，所以全封闭箱未被采纳。

图3 钢箱梁标准横断面（单位：mm）

正交异性板最大的风险是疲劳开裂。项目在研究了欧美、日本和中国相关钢桥的疲劳开裂病害以及规范后钢结构底漆 面漆，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，从而确定了对钢桥面板抗疲劳耐久性有利的细节构造；并且针对主要结构连接的焊缝设计、焊缝坡口形式、焊接方法以及焊缝内在质量的控制和检验方法，提出了明确的要求。U 肋板的厚度为 8mm，并且要求其与顶板角焊缝的熔透率大于 80%。图 5 展示的是所采用的横隔板以及横肋上 U 肋穿过部位的开槽形状。

图4 正交异性钢桥面板足尺模型疲劳试验

图5 U肋穿过部位的开槽形状(单位：mm)

钢箱梁的顶板最小厚度为 18 毫米；U 肋的中到中距离是 600 毫米，上口宽度是 300 毫米，下口宽度是 180 毫米，高度是 300 毫米，U 肋的高度和下口宽度比通常的情况有一定的增加；箱梁的实腹式横隔板间距为 10 米，在这之间设有 3 道横肋板。强化后的桥面体系能够使桥面板在轮载作用下的挠曲变形量减小，还能改善局部的传力路径以及应力分布情况，这对解决桥面板焊缝疲劳问题以及缓解钢桥面铺装问题是有帮助的。顶板 U 肋通常是以栓接的方式进行连接的。

钢箱梁疲劳设计的一个重要区域是悬臂板与钢箱梁外腹板的焊接部位。此部位会直接承受重车的作用。在设计中，除了对细节构造进行优化之外，还重点对该部位的疲劳性能进行了理论分析以及疲劳验算。悬臂钢桥在日本的应用较为广泛。其疲劳验算方法是以日本《钢构造物疲劳设计指南(修订版)》为参考的。在作用荷载方面，采用的是《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）中的车轮荷载，并将其提高 25%后的数值。

大悬臂整幅宽体箱形截面很新颖且独特，不过其气动外形较为钝。风洞试验研究表明：在低风速 22 米/秒以及 27 至 32 米/秒附近，主梁会出现竖向涡激振动。其振幅的最大值超过了《公路桥梁抗风设计规范》所规定的成桥振幅容许值。需要采取合适的措施来抑制其响应，从而避免引发桥梁构件疲劳、影响行车安全以及使用舒适性等问题。经过专题研究分析，同时借鉴国内外同类桥梁的经验，对于悬臂钢箱梁，采用了调谐质量阻尼器（TMD）制振方案，该方案如图 6 所示。

图6 钢箱梁调谐质量阻尼器

施工质量保证

港珠澳大桥主体桥梁工程建设属于世界级系统工程。其建设周期较长，施工会受到气候、海上交通以及环境条件的制约。技术难度较大，专业要求较高，涉及范围广泛，各标段施工配合的要求也很高。存在着较多不可预见或不确定的因素，容易在施工过程中出现质量控制的盲区或者灰色地带。

在编制施工指导性技术文件的过程中，这直接反映了对项目世界级跨海通道建设目标在施工规范和要求方面的考量。广泛收集并参考了国际上类似工程的经验，依据本项目的特点，制定了各施工环节的品质控制/品质保证（QA/QC）技术要求、质量控制和验收标准，还引入了像板单元自动化生产、大节段车间化拼装以及 U 肋超声相控阵检测等国际先进技术。质量管理重视承包人主要施工技术文件的编制与审查。除监理方和设计方进行审核外，还让咨询和质量管理顾问更多地参与到相关文件的审核以及施工现场管理中。定期巡查评估各单位质量体系的运行，目的是减少系统性质量风险。

编制了专项产品招标技术要求，且是特别系统地编制。这样做的目的是加强技术监管，监管的对象包括钢结构防腐涂料、桥梁检修车、除湿系统、伸缩缝、斜拉索、减隔震支座、不锈钢筋、调谐质量阻尼器和黏滞性阻尼装置等特殊材料和专项产品。要求专业供应商中标后提供设计方案，提供图纸，提供计算单，进行材料和产品的试验检验，提供重要 QA/QC 项点，同时要综合考虑设备的安装要求、运营维护要求和更换要求的完整技术文件。这些材料物资的质量对于保证桥梁结构安全、正常运营以及耐久性是非常重要的。其中有几个首次被使用的标准，像不锈钢钢筋方面的标准、桥梁检查车方面的标准、高阻尼橡胶减隔震支座方面的标准以及防腐涂料中对挥发性有机化合物（VOC）含量限制方面的标准，这些标准将会为中国相关行业标准的建立和完善提供有益的参考。

钢结构制作

港珠澳大桥所用钢结构总量非常大。其钢箱梁制造（含对应索塔钢结构制造）被分成 2 个标段。一个标段约 18 万 t，另一个标段约 16 万 t，合同工期为 3 年。与之对比，近期建成的美国加州旧金山新海湾大桥，钢结构总量是 4 万余 t，制造时间约 4 年。香港昂船洲大桥用钢量为 3 万余 t，制造时间约 3 年。港珠澳大桥的钢结构制作工作，仅 3 年时间的工作量，就等同于国际上类似钢结构制造项目 16 至 18 年的工作量。要在规定时间内，保质保量地完成钢结构制造任务，并且达到建设目标所要求的世界级质量水平，这是港珠澳大桥所面临的一项极为巨大的挑战。

传统的钢桥面板在加工组装以及焊接方面，大多采用半自动化的方式和人工操作。这样做存在质量控制风险大以及工效低的问题。为了能够满足“四化”的总体建设理念，并且保证其具备长寿命和高品质的要求，在钢结构制造中最为基本的板单元生产方面，尤其是正交异性钢桥面板，采用自动化、信息化生产是非常有必要的。港珠澳大桥的板单元制造数量约为 40 万 t，数量十分巨大。其同类构件数量较多，设计的标准化程度也很高，所以非常适合进行自动化生产。

中国钢结构制造行业近年积极采取行动，通过研发新工艺，配套新设备，以及对制造全过程进行细节管理，来提升产能和品质。新设备包含 U 肋加工流水线、U 肋自动装配机、U 肋多头龙门焊接系统以及机器人焊接系统等这些处于国际一流水平的智能化生产设备。制作新工艺涵盖反变形无码装配焊接，无损伤吊装、翻身技术以减少码板对母材的损伤，以及 U 肋角焊缝相控阵超声波检测技术等。

图7 U肋机器人自动焊接系统

招标技术规范要求港珠澳大桥钢结构组拼需车间化，招标技术规范要求港珠澳大桥钢结构涂装需车间化。这些理念的目的在于提高生产效率，目的在于最大限度改善工人工作环境，目的在于消除人为误差，目的在于提高制造精度以保证钢结构品质的稳定性。目前，项目板单元制造已经全部完成。超声相控阵检测结果显示：各标段正交异性板 U 肋与顶板的角焊缝熔深合格率都达到 99.9%以上。

海上安装

港珠澳大桥通过标准化工厂流水线生产以及大节段拼装的方式，把大量的现场施工转变为工厂制造，这样就大幅度减少了现场作业的时间，同时也缩短了工期；然而，大型结构构件在现场的安装，却增加了施工的难度和挑战性，这就需要配备更加现代化的大型吊装设备、大型陆上和海上转运设施，还要进行更加精细化的施工计划和操作管理，并且采取风险控制和安全防护措施。

钢箱梁通过逐跨浮吊进行架设，并且逐跨进行调位，同时在现场进行焊接。其接头处在钢梁的反弯点附近。多数情况下，吊装质量（不包含吊具）在 1600t 到 2900t 之间有所不同。采用大吨位的浮吊，如 4000t、3200t、2200t 来进行吊装或者抬吊。桥梁工程中最大钢梁的吊装质量约为 3500t（不含吊具）。跨越油气管线是本项目大节段吊装过程中最大的安全风险点（图 8）。

图8 跨越油气管线双浮吊抬吊

安装精度通过工厂车间试拼以及现场调配的方式来实现。通过全过程施工监控，能够对不同阶段施工制造误差进行控制和调整，这样可以避免在安装时出现误差积累。如前文所述，全桥采用减隔震支座体系，而减隔震支座能否在安装现场方便地进行预偏量调整，对于保证结构抗震安全是非常重要的。

由于澳门机场航空限高的限制，九州航道桥主塔上塔柱的安装采用了一种创新的整体提升竖转方案。该施工分为两个步骤，第一步是借助大型浮吊，把大约 70 米长、质量为 1000 吨的上塔柱整体吊装到桥面滑道上；第二步是利用在塔身两侧搭建的临时提升吊架，通过提升和滑移的方式，完成整体竖转（图 9）。

图9 九州航道桥钢塔竖转

江海直达船航道桥主塔含吊具总质量约为 3100 吨，其长度为 105 米。该主塔采用海上浮吊抬吊转体就位安装，如图 10 所示。像这样体量的大型钢塔吊装，在国内外都没有成熟的经验可供借鉴，这是项目吊装中最大的重量和难点。施工时借助完善的施工组织设计以及全面的操作演练模拟，从而制定出更加详细的操作规程、调控与监控计划，以及实施细节和风险控制措施。

图10 成功抬吊竖转安装的首个江海桥钢塔

青州航道桥塔柱“中国结”钢横撑的高度约为 50 米，质量约 450 吨。它被分作 5 个节段，通过塔顶吊机逐段进行拼装（如图 11 所示）。结形撑的 4 个端头要在高空与混凝土塔柱中的预埋件进行焊接连接，其余节段的接头则采用螺栓连接。结形撑的钢结构与混凝土塔柱需要精确匹配，这难度极大，在高空进行组装在中国也是首次。

图11 塔顶吊机吊装结形撑

港珠澳大桥附近水域航路较为密集，相互交错。船舶流量较大，交通情况较为复杂。大桥的建设促使桥区附近工程船舶数量大幅增加，通航的风险也随之变得更大。桥梁大型构件的运输以及临时航道的转换等特殊作业，使得交通组织和管制工作以及现场警戒与护航等安全保障工作变得更为重要。港珠澳大桥与交通运输部海事局展开合作，为这个项目构建起了完备的海事安全管理体系。这一体系得以成功实施，从而实现了对上述那种大型吊装作业的保障护航作用。

防护涂层及维护

港珠澳大桥的钢结构涂装面积大概是 580 万 m2，涂料的使用量大约是 390 万 L。钢结构的涂装体系对于钢结构的防锈防腐有着极为重要的作用，能够确保其承载能力、使用功能以及耐久性。钢箱梁内部采用较低膜厚涂层，同时采用除湿系统，以保证钢箱梁内部空气相对湿度小于 50%。

因为涂料有害物质会对施工人员健康和海洋生物造成潜在危害，再加上中国涂料技术的现状以及日益严格的环保需求，同时参考国内外尤其是香港地区的技术指标和规定，依据三地建设标准“就高不就低”的原则，港珠澳大桥使用的涂料产品，除了具备常规的技术指标之外，还增添了 VOC 含量限值、游离六亚甲基二异氰酸酯/甲苯二异氰酸酯（HDI/TDI）含量（质量分数，下文同）以及有害物质含量限制等 3 项环保性能指标（表 1），从而为在中国桥梁建设领域推广环保型涂料做出了努力。

表1 涂料产品环保性能技术指标

港珠澳大桥跨海距离较为漫长，其结构长期处在高温且高湿的海洋腐蚀环境之中，这使得桥梁的检查与维护工作不仅量大，而且难度颇高。基于此，在设计之初就开展了桥梁涂装与检修设施相结合的专题研究，为钢箱梁配备了较为完备的箱内检修车系统以及箱外检修车系统（图 12）。箱外检修车为钢箱梁的再涂装提供了解决方案。它具备自动旋转过墩的能力，能过伸缩缝，还能自动爬坡，可自动走行，并且能适应不同梁宽。港珠澳大桥桥梁段约 23km 配备了 28 台箱内检修车和 34 台箱外检修车，同时拥有检修车位置查询功能和电池智能化管理功能，以便于后期的维养和管理。

图12 梁外检修车走行试验

钢桥面铺装

世界各国各区域的喜好与气候环境和交通情况等密切相关，所以大都有自己喜好的钢桥面铺装类型。正交异性板钢箱梁在中国桥梁中的应用起步较晚，然而国际上一些典型的桥铺类型在中国内地都能找到对应的桥例，不过这些桥例的表现要么尚不尽如人意，要么尚待时间的检验，因此钢桥面铺装一直以来都是桥梁人需要面对的一项挑战。港珠澳大桥的钢桥面铺装规模较为巨大，其面积超出了 50000 平方米。并且该钢桥面铺装位于温暖潮湿的亚热带海洋季风气候区，这使得情况变得更加复杂。

前述在进行钢箱梁截面设计时，已经考虑到要对正交异性钢桥面板的刚度进行加强。这样做的目的是希望能够减少由于桥面板在汽车轮载的直接作用下所产生的局部变形，进而对桥面铺装产生的影响。本项目与香港地区在气候环境和交通条件方面相似。香港青马大桥采用的英国浇注式沥青砂胶（MA）铺装已运行了 16 年（至 2013 年）且未进行大修。同时，深港西部通道和昂船洲大桥的桥铺实践也被参考。港珠澳大桥拟选用甲基丙烯酸甲酯（MMA）类防水黏结层、港珠澳浇注式沥青（GMA）以及沥青玛蹄脂（SMA）的铺装方案，其总厚度为 7 厘米。GMA 考虑到工效因素，在施工 MA 时需要采用德国浇筑式沥青（GA）的一次拌和工艺。同时，大规模铺装层施工质量控制的敏感性以及修复和再铺装的便捷性，这些都是方案选型时需要重要考虑的因素。

在桥面铺装方案设计阶段，先是在实验室进行了研究，接着在中山进行了钢箱梁足尺模型桥面铺装加速加载试验（图 13），并且对比了 MA+SMA 和 GMA+SMA 的高温稳定性以及低温疲劳试验。试验结果显示，GMA+SMA 方案在各方面性能上能够达到甚至超越 MA+SMA，能够满足港珠澳大桥 15 年的设计使用寿命要求。

图13 桥面铺装加速加载试验

目前，项目承包方已依据加速加载试验明确的混合料技术指标以及施工要求，完成了 GMA 的生产配合比设计与试验段试铺。各项技术指标以及施工性能均满足设计要求。2016 年底，正式开启了桥面铺装施工。并且，在桥面铺装施工过程中，大胆进行了工艺创新，采用了 MA 的集料配比，按照 GA 工艺进行拌和。相关的实践效果还需要时间来检验。

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结语

港珠澳大桥管理局为达成工程建设目标，在以下方面做了大量卓有成效的努力：挑选世界一流的设计、咨询和施工团队；建立各级协调管理制度和审核工作机制；借鉴国际规范标准，制定项目技术规范和验收标准；开展项目管理工作钢结构底漆 面漆，应用先进施工技术并进行工艺创新。相关经验和结果总结如下：

钢箱梁具有标准化、工厂化、大型化的生产要求，这促进了钢结构各个施工环节的工艺创新；同时，机械化、自动化、信息化技术得到应用，提升了中国桥梁钢结构加工企业的总体制作能力和管理水平。

海上进行装配化施工，这促进了海上大型设备的开发与应用，同时也推动了吊装工法的创新。其成功的经验为海上工程的设计与施工开辟了新的途径。

借鉴国内外相关经验与规范，将其与港珠澳大桥工程特点相结合，编制了钢箱梁的加工制造技术规范、安装技术规范，以及质量验收标准，还有一系列桥梁产品和材料的技术要求，这样就使全过程控制的理念能够得以有效实施。

为用户提供优质服务体现在多个方面。一方面体现在设计标准和建设质量上；另一方面还包括后期运营维护系统的规划，其中包含三地跨境一体化运营的规划以及维护政策的规划，并且要实现这些规划的有效实施，相关工作目前仍在持续进行中。

注：本文发表于2016年第12期《中国公路学报》。